注塑制品翘曲变形分析

注塑制品翘曲变形原因分析

注塑制品翘曲变形是指冲压制品的外形偏离了模具型腔的颜色，它是塑料制品常见的缺陷之一。随着塑料工业的演进，人们对塑料制品的外形和使用性能要求越来越高，翘曲变形程度成为评估产品品质的重要指标之一也愈发越多地得到模具设计者的关注与加强。模具设计者希望在设计阶段分析出塑料件可能造成翘曲的诱因，以便加以优化设计，从而提升注塑生产的精度和品质，缩短模具设计周期，降低成本。

本文主要对在注塑模具设计过程中影响铆接制品翘曲变形的原因加以分析。

●模具的结构对冲压制品翘曲变形的影响

在模具设计方面，影响塑件变形的诱因主要有浇注系统、冷却系统与顶出系统等。

1．浇注系统的设计

注塑模具浇口的位置、形式和浇口的数量将影响金属在磨具型腔内的填充状态，从而造成塑件产生变形。

流动距离越长，由冻结层与中心流动层之间流动和挠曲引起的内应力越大；反之，流动距离越短，从浇口到工件流动末端的流动时间越短，充模时冻结层硬度减薄，内应力降低，翘曲变形也会为此大为减少。图1为大型平板形塑件，如果只使用一个中心浇口（如图1a所示）或一个侧浇口（如图1b所示），因体积方向上的收缩率大于圆周方向上的收缩率，成型后的塑件会造成扭曲变型；若改用多个点浇口或薄膜型浇口，则可有效地避免翘曲变形。

a) 中心浇口 b) 侧浇口 c)多点浇口 d) 薄膜型浇口

当采取点浇进行成型时，同样因为金属收缩的异向性，浇口的位置、数量都对塑件的变形程度有多大的妨碍。

a)直浇口 b)10个点浇口 c)8个点浇口

d)4个点浇口 e) 6个点浇口 f) 4个点浇口

由于采取的是30％玻璃纤维增强PA6，而受到的是厚度为4.95kg的小型注塑件，因此沿两边壁流动方向上设有许多提高肋，这样，对各个浇口都能获得充分的平衡。实验结果证实，按图f修改浇口具有很好的疗效。但只是浇口数目越多越好。实验证明，按图c设计的浇口比图a的直浇口还差。

另外，多浇口的使用能够使金属的流动比（L／t）缩短，从而使模腔内物料浓度更趋均匀，收缩更均匀。同时，整个塑件能在较小的注塑压力下增添。而较小的注射压力可减少塑料的分子取向偏向，降低其内蠕变，因而可减少塑件的变形。

2．冷却系统的设计

在注射过程中，塑件冷却速率的不均匀也将产生塑件收缩的不均匀，这种收缩差别造成弯曲载荷的形成而使塑件发生翘曲。

如果在注射成形平板形塑件时所用的磨具轧辊、型芯的转速相差过大，如图3所示，由于贴近冷模腔面的熔融很快冷却下去，而贴近热模腔面的料层则会再次收缩，收缩的不均匀将使塑件翘曲。因此，注塑模的冷却应当注意工件、型芯的转速趋于平衡，两者的温差不能太大。

除了考量塑件内外表层的湿度趋向平衡外，还应考量塑件各侧的室温一致，即模具冷却时要尽量保持工件、型芯各处温度均匀一致，使塑件各处的冷却速率均衡，从而使各处的收缩更趋均匀，有效地避免变形的形成。因此，模具上冷却水孔的布置至关重要。在管壁至壳体内壁距离确认后，应尽可能使冷却水孔之间的距离小，才能确保型腔壁的频率均匀一致。同时，由于冷却介质的水温随冷却水道长度的减少而下降，使磨具的制件、型芯沿水道产生温差。因此，要求每个冷却回路的水道宽度大于2m。在小型模具中应设定数条冷却回路，一条回路的位于另一条回路的出口附近。对于长条形塑件，应选用如图4所示的冷却回路，减少冷却回路的厚度，即增加模具的湿度，从而确保塑件均匀冷却，图5为回路设计方案。

