塑料注塑成型內應力影響分析與消除方法研究

1、塑料注塑成型內應力影響分析與消除方法研究1 引言注塑制品一個普遍存在的缺點是有內應力。內應力的存在不僅是制件在儲 存和使用中出現(xiàn)翹曲變形和開裂的重要原因, 也是影響制件光學性能、 電學性能、 物理力學性能和表觀質量的重要因素。 因此找出各種成型因素對注塑制品內應力 影響的規(guī)律性, 以便采取有效措施減少制件的內應力, 并使其在制件斷面上盡可 能均勻地分布, 這對提高注塑制品的質量具有重要意義。 特別是在制件使用條件 下要承受熱、 有機溶劑和其他能加速制件開裂的腐蝕介質時, 減少制件的內應力 對保證其正常工作具有更加重要的意義。 此外, 掌握注塑制品內應力的消除方法 和測試方法也很有必要。2 內應

2、力的種類高分子材料在成型過程中形成的不平衡構象,在成型之后不能立即恢復到 與環(huán)境條件相適應的平衡構象, 是注塑制品存在內應力的主要原因。 另外, 外力 使制件產生強迫高彈形變也會在其中形成內應力。 根據(jù)起因不同, 通常認為熱塑 性塑料注塑制件中主要存在著四種不同形式的內應力。 對注塑制件力學性能影響 最大的是取向應力和體積溫度應力。2.1取向應力高分子取向使制件內存在著未松弛的高彈形變,主要集中在表層和澆口的 附近, 使這些地方存在著較大的取向應力, 用退火的方法可以消除制件的取向應 力。 試驗表明, 提高加工溫度和模具溫度、 降低注射壓力和注射速度、 縮短注射 時間和保壓時間都能在不同程度上

3、使制件的取向應力減小。2.2體積溫度應力體積溫度應力是制件冷卻時不均勻收縮引起的。因內外收縮不均而產生的 體積溫度應力主要靠減少制件內外層冷卻降溫速率的差別來降低。 這可以通過提 高模具溫度、降低加工溫度來達到。加工結晶塑料制件時,常常因各部分結晶結構和結晶度不等而出現(xiàn)結晶應 力。 模具溫度是影響結晶過程的最主要的工藝因素, 降低模具溫度可以降低結晶 應力。帶金屬嵌件的塑件成型時,嵌件周圍的料層由于兩種材料線膨脹系數(shù)不等 而出現(xiàn)收縮應力,可通過預熱嵌件降低應力。這兩種內應力主要是由于收縮不均而產生的,也屬于體積溫度應力。 2.3與制件體積不平衡有關的應力高分子在模腔內凝固時,甚至在極其緩慢的條

4、件下要使制件在脫模后立即 達到其平衡體積, 在實際上是不可能的。 實驗測定表明, 注塑制件中這種形式的 內應力一般很小。2.4與制件頂出變形有關的內應力這種內應力主要與開模條件和模具頂出機構的設計有關。正確選擇開模條 件使開模前的模腔壓力接近于零,根據(jù)制件的結構和形狀設計合理的頂出機構, 使制件頂出時不致變形, 是可以將這種形式的內應力減少到不會影響制件力學性 能的限度以內的。3 影響注塑制品內應力的因素分析注塑制品的造型設計不合理、模具設計不合理、成型工藝條件不正確、注 射機選用不當?shù)榷紩怪破穬却嬖诒容^大的內應力。影響制品內應力的因素很 多,也很復雜。主要影響因素見下圖所示。 3.1造型設

5、計塑料制品除了使用上要求采用尖角外,各表面相交處應盡可能采用圓弧過 渡。 由于制品形狀和截面的變化, 使注塑過程中熔料在尖角處的流態(tài)發(fā)生急劇變 化而產生大的應力,而且殘留在尖角處。在有載荷或受沖擊振動時會發(fā)生破裂, 甚至在脫模過程中即由于模塑內應力而開裂, 特別是制品的內圓角。 一般, 即使 采用 R 為 0.5mm 的圓角就能使塑件強度大為增加。一般情況下,理想的內圓角 半徑應有壁厚的 1/4以上。外圓角半徑可取壁厚的 1.5倍。采用圓弧過渡既可以減少應力集中,還可大大改善塑料的充模特性,避免 在轉角處產生沖擊形成波紋或充不滿模腔。塑件設計成圓角,使模具型腔對應部位也呈圓角,這樣增加了模具的

