注塑成型相關(guān)問題產(chǎn)生原因及解決方法研究

范宏軍 繆永華

摘 要：對(duì)塑料制品在注射成型過程中常見缺陷的產(chǎn)生進(jìn)行了分析，闡述了影響塑件注射成型質(zhì)量的幾種主要因素。從成型工藝控制、模具及塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等角度，探討了各方面條件對(duì)成型缺陷的影響程度，提出了防止質(zhì)量缺陷產(chǎn)生，獲得優(yōu)良注塑件的措施。分析了強(qiáng)度設(shè)計(jì)、應(yīng)力變形分析、熔接痕的研究。

關(guān)鍵詞：注塑成型;缺陷;強(qiáng)度設(shè)計(jì);應(yīng)力分析;熔接痕

1 引言

塑料制品廣泛用于家用電器、玩具和汽車等各個(gè)領(lǐng)域，其生產(chǎn)以注射成型為主。塑料以其質(zhì)量輕、設(shè)計(jì)空間大、制造成本低、性能優(yōu)異的顯著特點(diǎn)， 成為了二十一世紀(jì)汽車、電子、家電等工業(yè)領(lǐng)域最好材料的選擇之一。尤其是工程塑料， 以其較高的拉伸強(qiáng)度、彎曲彈性模量、耐熱性，在有承載要求的結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用日益廣泛。為達(dá)到預(yù)期使用壽命， 工程師采用傳統(tǒng)的思路——安全系數(shù)來設(shè)計(jì)產(chǎn)品。但注塑件設(shè)計(jì)的失敗通常發(fā)生在設(shè)計(jì)者不明白不同載荷條件下的安全系數(shù)與塑料的行為（呈現(xiàn)與時(shí)間、溫度相關(guān)的黏塑性）的關(guān)系， 以及注塑加工過程對(duì)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的影響， 從而導(dǎo)致注塑件斷裂、變形的各種失效。但在成型過程中，由于受材料、模具、成型設(shè)備等多種因素的影響，制品的質(zhì)量經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種各樣的缺陷。理解質(zhì)量缺陷形成的過程和原因，掌握消除制品缺陷的方法對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有非常重要的作用?，F(xiàn)列舉幾種常見的缺陷作以扼要分析論述。

2 常見塑件缺陷及預(yù)防措施

2.1 飛邊

現(xiàn)象：當(dāng)塑料熔料被迫從分型面擠壓出模具型腔而產(chǎn)生薄片時(shí)便形成了飛邊，又稱溢邊、披鋒、毛刺等

主要原因及解決方法：

（1）模具缺陷：這是產(chǎn)生溢料飛邊的主要原因，必須認(rèn)真檢查模具分型面是否貼合，是否有縫隙或損傷，特別是在大型成型品的情況下，模具可能都會(huì)發(fā)生變形，此時(shí)，有無支柱對(duì)飛邊也有影響。如果沒有支柱，變形縫隙就會(huì)增大，飛邊也會(huì)增多。

（2）合模力不足。應(yīng)檢查合模力設(shè)定值，加大合模力，或考慮減少型腔數(shù)及改用合模噸位大的注塑機(jī)。

（3）熔料過熱。應(yīng)適當(dāng)降低料筒溫度、噴嘴及模具溫度，加快樹脂固化，這樣飛邊就不容易出現(xiàn)。同時(shí)，應(yīng)選用流動(dòng)性稍低的原料，否則樹脂流動(dòng)性越好，樹脂就越容易進(jìn)入縫隙，因此飛邊也就越大。

（4）工藝條件控制不當(dāng)。必須做到①延緩注射速度;②降低注射壓力。

2.2 熔接痕

現(xiàn)象：由于來自不同方向的熔融樹脂前端部分被冷卻、在結(jié)合處未能完全融合，一般情況下主要影響制品的外觀，嚴(yán)重時(shí)對(duì)制品強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