3．顶出系统的设计

顶出平台的设计也直接影响塑件的变形。如果顶出系统布置不平衡，将导致顶出力的不平衡而使塑件变形。因此，在设计顶出系统时挠曲求与脱模阻力相平衡。另外，顶出杆的截面积不能太小，以防塑件单位体积受力过大（尤其在脱模温度太高时）而使塑件产生变形。顶杆的布置应尽量靠近脱模阻力大的根部。在不妨碍塑件质量（包括使用规定、尺寸精度与外形等）的前提下，应尽可能多设顶杆以提高塑件的总体变形。

用软质塑料来制造小型深腔薄壁的塑件时，由于脱模阻力较大，而材料又较软，如果完全采取单一的机械式顶出方式，将使塑件产生变形注塑产品翘曲变形，甚至顶穿或形成折叠而导致塑件报废，如改用多元件联合或气（液）压与机械式顶出相结合的方法效果会更好。

●塑化阶段对食品翘曲变形的影响

塑化阶段即玻璃态的料粒转化为粘流态，提供充模所需的熔体。在这个过程中，聚合物的温度在轴向、径向(相对螺杆而言)的温度会使塑料造成应力；另外，注射机的注射压力、速率等参数会极大地妨碍充填时分子的取向程度，进而导致翘曲变形。

●充模及冷却阶段对制品翘曲变形的影响

熔融态的橡胶在注射压力的作用下，充入模具型腔并在壳体内冷却、凝固的过程是注射成形的关键环节。在这个过程中，温度、压力、速度两者互相耦合作用，对塑件的品质和生产效率均有极大的制约。较高的压力和速度会造成高剪切频率，从而导致平行于流动方向和垂直于流动方向的分子取向的变化，同时形成“冻结效应”。“冻结效应”将造成冻结应力，形成塑件的内应力。温度对蠕变变形的制约体现在下面几个方面。

(1) 塑件上、下表层温度会引起热应力和热变形；

(2) 塑件不同区域之间的频率差将导致不同区域间的不均匀收缩；

(3) 不同的频率状态会影响塑料件的收缩率。

●脱模阶段对制品翘曲变形的影响

塑件在脱离工件并冷却至温度的过程中多为玻璃态聚合物。脱模力不平衡、推出机构运动不平稳或脱模顶出体积不当很容易使制品变形。同时，在充模和冷却阶段冻结在塑件内的蠕变由于丧失外界的约束，将会以变形的方式传递出来，从而造成翘曲变形。

●注塑制品的收缩对蠕变变形的影响

注塑制品翘曲变形的直接因素在于塑件的不均匀收缩。如果在模具设计阶段不考量填充过程中收缩的制约，则制品的几何图案会与设计要求差距巨大，严重的变型会导致制品报废。除填充阶段会引起变形外，模具上下壁面的转速差也将导致塑件上下表面收缩的差别，从而形成翘曲变形。

对翘曲分析而言，收缩本身并不重要注塑产品翘曲变形，重要的是收缩上的差别。在冲压成形过程中，熔融金属在注射充模阶段因为聚合物分子沿流动方向的排列使金属在流动方向上的收缩率比平行方向的收缩率大，而使注塑件产生结露变形。一般均匀收缩只造成塑料件体积上的差异，只有不均匀收缩就会导致开裂变形。结晶型塑料在流动方向与平行方向上的收缩率之差较非结晶型塑料大，而且其收缩率也较非结晶型塑料大，结晶型塑料大的收缩率与其收缩的异向性叠加后引起结晶型塑料件翘曲变形的倾向较非结晶型塑料大得多。

●残余热应力对制品翘曲变形的影响

在注射成型过程中，残余热应力是导致开裂变形的一个重要原因，而且对注塑制品的品质有较大的制约。由于残余热应力对制品翘曲变形的制约比较复杂，模具设计者可以借助于注塑CAE软件进行探讨和分析。

●结论

影响铆接制品翘曲变形的因素有很多，模具的结构、塑料材料的热化学性能及其注射成型过程的条件和参数均对制品的偏析变形有不同程度的妨碍。因此，对铆接制品翘曲变形特性的研究需要综合考量整个成型过程和材料性能等多方面的动因。

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