塑件開(kāi)裂原因及內(nèi)應(yīng)力分析

塑件開(kāi)裂原因分析1引言開(kāi)裂，包括制件表面絲狀裂紋、微裂、頂白、開(kāi)裂及因制件粘模、流道粘模而造成或創(chuàng)傷危機(jī)，按開(kāi)裂時(shí)間分脫模開(kāi)裂和應(yīng)用開(kāi)裂。注塑制品一個(gè)普遍存在的缺點(diǎn)是有內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力的存在不僅是制件在儲(chǔ)存和使用中出現(xiàn)翹曲變形和開(kāi)裂的重要原因。主要有以下幾個(gè)方面的原因造成：加工方面：（1） 加工壓力過(guò)大、速度過(guò)快、充料愈多、注射、保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，都會(huì)造成內(nèi)應(yīng)力過(guò)大而開(kāi)裂。大力神云石膠（2） 調(diào)節(jié)開(kāi)模速度與壓力防止快速?gòu)?qiáng)拉制件造成脫模開(kāi)裂。（3） 適當(dāng)調(diào)高模具溫度，使制件易于脫模，適當(dāng)調(diào)低料溫防止分解。（4） 預(yù)防由于熔接痕，塑料降解造成機(jī)械強(qiáng)度變低而出現(xiàn)開(kāi)裂。（5） 適當(dāng)使用脫模劑，注意經(jīng)常消除模面附著的氣霧等物質(zhì)。（6） 制件殘余應(yīng)力，可通過(guò)在成型后立即進(jìn)行退火熱處理來(lái)消除內(nèi)應(yīng)力而減少裂紋的生成。模具方面：（1）頂出要平衡，如頂桿數(shù)量、截面積要足夠，脫模斜度要足夠，型腔面要有足夠光滑，這樣才防止由于外力導(dǎo)致頂出殘余應(yīng)力集中而開(kāi)裂。制件結(jié)構(gòu)不能太薄，過(guò)渡部份應(yīng)盡量采用圓弧過(guò)渡，避免尖角、倒角造成應(yīng)力集中。盡量少用金屬嵌件，以防止嵌件與制件收縮率不同造成內(nèi)應(yīng)力加大。對(duì)深底制件應(yīng)設(shè)置適當(dāng)?shù)拿撃＿M(jìn)氣孔道，防止形成真空負(fù)壓。主流道足夠大使?jié)部诹衔磥?lái)得及固化時(shí)脫模，這樣易于脫模。主流道襯套與噴嘴接合應(yīng)當(dāng)防止;令硬料的拖拉而使制件粘在定模上。材料方面：(1)再生料含量太高，造成制件強(qiáng)度過(guò)低。濕度過(guò)大，造成一些塑料與水汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低強(qiáng)度而出現(xiàn)頂出開(kāi)裂。材料本身不適宜正在加工的環(huán)境或質(zhì)量欠佳，受到污染都會(huì)造成開(kāi)裂。機(jī)臺(tái)方面：注塑機(jī)塑化容量要適當(dāng)，過(guò)小塑化不充分未能完全混合而變脆，過(guò)大時(shí)會(huì)降解。塑件內(nèi)應(yīng)力分析2內(nèi)應(yīng)力的種類(lèi)高分子材料在成型過(guò)程中形成的不平衡構(gòu)象，在成型之后不能立即恢復(fù)到與環(huán)境條件相適應(yīng)的平衡構(gòu)象，是注塑制品存在內(nèi)應(yīng)力的主要原因。另外，外力使制件產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變也會(huì)在其中形成內(nèi)應(yīng)力。根據(jù)起因不同，通常認(rèn)為熱塑性塑料注塑制件中主要存在著四種不同形式的內(nèi)應(yīng)力。對(duì)注塑制件力學(xué)性能影響最大的是取向應(yīng)力和體積溫度應(yīng)力。2.1取向應(yīng)力高分子取向使制件內(nèi)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(yīng)力，用退火的方法可以消除制件的取向應(yīng)力。試驗(yàn)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(shí)間和保壓時(shí)間都能在不同程度上使制件的取向應(yīng)力減小。2.2體積溫度應(yīng)力體積溫度應(yīng)力是制件冷卻時(shí)不均勻收縮引起的。因內(nèi)外收縮不均而產(chǎn)生的體積溫度應(yīng)力主要靠減少制件內(nèi)外層冷卻降溫速率的差別來(lái)降低。