壓塑工藝及模具設(shè)計
——下篇 塑料壓制成型第十一講 壓注塑件質(zhì)量及缺陷分析

洪慎章

(上海交通大學(xué)塑性成形技術(shù)與裝備研究院，上海 200030)

（接上期）

11 壓注塑件質(zhì)量及缺陷分析

11.1 壓注塑件質(zhì)量

壓注塑件質(zhì)量分為內(nèi)部質(zhì)量和外部質(zhì)量兩方面的內(nèi)容。內(nèi)部質(zhì)量也稱為性質(zhì)質(zhì)量，它包括制件內(nèi)部的組織吉構(gòu)形態(tài)(如結(jié)晶及取向等)、制件的密度、制件的物理力學(xué)性能和熔接痕強(qiáng)度，以及與塑料收縮特性有關(guān)的制件尺寸和形狀精度等；外部質(zhì)量就是塑件的表面質(zhì)量，它包括表面粗糙度和表面缺陷狀況等。最常見的表面缺陷有氣泡、皺紋、流痕、光澤度差、變色、裂紋、碎裂、氣眼、流紋、暗紋、及溢料飛邊等。

實際上，無論是壓注成型制件的內(nèi)部質(zhì)量或是外部質(zhì)量，均與壓注成型時的溫度、壓力和時間三大工藝因素以及模具條件密切相關(guān)，因此，內(nèi)外部質(zhì)量之間并不是互相獨(dú)立無關(guān)的問題，而是存在著一定的相互關(guān)系。仔細(xì)分析和研究制件內(nèi)部質(zhì)量與外部質(zhì)量之間的關(guān)系，不僅對于確保成型質(zhì)量，而且對于合理地制訂壓注成型工藝以及恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計模具等工作，均具有重要意義。

如何在壓注成型生產(chǎn)中提高或改善塑件的成型質(zhì)量，是一個非常重要而且也十分復(fù)雜的問題。若要解決這一問題，幾乎要涉及到壓注成型技術(shù)所有的理論和實踐知識。為了提高對此問題的認(rèn)識，對熱固性塑料的壓注成型缺陷的起因以及預(yù)防措施介紹如下。

11.1.1 壓注塑件質(zhì)量與應(yīng)力關(guān)系

11.1.1.1 應(yīng)力的產(chǎn)生

壓注成型時的應(yīng)力是指塑料熔體內(nèi)部單位面積上作用的內(nèi)力，按其性質(zhì)可分為主動應(yīng)力和誘發(fā)應(yīng)力兩種類型。其中，誘發(fā)應(yīng)力很容易保留在壓注成型以后的塑料制件內(nèi)部，從而轉(zhuǎn)變成為制件中的殘余應(yīng)力。

主動應(yīng)力是與外力(如壓注壓力、保壓力等)相平衡的內(nèi)力，故也稱為成型應(yīng)力。成型應(yīng)力的大小，取決于塑料品種的大分子結(jié)構(gòu)、鏈段的剛硬性、熔體的流變學(xué)性質(zhì)，以及制件形狀的復(fù)雜程度和壁厚大小等許多因素。除非工藝上有特殊要求，一般情況下都不希望成型應(yīng)力數(shù)值過大，否則，便很容易使制件發(fā)生應(yīng)力開裂和熔體破裂等成型缺陷。誘發(fā)應(yīng)力的形成原因很多，例如，塑料熔體因變形滯后效應(yīng)在制件中產(chǎn)生的時效內(nèi)力；塑料熔體或塑料制件內(nèi)部因溫差或收縮不均勻引起的內(nèi)力；塑料熔體在流動過程中因為端末效應(yīng)引起的彈性內(nèi)力；塑料制件因結(jié)晶體積收縮或結(jié)晶不均勻而引起的內(nèi)力；塑料熔體因為流動取向引起的內(nèi)力；以及制件脫模時因為模腔壓力和外界壓力的差值所引起的內(nèi)力等。很明顯，誘發(fā)應(yīng)力一般都無法與外力平衡，并且也很容易保留到冷卻后的制件內(nèi)部成為殘余應(yīng)力，從而對塑件質(zhì)量產(chǎn)生不可估計的影響。

