注塑制品的翹曲變形分析
時間:2005-07-04
一、引言
翹曲變形是指注塑制品的形狀偏離了模具型腔的形狀，它是塑料制品常見的缺陷之一。隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，人們對塑料制品的外觀和使用性能要求越來越高，翹曲變形程度作為評定產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一也越來越多地受到模具設(shè)計者的關(guān)注與重視。模具設(shè)計者希望在設(shè)計階段預(yù)測出塑料件可能產(chǎn)生翹曲的原因，以便加以優(yōu)化設(shè)計，從而提高注塑生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，縮短模具設(shè)計周期，降低成本。
本文主要對在注塑模具設(shè)計過程中影響注塑制品翹曲變形的因素加以分析。
二、模具的結(jié)構(gòu)對注塑制品翹曲變形的影響
在模具設(shè)計方面，影響塑件變形的因素主要有澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)與頂出系統(tǒng)等。
1．澆注系統(tǒng)的設(shè)計
注塑模具澆口的位置、形式和澆口的數(shù)量將影響塑料在模具型腔內(nèi)的填充狀態(tài)，從而導(dǎo)致塑件產(chǎn)生變形。
流動距離越長，由凍結(jié)層與中心流動層之間流動和補縮引起的內(nèi)應(yīng)力越大；反之，流動距離越短，從澆口到制件流動末端的流動時間越短，充模時凍結(jié)層厚度減薄，內(nèi)應(yīng)力降低，翹曲變形也會因此大為減少。圖1為大型平板形塑件，如果只使用一個中心澆口或一個側(cè)澆口，因直徑方向上的收縮率大于圓周方向上的收縮率，成型后的塑件會產(chǎn)生扭曲變形；若改用多個點澆口或薄膜型澆口，則可有效地防止翹曲變形。
當(dāng)采用點澆進(jìn)行成型時，同樣由于塑料收縮的異向性，澆口的位置、數(shù)量都對塑件的變形程度有很大的影響?！?
由于采用的是30％玻璃纖維增強(qiáng)PA6，而得到的是重量為4.95kg的大型注塑件，因此沿四周壁流動方向上設(shè)有許多加強(qiáng)肋，這樣，對各個澆口都能獲得充分的平衡。實驗結(jié)果表明，按圖f設(shè)置澆口具有較好的效果。但并非澆口數(shù)目越多越好。
另外，多澆口的使用還能使塑料的流動比（L／t）縮短，從而使模腔內(nèi)物料密度更趨均勻，收縮更均勻。同時，整個塑件能在較小的注塑壓力下充滿。而較小的注射壓力可減少塑料的分子取向傾向，降低其內(nèi)應(yīng)力，因而可減少塑件的變形。
2．冷卻系統(tǒng)的設(shè)計
在注射過程中，塑件冷卻速度的不均勻也將形成塑件收縮的不均勻，這種收縮差別導(dǎo)致彎曲力矩的產(chǎn)生而使塑件發(fā)生翹曲。
如果在注射成型平板形塑件時所用的模具型腔、型芯的溫度相差過大，如圖3所示，由于貼近冷模腔面的熔體很快冷卻下來，而貼近熱模腔面的料層則會繼續(xù)收縮，收縮的不均勻?qū)⑹顾芗N曲。
除了考慮塑件內(nèi)外表面的溫度趨于平衡外，還應(yīng)考慮塑件各側(cè)的溫度一致，即模具冷卻時要盡量保持型腔、型芯各處溫度均勻一致，使塑件各處的冷卻速度均衡，從而使各處的收縮更趨均勻，有效地防止變形的產(chǎn)生。因此，模具上冷卻水孔的布置至關(guān)重要。在管壁至型腔表面距離確定后，應(yīng)盡可能使冷卻水孔之間的距離小，才能保證型腔壁的溫度均勻一致。同時，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)生溫差。因此，要求每個冷卻回路的水道長度小于2m。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。對于長條形塑件，應(yīng)采用如圖4所示的冷卻回路，減少冷卻回路的長度，即減少模具的溫差，從而保證塑件均勻冷卻。
3．頂出系統(tǒng)的設(shè)計