這可以通過(guò)提高模具溫度、降低加工溫度來(lái)達(dá)到。加工結(jié)晶塑料制件時(shí)，常常因各部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度不等而出現(xiàn)結(jié)晶應(yīng)力。模具溫度是影響結(jié)晶過(guò)程的最主要的工藝因素，降低模具溫度可以降低結(jié)晶應(yīng)力。帶金屬嵌件的塑件成型時(shí)，嵌件周?chē)牧蠈佑捎趦煞N材料線膨脹系數(shù)不等而出現(xiàn)收縮應(yīng)力，可通過(guò)預(yù)熱嵌件降低應(yīng)力。這兩種內(nèi)應(yīng)力主要是由于收縮不均而產(chǎn)生的，也屬于體積溫度應(yīng)力。2.3與制件體積不平衡有關(guān)的應(yīng)力高分子在模腔內(nèi)凝固時(shí)，甚至在極其緩慢的條件下要使制件在脫模后立即達(dá)到其平

衡體積，在實(shí)際上是不可能的。實(shí)驗(yàn)測(cè)定表明，注塑制件中這種形式的內(nèi)應(yīng)力一般很小。2.4與制件頂出變形有關(guān)的內(nèi)應(yīng)力這種內(nèi)應(yīng)力主要與開(kāi)模條件和模具頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有關(guān)。正確選擇開(kāi)模條件使開(kāi)模前的模腔壓力接近于零，根據(jù)制件的結(jié)構(gòu)和形狀設(shè)計(jì)合理的頂出機(jī)構(gòu)，使制件頂出時(shí)不致變形，是可以將這種形式的內(nèi)應(yīng)力減少到不會(huì)影響制件力學(xué)性能的限度以內(nèi)的。3影響注塑制品內(nèi)應(yīng)力的因素分析注塑制品的造型設(shè)計(jì)不合理、模具設(shè)計(jì)不合理、成型工藝條件不正確、注射機(jī)選用不當(dāng)?shù)榷紩?huì)使制品內(nèi)存在比較大的內(nèi)應(yīng)力。影響制品內(nèi)應(yīng)力的因素很多，也很復(fù)雜。主要影響因素見(jiàn)下圖所示。E件隨翅+-模具溫度七注射ffi力十注射速度E件隨翅+-模具溫度七注射ffi力十注射速度七保壓壓力t保壓，肘間t冷卻時(shí)間3.1造型設(shè)計(jì)3.1.1圓角塑料制品除了使用上要求采用尖角外，各表面相交處應(yīng)盡可能采用圓弧過(guò)渡。由于制品形狀和截面的變化，使注塑過(guò)程中熔料在尖角處的流態(tài)發(fā)生急劇變化而產(chǎn)生大的應(yīng)力，而且殘留在尖角處。在有載荷或受沖擊振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生破裂，甚至在脫模過(guò)程中即由于模塑內(nèi)應(yīng)力而開(kāi)裂，特別是制品的內(nèi)圓角。一般，即使采用R為0.5mm的圓角就能使塑件強(qiáng)度大為增加。一般情況下，理想的內(nèi)圓角半徑應(yīng)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(guò)渡既可以減少應(yīng)力集中，還可大大改善塑料的充模特性，避免在轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生沖擊形成波紋或充不滿模腔。塑件設(shè)計(jì)成圓角，使模具型腔對(duì)應(yīng)部位也呈圓角，這樣增加了模具的堅(jiān)固性，塑件的外圓角對(duì)應(yīng)著型腔的內(nèi)圓角，它使模具在淬火或使用時(shí)不至于因應(yīng)力集中而開(kāi)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(yán)重的應(yīng)力集中源，采用倒圓角的螺紋可減少應(yīng)力集中，提高螺紋強(qiáng)度。3.1.2制品壁厚制品壁厚是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所需要考慮的重要因素。不合理的壁厚會(huì)給制品帶來(lái)很多缺陷。增加壁厚既可改善樹(shù)脂的充模特性，又可降低取向應(yīng)力，減少變形，提高制品強(qiáng)度。但同時(shí)收縮加大，保壓和冷卻時(shí)間加長(zhǎng)，生產(chǎn)效率降低，消耗材料多。