注塑制品内应力分析及控制

注塑制品内应力的分析及控制在注塑加工过程中，注塑制品存在着一个内在的质量问题-内应力。内应力的来源与所使用的塑料原料种类、注塑机的类型与塑化系统的结构、模具的结构及精度、塑料制品的结构、注塑成型的工艺参数的设定及控制、生产环境及操作者的状态等有关。其中任何一项出现问题，都将影响到制品的质量。而且，由于制品的表面质量是内在质量的反映，所以，凡是能引起制品内在质量的因素，都能同时引起制品的表面质量及其他质量问题，如引起制品的开裂、银纹、翘曲、变形、力学强度降低，甚至失去使用价值等问题。由于注塑过程中，除了引起制品翘曲变形的内应力可以直观感觉到外，其它质量问题不但用肉眼看不到，而且在短时间内也没有表露出来。所以注塑加工现场的工程人员对于这个问题一般不很重视，但是却可能存在着很大的质量隐患。所以，本文针对内应力这个内在的质量问题展开分析，并提出控制的一些方法，希望对现场控制产品质量的工程人员有所帮助和启示。一、内应力的种类及产生原因注塑制品的内应力主要有以下四种：1、温度应力：是制品冷却时温度不均产生的应力。当熔体进入温度较低的模具时，靠近模腔壁的熔体迅速地冷却而固化。由于凝固的聚合物层导热性很差，因而在制品厚度方向上产生较大的温度梯度。先凝固的外层熔体要阻止后凝固的内层熔体的收缩，结果在外层产生压应力（收缩应力），内层产生拉应力（取向应力）。另方面，因制品壁厚不均匀，冷却速度不一致，从而产生冷却温度不均现象。2、取向应力：是制品内部大分子取向产生的应力。对于线形树脂和纤维增强的塑料，在加工中最容易产生取向应力。其结果，沿着流动方向的分子取向程度最大，在速冷条件下，如果被拉直的分子链来不及松弛，则在该方向上产生了取向应力。3、收缩应力：注塑过程中，塑料分子本身的平衡状态受到破坏，并产生不平衡体积时的应力。如结晶塑料的晶区与非晶区界面因收缩不均产生的内应力。4、脱模应力：脱模时制品变形产生的应力。这主要是模具加工精度较差和设计不合理造成，如脱模斜度不够，顶针数量不够或顶出不平衡等。以上2至4类应力可以归纳为成型应力，是成型过程产生的应力。一般注塑制品中同时都存在几种应力，制品的破坏，是由几种应力共同作用的结果。二、内应力对注塑制品的影响制品中内应力的存在会严重影响到制品的力学性能和使用性能。它的存在将降低了制品对光、热以及腐蚀介质的抵抗能力。同时，制品在使用过程中将出现裂纹、不规则变形和翘曲，制品表面泛白、浑浊、光学性能下降等结果。三、内应力的控制当注塑制品内的残余应力太高或应力分布不均时，塑件表面就会产生变形、泛白、裂纹及破裂等现象。一般情况下，浇口附近最容易发生由残余应力引起的裂纹及破裂，因为浇口处的成型压力相对其他部位要高一些，尤其是主流道为直接浇口时更是如此。当塑件的壁厚不均匀，熔料的冷却速度不一致时，由于厚薄部位的收缩量不同，也产生残余应力。在速冷条件下，取向的分子链不能很快松驰会导致聚合物内应力的形成，等等。由此，可以通过减少制品残余应力来防止或减小注塑制品产生以上缺陷。减少残余应力的主要方法是改进浇注系统的结构形式和调整好塑件的成型条件。1、减小取向应力的影响a、提高熔体温度，使剪切应力降低，分子取向度减小；另一方面会使应力松驰加快，促使解取向能力加强。但有的材料成形温度范围窄，提高料温时可能出现分解，从而影响制品的抗衡力，会使制品开裂。b、尽量减短保压时间，以减小取向应力。c、减小注射压力或保压压力，会使取向应力减小。因担心制品出现收缩凹陷或试图取得更好表面光泽而将注射压力、速度等调得过大，会造成制品内部产生大的应变。结果，有些制品很快就开裂了，有些制品在存放一段时间后慢慢出现微裂或裂纹。当中心浇口出现以浇口为中心的放射状开裂时，应考虑调节浇口尺寸，使型腔内的压力减少，减小取向应力。有可能时，重新安排浇口的位置和形式，也可以增设必要的辅助浇口。d、提高模具温度，使解取向作用加强。虽然高的模温可减少聚合物的分子取向，但是，却使结晶性塑料结晶度提高，或因模温过高使塑料难以固化而造成脱模困难，所以要注意。相反，如果模温太低，塑料过早冷却，熔接缝有可能产生，制品容易开裂。e、有可能的话增加制品壁厚，使取向应力降低。2、减小温度应力的影响如果在浇口封闭前维持模腔压力，有利于提高制品密度，消除冷却温度应力，但是在浇口附近会产生较大的应力集中。设法降低浇口处温度，延长缓冷时间，有利于改善制品的应力不均，使制品的机械性能均一。熔体温度的提高，不论对结晶型聚合物还是非结晶型聚合物都会导致拉伸强度的降低。