頂出系統(tǒng)的設(shè)計也直接影響塑件的變形。如果頂出系統(tǒng)布置不平衡，將造成頂出力的不平衡而使塑件變形。因此，在設(shè)計頂出系統(tǒng)時應(yīng)力求與脫模阻力相平衡。另外，頂出桿的截面積不能太小，以防塑件單位面積受力過大（尤其在脫模溫度太高時）而使塑件產(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)頂桿以減少塑件的總體變形。
用軟質(zhì)塑料來生產(chǎn)大型深腔薄壁的塑件時，由于脫模阻力較大，而材料又較軟，如果完全采用單一的機(jī)械式頂出方式，將使塑件產(chǎn)生變形，甚至頂穿或產(chǎn)生折疊而造成塑件報廢，如改用多元件聯(lián)合或氣（液）壓與機(jī)械式頂出相結(jié)合的方式效果會更好。
三、塑化階段對制品翹曲變形的影響
塑化階段即玻璃態(tài)的料粒轉(zhuǎn)化為粘流態(tài)，提供充模所需的熔體。在這個過程中，聚合物的溫度在軸向、徑向(相對螺桿而言)的溫差會使塑料產(chǎn)生應(yīng)力；另外，注射機(jī)的注射壓力、速率等參數(shù)會極大地影響充填時分子的取向程度，進(jìn)而引起翹曲變形。
四、充模及冷卻階段對制品翹曲變形的影響
熔融態(tài)的塑料在注射壓力的作用下，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)。在這個過程中，溫度、壓力、速度三者相互耦合作用，對塑件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率均有極大的影響。較高的壓力和流速會產(chǎn)生高剪切速率，從而引起平行于流動方向和垂直于流動方向的分子取向的差異，同時產(chǎn)生“凍結(jié)效應(yīng)”?！皟鼋Y(jié)效應(yīng)”將產(chǎn)生凍結(jié)應(yīng)力，形成塑件的內(nèi)應(yīng)力。溫度對翹曲變形的影響體現(xiàn)在以下幾個方面。
(1) 塑件上、下表面溫差會引起熱應(yīng)力和熱變形；
(2) 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；
(3) 不同的溫度狀態(tài)會影響塑料件的收縮率。
五、脫模階段對制品翹曲變形的影響
塑件在脫離型腔并冷卻至室溫的過程中多為玻璃態(tài)聚合物。脫模力不平衡、推出機(jī)構(gòu)運動不平穩(wěn)或脫模頂出面積不當(dāng)很容易使制品變形。同時，在充模和冷卻階段凍結(jié)在塑件內(nèi)的應(yīng)力由于失去外界的約束，將會以變形的形式釋放出來，從而導(dǎo)致翹曲變形。
六、注塑制品的收縮對翹曲變形的影響
注塑制品翹曲變形的直接原因在于塑件的不均勻收縮。如果在模具設(shè)計階段不考慮填充過程中收縮的影響，則制品的幾何形狀會與設(shè)計要求相差很大，嚴(yán)重的變形會致使制品報廢。除填充階段會引起變形外，模具上下壁面的溫度差也將引起塑件上下表面收縮的差異，從而產(chǎn)生翹曲變形。
對翹曲分析而言，收縮本身并不重要，重要的是收縮上的差異。在注塑成型過程中，熔融塑料在注射充模階段由于聚合物分子沿流動方向的排列使塑料在流動方向上的收縮率比垂直方向的收縮率大，而使注塑件產(chǎn)生翹曲變形。一般均勻收縮只引起塑料件體積上的變化，只有不均勻收縮才會引起翹曲變形。結(jié)晶型塑料在流動方向與垂直方向上的收縮率之差較非結(jié)晶型塑料大，而且其收縮率也較非結(jié)晶型塑料大，結(jié)晶型塑料大的收縮率與其收縮的異向性疊加后導(dǎo)致結(jié)晶型塑料件翹曲變形的傾向較非結(jié)晶型塑料大得多。
七、殘余熱應(yīng)力對制品翹曲變形的影響
在注射成型過程中，殘余熱應(yīng)力是引起翹曲變形的一個重要因素，而且對注塑制品的質(zhì)量有較大的影響。由于殘余熱應(yīng)力對制品翹曲變形的影響非常復(fù)雜，模具設(shè)計者可以借助于注塑CAE軟件進(jìn)行分析和預(yù)測。
八、結(jié)論
影響注塑制品翹曲變形的因素有很多，模具的結(jié)構(gòu)、塑料材料的熱物理性能以及注射成型過程的條件和參數(shù)均對制品的翹曲變形有不同程度的影響。因此，對注塑制品翹曲變形機(jī)理的研究必須綜合考慮整個成型過程和材料性能等多方面的因素。