較大的收縮應(yīng)力還將造成制品表面產(chǎn)生凹陷或內(nèi)部出現(xiàn)縮孔與氣泡，既影響外觀又降低了強(qiáng)度。增加壁厚的同時(shí)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(yīng)力和體積溫度應(yīng)力都隨之增大。如果制品壁太薄，會(huì)降低強(qiáng)度，脫模時(shí)易破裂，還有礙于樹(shù)脂的充模流動(dòng)，造成填充不足或出現(xiàn)明顯的熔合紋，嚴(yán)重影響制品質(zhì)量。每種塑料根據(jù)充模能力都有一個(gè)最小壁厚。確定壁厚時(shí)在滿足強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)壁厚為1.2~3.5mm。壁厚設(shè)計(jì)還應(yīng)注意均勻一致，否則將會(huì)由于收縮應(yīng)力引起制品的翹曲變形。同一制品中，若必須存在壁厚相差較大的情況時(shí)，連接處應(yīng)逐漸過(guò)渡，避免截面的3.1.3金屬嵌件由于金屬嵌件冷卻時(shí)尺寸變化與塑料的熱收縮值相差很大，使嵌件周?chē)a(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，而造成塑件的開(kāi)裂。對(duì)某些高剛性的工程塑料更甚，如聚碳酸酯；但對(duì)于彈性和冷流動(dòng)性大的塑料則應(yīng)力值較低。當(dāng)有金屬嵌件存在時(shí)，應(yīng)盡量避免制件開(kāi)裂：（1） 如能選用與塑料線膨脹系數(shù)相近的金屬作嵌件，內(nèi)應(yīng)力值可以降低；（2） 嵌件周?chē)乃芰蠎?yīng)有足夠的厚度，否則會(huì)由于存在收縮應(yīng)力而開(kāi)裂；（3） 嵌件的頂部也應(yīng)有足夠厚的塑料層，否則嵌件頂部塑件表面會(huì)出現(xiàn)鼓包或裂紋；（4） 嵌件不應(yīng)帶尖角、銳邊，以減少應(yīng)力集中；（5） 熱塑性塑料注射成型時(shí)，將金屬嵌件預(yù)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(chǎn)生的收縮應(yīng)力；（6） 對(duì)于內(nèi)應(yīng)力難以自消的塑料，可先在嵌件周?chē)桓惨粚痈叻肿訌椥泽w或在成型后進(jìn)行退火處理來(lái)降低內(nèi)應(yīng)力；（7） 在塑件成型后再裝配或壓入嵌件，可調(diào)節(jié)因嵌入嵌件而造成的內(nèi)應(yīng)力值，使制件不致破裂。3.2注塑機(jī)選用注射機(jī)選用不當(dāng)，也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。那種認(rèn)為大容量注射機(jī)注射小模具中的制品會(huì)減少內(nèi)應(yīng)力的說(shuō)法不正確。有時(shí)會(huì)因?yàn)閴毫^(guò)高、噴嘴結(jié)構(gòu)不合適或混料造成較大的內(nèi)應(yīng)力。3.3模具設(shè)計(jì)模具澆注系統(tǒng)和頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)都會(huì)使制件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。3.3.1澆注系統(tǒng)模具澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理如澆口大小不合適、澆道太窄、主流動(dòng)太長(zhǎng)、澆口位置不合理都會(huì)造成內(nèi)應(yīng)力：（1）澆口尺寸太大，補(bǔ)料時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)，會(huì)增大大分子的凍結(jié)取向和凍結(jié)應(yīng)變，造成很大的補(bǔ)料內(nèi)應(yīng)力，特別在澆口附近內(nèi)應(yīng)力更大。小澆口的適時(shí)封閉，能適當(dāng)?shù)乜刂蒲a(bǔ)料時(shí)間。但澆口尺寸也不宜太小，過(guò)小的澆口會(huì)造成太大的流動(dòng)阻力，產(chǎn)生取向應(yīng)力。（2）主流道太長(zhǎng)、流道太窄、流道的急劇轉(zhuǎn)折都會(huì)使流動(dòng)阻力加大，延長(zhǎng)進(jìn)料時(shí)間或需增大注射壓力和保壓壓力，會(huì)使制品產(chǎn)生更高的取向應(yīng)力。