注塑件的應(yīng)力變形分析及解決對(duì)策[1].pdf

注 塑 件 的 應(yīng) 力 變 形 分 析 及 解 決 對(duì) 策程 曉 宇 王 曉 梅(陜 西 國(guó) 防 工 業(yè) 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 ,西 安 710302)摘 要 對(duì) 注 塑 件 產(chǎn) 生 應(yīng) 力 變 形 的 原 因 進(jìn) 行 分 析 ,指 出 了 注 塑 件 應(yīng) 力 變 形 的 內(nèi) 在 因 素 主 要 是 不 同 注 塑 件 原 料 對(duì)注 塑 工 藝 參 數(shù) 的 敏 感 度 不 同 所 致 ;外 在 因 素 是 模 具 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 對(duì) 注 塑 件 應(yīng) 力 變 形 的 影 響 ;從 模 具 設(shè) 計(jì) 方 法 和 注 塑 工 藝上 給 出 了 解 決 注 塑 件 應(yīng) 力 變 形 的 幾 個(gè) 有 效 對(duì) 策 ,并 通 過(guò) 實(shí) 際 例 子 證 明 這 幾 個(gè) 對(duì) 策 是 簡(jiǎn) 單 有 效 的 。關(guān) 鍵 詞 注 塑 件 應(yīng) 力 變 形 注 塑 工 藝 模 具 設(shè) 計(jì) 后 處 理注 塑 件 的 應(yīng) 力 變 形 是 指 注 塑 制 品 的 形 狀 因 其 內(nèi)在 和 外 在 因 素 而 導(dǎo) 致 內(nèi) 應(yīng) 力 不 平 衡 ,使 其 偏 離 了 模具 型 腔 的 原 來(lái) 形 狀 ,它 是 塑 料 制 品 常 見(jiàn) 的 缺 陷 之 一 。隨 著 塑 料 工 業(yè) 的 發(fā) 展 ,人 們 對(duì) 塑 料 制 品 的 外 觀和 使 用 性 能 的 要 求 越 來(lái) 越 高 ,應(yīng) 力 變 形 造 成 外 觀 的變 形 程 度 作 為 評(píng) 定 制 品 質(zhì) 量 的 重 要 指 標(biāo) 之 一 也 越 來(lái)越 多 地 受 到 模 具 設(shè) 計(jì) 者 的 關(guān) 注 與 重 視 。 模 具 設(shè) 計(jì) 者希 望 在 設(shè) 計(jì) 階 段 預(yù) 測(cè) 出 注 塑 件 可 能 產(chǎn) 生 應(yīng) 力 不 平 衡的 原 因 ,以 便 加 以 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 和 后 期 采 用 熱 處 理 工 藝加 以 校 正 ,從 而 提 高 注 塑 生 產(chǎn) 的 效 率 和 質(zhì) 量 ,縮 短 模具 的 設(shè) 計(jì) 周 期 ,降 低 成 本 。筆 者 主 要 從 注 塑 工 藝 和 模 具 設(shè) 計(jì) 方 面 分 析 、 討論 了 大 型 薄 壁 注 塑 件 消 除 內(nèi) 應(yīng) 力 變 形 的 內(nèi) 在 因 素 和外 在 因 素 ,并 給 出 相 應(yīng) 的 幾 個(gè) 解 決 對(duì) 策 。1 注 塑 工 藝 對(duì) 制 品 應(yīng) 力 變 形 的 影 響 1 塑 料 在 塑 化 階 段 即 由 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 此 過(guò) 程 中 熔 體 在 軸 向 、徑 向 (相 對(duì) 螺 桿 而 言 )的 溫 度 差 會(huì) 使 制 品 產(chǎn) 生 應(yīng) 力 ;另 外 ,注 塑 機(jī) 的 注 塑 壓 力 、 注 射 速 率 等 參 數(shù) 也 會(huì) 極 大地 影 響 充 填 時(shí) 塑 料 分 子 的 取 向 程 度 ,進(jìn) 而 引 起 應(yīng) 力不 平 衡 而 導(dǎo) 致 制 品 變 形 。熔 融 態(tài) 的 塑 料 在 注 塑 壓 力 的 作 用 下 充 入 模 具 型腔 并 在 型 腔 內(nèi) 冷 卻 、 凝 固 的 過(guò) 程 是 注 射 成 型 的 關(guān) 鍵環(huán) 節(jié) 。 