注塑件內(nèi)應(yīng)力形成機理及消除方法探討

范聯(lián)甫

摘 要：介紹了注塑件內(nèi)應(yīng)力的形成機理，分析了影響內(nèi)應(yīng)力的各種因素，從注塑工藝參數(shù)設(shè)定、塑料材料選型及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面給出了消除內(nèi)應(yīng)力或減輕內(nèi)應(yīng)力的措施。

關(guān)鍵詞：注塑成型；內(nèi)應(yīng)力；影響因素；消除方法

中圖分類號：TB33 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0018-03

Abstract： This paper introduces the forming mechanism of internal stress of injection molded parts， analyzes on various factors affecting internal stress， and puts forward some measures to eliminate or lighten internal stress from the aspects of setting of injection molding process parameters， selection of plastic materials and design of mould structure， etc.

Keywords： injection molding； internal stress； influencing factors； elimination method

1 概述

目前塑料制品在社會生活的各個領(lǐng)域中所占的比重越來越大，使用量已經(jīng)遠超鋼鐵等材料，被廣泛應(yīng)用于電子、包裝、化工等領(lǐng)域，在需求的驅(qū)動下，塑料制品的加工工藝技術(shù)等也得到了迅速發(fā)展，使其在國家的社會經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。與此同時如何進一步提高注塑件的質(zhì)量也顯得尤為重要，正如大家所知，注塑件由于應(yīng)力的存在會嚴重影響其品質(zhì)，為此有必要對內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生機理、影響因素及改善方法加以分析。

2 內(nèi)應(yīng)力的分類及形成機理

2.1 內(nèi)應(yīng)力的分類

注塑件內(nèi)應(yīng)力是塑料經(jīng)熔融后在注塑加工過程中由于受所選用塑料材料本身特性和注塑工藝參數(shù)（模具溫度、注塑壓力、注塑溫度、保壓時間等）等多種原因影響而產(chǎn)生。內(nèi)應(yīng)力在塑料制品中都會有不同程度的存在，嚴重時會使零件出現(xiàn)翹曲變形甚至直接斷裂。注塑件最常見的主要內(nèi)應(yīng)力有三種基本類型：第一種：注塑過程中熔體在注塑壓力作用下使分子鏈沿注塑流動方向定向排列后被凍結(jié)而產(chǎn)生取向應(yīng)力。第二種：在注塑完成后冷卻時，由于模具各部分的冷卻溫度不一致導(dǎo)致制品產(chǎn)生冷卻應(yīng)力。第三種：注塑件在成型后由于模具的頂出機構(gòu)設(shè)計不均勻造成頂出零件時出現(xiàn)變形、泛白等現(xiàn)象而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

2.2 內(nèi)應(yīng)力的形成機理

注塑件內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生是由很多種原因所造成，比如在加工過程中流動的內(nèi)、外層熔體之間產(chǎn)生的剪切作用、加工過程中造成的各部位不均勻一致的冷卻速度和加工過程中造成的塑化和制品脫模受力不均勻等都會引起內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。主要有以下幾種原因：

（1）注塑過程中，熔體在沿流道或型腔流動時外層流體首先遇到溫度較低的模具腔壁而迅速冷卻從而導(dǎo)致熔體外層的粘度高于內(nèi)層，這樣使內(nèi)層的流動速度比外層快而在內(nèi)外層形成剪切應(yīng)力，因此取向就在沿注塑流動方向上形成（如圖1、2），這種狀態(tài)被凍結(jié)后在內(nèi)部形成了取向應(yīng)力。

（2）塑料制品形狀及壁厚原因，尤其是厚壁制品在冷卻過程中，由于表面的冷卻快而先收縮，從而表面的收縮被內(nèi)部限制以使內(nèi)部處在受壓的狀態(tài)，但表面處于受拉的狀態(tài)，這種冷卻內(nèi)應(yīng)力從表面到內(nèi)部越來越大且呈拋物線變化。另外，塑料制品形狀和切面的變化使注塑過程中熔料在尖角處的流態(tài)發(fā)生急劇變化而產(chǎn)生很大的應(yīng)力。