11.1.1.2 防止應(yīng)力影響塑件質(zhì)量的措施

壓注成型后，只要在制件中留有殘余應(yīng)力，都有可能使制件發(fā)生變形、翹曲、彎曲、扭曲及開裂等缺陷，導(dǎo)致制件無法滿足預(yù)定的技術(shù)質(zhì)量要求。為了盡量減小或避免制件中出現(xiàn)殘余應(yīng)力，可以采取下面措施。

（1）提高壓注成型時的熔體溫度，在壓注成型過程中，如果能夠提高塑料熔體的溫度，便有可能減小壓注壓力，并使熔體中的分子熱運(yùn)動加劇。于是，變形就有能在較短的時間內(nèi)與應(yīng)力作用結(jié)果達(dá)到平穩(wěn)（即獲得松弛），從而也就能夠減小或避免制件中出現(xiàn)時效殘余應(yīng)力。

（2）采用較高的模具溫度 只要塑料材料的耐熱性能允許，最好采用較高的模具溫度。這樣一來，便可在制件的冷卻定型過程中減小制件中心部位和外部表層的溫度差，于是就有可能解決制件內(nèi)部因溫差而引起的收縮不均問題，或因為過冷度太大而引起的結(jié)晶不均問題，從而減小或避免由收縮不均或結(jié)晶不均而在制件內(nèi)部誘發(fā)的殘余應(yīng)力。

（3）盡量減小取向應(yīng)力 壓注成型制件中的取向結(jié)構(gòu)，實際上是一種不穩(wěn)定的大分子構(gòu)型，只要一有可能，它們便要恢復(fù)原來的蜷曲狀態(tài)。因此，只要有取向結(jié)構(gòu)生成，便會有取向應(yīng)力，當(dāng)這種應(yīng)力保留到制件中以后，也就轉(zhuǎn)變成為殘余應(yīng)力。因此，除了特殊需要之外，為了保證制件的尺寸和形狀精度，都應(yīng)當(dāng)盡量避免壓注成型過程中出現(xiàn)較大的取向應(yīng)力。為此，可采取以下措施。

a.提高塑料熔體和模具溫度，增大熔體在壓注充模階段和冷卻定型過程中解除取向能力。

b.降低壓注壓力和保壓力并縮短保壓時間，以便從應(yīng)力和應(yīng)力作用時間方面減小生成取向結(jié)構(gòu)的可能性。

c.盡量不用直接澆口，以防止?jié)部诟浇霈F(xiàn)過大的取向應(yīng)力。這是因為模具在采用直接澆口的情況下，由于澆口比較長，塑料熔體在澆口內(nèi)的流速以及所受到的切應(yīng)力均比模腔中為大，故取向結(jié)構(gòu)在澆口附近最多，取向程度也最高，由此便產(chǎn)生較大的取向應(yīng)力。當(dāng)其轉(zhuǎn)變成殘余應(yīng)力后，制件便會在澆口附近產(chǎn)生很大的變形，這種變形將會導(dǎo)致整個制件的尺寸和形狀發(fā)生變化。

（4）盡量不在制件中使用金屬嵌件，這是因為塑料和金屬的收縮率不等，而在嵌件周圍的塑料中誘發(fā)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并因此導(dǎo)致制件在其使用過程中，在嵌件附近發(fā)生開裂。

（5）塑料制件壁厚應(yīng)盡量設(shè)計得比較均勻，塑料制件會因壁厚收縮不等，而在壁厚過渡部位誘發(fā)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并由此導(dǎo)致制件在其貯存或使用過程中發(fā)生變形。