在 這 個(gè) 過(guò) 程 中 溫 度 、 壓 力 、 速 度 三 者 的 相 互 耦合 作 用 對(duì) 注 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 塑 料 分 子 取向 有 所 差 異 ,同 時(shí) 產(chǎn) 生 “ 凍 結(jié) 效 應(yīng) ” 。 這 種 “ 凍 結(jié) 效應(yīng) ” 將 產(chǎn) 生 凍 結(jié) 應(yīng) 力 而 形 成 注 塑 件 的 內(nèi) 應(yīng) 力 。溫 度 對(duì) 注 塑 件 變 形 的 影 響 體 現(xiàn) 在 3個(gè) 方 面 :(1)注 塑 件 上 、 下 表 面 溫 度 差 會(huì) 引 起 熱 應(yīng) 力 和 熱 變形 ; (2)注 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(huì) 影 響注 塑 件 的 收 縮 率 。另 一 方 面 ,注 塑 件 在 脫 離 型 腔 并 冷 卻 至 室 溫 的過(guò) 程 中 多 處 于 聚 合 物 的 玻 璃 態(tài) 。 脫 模 力 不 平 衡 ,推出 機(jī) 構(gòu) 運(yùn) 動(dòng) 不 平 穩(wěn) ,或 脫 模 頂 出 面 積 不 當(dāng) 等 均 易 使制 品 變 形 。 同 時(shí) 在 充 模 階 段 和 冷 卻 階 段 塑 料 分 子 產(chǎn)生 的 “ 凍 結(jié) ” 會(huì) 使 注 塑 件 脫 模 后 的 內(nèi) 應(yīng) 力 因 失 去 外界 的 約 束 而 以 變 形 的 形 式 釋 放 出 來(lái) ,導(dǎo) 致 制 品 翹 曲 。消 除 制 品 應(yīng) 力 變 形 缺 陷 ,首 先 在 模 具 設(shè) 計(jì) 階 段就 必 須 考 慮 到 填 充 過(guò) 程 中 收 縮 的 影 響 ,特 別 是 收 縮不 均 衡 的 影 響 。 熔 融 的 塑 料 在 注 射 充 模 階 段 由 于 其分 子 沿 流 動(dòng) 方 向 取 向 而 使 得 熔 料 在 流 動(dòng) 方 向 的 收 縮率 比 垂 直 方 向 的 收 縮 率 大 ,使 注 塑 件 產(chǎn) 生 收 縮 應(yīng) 力而 發(fā) 生 變 形 。 結(jié) 晶 性 塑 料 在 流 動(dòng) 方 向 與 垂 直 方 向 的收 縮 率 之 差 較 非 結(jié) 晶 性 塑 料 大 ,而 且 其 收 縮 率 也 較非 結(jié) 晶 性 塑 料 大 。 結(jié) 晶 性 塑 料 的 較 大 的 收 縮 率 與 其收 縮 的 異 向 性 疊 加 后 導(dǎo) 致 注 塑 件 變 形 的 傾 向 較 非 結(jié)晶 性 塑 料 大 得 多 。 所 以 在 設(shè) 計(jì) 注 塑 件 和 計(jì) 算 模 具 的成 型 尺 寸 時(shí) ,必 須 優(yōu) 先 考 慮 到 收 縮 引 起 應(yīng) 力 不 均 衡的 因 素 ,收 縮 率 的 選 取 應(yīng) 根 據(jù) 注 塑 件 原 料 的 性 質(zhì) 、 制品 形 狀 不 同 而 給 出 合 適 的 數(shù) 值 。在 注 射 成 型 過(guò) 程 中 ,殘 余 熱 應(yīng) 力 是 引 起 制 品 翹曲 變 形 的 另 一 個(gè) 重 要 因 素 ,對(duì) 注 塑 制 品 的 質(zhì) 量 具 有較 大 的 影 響 。 由 于 殘 余 熱 應(yīng) 力 對(duì) 制 品 翹 曲 變 形 的 影響 非 常 復(fù) 雜 ,模 具 設(shè) 計(jì) 者 可 以 借 助 于 注 塑 進(jìn) 行 分 析 和 預(yù) 測(cè) 。 從 而 在 模 具 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 中 加 以 修正 ,從 而 平 衡 內(nèi) 應(yīng) 力 ,避 免 制 品 翹 曲 變 形 缺 陷 的 發(fā)生 。