注塑件的应力变形分析及解决对策[1].pdf

注 塑 件 的 应 力 变 形 分 析 及 解 决 对 策程 晓 宇 王 晓 梅(陕 西 国 防 工 业 职 业 技 术 学 院 ,西 安 710302)摘 要 对 注 塑 件 产 生 应 力 变 形 的 原 因 进 行 分 析 ,指 出 了 注 塑 件 应 力 变 形 的 内 在 因 素 主 要 是 不 同 注 塑 件 原 料 对注 塑 工 艺 参 数 的 敏 感 度 不 同 所 致 ;外 在 因 素 是 模 具 结 构 设 计 对 注 塑 件 应 力 变 形 的 影 响 ;从 模 具 设 计 方 法 和 注 塑 工 艺上 给 出 了 解 决 注 塑 件 应 力 变 形 的 几 个 有 效 对 策 ,并 通 过 实 际 例 子 证 明 这 几 个 对 策 是 简 单 有 效 的 。关 键 词 注 塑 件 应 力 变 形 注 塑 工 艺 模 具 设 计 后 处 理注 塑 件 的 应 力 变 形 是 指 注 塑 制 品 的 形 状 因 其 内在 和 外 在 因 素 而 导 致 内 应 力 不 平 衡 ,使 其 偏 离 了 模具 型 腔 的 原 来 形 状 ,它 是 塑 料 制 品 常 见 的 缺 陷 之 一 。随 着 塑 料 工 业 的 发 展 ,人 们 对 塑 料 制 品 的 外 观和 使 用 性 能 的 要 求 越 来 越 高 ,应 力 变 形 造 成 外 观 的变 形 程 度 作 为 评 定 制 品 质 量 的 重 要 指 标 之 一 也 越 来越 多 地 受 到 模 具 设 计 者 的 关 注 与 重 视 。 模 具 设 计 者希 望 在 设 计 阶 段 预 测 出 注 塑 件 可 能 产 生 应 力 不 平 衡的 原 因 ,以 便 加 以 优 化 设 计 和 后 期 采 用 热 处 理 工 艺加 以 校 正 ,从 而 提 高 注 塑 生 产 的 效 率 和 质 量 ,缩 短 模具 的 设 计 周 期 ,降 低 成 本 。笔 者 主 要 从 注 塑 工 艺 和 模 具 设 计 方 面 分 析 、 讨论 了 大 型 薄 壁 注 塑 件 消 除 内 应 力 变 形 的 内 在 因 素 和外 在 因 素 ,并 给 出 相 应 的 几 个 解 决 对 策 。1 注 塑 工 艺 对 制 品 应 力 变 形 的 影 响 1 塑 料 在 塑 化 阶 段 即 由 玻 璃 态 的 料 粒 转 化 为 粘 流态 ,提 供 充 模 所 需 的 熔 体 。 在 此 过 程 中 熔 体 在 轴 向 、径 向 (相 对 螺 杆 而 言 )的 温 度 差 会 使 制 品 产 生 应 力 ;另 外 ,注 塑 机 的 注 塑 压 力 、 注 射 速 率 等 参 数 也 会 极 大地 影 响 充 填 时 塑 料 分 子 的 取 向 程 度 ,进 而 引 起 应 力不 平 衡 而 导 致 制 品 变 形 。熔 融 态 的 塑 料 在 注 塑 压 力 的 作 用 下 充 入 模 具 型腔 并 在 型 腔 内 冷 却 、 凝 固 的 过 程 是 注 射 成 型 的 关 键环 节 。 在 这 个 过 程 中 温 度 、 压 力 、 速 度 三 者 的 相 互 耦合 作 用 对 注 塑 件 的 质 量 和 生 产 效 率 均 有 极 大 的 影响 。 较 高 的 压 力 和 流 速 会 产 生 高 剪 切 速 率 ,从 而 引起 平 行 于 流 动 方 向 和 垂 直 于 流 动 方 向 的 塑 料 分 子 取向 有 所 差 异 ,同 时 产 生 “ 冻 结 效 应 ” 。 这 种 “ 冻 结 效应 ” 将 产 生 冻 结 应 力 而 形 成 注 塑 件 的 内 应 力 。温 度 对 注 塑 件 变 形 的 影 响 体 现 在 3个 方 面 :(1)注 塑 件 上 、 下 表 面 温 度 差 会 引 起 热 应 力 和 热 变形 ; (2)注 塑 件 不 同 区 域 之 间 的 温 度 差 将 引 起 不 同区 域 间 的 不 均 匀 收 缩 ; (3)不 同 的 温 度 状 态 会 影 响注 塑 件 的 收 缩 率 。