6、堅固 性, 塑件的外圓角對應著型腔的內圓角, 它使模具在淬火或使用時不至于因應力 集中而開裂, 提高了模具的使用壽命。 但是在塑件的某些部位如分型面、 型芯與 型腔配合處等不便做成圓角而只能采用尖角。除相交表面的尖角外,尖銳的螺紋牙也是嚴重的應力集中源,采用倒圓角 的螺紋可減少應力集中,提高螺紋強度。制品壁厚是結構設計時所需要考慮的重要因素。不合理的壁厚會給制品帶 來很多缺陷。 增加壁厚既可改善樹脂的充模特性, 又可降低取向應力, 減少變形, 提高制品強度。 但同時收縮加大, 保壓和冷卻時間加長,生產效率降低, 消耗材 料多。 較大的收縮應力還將造成制品表面產生凹陷或內部出現(xiàn)縮孔與氣泡, 既影

7、 響外觀又降低了強度。 增加壁厚的同時也增加了制品的表面積, 表面積與體積之 比越大, 表面冷卻越快, 取向應力和體積溫度應力都隨之增大。 如果制品壁太薄, 會降低強度, 脫模時易破裂, 還有礙于樹脂的充模流動, 造成填充不足或出現(xiàn)明 顯的熔合紋, 嚴重影響制品質量。 每種塑料根據(jù)充模能力都有一個最小壁厚。 確 定壁厚時在滿足強度要求的前提下, 壁厚盡量取薄些, 可節(jié)省材料, 減輕制品重 量, 降低成本, 但不能小于最小壁厚。 ABS 常用的標準壁厚為 1.23.5mm。 壁厚 設計還應注意均勻一致, 否則將會由于收縮應力引起制品的翹曲變形。 同一制品由于金屬嵌件冷卻時尺寸變化與塑料的熱收縮值

8、相差很大,使嵌件周圍產 生很大的內應力, 而造成塑件的開裂。 對某些高剛性的工程塑料更甚, 如聚碳酸 酯; 但對于彈性和冷流動性大的塑料則應力值較低。 當有金屬嵌件存在時, 應盡 量避免制件開裂:(1如能選用與塑料線膨脹系數(shù)相近的金屬作嵌件,內應力值可以降低;(2嵌件周圍的塑料應有足夠的厚度,否則會由于存在收縮應力而開裂;(3嵌件的頂部也應有足夠厚的塑料層, 否則嵌件頂部塑件表面會出現(xiàn)鼓 包或裂紋;(4嵌件不應帶尖角、銳邊,以減少應力集中;(5熱塑性塑料注射成型時,將金屬嵌件預熱到接近物料溫度,可減少由 于金屬與塑料熱膨脹系數(shù)不同而產生的收縮應力;(6對于內應力難以自消的塑料, 可先在嵌件周圍

9、被覆一層高分子彈性體 或在成型后進行退火處理來降低內應力;(7在塑件成型后再裝配或壓入嵌件, 可調節(jié)因嵌入嵌件而造成的內應力 值,使制件不致破裂。3.2 注塑機選用注射機選用不當,也會產生內應力。那種認為大容量注射機注射小模具中 的制品會減少內應力的說法不正確。 有時會因為壓力過高、 噴嘴結構不合適或混 料造成較大的內應力。3.3 模具設計模具澆注系統(tǒng)和頂出機構設計不當都會使制件產生內應力。模具澆注系統(tǒng)設計不合理如澆口大小不合適、澆道太窄、主流動太長、澆 口位置不合理都會造成內應力:(1 澆 口尺寸太大, 補料時間就會延長, 會增大大分子的凍結取向和凍結 應變,造成很大的補料內應力,特別在澆口