2 模 具 結(jié) 構(gòu) 對(duì) 制 品 應(yīng) 力 變 形 的 影 響 1, 2 在 模 具 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 方 面 ,影 響 注 塑 制 品 應(yīng) 力 變 形的 外 在 因 素 主 要 有 澆 注 系 統(tǒng) 、 冷 卻 系 統(tǒng) 與 頂 出 系 統(tǒng)等 。收 稿 日 期 : 200620621513程 曉 宇 ,等 :注 塑 件 的 應(yīng) 力 變 形 分 析 及 解 決 對(duì) 策 1994 澆 注 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì)注 塑 模 具 澆 口 的 位 置 、 形 式 和 澆 口 的 數(shù) 量 將 影響 塑 料 熔 體 在 模 具 型 腔 內(nèi) 的 填 充 狀 態(tài) ,從 而 導(dǎo) 致 注塑 件 由 于 內(nèi) 應(yīng) 力 不 平 衡 而 產(chǎn) 生 變 形 。 流 動(dòng) 距 離 越長(zhǎng) ,由 凍 結(jié) 層 與 中 心 流 動(dòng) 層 之 間 流 動(dòng) 和 補(bǔ) 縮 引 起 的內(nèi) 應(yīng) 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(jié) 層 厚 度 減 薄 ,內(nèi)應(yīng) 力 越 小 ,翹 曲 變 形 也 會(huì) 大 為 減 少 。圖 1為 平 板 形 手 機(jī) 塑 料 外 殼 座 ,如 果 只 設(shè) 置 一個(gè) 中 心 澆 口 或 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 注 塑 件 會(huì) 產(chǎn) 生 扭 曲變 形 ;若 改 用 多 個(gè) 點(diǎn) 澆 口 (如 圖 2所 示 ) ,澆 道 采 用平 衡 式 布 置 ,則 可 有 效 地 防 止 制 品 翹 曲 變 形 。圖 1 手 機(jī) 外 殼 座圖 2 澆 口 與 流 道 的 設(shè) 計(jì)采 用 點(diǎn) 澆 口 進(jìn) 行 成 型 時(shí) ,由 于 塑 料 收 縮 的 異 向性 ,澆 口 的 位 置 、 數(shù) 量 都 對(duì) 注 塑 件 的 變 形 程 度 有 很 大的 影 響 。 但 是 由 于 采 用 多 點(diǎn) 進(jìn) 澆 的 點(diǎn) 澆 口 ,且 點(diǎn) 澆口 開(kāi) 設(shè) 在 分 型 面 上 ,容 易 調(diào) 整 尺 寸 ,方 便 排 氣 ,從 而可 減 小 因 原 料 成 型 時(shí) 揮 發(fā) 出 的 氣 體 而 造 成 的 內(nèi) 應(yīng)力 。另 外 ,采 用 多 點(diǎn) 進(jìn) 澆 的 點(diǎn) 澆 口 還 能 縮 短 塑 料 的流 動(dòng) 比 (L / t) ,從 而 使 型 腔 內(nèi) 物 料 的 密 度 更 趨 于 均一 ,收 縮 更 均 勻 。 同 時(shí) 熔 料 能 在 較 小 的 注 塑 壓 力 下充 滿 型 腔 ,而 較 小 的 注 塑 壓 力 可 減 少 塑 料 分 子 的 取向 傾 向 ,降 低 其 內(nèi) 應(yīng) 力 ,因 而 可 減 少 注 塑 件 的 變 形 。2. 2 冷 卻 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì)在 注 射 過(guò) 程 中 注 塑 件 冷 卻 速 度 的 不 均 勻 也 將 造成 收 縮 的 不 均 勻 ,這 種 收 縮 差 別 導(dǎo) 致 彎 曲 力 矩 產(chǎn) 生內(nèi) 應(yīng) 力 而 使 注 塑 件 產(chǎn) 生 翹 曲 。在 注 射 成 型 平 板 形 注 塑 制 品 時(shí) ,如 果 所 用 的 模具 型 腔 、 型 芯 的 溫 度 相 差 過(guò) 大 ,貼 近 冷 型 腔 面 的 熔 體很 快 得 到 冷 卻 ,而 貼 近 熱 型 腔 面 的 熔 體 則 會(huì) 繼 續(xù) 收縮 ,收 縮 的 不 均 勻 產(chǎn) 生 的 內(nèi) 應(yīng) 力 將 使 注 塑 件 翹 曲 變形 。 