另 一 方 面 ,注 塑 件 在 脱 离 型 腔 并 冷 却 至 室 温 的过 程 中 多 处 于 聚 合 物 的 玻 璃 态 。 脱 模 力 不 平 衡 ,推出 机 构 运 动 不 平 稳 ,或 脱 模 顶 出 面 积 不 当 等 均 易 使制 品 变 形 。 同 时 在 充 模 阶 段 和 冷 却 阶 段 塑 料 分 子 产生 的 “ 冻 结 ” 会 使 注 塑 件 脱 模 后 的 内 应 力 因 失 去 外界 的 约 束 而 以 变 形 的 形 式 释 放 出 来 ,导 致 制 品 翘 曲 。消 除 制 品 应 力 变 形 缺 陷 ,首 先 在 模 具 设 计 阶 段就 必 须 考 虑 到 填 充 过 程 中 收 缩 的 影 响 ,特 别 是 收 缩不 均 衡 的 影 响 。 熔 融 的 塑 料 在 注 射 充 模 阶 段 由 于 其分 子 沿 流 动 方 向 取 向 而 使 得 熔 料 在 流 动 方 向 的 收 缩率 比 垂 直 方 向 的 收 缩 率 大 ,使 注 塑 件 产 生 收 缩 应 力而 发 生 变 形 。 结 晶 性 塑 料 在 流 动 方 向 与 垂 直 方 向 的收 缩 率 之 差 较 非 结 晶 性 塑 料 大 ,而 且 其 收 缩 率 也 较非 结 晶 性 塑 料 大 。 结 晶 性 塑 料 的 较 大 的 收 缩 率 与 其收 缩 的 异 向 性 叠 加 后 导 致 注 塑 件 变 形 的 倾 向 较 非 结晶 性 塑 料 大 得 多 。 所 以 在 设 计 注 塑 件 和 计 算 模 具 的成 型 尺 寸 时 ,必 须 优 先 考 虑 到 收 缩 引 起 应 力 不 均 衡的 因 素 ,收 缩 率 的 选 取 应 根 据 注 塑 件 原 料 的 性 质 、 制品 形 状 不 同 而 给 出 合 适 的 数 值 。在 注 射 成 型 过 程 中 ,残 余 热 应 力 是 引 起 制 品 翘曲 变 形 的 另 一 个 重 要 因 素 ,对 注 塑 制 品 的 质 量 具 有较 大 的 影 响 。 由 于 残 余 热 应 力 对 制 品 翘 曲 变 形 的 影响 非 常 复 杂 ,模 具 设 计 者 可 以 借 助 于 注 塑 进 行 分 析 和 预 测 。 从 而 在 模 具 结 构 设 计 中 加 以 修正 ,从 而 平 衡 内 应 力 ,避 免 制 品 翘 曲 变 形 缺 陷 的 发生 。2 模 具 结 构 对 制 品 应 力 变 形 的 影 响 1, 2 在 模 具 结 构 设 计 方 面 ,影 响 注 塑 制 品 应 力 变 形的 外 在 因 素 主 要 有 浇 注 系 统 、 冷 却 系 统 与 顶 出 系 统等 。收 稿 日 期 : 200620621513程 晓 宇 ,等 :注 塑 件 的 应 力 变 形 分 析 及 解 决 对 策 1994 浇 注 系 统 的 设 计注 塑 模 具 浇 口 的 位 置 、 形 式 和 浇 口 的 数 量 将 影响 塑 料 熔 体 在 模 具 型 腔 内 的 填 充 状 态 ,从 而 导 致 注塑 件 由 于 内 应 力 不 平 衡 而 产 生 变 形 。 流 动 距 离 越长 ,由 冻 结 层 与 中 心 流 动 层 之 间 流 动 和 补 缩 引 起 的内 应 力 越 大 ;反 之 ,流 动 距 离 越 短 ,从 浇 口 到 制 件 流动 末 端 的 流 动 时 间 越 短 ,充 模 时 冻 结 层 厚 度 减 薄 ,内应 力 越 小 ,翘 曲 变 形 也 会 大 为 减 少 。图 1为 平 板 形 手 机 塑 料 外 壳 座 ,如 果 只 设 置 一个 中 心 浇 口 或 侧 浇 口 ,因 直 径 方 向 上 的 收 缩 率 大 于圆 周 方 向 上 的 收 缩 率 ,成 型 后 的 注 塑 件 会 产 生 扭 曲变 形 ;若 改 用 多 个 点 浇 口 (如 图 2所 示 ) ,浇 道 采 用平 衡 式 布 置 ,则 可 有 效 地 防 止 制 品 翘 曲 变 形 。图 1 手 机 外 壳 座图 2 浇 口 与 流 道 的 设 计采 用 点 浇 口 进 行 成 型 时 ,由 于 塑 料 收 缩 的 异 向性 ,浇 口 的 位 置 、 数 量 都 对 注 塑 件 的 变 形 程 度 有 很 大的 影 响 。 