对非结晶型聚合物，拉伸强度会因浇口的位置而异。当浇口与充模方向一致时，拉伸强度随熔体温度提高而降低；当浇口与充模方向垂直时，拉伸强度随熔体温度的提高而增加。3、减小收缩应力的影响塑料制品如果在模内散热不好，冷热不均（尤其对大制品而言），可能会使制品出现收缩差异，产生较大的内应力，而使制品开裂。因此，模具的冷却水道的布置应尽量平衡。制品设计上，避免厚度相差很大的部位。因厚度相差很大的部位必然是冷却速度不一，冷却过程的收缩和结晶情形的不同，力学状态也不同。4、减小脱模应力的影响a、调整顶出装置，如顶板、顶杆等，使之平衡动作，避免作用力先后不一或倾斜歪曲顶出。b、型腔、型芯要有适当的脱模斜度。当斜度不够时，脱模困难，制品受的机械应力过大而开裂。c、型腔脱模面要有足够的光洁度，甚至连抛光方向也应尽量与料流方向一致。型芯部分的加强筋、柱子等应有足够的光洁度，使脱模顺畅。d、采用小浇口，保压时间短，内应力小；用大流道，则注射压力低，注射时间短，内应力小；浇口设计在制品的厚壁处，则注射压力和保压压力低，内应力小。e、调节好开模速度，避免高速拨模。f、调节好模板的平行度及平稳性。g、在模面上施加适当的脱模剂，使脱模顺畅。h、制品在模内冷却时间太短，未充分硬化即开模顶出，可能在顶杆周围开裂。但冷却时间过长，制品包贴在模芯上，顶出时由于脱模光洁度不够或斜度不够而发生顶白现象。i、深腔制品应设置适当的进气孔道，以免脱模时产生过大的负压，影响塑料制品与模具的分离。必要时，通过进气孔道向模具和制品之间吹入压缩空气有助于脱模。5、制品设计上应注意问题：避免出现应力开裂的尖角、缺口或厚度相差很大的部位。尖角和缺口是内应力集中的地方，而厚度相差很大的部位必然是冷却速度不一，冷却过程的收缩和结晶也不同。总之，制品形状越复杂，尺寸愈大，愈容易开裂。当塑料制品中带有金属嵌件时，嵌件最好是铜或铝，而且加工前应先预热嵌件。由于金属和塑料的收缩率不一致，塑料的收缩率较大，而金属的收缩率相对较小，通过预热方法减小收缩差异。对于聚苯乙烯，一般不宜设置金属嵌件。制品设计上应注意平滑、缓过渡和匀称。在制品造型上，应尽量采用曲面、双曲面，既美观又可减小变形。6、材料方面的控制某些刚性大的塑料（如PC、PS塑料），本身不适合作脱模有困难的制品，而且容易出现应力开裂，所以应注意。一般非结晶型树脂比结晶型树脂容易产生残余应力而引起裂纹，也应注意。塑料再生次数太多或再生料含量太高，或料在料筒内加热时间太长，都会促使制品脆裂。塑料分子量每成形一次，当降到某一数值下，其耐冲击强度急剧降低而变脆。有些塑料在受潮状况下加热，会与水汽发生催化裂化反应，形成的降解产物和气态物质，除了影响制品外观外，还使制品发生大的应变，较小的残余应力就可以使出模后的制品产生开裂。有些塑料本身质量不佳，例如分子量分布大，塑料受到污染，也是造成开裂的原因。7、设备方面要注意的问题a、注塑机塑化容量要适中。即使是相熔性良好的塑料，如果在机筒内未完全均匀混合，也即塑化不充分，成型的制品在受力时将使应变集中在未充分混合的部位而脆裂。相反，若注塑机塑化容量太大，塑料在料筒中受剪切作用时间过长，也会老化降解，使制品变脆。b、注塑机料筒内有障碍物，促使塑料降解而使制品变脆。四、制品应力开裂检查和退火处理1、诊断方法：（1）、溶剂法：a.PS在室温下用煤油处理。b.对PC、PS、聚砜、PPO等注塑制品，用四氯化硅溶剂处理，20秒内若制品开裂，说明内应力大。c.POM30%盐酸溶液中浸30min。d.ABS浸入冰醋酸溶液中。e.PP在80℃下，用63%（重量百分比）的三氧化铬与水的混合物处理。f.HDPE在80℃下，用2%的洗涤剂水溶液处理。PC制品：1.四氯化碳60%+40%工业酒精配比放入容器中2.将成型产品放入容器中泡三分中3.取出产品放入清水中清洗4.清洗完毕后观察产品周围有无开裂缝隙（2）、仪器法：用偏振光方法可以检测制品的内应力。2、热处理方法：有开裂倾向的塑料制品，可以用退火热处理方法来消除制品内应力，从而减小裂纹的生成。POM空气浴退火：140～150℃×壁厚每增5mm即增加40～60min；油浴退火：140～150℃×壁厚每增5mm即增加20～30min。PBT120℃×1～2h。PC110～135℃×时间根据厚度定。聚砜170～180℃×2～4h。PMMA70～80℃×4h。ABS70～80℃×2～4h。PS介质为热空气或热水：60～70℃×30～60min（厚度≤6mm）；70～80℃×120～300min（厚度≤6mm）。