（6）盡量縮小制件脫模時的模腔壓力和外界壓力之間的差值，因為此差值在制件中誘發(fā)產(chǎn)生脫模殘余應(yīng)力，并導(dǎo)致制件脫模后發(fā)生變形。

11.1.2 成型收縮率及其控制方法

11.1.2.1 成型收縮的起因

壓注成型時，主要有如下五種形式收縮。

（1）熱收縮。高溫塑料熔體在壓注模內(nèi)冷卻定型為塑料制件時，塑料材料必須遵循的熱脹冷縮之物理規(guī)律是引起制件收縮的主要原因之一，通常稱為熱收縮。熱收縮量與塑料熔體和模具之間的溫差成正比。

（2）結(jié)晶收縮。如果壓注結(jié)晶型塑料制件，則在其成型時的冷卻過程中，塑料內(nèi)部一般都會發(fā)生結(jié)晶。結(jié)晶將使塑料大分子的構(gòu)型由無規(guī)線團(tuán)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)整的緊密排列，于是制件體積將會由此而收縮，制件的線尺寸也會因體積收縮而減小。因此，結(jié)晶變化也是引起制件成型收縮的原因之一。結(jié)晶體積收縮與制件中的結(jié)晶度有關(guān)，結(jié)晶度越高，結(jié)晶體積收縮量越大。對于結(jié)晶型塑料制件來說，結(jié)晶體積的收縮值一般都比熱收縮的體積收縮值大。

（3）取向收縮。由壓注成型工藝可知，從加料室中壓注出的塑料熔體經(jīng)過模具澆道及澆口時，其流速和切應(yīng)力均比它們進(jìn)入模腔以后的數(shù)值大得多。因此，熔體在澆注系統(tǒng)中流動時將會產(chǎn)生非常顯著的取向結(jié)構(gòu)。當(dāng)熔體流入模腔之后，不僅其流速和所受的切應(yīng)力大幅度減小，而且也不可能一瞬間完成冷卻固化。因此，熔體在澆注系統(tǒng)中已經(jīng)形成的取向結(jié)構(gòu)將會在一定程度上被熔體中剩余的熱量解取向，從而導(dǎo)致某些已經(jīng)伸直且有序排列的大分子鏈結(jié)構(gòu)將會恢復(fù)到原來蜷曲狀的無規(guī)線團(tuán)狀態(tài)。于是塑料將會因此而收縮，與收縮方向一致的制件尺寸也將隨著收縮而減小。這種收縮一般稱為取向收縮。很顯然，它也是成型收縮的起因之一。取向收縮量與取向方位和取向程度有關(guān)。通常，取向收縮沿著取向方位表現(xiàn)顯著，而在與取向垂直的方位上收縮值較小。此外，取向收縮的數(shù)值，一般均和取向程度成正比。

（4）負(fù)收縮。塑件負(fù)收縮實際上是一種彈性效應(yīng)，它是指具有一定溫度的制件從壓注模中脫出后，因為模腔壓力突然消失而產(chǎn)生的彈性體積膨脹現(xiàn)象。壓注成型制件的彈性體積膨脹現(xiàn)象，起因于塑料本身固有的體積可壓縮性。它雖然和收縮的基本概念剛好相反，但在考慮制件總的成型收縮時又不能將其忽略，故從方便起見，特將它視為一種負(fù)收縮進(jìn)行處理。負(fù)收縮的大小與塑料品種、成型溫度以及成型時的各種壓力因素（如壓注成型壓力、保壓力和模腔壓力等）有關(guān)。

（5）后收縮。后收縮是由塑件脫模后的時效變形所引起的收縮現(xiàn)象，對其可采用退火方法進(jìn)行消除或減小。

11.1.2.2 影響成型收縮率的主要因素

壓注成型時，影響成型收縮率的主要因素如下。

（1）壓力。壓注成型時的壓注壓力、保壓力和模腔壓力等因素均對成型收縮率具有明顯的影響。一般來講，這些壓力的數(shù)值越大，制件可能產(chǎn)生的負(fù)收縮也就越大，負(fù)收縮與其他收縮抵消。將有利于降低制件最終表現(xiàn)出的總成型收縮率。

