注塑制品翹曲變形原因分析 

注塑制品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(jiàn)的缺陷之一。隨著(zhù)塑料工業(yè)的發(fā)展，人們對塑料制品的外觀(guān)和使用性能要求越來(lái)越高，翹曲變形程度作為評定產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標之一也越來(lái)越多地受到模具設計者的關(guān)注與重視。模具設計者希望在設計階段預測出塑料件可能產(chǎn)生翹曲的原因，以便加以?xún)?yōu)化設計，從而提高注塑生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，縮短模具設計周期，降低成本。
　　本文主要對在注塑模具設計過(guò)程中影響注塑制品翹曲變形的因素加以分析。
　　●模具的結構對注塑制品翹曲變形的影響
　　在模具設計方面，影響塑件變形的因素主要有澆注系統、冷卻系統與頂出系統等。
　　1．澆注系統的設計
　　注塑模具澆口的位置、形式和澆口的數量將影響塑料在模具型腔內的填充狀態(tài)，從而導致塑件產(chǎn)生變形。
　　流動(dòng)距離越長(cháng)，由凍結層與中心流動(dòng)層之間流動(dòng)和補縮引起的內應力越大；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)凍結層厚度減薄，內應力降低，翹曲變形也會(huì )因此大為減少。圖1為大型平板形塑件，如果只使用一個(gè)中心澆口（如圖1a所示）或一個(gè)側澆口（如圖1b所示），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(huì )產(chǎn)生扭曲變形；若改用多個(gè)點(diǎn)澆口（如圖1c所示）或薄膜型澆口（如圖1d所示），則可有效地防止翹曲變形。
　　a)中心澆口b)側澆口c)多點(diǎn)澆口d)薄膜型澆口
　　當采用點(diǎn)澆進(jìn)行成型時(shí)，同樣由于塑料收縮的異向性，澆口的位置、數量都對塑件的變形程度有很大的影響。圖2為一箱形制件在不同澆口數目與分布下的試驗圖。
　　a)直澆口b)10個(gè)點(diǎn)澆口c)8個(gè)點(diǎn)澆口
　　d)4個(gè)點(diǎn)澆口e)6個(gè)點(diǎn)澆口f)4個(gè)點(diǎn)澆口
　　由于采用的是30％玻璃纖維增強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(dòng)方向上設有許多加強肋，這樣，對各個(gè)澆口都能獲得充分的平衡。實(shí)驗結果表明，按圖f設置澆口具有較好的效果。但并非澆口數目越多越好。實(shí)驗證明，按圖c設計的澆口比圖a的直澆口還差。
　　另外，多澆口的使用還能使塑料的流動(dòng)比（L／t）縮短，從而使模腔內物料密度更趨均勻，收縮更均勻。同時(shí)，整個(gè)塑件能在較小的注塑壓力下充滿(mǎn)。而較小的注射壓力可減少塑料的分子取向傾向，降低其內應力，因而可減少塑件的變形。
　　2．冷卻系統的設計
　　在注射過(guò)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(shí)所用的模具型腔、型芯的溫度相差過(guò)大，如圖3所示，由于貼近冷模腔面的熔體很快冷卻下來(lái)，而貼近熱模腔面的料層則會(huì )繼續收縮，收縮的不均勻將使塑件翹曲。因此，注塑模的冷卻應當注意型腔、型芯的溫度趨于平衡，兩者的溫差不能太大。
　　除了考慮塑件內外表面的溫度趨于平衡外，還應考慮塑件各側的溫度一致，即模具冷卻時(shí)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(shí)，由于冷卻介質(zhì)的溫度隨冷卻水道長(cháng)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(gè)冷卻回路的水道長(cháng)度小于2m。在大型模具中應設置數條冷卻回路，一條回路的進(jìn)口位于另一條回路的出口附近。對于長(cháng)條形塑件，應采用如圖4所示的冷卻回路，減少冷卻回路的長(cháng)度，即減少模具的溫差，從而保證塑件均勻冷卻，圖5為回路設計方案。
　　3．頂出系統的設計
　　頂出系統的設計也直接影響塑件的變形。如果頂出系統布置不平衡，將造成頂出力的不平衡而使塑件變形。因此，在設計頂出系統時(shí)應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(guò)大（尤其在脫模溫度太高時(shí)）而使塑件產(chǎn)生變形。頂桿的布置應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(guān)等）的前提下，應盡可能多設頂桿以減少塑件的總體變形。
　　用軟質(zhì)塑料來(lái)生產(chǎn)大型深腔薄壁的塑件時(shí)，由于脫模阻力較大，而材料又較軟，如果完全采用單一的機械式頂出方式，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）壓與機械式頂出相結合的方式效果會(huì )更好。
　　●塑化階段對制品翹曲變形的影響
　　塑化階段即玻璃態(tài)的料粒轉化為粘流態(tài)，提供充模所需的熔體。在這個(gè)過(guò)程中，聚合物的溫度在軸向、徑向(相對螺桿而言)的溫差會(huì )使塑料產(chǎn)生應力；另外，注射機的注射壓力、速率等參數會(huì )極大地影響充填時(shí)分子的取向程度，進(jìn)而引起翹曲變形。
　　●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冷卻、凝固的過(guò)程是注射成型的關(guān)鍵環(huán)節。在這個(gè)過(guò)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(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)方向的分子取向的差異，同時(shí)產(chǎn)生"凍結效應"。"凍結效應"將產(chǎn)生凍結應力，形成塑件的內應力。溫度對翹曲變形的影響體現在以下幾個(gè)方面。
　　(1)塑件上、下表面溫差會(huì )引起熱應力和熱變形；
　　(2)塑件不同區域之間的溫度差將引起不同區域間的不均勻收縮；
　　(3)不同的溫度狀態(tài)會(huì )影響塑料件的收縮率。
　　●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(guò)程中多為玻璃態(tài)聚合物。脫模力不平衡、推出機構運動(dòng)不平穩或脫模頂出面積不當很容易使制品變形。同時(shí)，在充模和冷卻階段凍結在塑件內的應力由于失去外界的約束，將會(huì )以變形的形式釋放出來(lái)，從而導致翹曲變形。
　　●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。如果在模具設計階段不考慮填充過(guò)程中收縮的影響，則制品的幾何形狀會(huì )與設計要求相差很大，嚴重的變形會(huì )致使制品報廢。除填充階段會(huì )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(guò)程中，熔融塑料在注射充模階段由于聚合物分子沿流動(dòng)方向的排列使塑料在流動(dòng)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(huì )引起翹曲變形。結晶型塑料在流動(dòng)方向與垂直方向上的收縮率之差較非結晶型塑料大，而且其收縮率也較非結晶型塑料大，結晶型塑料大的收縮率與其收縮的異向性疊加后導致結晶型塑料件翹曲變形的傾向較非結晶型塑料大得多。
　　●殘余熱應力對制品翹曲變形的影響
　　在注射成型過(guò)程中，殘余熱應力是引起翹曲變形的一個(gè)重要因素，而且對注塑制品的質(zhì)量有較大的影響。由于殘余熱應力對制品翹曲變形的影響非常復雜，模具設計者可以借助于注塑CAE軟件進(jìn)行分析和預測。
　　●結論
　　影響注塑制品翹曲變形的因素有很多，模具的結構、塑料材料的熱物理性能以及注射成型過(guò)程的條件和參數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理的研究必須綜合考慮整個(gè)成型過(guò)程和材料性能等多方面的因素。