但 是 由 于 采 用 多 点 进 浇 的 点 浇 口 ,且 点 浇口 开 设 在 分 型 面 上 ,容 易 调 整 尺 寸 ,方 便 排 气 ,从 而可 减 小 因 原 料 成 型 时 挥 发 出 的 气 体 而 造 成 的 内 应力 。另 外 ,采 用 多 点 进 浇 的 点 浇 口 还 能 缩 短 塑 料 的流 动 比 (L / t) ,从 而 使 型 腔 内 物 料 的 密 度 更 趋 于 均一 ,收 缩 更 均 匀 。 同 时 熔 料 能 在 较 小 的 注 塑 压 力 下充 满 型 腔 ,而 较 小 的 注 塑 压 力 可 减 少 塑 料 分 子 的 取向 倾 向 ,降 低 其 内 应 力 ,因 而 可 减 少 注 塑 件 的 变 形 。2. 2 冷 却 系 统 的 设 计在 注 射 过 程 中 注 塑 件 冷 却 速 度 的 不 均 匀 也 将 造成 收 缩 的 不 均 匀 ,这 种 收 缩 差 别 导 致 弯 曲 力 矩 产 生内 应 力 而 使 注 塑 件 产 生 翘 曲 。在 注 射 成 型 平 板 形 注 塑 制 品 时 ,如 果 所 用 的 模具 型 腔 、 型 芯 的 温 度 相 差 过 大 ,贴 近 冷 型 腔 面 的 熔 体很 快 得 到 冷 却 ,而 贴 近 热 型 腔 面 的 熔 体 则 会 继 续 收缩 ,收 缩 的 不 均 匀 产 生 的 内 应 力 将 使 注 塑 件 翘 曲 变形 。 因 此 注 塑 模 的 冷 却 系 统 应 当 控 制 型 腔 、 型 芯 的温 度 趋 于 平 衡 ,两 者 的 温 差 不 能 太 大 。 模 具 中 冷 却水 孔 的 布 置 至 关 重 要 ,在 管 壁 至 型 腔 表 面 的 距 离 确定 之 后 应 尽 可 能 使 冷 却 水 孔 之 间 的 距 离 短 些 ,以 保证 型 腔 壁 的 温 度 均 匀 一 致 。 同 时 由 于 冷 却 介 质 的 温度 随 冷 却 水 道 长 度 的 增 加 而 上 升 ,使 模 具 的 型 腔 、 型芯 沿 水 道 产 生 温 度 差 ,因 此 要 求 每 个 冷 却 回 路 的 水道 长 度 小 于 2 m。 在 大 型 模 具 中 应 设 置 数 条 冷 却 回路 ,一 条 回 路 的 进 口 位 于 另 一 条 回 路 的 出 口 附 近 。图 3为 手 机 塑 料 外 壳 座 定 模 板 中 设 置 的 冷 却 水道 。 图 3中 冷 却 水 孔 的 直 径 为 6 距 定 模 板 的 顶面 17 A、 B 处 是 需 要 用 铜 料 堵 住 的 ,冷 却 水 孔 的接 口 处 为 /8的 英 制 内 螺 纹 ,用 来 接 水 咀 (一 种标 准 件 ,用 来 连 接 外 界 冷 却 水 的 像 螺 母 一 样 的 东西 ) ,冷 却 水 流 的 路 径 如 图 3中 的 箭 头 所 示 。 这 样可 以 有 效 地 均 衡 温 度 ,减 小 内 应 力 ,防 止 注 塑 件 产 生翘 曲 变 形 。图 3 冷 却 流 道 设 计2. 3 顶 出 系 统 的 设 计模 具 顶 出 系 统 的 设 计 也 直 接 影 响 注 塑 件 的 变形 。 如 果 顶 出 系 统 布 置 不 平 衡 ,将 造 成 顶 出 力 的 不平 衡 而 产 生 内 应 力 ,使 注 塑 件 变 形 。 因 此 在 设 计 模具 顶 出 系 统 时 应 力 求 与 脱 模 阻 力 相 平 衡 。 另 外 ,顶出 杆 的 截 面 积 不 能 太 小 ,以 防 注 塑 件 单 位 面 积 受 力过 大 (尤 其 在 脱 模 温 度 太 高 时 )而 产 生 变 形 。 顶 杆的 布 置 应 尽 量 靠 近 脱 模 阻 力 大 的 部 位 ,在 不 影 响 注塑 件 质 量 (包 括 使 用 要 求 、 尺 寸 精 度 与 外 观 等 )的 前提 下 ,应 尽 可 能 多 设 置 顶 杆 以 减 少 注 塑 件 的 总 体 变形 。