（3）澆口位置的選取除考慮制品外觀和熔接縫外，還應(yīng)盡量減少在流動(dòng)方向上由于充模和補(bǔ)料而造成的定向作用。3.3.2頂出機(jī)構(gòu)頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，使脫模力不均衡或型芯表面在脫模過(guò)程中形成真空或施加過(guò)大的脫模力，都會(huì)造成塑件產(chǎn)生強(qiáng)迫高彈形變形成內(nèi)應(yīng)力，甚至龜裂，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生開(kāi)裂。龜裂和開(kāi)裂看上去相似，本質(zhì)上有區(qū)別。龜裂不是空隙狀的缺陷，是高分子本身同所加應(yīng)力成平行方向排列，經(jīng)過(guò)加熱又能恢復(fù)到無(wú)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(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力需改善脫模條件，如仔細(xì)磨光型芯側(cè)面；增加脫模斜度；平衡頂出力；頂桿應(yīng)布置在脫模阻力最大的部位如型芯凸臺(tái)附近及能承受較大頂出力的部位，如加強(qiáng)筋、凸緣、塑件端面等部位。3.4機(jī)械加工注塑制品除為切除大澆口冷凝料而進(jìn)行機(jī)械加工外，當(dāng)制件尺寸精度和形位公差要求很高而無(wú)法通過(guò)模具設(shè)計(jì)與調(diào)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(shí)，成型之后就需要進(jìn)行機(jī)械加工。常用的機(jī)械加工工藝有車(chē)、銑、刨、鉆、鋸、皎孔和拱螺紋等。但機(jī)械加工會(huì)使塑件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因此加工時(shí)應(yīng)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(yīng)保證充分冷卻。對(duì)于易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的制品應(yīng)進(jìn)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(diǎn)不可避免的存在內(nèi)應(yīng)力，但工藝條件控制得當(dāng)就會(huì)使塑件內(nèi)應(yīng)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(dāng)，制件就會(huì)存在很大的內(nèi)應(yīng)力，不僅使制件強(qiáng)度下降，而且在儲(chǔ)存和使用過(guò)程中出現(xiàn)翹曲變形甚至開(kāi)裂。需要控制的工藝條件如嵌件預(yù)熱、模具溫度、加工溫度、注射速度、注射壓力、保壓壓力、注射時(shí)間、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間等。溫度、壓力、時(shí)間是塑料成型工藝的主要因素。3.5.1金屬嵌件預(yù)熱注射成型時(shí)，應(yīng)將金屬嵌件預(yù)熱到接近物料溫度，預(yù)熱嵌件的目的是減少金屬與塑料冷卻時(shí)收縮值的差距，從而降低由于二者熱膨脹系數(shù)的不同而在嵌件周?chē)a(chǎn)生的收縮應(yīng)力。收縮應(yīng)力是注塑制品內(nèi)容易形成的內(nèi)應(yīng)力的一種，這種內(nèi)應(yīng)力的存在，是帶金屬嵌件的注塑制品出現(xiàn)裂紋和強(qiáng)度下降的重要原因。3.5.2模具溫度提高模具溫度，可以降低因內(nèi)外收縮不均而產(chǎn)生的體積溫度應(yīng)力和高分子取向應(yīng)力，也可以降低結(jié)晶塑料制品的結(jié)晶應(yīng)力。但模溫也不能過(guò)高，模溫升高使冷卻時(shí)間延長(zhǎng)，降低了生產(chǎn)效率。3.5.3加工溫度提高加工溫度可降低取向應(yīng)力，但同時(shí)會(huì)使因收縮不均而產(chǎn)生的體積溫度應(yīng)力增加，同時(shí)也使封口壓力升高，延長(zhǎng)冷卻時(shí)間才能順利脫模。