（2）溫度。壓注時，溫度包括物料溫度和模具溫度兩種。

當(dāng)料溫升高以后，熔體粘度將會減小。若此時的壓注壓力和保壓力保持不變，則澆口凍結(jié)速度將會減慢，于是延長保壓時間，補(bǔ)縮作用增大，密度也隨著提高，所以成型收縮率降低。由上述內(nèi)容分析可知，料溫對成型收縮率的影響是收縮、結(jié)晶收縮、取向收縮和保壓補(bǔ)償作用的綜合結(jié)果，如果前面三種收縮的影響比較大，制件最終表現(xiàn)出的成型收縮率將隨著熔體溫升而增大；反之，保壓補(bǔ)縮作用較大時，成型收縮率會隨著熔體溫升而減小。

模具溫度是控制制件冷卻定型的主要因素，它對成型收縮率的影響主要表現(xiàn)在澆口凍結(jié)以后至制件脫模之前這段過程。而在澆口凍結(jié)之前，模溫升高雖有增大熱收縮的趨勢，但也正是較高的模溫將使?jié)部趦鼋Y(jié)時間延緩，導(dǎo)致壓注壓力和保壓力的影響增強(qiáng)，補(bǔ)縮作用和負(fù)收縮量均會增大。因此，總成型收縮率是兩種反向收縮效應(yīng)的結(jié)果，其數(shù)值并不一定隨著模溫升高而增大。如果澆口發(fā)生凍結(jié)，壓注壓力和保壓力的影響將會消失，隨著模溫升高，冷卻定型時間亦將延長，故脫模后的制件成型收縮率一般都會增大。

（3）充模速度。充模速度是由壓注速度確定的，另外也受模具結(jié)構(gòu)影響（如澆口截面高度與模腔深度的比值）。充模速度對成型收縮率的影響比較復(fù)雜。如果從分子結(jié)構(gòu)方面看，提高充模速度會使結(jié)晶和取向作用加強(qiáng)，結(jié)晶收縮和取向收縮都會增大，成型收縮率具有增大趨勢；但是，充模速度增大以后，有助于克服熔體進(jìn)入模腔時的困難，如果壓注時間不變，則模腔內(nèi)的進(jìn)料量必然會有所增加，這意味著補(bǔ)縮時間相對延長，于是成型收縮率將會下將。根據(jù)以上情況可以認(rèn)為，充模速度對于成型收縮率的影響要視具體的工藝和模具結(jié)構(gòu)而定。一般情況下，都應(yīng)避免充模速度引起成型收縮率的增大。

（4）澆口。澆口的結(jié)構(gòu)形式、尺寸和設(shè)置等，均對成型收縮率有影響，這是因為它們都對塑料熔體的充模流動具有強(qiáng)烈影響所致，其中影響最大的是澆口截面積。當(dāng)壓注工藝條件一定時，澆口的截面積越大，澆口凍結(jié)所需的時間越長，壓注壓力和保壓力的補(bǔ)縮作用將會因此加強(qiáng)，制件的體積收縮和成型收縮將隨之而減小。澆口截面積的變化通過澆口截面高度體現(xiàn)，因此可以認(rèn)為，澆口截面高度對于成型收縮率也有一定的影響。

（5）塑件壁厚。塑件的壁厚對于成型收縮率也有一定的影響，但是影響性質(zhì)和影響程度因塑料品種不同而有差異。在結(jié)晶型塑料中，成型收縮率均隨制件厚度增大而提高。這是因為壁厚增大以后，內(nèi)部冷卻緩慢，有利于大分子結(jié)晶所致。在非結(jié)晶型塑料中，情況比較復(fù)雜，其中，醋酸纖維素等塑料的成型收縮率隨壁厚增加而增大；聚酯等塑料的成型收縮率幾乎不受壁厚影響。