主要原因及解決方法：

（1）注射壓力太小或注射速度慢。必須提高注射速率，增加注射壓力，使熔料在高壓下快速充模，以達(dá)到良好的自然熔合。

（2）料溫或模溫太低。低溫熔料的分流匯合性能較差，容易形成熔接痕。對(duì)此，應(yīng)適當(dāng)提高料筒、噴嘴及模具的溫度，或者延長注射周期，促使料溫上升。

（3）制品形狀不良。塑件結(jié)構(gòu)如果設(shè)計(jì)不合理，壁厚薄不均勻，使熔料在薄壁處匯合。所以在設(shè)計(jì)塑件形體結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)確保塑件的最薄部位必須大于成型時(shí)允許的最小壁厚。此外，應(yīng)盡量減少嵌件的使用且壁厚盡可能趨于一致。

（4）模具排氣不良。檢查冷卻系統(tǒng)和排氣孔情況。如果模具排氣不良，需在可能產(chǎn)生熔接線位置開設(shè)排氣槽或增加排氣孔，使型腔內(nèi)殘留空氣和揮發(fā)成份排出順暢。從而提高其熔結(jié)效果。

2.3 翹曲和變形

現(xiàn)象：制品翹曲變形是指注塑件的形狀偏離了模具型腔的形狀，這是注塑件常見的缺陷之一。

主要原因及解決方法：

（1）由成型條件引起殘留應(yīng)力造成變形?？赏ㄟ^降低注射壓力、提高模具溫度并使模具溫度均勻以及提高樹脂溫度來解決。當(dāng)然這也可能和產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、進(jìn)膠口的位置選擇有關(guān)。

（2）冷卻不當(dāng)。對(duì)于模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)盡可能在貼近溫度容易升高、熱量比較集中的部位設(shè)置冷卻回路。

（3）注塑件壁厚不均造成收縮不一致。因冷卻速度不同和產(chǎn)生紊流而造成尺寸不穩(wěn)定及制品變形;薄壁部分的熔體冷卻迅速，粘度提高，引起翹曲。設(shè)計(jì)塑件結(jié)構(gòu)時(shí)，在可能的條件下應(yīng)盡量使壁厚均勻一致，加強(qiáng)筋也需要布置均勻。

2.4 裂紋

現(xiàn)象：成型制品表面開裂形成裂縫叫做裂紋，是塑料制品較常見的一種缺陷，其主要成因是塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不良和應(yīng)力變形所致。這里的應(yīng)力主要包括殘留應(yīng)力和外部應(yīng)力。

主要原因及解決方法：

（1）制品設(shè)計(jì)不合理。塑件結(jié)構(gòu)中的尖角及缺口處通常會(huì)導(dǎo)致部件有缺陷及應(yīng)力集中，導(dǎo)致塑件表面產(chǎn)生裂紋及破裂，因此塑件的轉(zhuǎn)角都應(yīng)盡可能采用最大半徑做成圓弧。這樣不但可減低應(yīng)力集中的因素，而且可以使塑料流動(dòng)得更順暢和成品脫模時(shí)更容易。

（2）充填過剩，殘留應(yīng)力太高引起的龜裂，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行消除：

①如果龜裂最主要產(chǎn)生在直澆口附近，那么依據(jù)直澆口壓力損失最小的特點(diǎn)，可考慮改用多個(gè)針形點(diǎn)澆口、側(cè)澆口及柄形澆口等方式。

②因?yàn)樽⑸鋲毫εc殘余應(yīng)力是正比例關(guān)系，所以也可以通過降低注射壓力，以減小殘余應(yīng)力。這是一種最簡便的方法。

③一般情況下，模溫較低時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)力，故可適當(dāng)提高模具溫度。

④注射和保壓時(shí)間過長也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。應(yīng)將其適當(dāng)縮短，或進(jìn)行多次保壓切換效果較好。

