塑膠產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力研究與消除方法

1、塑膠產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力研究與消除方法一 1  引言 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)翹曲變形和開裂的重要原因，也是影響制件光學(xué)性能、電學(xué)性能、物理力學(xué)性能和表觀質(zhì)量的重要因素。因此找出各種成型因素對(duì)注塑制品內(nèi)應(yīng)力影響的規(guī)律性，以便采取有效措施減少制件的內(nèi)應(yīng)力，并使其在制件斷面上盡可能均勻地分布，這對(duì)提高注塑制品的質(zhì)量具有重要意義。特別是在制件使用條件下要承受熱、有機(jī)溶劑和其他能加速制件開裂的腐蝕介質(zhì)時(shí)，減少制件的內(nèi)應(yīng)力對(duì)保證其正常工作具有更加重要的意義。此外，掌握注塑制品內(nèi)應(yīng)力的消除方法和測(cè)試方法也很有必要 2 &#

2、160;內(nèi)應(yīng)力的種類 高分子材料在成型過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

3、。 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降低。這可以通過提高模具溫度、降低加工溫度來達(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)，嵌件周圍的料層由于兩種材料線膨脹系數(shù)不等而出現(xiàn)收縮應(yīng)力，可通過預(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

4、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)。正確選擇開模條件使開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。主要影響因素見下圖所示 3.1造型設(shè)計(jì) 3.1.1圓角 塑料制品除了使用上要

5、求采用尖角外，各表面相交處應(yīng)盡可能采用圓弧過渡。由于制品形狀和截面的變化，使注塑過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，甚至在脫模過程中即由于模塑內(nèi)應(yīng)力而開裂，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

6、火或使用時(shí)不至于因應(yīng)力集中而開裂，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)給制品帶來很多缺陷。增加壁厚既可改善樹脂的充模特性，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

7、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1.23.5mm。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)逐漸過渡，避免截面的突變。 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，使嵌件周圍產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)

8、力，而造成塑件的開裂。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）嵌件周圍的塑料應(yīng)有足夠的厚度，否則會(huì)由于存在收縮應(yīng)力而開裂； （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，可先在嵌件周圍被覆一層高分子彈性體或在成型后進(jìn)行退

9、火處理來降低內(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)力的說法不正確。有時(shí)會(huì)因?yàn)閴毫^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

10、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程中形成真空或施加過大的脫模力，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)生開裂。龜裂和開裂看上去相似，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

11、，經(jīng)過加熱又能恢復(fù)到無龜裂的狀態(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法通過模具設(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、銑、刨、鉆、鋸、鉸孔和拱螺紋等。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

12、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)存和使用過程中出現(xiàn)翹曲變形甚至開裂。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

13、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)的不同而在嵌件周圍產(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

14、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砭S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

15、；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.注塑制品內(nèi)應(yīng)力的消除方法    在注

16、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，溫度過高容易引起制件在熱處理過程中發(fā)生翹曲變形。一般認(rèn)為，熱塑性塑料注塑件的熱處理溫度以

17、稍低于熱變形溫度（約低510）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6575空氣中處理24小時(shí)效果良好。但空氣熱傳導(dǎo)效率低，容易引起尼龍類和聚甲醛等塑料氧化變色。高沸點(diǎn)油作為熱處理介質(zhì)有傳熱快、制件加熱均勻等優(yōu)點(diǎn)，但操作比較麻煩，而且處理后的制件上存留的油斑有時(shí)很難除去。吸水性強(qiáng)的尼龍類塑料制件用水或乙酸鉀的水溶液（沸點(diǎn)121）作熱處理介質(zhì)比較好。用這種介質(zhì)既有利于防止

18、制件在熱處理過程中氧化變色，又能使其加速達(dá)到吸濕平衡。    熱處理有時(shí)不一定能達(dá)到理想的效果，只能作為一種輔助工序，完全依靠熱處理防止應(yīng)力開裂的做法不可靠。必須從影響注塑制品內(nèi)應(yīng)力的幾個(gè)主要因素方面采取有效措施，結(jié)合熱處理方法才能取得滿意效果。4.應(yīng)力的危害4.1開裂：因?yàn)閼?yīng)力的存在，在受到外界作用後（如移印時(shí)接觸到化學(xué)溶劑或者烤漆後端時(shí)高溫烘烤），會(huì)誘使應(yīng)力釋放而在應(yīng)力殘留位置開裂。開裂主要集中在澆口處或過度填充處。4.2翹曲及變形：因?yàn)闅埩魬?yīng)力的存在，因此產(chǎn)品在室溫時(shí)會(huì)有較長(zhǎng)時(shí)間的內(nèi)應(yīng)力釋放或者高溫時(shí)出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)殘留應(yīng)力釋放的過程，同時(shí)產(chǎn)品局部存在位置強(qiáng)度差，產(chǎn)品就會(huì)在應(yīng)力殘留位置產(chǎn)生翹曲或者變形問題。4.3產(chǎn)品尺寸變化：因?yàn)閼?yīng)力的存在，在產(chǎn)品放置或後處