考 虑 到 以 上 因 素 ,为 了 防 止 型 芯 包 紧 力 过 大 ,一次 推 出 时 注 塑 件 变 形 太 大 ,该 手 机 塑 料 外 壳 座 模 具的 推 出 机 构 宜 采 用 二 次 机 动 推 出 ,即 采 用 一 次 推 出使 型 芯 与 注 塑 件 分 离 ,二 次 推 出 使 注 塑 件 与 凹 模 分离 的 方 式 ,这 样 就 可 以 分 散 顶 出 力 ,以 防 止 顶 出 力 过23 工 程 塑 料 应 用 2006年 ,第 34卷 ,第 9期 1994 ,使 注 塑 件 产 生 应 力 变 形 。 顶 出 制 品 时 的 布 置 形式 见 图 4,顶 出 的 距 离 为 10 15 。图 4 推 出 机 构 设 计3 后 处 理 对 制 品 翘 曲 变 形 的 影 响 2 对 于 有 翘 曲 变 形 倾 向 的 注 塑 件 ,或 者 为 了 尽 快稳 定 注 塑 件 的 尺 寸 ,可 在 成 型 工 艺 上 设 置 注 塑 件 的后 处 理 。 注 塑 制 品 的 后 处 理 主 要 有 退 火 处 理 、 调 湿处 理 两 种 。由 于 塑 料 在 机 筒 塑 化 不 均 或 在 型 腔 内 冷 却 速 度不 一 致 ,经 常 会 使 注 塑 件 产 生 不 均 匀 结 晶 、 定 向 和 收缩 而 形 成 内 应 力 ,这 种 现 象 在 生 产 厚 壁 或 带 有 金 属嵌 件 的 制 品 时 更 为 突 出 。 存 有 内 应 力 的 注 塑 件 在 贮存 和 使 用 中 经 常 会 发 生 力 学 性 能 下 降 、 光 学 性 能 变差 甚 至 发 生 应 力 开 裂 。 解 决 此 问 题 的 最 好 的 方 法 是退 火 处 理 。退 火 处 理 方 法 是 使 制 品 在 定 温 的 加 热 液 体 介 质(热 水 、 油 )中 或 热 空 气 循 环 烘 箱 中 静 置 一 段 时 间 。处 理 时 间 可 根 据 塑 料 品 种 、 加 热 介 质 温 度 、 制 品 形 状与 注 塑 工 艺 而 定 ,以 达 到 消 除 内 应 力 为 宜 。 退 火 温度 一 般 应 控 制 在 注 塑 件 使 用 温 度 以 上 10 20 或者 低 于 注 塑 件 的 热 变 形 温 度 10 20 为 宜 。 退 火的 实 质 是 : (1)迫 使 “ 冻 结 ” 的 塑 料 分 子 链 松 弛 ,消 除内 应 力 ; (2)提 高 结 晶 度 ,稳 定 结 晶 结 构 ,增 强 注 塑件 强 度 与 刚 度 以 抵 抗 变 形 。调 湿 处 理 也 是 一 种 后 处 理 方 法 。 比 如 ,聚 酰 胺( 类 注 塑 件 在 高 温 下 与 空 气 接 触 时 经 常 会 氧 化变 色 ,同 时 又 易 吸 收 水 分 而 膨 胀 变 形 。 调 湿 处 理 就是 将 脱 模 的 注 塑 件 放 置 在 热 水 中 浸 泡 一 段时 间 ,达 到 吸 湿 平 衡 ,稳 定 尺 寸 ,以 防 止 翘 曲 变 形 。在 调 湿 处 理 中 吸 收 适 量 的 水 分 起 着 增 塑 剂 的 作 用 ,可 以 改 善 注 塑 制 品 的 韧 性 ,提 高 冲 击 强 度 和 拉 伸 强度 。 可 以 说 调 湿 处 理 也 是 消 除 注 塑 件 内 应 力 的 有 效方 法 之 一 。3 结 语影 响 注 塑 件 应 力 变 形 的 因 素 很 多 ,塑 料 材 料 的热 物 理 性 能 、 模 具 的 结 构 及 注 塑 工 艺 参 数 均 对 制 品的 应 力 变 形 有 着 不 同 程 度 的 影 响 。 因 此 ,对 注 塑 制品 翘 曲 变 形 机 理 的 研 究 必 须 综 合 考 虑 材 料 性 能 和 整个 成 型 过 程 等 多 方 面 的 因 素 。参 考 文 献1 李 金 良 ,龙 玲 . 注 塑 制 品 的 翘 曲 变 形 分 析 . 造 业 信息 化 , 2003 (7) : 432 成 都 科 技 大 学 . 塑 料 成 型 工 艺 学 . 北 京 :轻 工 业 出 版 社 , O F M O N O F W 710302, p p It of on p of to by p p le D S p 工 程 塑 料 应 用 增 刊