（3）外力導(dǎo)致應(yīng)力集中。如果模具型腔脫模斜度不夠，塑件表面也會(huì)出現(xiàn)擦傷形成褶皺花紋。出現(xiàn)這類缺陷后，應(yīng)認(rèn)真檢查和校調(diào)頂出裝置，使頂針順利頂出制品而不發(fā)生沖撞。頂桿應(yīng)設(shè)置在脫模阻力最大部位，如臺(tái)、加強(qiáng)筋等處。

3 注塑件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

3.1 注塑件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

安全系數(shù)是衡量產(chǎn)品能達(dá)到預(yù)期使用壽命的能力， 它給出了零件在任意操作條件下都不會(huì)失效的保證。與金屬零件不同， 對(duì)于塑料注塑件而言， 其安全系數(shù)的設(shè)計(jì)不僅僅要考慮材料本身的性能， 還應(yīng)該能補(bǔ)償零件從加工到成型整個(gè)過程的缺陷， 以及后續(xù)使用過程的波動(dòng)。注塑件的安全系數(shù)分為材料性能安全系數(shù)、設(shè)計(jì)安全系數(shù)、加工過程安全系數(shù)以及操作條件安全系數(shù)。

3.2 注塑件的強(qiáng)度預(yù)測(cè)

塑料件的強(qiáng)度不僅依賴于材料本身， 也與零件幾何形狀、施加在零件上的載荷特點(diǎn)、注塑成型缺陷等有關(guān)。制造商對(duì)最終出貨產(chǎn)品的檢驗(yàn)驗(yàn)證， 包括耐久性驗(yàn)證、承載能力、高溫高濕測(cè)試等， 非常重視。但這些性能若等到試模樣品才能進(jìn)行， 則風(fēng)險(xiǎn)高得多。因此， 需要對(duì)注塑件的強(qiáng)度及其加工過程進(jìn)行預(yù)測(cè)，而傳統(tǒng)的解析計(jì)算方法對(duì)復(fù)雜零件幾乎難于應(yīng)用。通用數(shù)值模擬軟件如Ansys、Marc等， 能夠利用零件的3維CAD模型， 虛擬施加預(yù)期應(yīng)用場(chǎng)合的載荷或其他條件后， 預(yù)測(cè)出零件的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)強(qiáng)度， 更為準(zhǔn)確地計(jì)算零件的設(shè)計(jì)安全系數(shù)， 以優(yōu)化零件設(shè)計(jì)。注塑件的專用模流分析Moldflow、HSCAE及Moldex等軟件， 能夠預(yù)測(cè)塑料在注塑模具內(nèi)的充填、冷卻情況和由此帶來的成型缺陷， 包括：熔接痕、氣泡、應(yīng)力集中， 更為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)注塑缺陷所帶來的安全系數(shù)損失， 以優(yōu)化模具設(shè)計(jì)及工藝設(shè)定， 從而減少零件差錯(cuò)， 降低生產(chǎn)成本。

