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。隨著塑料工業的發展，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品質量的重要指標之一也越來越多地受到模具設計者的關注與重視。模具設計者希望在設計階段預測出塑料件可能產生翹曲的原因，以便加以優化設計，從而提高注塑生產的效率和質量，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程中影響注塑制品翹曲變形的因素加以分析。
二、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，從而導致塑件產生變形。
流動距離越長，由凍結層與中心流動層之間流動和補縮引起的內應力越大；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，充模時凍結層厚度減薄，內應力降低，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。
當采用點澆進行成型時，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。
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，因此沿四周壁流動方向上設有許多加強肋，這樣，對各個澆口都能獲得充分的平衡。實驗結果表明，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。
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，降低其內應力，因而可減少塑件的變形。
2．冷卻系統的設計
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，這種收縮差別導致彎曲力矩的產生而使塑件發生翹曲。
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收縮，收縮的不均勻將使塑件翹曲。
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生。因此，模具上冷卻水孔的布置至關重要。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，由于冷卻介質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。在大型模具中應設置數條冷卻回路，一條回路的進口位于另一條回路的出口附近。對于長條形塑件，應采用如圖4所示的冷卻回路，減少冷卻回路的長度，即減少模具的溫差，從而保證塑件均勻冷卻。
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大（尤其在脫模溫度太高時）而使塑件產生變形。頂桿的布置應盡量靠近脫模阻力大的部位。在不影響塑件質量（包括使用要求、尺寸精度與外觀等）的前提下，應盡可能多設頂桿以減少塑件的總體變形。
用軟質塑料來生產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械式頂出方式，將使塑件產生變形，甚至頂穿或產生折疊而造成塑件報廢，如改用多元件聯合或氣（液）壓與機械式頂出相結合的方式效果會更好。
三、塑化階段對制品翹曲變形的影響
塑化階段即玻璃態的料粒轉化為粘流態，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)的溫差會使塑料產生應力；另外，注射機的注射壓力、速率等參數會極大地影響充填時分子的取向程度，進而引起翹曲變形。
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、凝固的過程是注射成型的關鍵環節。在這個過程中，溫度、壓力、速度三者相互耦合作用，對塑件的質量和生產效率均有極大的影響。較高的壓力和流速會產生高剪切速率，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，同時產生“凍結效應”。“凍結效應”將產生凍結應力，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方面。
(1) 塑件上、下表面溫差會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聚合物。脫模力不平衡、推出機構運動不平穩或脫模頂出面積不當很容易使制品變形。同時，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，將會以變形的形式釋放出來，從而導致翹曲變形。
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計要求相差很大，嚴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。結晶型塑料在流動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。
七、殘余熱應力對制品翹曲變形的影響
在注射成型過程中，殘余熱應力是引起翹曲變形的一個重要因素，而且對注塑制品的質量有較大的影響。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軟件進行分析和預測。
八、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成型過程和材料性能等多方面的因素。