除了上述因素之外，成型收縮率還受成型物料的狀態(tài)、壓注設(shè)備的技術(shù)狀況以及制件的形狀復(fù)雜程度等許多其他因素影響。這些因素的影響程度，有時甚至能超過壓力和溫度等工藝因素。因此，如何減小制件的成型收縮率，實際上是如何消除廢品率及提高塑件精度或涉及到精密壓注成型技術(shù)的問題。這一問題只能通過科學(xué)實驗與生產(chǎn)實踐相結(jié)合才能解決。

11.1.2.3 成型收縮率的控制方法

為了比較準(zhǔn)確地控制壓注成型塑件的成型收縮率，可從圖290所示的幾方面進(jìn)行控制。

圖290 控制壓注成型塑件收縮率柜圖

11.1.3.1 熔接痕的形成及其強(qiáng)度

只要模具采用多澆口結(jié)構(gòu)，或者制件上帶有孔、嵌件，塑料熔體就必然會在模腔內(nèi)分流并形成兩個以上的流動方向。當(dāng)不同方向的熔體最終匯合時，在匯合處形成的接縫痕跡稱為熔接痕，或稱為熔接縫。很顯然，熔接痕的外觀好壞和內(nèi)部強(qiáng)度均取決于熔體料流前端(即前鋒料頭)的物理狀態(tài)和流動性。一般來講，料流前端的溫度較高、流動性較好時，熔接痕外觀不太明顯，甚至看不出來，內(nèi)部強(qiáng)度也比較大；但在溫度較低和流動性不好時，情況就完全相反。然而，無論怎么說，塑件在熔接處的力學(xué)性能一般都要比其他部位低，其原因如下：

（1）不同流向的熔體在模內(nèi)經(jīng)過一段流程后，其料流前端的溫度必然都會有所下降。因此，當(dāng)它們匯合時的料流界面的熔合情況決不會比初始高溫下的熔合情況好，故熔接痕處的力學(xué)性能較差。

（2）因為不同方向料流匯合處的熔體溫度較低，因此，使塑件熔接痕處的拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能變差。

（3）不同方向的料流前端，或多或少地裹挾有一定的空氣和雜質(zhì)，它們的存在將會使熔體之間的熔合接觸面積減小，從而導(dǎo)致熔接痕處力學(xué)性能較差。

11.1.3.2 影響熔接痕強(qiáng)度的因素

（1）壓注成型工藝

a.熔體溫度與模具溫度。通過對帶有熔接痕的試樣進(jìn)行拉伸試驗表明，除了用低切變速率成型的試樣，熔接痕屈服點隨模具溫度升高而降低之外，其他試樣的熔接痕屈服點隨模具溫度上升而提高?？梢哉J(rèn)為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：熔體溫度或模具溫度上升以后，模腔由各方面料流前端的溫度也會相應(yīng)升高，于是，料流匯合時熔接痛處的應(yīng)力松弛和解取向作用將被加強(qiáng)，故冷卻后的熔接痕屈服點提高。

b.壓注壓力。試驗表明，提高壓注壓力，有助于克服澆注系統(tǒng)對熔體的流動阻力，故能有效地將壓力傳遞到料流前端，于是料流匯合處能在較高壓力下熔合，所以熔接痕處密度增大，強(qiáng)度提高。