4 注塑件的應(yīng)力變形分析及解決對(duì)策

4.1 注塑工藝對(duì)制品應(yīng)力變形的影響

塑料在塑化階段即由玻璃態(tài)的料粒轉(zhuǎn)化為粘流態(tài)， 提供充模所需的熔體。在此過程中熔體在軸向、徑向（相對(duì)螺桿而言）的溫度差會(huì)使制品產(chǎn)生應(yīng)力;另外， 注塑機(jī)的注塑壓力、注射速率等參數(shù)也會(huì)極大地影響充填時(shí)塑料分子的取向程度， 進(jìn)而引起應(yīng)力不平衡而導(dǎo)致制品變形。熔融態(tài)的塑料在注塑壓力的作用下充入模具型腔并在型腔內(nèi)冷卻、凝固的過程是注射成型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在這個(gè)過程中溫度、壓力、速度三者的相互耦合作用對(duì)注塑件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率均有極大的影響。較高的壓力和流速會(huì)產(chǎn)生高剪切速率， 從而引起平行于流動(dòng)方向和垂直于流動(dòng)方向的塑料分子取向有所差異， 同時(shí)產(chǎn)生“凍結(jié)效應(yīng)”。這種“凍結(jié)效應(yīng)”將產(chǎn)生凍結(jié)應(yīng)力而形成注塑件的內(nèi)應(yīng)力。溫度對(duì)注塑件變形的影響體現(xiàn)在3 個(gè)方面：（1）注塑件上、下表面溫度差會(huì)引起熱應(yīng)力而產(chǎn)生熱變形;（2）注塑件不同區(qū)域之間的溫度差將引起不同區(qū)域間的不均勻收縮而產(chǎn)生應(yīng)力變形;（3）不同的溫度狀態(tài)會(huì)影響注塑件的收縮率而產(chǎn)生變形。

另一方面， 注塑件在脫離型腔并冷卻至室溫的過程中多處于聚合物的玻璃態(tài)會(huì)對(duì)各種應(yīng)力進(jìn)行放大而產(chǎn)生變形。脫模力不平衡， 推出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)， 或脫模頂出面積不當(dāng)?shù)染资怪破纷冃?。同時(shí)在充模階段和冷卻階段塑料分子產(chǎn)生的“凍結(jié)”會(huì)使注塑件脫模后的內(nèi)應(yīng)力因失去外界的約束而以變形的形式釋放出來， 導(dǎo)致制品翹曲。

消除制品應(yīng)力變形缺陷， 首先在模具設(shè)計(jì)階段就必須考慮到填充過程中收縮的影響， 特別是收縮不均衡的影響。熔融的塑料在注射充模階段由于其分子沿流動(dòng)方向取向而使得熔料在流動(dòng)方向的收縮率比垂直方向的收縮率大， 使注塑件產(chǎn)生收縮應(yīng)力而發(fā)生變形。所以模具設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)料流的方向制定不同的收縮率。結(jié)晶性塑料在流動(dòng)方向與垂直方向的收縮率之差較非結(jié)晶性塑料大， 而且其收縮率也較非結(jié)晶性塑料大。結(jié)晶性塑料的較大的收縮率與其收縮的異向性疊加后導(dǎo)致注塑件變形的傾向較非結(jié)晶性塑料大得多。所以在設(shè)計(jì)注塑件和計(jì)算模具的成型尺寸時(shí)， 必須優(yōu)先考慮到收縮引起應(yīng)力不均衡的因素， 收縮率的選取應(yīng)根據(jù)注塑件原料的性質(zhì)、制品形狀不同進(jìn)膠口位置、料流方向等因素而給出合適的數(shù)值。在注射成型過程中， 殘余熱應(yīng)力是引起制品翹曲變形的另一個(gè)重要因素， 對(duì)注塑制品的質(zhì)量具有較大的影響。由于殘余熱應(yīng)力對(duì)制品翹曲變形的影響非常復(fù)雜， 模具設(shè)計(jì)者可以借助于注塑CAE 軟件進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。從而在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加以修正， 從而平衡內(nèi)應(yīng)力， 避免制品翹曲變形缺陷的發(fā)生。