因 此 注 塑 模 的 冷 卻 系 統(tǒng) 應(yīng) 當(dāng) 控 制 型 腔 、 型 芯 的溫 度 趨 于 平 衡 ,兩 者 的 溫 差 不 能 太 大 。 模 具 中 冷 卻水 孔 的 布 置 至 關(guān) 重 要 ,在 管 壁 至 型 腔 表 面 的 距 離 確定 之 后 應(yīng) 盡 可 能 使 冷 卻 水 孔 之 間 的 距 離 短 些 ,以 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(zhǎng) 度 的 增 加 而 上 升 ,使 模 具 的 型 腔 、 型芯 沿 水 道 產(chǎn) 生 溫 度 差 ,因 此 要 求 每 個(gè) 冷 卻 回 路 的 水道 長(zhǎng) 度 小 于 2 m。 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 。圖 3為 手 機(jī) 塑 料 外 殼 座 定 模 板 中 設(shè) 置 的 冷 卻 水道 。 圖 3中 冷 卻 水 孔 的 直 徑 為 6 距 定 模 板 的 頂面 17 A、 B 處 是 需 要 用 銅 料 堵 住 的 ,冷 卻 水 孔 的接 口 處 為 /8的 英 制 內(nèi) 螺 紋 ,用 來(lái) 接 水 咀 (一 種標(biāo) 準(zhǔn) 件 ,用 來(lái) 連 接 外 界 冷 卻 水 的 像 螺 母 一 樣 的 東西 ) ,冷 卻 水 流 的 路 徑 如 圖 3中 的 箭 頭 所 示 。 這 樣可 以 有 效 地 均 衡 溫 度 ,減 小 內(nèi) 應(yīng) 力 ,防 止 注 塑 件 產(chǎn) 生翹 曲 變 形 。圖 3 冷 卻 流 道 設(shè) 計(jì)2. 3 頂 出 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì)模 具 頂 出 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 也 直 接 影 響 注 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 產(chǎn) 生 內(nèi) 應(yīng) 力 ,使 注 塑 件 變 形 。 因 此 在 設(shè) 計(jì) 模具 頂 出 系 統(tǒng) 時(shí) 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 注 塑 件 單 位 面 積 受 力過(guò) 大 (尤 其 在 脫 模 溫 度 太 高 時(shí) )而 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 注塑 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) 置 頂 桿 以 減 少 注 塑 件 的 總 體 變形 ?？?慮 到 以 上 因 素 ,為 了 防 止 型 芯 包 緊 力 過(guò) 大 ,一次 推 出 時(shí) 注 塑 件 變 形 太 大 ,該 手 機(jī) 塑 料 外 殼 座 模 具的 推 出 機(jī) 構(gòu) 宜 采 用 二 次 機(jī) 動(dòng) 推 出 ,即 采 用 一 次 推 出使 型 芯 與 注 塑 件 分 離 ,二 次 推 出 使 注 塑 件 與 凹 模 分離 的 方 式 ,這 樣 就 可 以 分 散 頂 出 力 ,以 防 止 頂 出 力 過(guò)23 工 程 塑 料 應(yīng) 用 2006年 ,第 34卷 ,第 9期 1994 ,使 注 塑 件 產(chǎn) 生 應(yīng) 力 變 形 。 頂 出 制 品 時(shí) 的 布 置 形式 見(jiàn) 圖 4,頂 出 的 距 離 為 10 15 。圖 4 推 出 機(jī) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)3 后 處 理 對(duì) 制 品 翹 曲 變 形 的 影 響 2 對(duì) 于 有 翹 曲 變 形 傾 向 的 注 塑 件 ,或 者 為 了 盡 快穩(wěn) 定 注 塑 件 的 尺 寸 ,可 在 成 型 工 藝 上 設(shè) 置 注 塑 件 的后 處 理 。 