（3）塑料制品中如果有金屬鑲件也會造成塑膠中有應(yīng)力產(chǎn)生，主要為兩種材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)不一致所致。

3 影響注塑件內(nèi)應(yīng)力的因素

注塑過程中完全消除內(nèi)應(yīng)力幾乎不可能，但可以通過分析其影響因素、采取有效措施將可以最大限度的降低內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，從而把內(nèi)應(yīng)力對制品的性能影響程度降到最低。

3.1 工藝參數(shù)對內(nèi)應(yīng)力的影響

在塑料制品的成型過程中，塑料制品的冷卻均勻充分及脫模時塑料制品受到的脫模力均勻一致都能有效的降低塑料制品的成型應(yīng)力，但在制品成型過程中的注塑工藝參數(shù)對產(chǎn)品應(yīng)力影響也很大，主要有以下幾種：

3.1.1 注塑機料筒溫度

注塑工程中采用較高的料筒溫度，有利于降低塑料的流動粘度，減小塑料制品中的取向應(yīng)力。反之當(dāng)?shù)蜏囟瘸淠r會導(dǎo)致粘度升高從而增加形成取向應(yīng)力的概率，導(dǎo)致成型冷卻后的制品內(nèi)部會積累較多的殘余內(nèi)應(yīng)力。但是當(dāng)料筒溫度過高或過低時都不利于應(yīng)力的降低，因為過高溫度時會使零件造成不均勻冷卻以使其在從模具中被頂出系統(tǒng)頂出時變形而造成脫模應(yīng)力的增大。

3.1.2 模具溫度

在注塑過程中結(jié)合所采用的材料特性確定模具采用合適的溫度有利于減小制品的應(yīng)力，成型過程中如果模具采用的模溫或過高、或過低都增大了應(yīng)力的形成。模溫較低會使在沖模過程中熔體遇到較低模溫而使熔體產(chǎn)生冷卻產(chǎn)生不均勻收縮而形成冷卻內(nèi)應(yīng)力，同時，模溫過低時，熔體粘度增加從而形成明顯的取向應(yīng)力。模溫適當(dāng)提高對塑料晶粒的堆砌和降低晶體內(nèi)部的缺陷從而減少其內(nèi)應(yīng)力有利。

3.1.3 注射壓力和保壓壓力

注塑過程中的注射壓力過高時會使熔體在充模過程中受到的剪切作用增加從而使其產(chǎn)生取向應(yīng)力的幾率也增大；因此，注塑時適當(dāng)降低注射壓力可以對降低取向應(yīng)力和消除脫模應(yīng)力起到一定作用。注塑過程中保壓壓力的大小對制品內(nèi)應(yīng)力的影響也很大，在保壓過程中伴隨著時間的推移、溫度的降低使熔體粘度增加，此時若增加高壓會形成很大的取向應(yīng)力。

3.1.4 注射時間和保壓時間

注塑過程中過快的注射速度或過慢的注射速度都會使制品應(yīng)力增加，當(dāng)過快時容易引起很大的取向應(yīng)力，過慢時塑料熔體進入模腔后會很快冷卻而形成熔化痕，此時會產(chǎn)生應(yīng)力集中而使制品開裂。因此注塑時可以結(jié)合制品情況進行采用不同的注塑速度，減小形成應(yīng)力的風(fēng)險。

3.2 塑膠制品的設(shè)計

在設(shè)計塑膠制品結(jié)構(gòu)時就結(jié)合具體外觀充分考慮成型工藝性進行優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計對后續(xù)減小產(chǎn)品應(yīng)力有很大作用，在設(shè)計結(jié)構(gòu)過程盡量使制品的壁厚均勻以利于材料流動，盡量在壁厚突變部分盡量采用逐步過渡的方式來完成，在零件轉(zhuǎn)角部分盡量采用圓弧轉(zhuǎn)角（如圖3、圖4）。另外塑料制品中需要嵌件時，嵌件材料的選用、嵌件外形的設(shè)計及嵌件周圍的制品結(jié)構(gòu)設(shè)計等都與最終應(yīng)力的形成有很大關(guān)系。