4. 2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

注塑模具澆口的位置、形式和澆口的數(shù)量將影響塑料熔體在模具型腔內(nèi)的填充狀態(tài)， 從而導(dǎo)致注塑件由于內(nèi)應(yīng)力不平衡而產(chǎn)生變形。流動(dòng)距離越長， 由凍結(jié)層與中心流動(dòng)層之間流動(dòng)和補(bǔ)縮引起的內(nèi)應(yīng)力越大;反之， 流動(dòng)距離越短， 從澆口到制件流動(dòng)末端的流動(dòng)時(shí)間越短， 充模時(shí)凍結(jié)層厚度減薄， 內(nèi)應(yīng)力越小， 翹曲變形也會(huì)大為減少。采用點(diǎn)澆口進(jìn)行成型時(shí)， 由于塑料收縮的異向性， 澆口的位置、數(shù)量都對(duì)注塑件的變形程度有很大的影響。但是由于采用多點(diǎn)進(jìn)澆的點(diǎn)澆口， 且點(diǎn)澆口開設(shè)在分型面上， 容易調(diào)整尺寸， 方便排氣， 從而可減小因原料成型時(shí)揮發(fā)出的氣體而造成的內(nèi)應(yīng)力，且進(jìn)膠口的位置需要根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)料流方向等因素進(jìn)行選擇，盡可能使流道長度相當(dāng)，當(dāng)然要特別考慮薄壁位置。

4.3 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在注射過程中注塑件冷卻速度的不均勻也將造成收縮的不均勻， 這種收縮差別導(dǎo)致彎曲力矩產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而使注塑件產(chǎn)生翹曲。在注射成型平板形注塑制品時(shí)， 如果所用的模具型腔、型芯的溫度相差過大， 貼近冷型腔面的熔體很快得到冷卻， 而貼近熱型腔面的熔體則會(huì)繼續(xù)收縮， 收縮的不均勻產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力將使注塑件翹曲變形。因此注塑模的冷卻系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)控制型腔、型芯的溫度趨于平衡， 兩者的溫差不能太大。模具中冷卻水孔的布置至關(guān)重要， 在管壁至型腔表面的距離確定之后應(yīng)盡可能使冷卻水孔之間的距離短些， 以保證型腔壁的溫度均勻一致。同時(shí)由于冷卻介質(zhì)的溫度隨冷卻水道長度的增加而上升， 使模具的型腔、型芯沿水道產(chǎn)生溫度差， 因此要求每個(gè)冷卻回路的水道長度小于2 m。在大型模具中應(yīng)設(shè)置數(shù)條冷卻回路， 一條回路的進(jìn)口位于另一條回路的出口附近。

4. 4 頂出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

模具頂出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也直接影響注塑件的變形。如果頂出系統(tǒng)布置不平衡， 將造成頂出力的不平衡而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力， 使注塑件變形。因此在設(shè)計(jì)模具頂出系統(tǒng)時(shí)應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力求與脫模阻力相平衡。另外， 頂出桿的截面積不能太小， 以防注塑件單位面積受力過大（尤其在脫模溫度太高時(shí)）而產(chǎn)生變形。頂桿的布置應(yīng)盡量靠近脫模阻力大的部位， 在不影響注塑件質(zhì)量（包括使用要求、尺寸精度與外觀等）的前提下， 應(yīng)盡可能多設(shè)置頂桿以減少注塑件的總體變形。

5? 結(jié)束語

上述對(duì)影響塑件成型質(zhì)量因素的分析，為我們找出各種常見塑件缺陷的原因及制定改進(jìn)措施提供了可靠依據(jù)。注塑件的缺陷種類有很多，上面僅列舉了最常見的幾種，并討論了處理方法。在實(shí)際注塑加工生產(chǎn)中，經(jīng)常會(huì)同時(shí)出現(xiàn)多種質(zhì)量缺陷，這時(shí)就要根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇多種相應(yīng)的解決方法。同時(shí)，針對(duì)注塑件可能存在的缺陷，在設(shè)計(jì)階段需要遵循模具設(shè)計(jì)和制品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范和原則，不僅可縮短消除制品缺陷的時(shí)間，而且可減小產(chǎn)品不良率，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡介：

范宏軍（1980.11.29），性別：男，民族：漢，籍貫（精確到市）：江蘇省江都市，當(dāng)前職務(wù)：部門經(jīng)理，當(dāng)前職稱：助理工程師，學(xué)歷：大專，研究方向：鋰電池PACK設(shè)計(jì).