10、附近內應力更大。小澆口 的適時封閉,能適當?shù)乜刂蒲a料時間。但澆口尺寸也不宜太小,過小的澆口會造成太大的流動阻力,產生取向應力。(2 主 流道太長、流道太窄、流道的急劇轉折都會使流動阻力加大,延長 進料時間或需增大注射壓力和保壓壓力, 會使制品產生更高的取向應 力。(3 澆 口位置的選取除考慮制品外觀和熔接縫外, 還應盡量減少在流動方 向上由于充模和補料而造成的定向作用。頂出機構設計不當,使脫模力不均衡或型芯表面在脫模過程中形成真空或 施加過大的脫模力, 都會造成塑件產生強迫高彈形變形成內應力, 甚至龜裂, 嚴 重時發(fā)生開裂。 龜裂和開裂看上去相似, 本質上有區(qū)別。 龜裂不是空隙狀的缺陷, 是高

11、分子本身同所加應力成平行方向排列,經(jīng)過加熱又能恢復到無龜裂的狀態(tài), 所以能用熱處理方法解決。 注塑成型后立即熱處理效果較好。 防止頂出產生內應 力需改善脫模條件, 如仔細磨光型芯側面; 增加脫模斜度; 平衡頂出力; 頂桿應 布置在脫模阻力最大的部位如型芯凸臺附近及能承受較大頂出力的部位, 如加強 筋、凸緣、塑件端面等部位。3.4 機械加工注塑制品除為切除大澆口冷凝料而進行機械加工外,當制件尺寸精度和形 位公差要求很高而無法通過模具設計與調整工藝條件得到保證, 或零件上有難以 一次成型出的形狀 (如小而深的孔或螺紋等 時, 成型之后就需要進行機械加工。 常用的機械加工工藝有車、銑、刨、鉆、鋸、鉸

12、孔和拱螺紋等。但機械加工會使 塑件內部產生內應力, 因此加工時應用專用刀具、 宜采用較低的切削速度、 小切 削量和低速度, 還應保證充分冷卻。 對于易產生內應力的制品應進行多次熱處理。 3.5 注塑成型工藝條件注塑制品由于成型工藝特點不可避免的存在內應力,但工藝條件控制得當 就會使塑件內應力降低到最小程度, 能夠保證制件的正常使用。 相反, 如果工藝 控制不當, 制件就會存在很大的內應力, 不僅使制件強度下降, 而且在儲存和使 用過程中出現(xiàn)翹曲變形甚至開裂。需要控制的工藝條件如嵌件預熱、模具溫度、 加工溫度、 注射速度、 注射壓力、 保壓壓力、 注射時間、 保壓時間、 冷卻時間等。 溫度、壓力

13、、時間是塑料成型工藝的主要因素。會產生很大的應力，以至制件可能被劃傷，嚴重時會出現(xiàn)破裂。但冷卻時間也不 宜過長，否則不但生產效率低，而且制件內部壓力降到零以后進一步冷卻可能在 制件內部形成負壓，即由于冷卻收縮使制件內外層之間產生拉應力。 4 注塑制品內應力的消除方法 在注塑成型或機械加工之后及時對制件進行熱處理是降低或消除其內應 力，使其內部結構加速達到穩(wěn)定狀態(tài)的一個有效措施。對于要求強度高、尺寸穩(wěn) 定性好的制件，往往在加工過程中進行不只一次的熱處理。 熱處理的方法是：在加熱介質中先將溫度從室溫升到一定溫度（這個溫度 常稱為熱處理溫度或退火溫度） ，使制件在此溫度下保持一定的時間，然后緩慢 地

14、冷卻到室溫。影響熱處理效果最重要的工藝因素是熱處理溫度和熱處理時間。 在理論上熱處理溫度越高，熱處理時間越長，制件的內應力就能在更大程度上被 消除，其內部結構就越趨于穩(wěn)定。但實際使用的溫度卻不能太高，溫度過高容易 引起制件在熱處理過程中發(fā)生翹曲變形。一般認為，熱塑性塑料注塑件的熱處理 溫度以稍低于熱變形溫度（約低 510）為宜。熱處理時間則主要與塑料的 性質與制件壁厚有關，高分子鏈的剛性越大，制件的壁越厚，需要進行熱處理的 時間就越長。 正確選用加熱介質對熱處理效果也很重要。用空氣作為加熱介質，有操作 簡便和處理后不需要清洗等優(yōu)點。 ABS 塑料在 6575空氣中處理 24 小時效 果良好。但空氣熱傳導效率低，容易引起尼龍類和聚甲醛等塑料氧化變色。高沸 點油作為熱處理介