3.3 模具的設(shè)計

塑料制品應(yīng)力的形成與模具設(shè)計的實現(xiàn)方式也有很大關(guān)系，結(jié)合具體塑料制品形狀進行合理的澆口尺寸設(shè)計以利于成型過程中的補料，降低注塑時間，使制品在合理的時間、壓力范圍內(nèi)得到成型以減少應(yīng)力形成；結(jié)合具體塑料制品形狀進行合理的澆口位置選擇也可以減小塑料制品應(yīng)力形成，比如將澆口選擇在壁厚較厚的地方就有利于降低零件的取向應(yīng)力；另外，在設(shè)計模具時對流道尺寸、冷卻系統(tǒng)及頂出系統(tǒng)進行綜合充分考慮都能有效的降低后續(xù)在零件成型過程中的應(yīng)力形成。

3.4 注塑材料的選擇

在滿足制品使用要求的前提下進行合理的材料選擇也有利于制品成型后內(nèi)應(yīng)力的減小或消除，比如選用純度較高材料，或者在原有材料中增加有利于降低應(yīng)力的材料、或者對材料進行改性處理等都可以達到降低制品內(nèi)應(yīng)力的目的。

4 注塑件內(nèi)應(yīng)力的消除

塑料制品在注塑成型或機械加工后立即對其進行熱處理將有效降低加工過程中形成的內(nèi)應(yīng)力，從而使制品內(nèi)部的應(yīng)力得到釋放，使不平衡構(gòu)象重新恢復(fù)到平衡構(gòu)象。注塑件如果選用的材料分子鏈的剛性很大且玻璃化溫度很高、或注塑件的壁厚較厚且又帶有金屬嵌件、或注塑件的使用環(huán)境溫度范圍較大且尺寸精度要求又較高、或注塑件不能自消除內(nèi)應(yīng)力且其外形又較大以及注塑后經(jīng)過機械加工的注塑件都需進行熱處理。一般注塑件的熱處理溫度稍低于制品熱變形溫度5～10℃左右或高于制品使用溫度15～20℃左右；制品熱處理時間由于受制品材料種類、壁厚、注塑時的工藝等因素影響，一般情況下需要2小時左右，但如果是壁厚較厚的制品，則熱處理時間需要長一些。

通常制品熱處理是將其放入液體（如：水、甘油、乙二醇等）中或放入烘箱中加熱到一定溫度并恒溫一定時間后再緩慢冷卻到室溫。一般情況下應(yīng)將制品在脫模后立即進行熱處理，這樣對改善內(nèi)部內(nèi)應(yīng)力和其性能的效果更為顯著；此外，對脫模后制品進行適當(dāng)保溫處理或在成型過程中通過改變注塑工藝（提高模具溫度、延長冷卻時間等）都有類似熱處理的作用。

通過熱處理要想完全消除制品的內(nèi)應(yīng)力是不可能的，該方法只是作了有效降低處理，因此不應(yīng)將其作為消除或降低應(yīng)力的唯一措施，因為有些材料在熱處理時間稍長后會使材料本身的分子鏈發(fā)生改變從而對制品的機械性能產(chǎn)生負面影響。因此在采用降低制品內(nèi)應(yīng)力方法時要從注塑工藝、材料選用、制品外形等方面進行綜合考慮。

5 結(jié)束語

總之，結(jié)合本文討論的對制品產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力影響的相關(guān)因素，需要通過對制品從外形結(jié)構(gòu)設(shè)計到材料選擇以及到模具設(shè)計、注塑工藝等方方面面進行綜合分析并結(jié)合給出的優(yōu)化措施可以使成型制品的性能得到優(yōu)化并能完全滿足使用要求。

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