注 塑 制 品 的 后 處 理 主 要 有 退 火 處 理 、 調(diào) 濕處 理 兩 種 。由 于 塑 料 在 機(jī) 筒 塑 化 不 均 或 在 型 腔 內(nèi) 冷 卻 速 度不 一 致 ,經(jīng) 常 會(huì) 使 注 塑 件 產(chǎn) 生 不 均 勻 結(jié) 晶 、 定 向 和 收縮 而 形 成 內(nèi) 應(yīng) 力 ,這 種 現(xiàn) 象 在 生 產(chǎn) 厚 壁 或 帶 有 金 屬嵌 件 的 制 品 時(shí) 更 為 突 出 。 存 有 內(nèi) 應(yīng) 力 的 注 塑 件 在 貯存 和 使 用 中 經(jīng) 常 會(huì) 發(fā) 生 力 學(xué) 性 能 下 降 、 光 學(xué) 性 能 變差 甚 至 發(fā) 生 應(yīng) 力 開(kāi) 裂 。 解 決 此 問(wèn) 題 的 最 好 的 方 法 是退 火 處 理 。退 火 處 理 方 法 是 使 制 品 在 定 溫 的 加 熱 液 體 介 質(zhì)(熱 水 、 油 )中 或 熱 空 氣 循 環(huán) 烘 箱 中 靜 置 一 段 時(shí) 間 。處 理 時(shí) 間 可 根 據(jù) 塑 料 品 種 、 加 熱 介 質(zhì) 溫 度 、 制 品 形 狀與 注 塑 工 藝 而 定 ,以 達(dá) 到 消 除 內(nèi) 應(yīng) 力 為 宜 。 退 火 溫度 一 般 應(yīng) 控 制 在 注 塑 件 使 用 溫 度 以 上 10 20 或者 低 于 注 塑 件 的 熱 變 形 溫 度 10 20 為 宜 。 退 火的 實(shí) 質(zhì) 是 : (1)迫 使 “ 凍 結(jié) ” 的 塑 料 分 子 鏈 松 弛 ,消 除內(nèi) 應(yīng) 力 ; (2)提 高 結(jié) 晶 度 ,穩(wěn) 定 結(jié) 晶 結(jié) 構(gòu) ,增 強(qiáng) 注 塑件 強(qiáng) 度 與 剛 度 以 抵 抗 變 形 。調(diào) 濕 處 理 也 是 一 種 后 處 理 方 法 。 比 如 ,聚 酰 胺( 類 注 塑 件 在 高 溫 下 與 空 氣 接 觸 時(shí) 經(jīng) 常 會(huì) 氧 化變 色 ,同 時(shí) 又 易 吸 收 水 分 而 膨 脹 變 形 。 調(diào) 濕 處 理 就是 將 脫 模 的 注 塑 件 放 置 在 熱 水 中 浸 泡 一 段時(shí) 間 ,達(dá) 到 吸 濕 平 衡 ,穩(wěn) 定 尺 寸 ,以 防 止 翹 曲 變 形 。在 調(diào) 濕 處 理 中 吸 收 適 量 的 水 分 起 著 增 塑 劑 的 作 用 ,可 以 改 善 注 塑 制 品 的 韌 性 ,提 高 沖 擊 強(qiáng) 度 和 拉 伸 強(qiáng)度 。 可 以 說(shuō) 調(diào) 濕 處 理 也 是 消 除 注 塑 件 內(nèi) 應(yīng) 力 的 有 效方 法 之 一 。3 結(jié) 語(yǔ)影 響 注 塑 件 應(yīng) 力 變 形 的 因 素 很 多 ,塑 料 材 料 的熱 物 理 性 能 、 模 具 的 結(jié) 構(gòu) 及 注 塑 工 藝 參 數(shù) 均 對(duì) 制 品的 應(yīng) 力 變 形 有 著 不 同 程 度 的 影 響 。 因 此 ,對(duì) 注 塑 制品 翹 曲 變 形 機(jī) 理 的 研 究 必 須 綜 合 考 慮 材 料 性 能 和 整個(gè) 成 型 過(guò) 程 等 多 方 面 的 因 素 。參 考 文 獻(xiàn)1 李 金 良 ,龍 玲 . 注 塑 制 品 的 翹 曲 變 形 分 析 . 造 業(yè) 信息 化 , 2003 (7) : 432 成 都 科 技 大 學(xué) . 塑 料 成 型 工 藝 學(xué) . 北 京 :輕 工 業(yè) 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 應(yīng) 用 增 刊