3.5.4注射壓力、注射速度和注射時(shí)間增大注射壓力使取向應(yīng)力和結(jié)晶塑料的結(jié)晶應(yīng)力增加，同時(shí)使封口壓力增大，必須延長(zhǎng)冷卻時(shí)間才能順利脫模，否則會(huì)造成脫模應(yīng)力；注射速度增加也會(huì)使取向應(yīng)力和結(jié)晶應(yīng)力增加，但對(duì)冷凝快的塑料還是用高的注射速度充模較為有利，因?yàn)槔淠斓乃芰下僮⑸湫枰叩淖⑸鋲毫?lái)維持熔體的流動(dòng)；注射時(shí)間不宜太長(zhǎng)，模腔充滿以后就相當(dāng)于在注射壓力下保壓了，也會(huì)使制件的取向應(yīng)力增加。3.5.5保壓壓力和保壓時(shí)間冷卻中的熔體在外壓作用下產(chǎn)生的總形變中，有相當(dāng)大一部分是彈性的，故使熔體在高壓下冷凝會(huì)在制件中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力和高分子取向。壓實(shí)后立即降壓或補(bǔ)料過(guò)程中分步降壓有利于高分子解取向，所以降低保壓壓力和縮短保壓時(shí)間有利于取向應(yīng)力的降低；延長(zhǎng)保壓時(shí)間僅在一定范圍內(nèi)取向度增大，澆口封閉之后再延長(zhǎng)保壓時(shí)間對(duì)取向度的變化就不再影響。3.5.6冷卻時(shí)間當(dāng)注射壓力、保壓壓力、熔體溫度升高，澆口尺寸較大時(shí)都會(huì)使封口壓力升高，這時(shí)必須延長(zhǎng)冷卻時(shí)間才能使開(kāi)模前模腔內(nèi)的殘余壓力降到很低或接近于零，否則要將制件順利地從模具內(nèi)頂出是很困難的。若強(qiáng)制脫模，制件在頂出時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，以至制件可能被劃傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)破裂。但冷卻時(shí)間也不宜過(guò)長(zhǎng)，否則不但生產(chǎn)效率低，而且制件內(nèi)部壓力降到零以后進(jìn)一步冷卻可能在制件內(nèi)部形成負(fù)壓，即由于冷卻收縮使制件內(nèi)外層之間產(chǎn)生拉應(yīng)力。3.5.7注塑制品內(nèi)應(yīng)力的消除方法在注塑成型或機(jī)械加工之后及時(shí)對(duì)制件進(jìn)行熱處理是降低或消除其內(nèi)應(yīng)力，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)加速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的一個(gè)有效措施。對(duì)于要求強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好的制件，往往在加工過(guò)程中進(jìn)行不只一次的熱處理。熱處理的方法是：在加熱介質(zhì)中先將溫度從室溫升到一定溫度（這個(gè)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(shí)間，然后緩慢地冷卻到室溫。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(shí)間。在理論上熱處理溫度越高，熱處理時(shí)間越長(zhǎng)，制件的內(nèi)應(yīng)力就能在更大程度上被消除，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)就越趨于穩(wěn)定。但實(shí)際使用的溫度卻不能太高，溫度過(guò)高容易引起制件在熱處理過(guò)程中發(fā)生翹曲變形。—般認(rèn)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5°C~10。0為宜熱處理時(shí)間則主要與塑料的性質(zhì)與制件壁厚有關(guān)，高分子鏈的剛性越大，制件的壁越厚，需要進(jìn)行熱處理的時(shí)間就越長(zhǎng)。正確選用加熱介質(zhì)對(duì)熱處理效果也很重要。用空氣作為加熱介質(zhì)，有操作簡(jiǎn)便和處理后不需要清洗等優(yōu)點(diǎn)。ABS塑料在65-75C空氣中處理2~4小時(shí)效果良好。但空氣熱傳導(dǎo)效率低，容易引起