關(guān)于壓注壓力對熔接痕強(qiáng)度的影響，還可以從澆口位置與熔接痕強(qiáng)度關(guān)系的試驗得到證實，熔接痕距澆口越近，意味著壓注壓力的作用越強(qiáng)，故熔接痕強(qiáng)度也就越大。

c.充模速度。提高塑料熔體的充模速度，可以縮短不同方向之料流匯合前的流動時間，使得料流前端的熱耗散減小。另外，由于棄模速度提高以后，熔體內(nèi)部的剪切摩擦熱增大，因此，料流匯合處的溫度將明顯升高，熔接痕強(qiáng)度也就相應(yīng)隨著增大。

d.退火處理。一般來講，若把帶有熔接痕的塑料制件進(jìn)行退火處理，那么，在熔接痕形成過程中殘余下的應(yīng)力將會得以消除，從而可以改善熔接痕處的力學(xué)性能，熔接痕強(qiáng)度也會隨之增大。但是，塑料制件是否需要進(jìn)行退火處理，應(yīng)根據(jù)塑料品種的性質(zhì)及其生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性決定。退火處理將增加輔助生產(chǎn)工序及能耗，致使增加產(chǎn)品成本。

（2）塑件厚度。通常，增大制件厚度之后，熔接痕強(qiáng)度都有增大的趨勢。這可解釋為：隨著制件厚度增大，料流匯合處的接觸面積也隨之增大，這樣熔接痕在模內(nèi)不僅可以較好地接受從外部傳遞過來的壓注壓力和保壓力，而且大分子間的纏結(jié)幾率也會增大，所以分子鏈的接合力增大，熔接痕的強(qiáng)度提高。

（3）澆口位置。為了提高塑料制件上的熔接痕強(qiáng)度，澆口位置一般都不應(yīng)使塑料熔體在模腔內(nèi)的流程過大，且有利于流動及排氣。

11.1.3.3 避免熔接痕影響制件表面質(zhì)量的措施

熔接痕除因強(qiáng)度問題影響制件內(nèi)部質(zhì)量外，對于制件的表面質(zhì)量也有影響，主要預(yù)防措施如下所述。

（1）移動澆口位置或改變澆口尺寸。熔接痕產(chǎn)生的部位與制件形狀和澆口位置等因素有關(guān)。當(dāng)熔接痕影響制件表面美觀而制件形狀又不能改變時，可以考慮移動澆口位置或改變澆口尺寸，使熔接痕位置轉(zhuǎn)移到制件上不容易被觀察到的部位。但在移動澆口位置或改變澆口尺寸時，應(yīng)當(dāng)注意保證熔體的充模特性以及澆注系統(tǒng)的平衡等問題。

（2）提高塑料熔體的流動性。塑料熔體在充模過程中，如果其流動性不好，則在不同方向的料流匯合處理溫度將會變得很低，而且壓注壓力也不能很好地傳遞到這些匯合部位，勢必造成影響熔接痕外觀且強(qiáng)度降低之缺陷。為解決此問題，必須在提高熔體流動性方面想辦法。一是改善工藝條件，如提高壓注壓力、充模速度、料溫和模溫等，以便使料流在高溫、高壓下匯合在一起；再就是改用流動性較好的塑料原料。除此之外，還可在模具結(jié)構(gòu)上想辦法，如減小澆注系統(tǒng)和模腔表壁對熔體的流動阻力，減小成型時的流動比以及增大澆口截面積，或?qū)部诮孛娓叨仍黾拥脚c料流匯合路徑上的制件壁厚相等的尺寸。如果有可能，還可將多澆口改成單澆口，以便減少熔接痕的數(shù)量。

（3）保證模具的排氣功能。塑料熔體在模腔內(nèi)分向流動時，各股料流的前端一般都裹挾有一定的空氣或雜質(zhì)，當(dāng)這些料流匯合時，如不能將空氣和雜質(zhì)的揮發(fā)氣體排除掉，熔接痕不僅影響外觀，還會使強(qiáng)度下降，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)缺料。為了解決這一問題，必須保證模具具有良好的排氣功能，可利用在熔接痕附近鑲件的拼縫或?qū)ｉT設(shè)置排氣槽排氣。

壓注成型制件常見缺陷的產(chǎn)生原因與解決措施見表70所示。

表70 壓注成型制件常見缺陷的產(chǎn)生原因與解決措施