注塑成型相關問題產生原因及解決方法研究

范宏軍 繆永華

摘 要：對塑料制品在注射成型過程中常見缺陷的產生進行了分析，闡述了影響塑件注射成型質量的幾種主要因素。從成型工藝控制、模具及塑件結構設計等角度，探討了各方面條件對成型缺陷的影響程度，提出了防止質量缺陷產生，獲得優良注塑件的措施。分析了強度設計、應力變形分析、熔接痕的研究。

關鍵詞：注塑成型;缺陷;強度設計;應力分析;熔接痕

1 引言

塑料制品廣泛用于家用電器、玩具和汽車等各個領域，其生產以注射成型為主。塑料以其質量輕、設計空間大、制造成本低、性能優異的顯著特點， 成為了二十一世紀汽車、電子、家電等工業領域最好材料的選擇之一。尤其是工程塑料， 以其較高的拉伸強度、彎曲彈性模量、耐熱性，在有承載要求的結構件中應用日益廣泛。為達到預期使用壽命， 工程師采用傳統的思路——安全系數來設計產品。但注塑件設計的失敗通常發生在設計者不明白不同載荷條件下的安全系數與塑料的行為（呈現與時間、溫度相關的黏塑性）的關系， 以及注塑加工過程對設計強度的影響， 從而導致注塑件斷裂、變形的各種失效。但在成型過程中，由于受材料、模具、成型設備等多種因素的影響，制品的質量經常會出現各種各樣的缺陷。理解質量缺陷形成的過程和原因，掌握消除制品缺陷的方法對實際生產具有非常重要的作用。現列舉幾種常見的缺陷作以扼要分析論述。

2 常見塑件缺陷及預防措施

2.1 飛邊

現象：當塑料熔料被迫從分型面擠壓出模具型腔而產生薄片時便形成了飛邊，又稱溢邊、披鋒、毛刺等

主要原因及解決方法：

（1）模具缺陷：這是產生溢料飛邊的主要原因，必須認真檢查模具分型面是否貼合，是否有縫隙或損傷，特別是在大型成型品的情況下，模具可能都會發生變形，此時，有無支柱對飛邊也有影響。如果沒有支柱，變形縫隙就會增大，飛邊也會增多。

（2）合模力不足。應檢查合模力設定值，加大合模力，或考慮減少型腔數及改用合模噸位大的注塑機。

（3）熔料過熱。應適當降低料筒溫度、噴嘴及模具溫度，加快樹脂固化，這樣飛邊就不容易出現。同時，應選用流動性稍低的原料，否則樹脂流動性越好，樹脂就越容易進入縫隙，因此飛邊也就越大。

（4）工藝條件控制不當。必須做到①延緩注射速度;②降低注射壓力。

2.2 熔接痕

現象：由于來自不同方向的熔融樹脂前端部分被冷卻、在結合處未能完全融合，一般情況下主要影響制品的外觀，嚴重時對制品強度產生影響。

主要原因及解決方法：

（1）注射壓力太小或注射速度慢。必須提高注射速率，增加注射壓力，使熔料在高壓下快速充模，以達到良好的自然熔合。

（2）料溫或模溫太低。低溫熔料的分流匯合性能較差，容易形成熔接痕。對此，應適當提高料筒、噴嘴及模具的溫度，或者延長注射周期，促使料溫上升。

（3）制品形狀不良。塑件結構如果設計不合理，壁厚薄不均勻，使熔料在薄壁處匯合。所以在設計塑件形體結構時，應確保塑件的最薄部位必須大于成型時允許的最小壁厚。此外，應盡量減少嵌件的使用且壁厚盡可能趨于一致。

（4）模具排氣不良。檢查冷卻系統和排氣孔情況。如果模具排氣不良，需在可能產生熔接線位置開設排氣槽或增加排氣孔，使型腔內殘留空氣和揮發成份排出順暢。從而提高其熔結效果。

2.3 翹曲和變形

現象：制品翹曲變形是指注塑件的形狀偏離了模具型腔的形狀，這是注塑件常見的缺陷之一。

主要原因及解決方法：

（1）由成型條件引起殘留應力造成變形。可通過降低注射壓力、提高模具溫度并使模具溫度均勻以及提高樹脂溫度來解決。當然這也可能和產品本身的結構設計、模具結構設計、進膠口的位置選擇有關。

（2）冷卻不當。對于模具冷卻系統的設計，應盡可能在貼近溫度容易升高、熱量比較集中的部位設置冷卻回路。

（3）注塑件壁厚不均造成收縮不一致。因冷卻速度不同和產生紊流而造成尺寸不穩定及制品變形;薄壁部分的熔體冷卻迅速，粘度提高，引起翹曲。設計塑件結構時，在可能的條件下應盡量使壁厚均勻一致，加強筋也需要布置均勻。

2.4 裂紋

現象：成型制品表面開裂形成裂縫叫做裂紋，是塑料制品較常見的一種缺陷，其主要成因是塑件結構設計不良和應力變形所致。這里的應力主要包括殘留應力和外部應力。

主要原因及解決方法：

（1）制品設計不合理。塑件結構中的尖角及缺口處通常會導致部件有缺陷及應力集中，導致塑件表面產生裂紋及破裂，因此塑件的轉角都應盡可能采用最大半徑做成圓弧。這樣不但可減低應力集中的因素，而且可以使塑料流動得更順暢和成品脫模時更容易。

（2）充填過剩，殘留應力太高引起的龜裂，可從以下幾個方面進行消除：

①如果龜裂最主要產生在直澆口附近，那么依據直澆口壓力損失最小的特點，可考慮改用多個針形點澆口、側澆口及柄形澆口等方式。

②因為注射壓力與殘余應力是正比例關系，所以也可以通過降低注射壓力，以減小殘余應力。這是一種最簡便的方法。

③一般情況下，模溫較低時容易產生應力，故可適當提高模具溫度。

④注射和保壓時間過長也會產生應力。應將其適當縮短，或進行多次保壓切換效果較好。

（3）外力導致應力集中。如果模具型腔脫模斜度不夠，塑件表面也會出現擦傷形成褶皺花紋。出現這類缺陷后，應認真檢查和校調頂出裝置，使頂針順利頂出制品而不發生沖撞。頂桿應設置在脫模阻力最大部位，如臺、加強筋等處。

3 注塑件的強度設計

3.1 注塑件的強度設計

安全系數是衡量產品能達到預期使用壽命的能力， 它給出了零件在任意操作條件下都不會失效的保證。與金屬零件不同， 對于塑料注塑件而言， 其安全系數的設計不僅僅要考慮材料本身的性能， 還應該能補償零件從加工到成型整個過程的缺陷， 以及后續使用過程的波動。注塑件的安全系數分為材料性能安全系數、設計安全系數、加工過程安全系數以及操作條件安全系數。

3.2 注塑件的強度預測

塑料件的強度不僅依賴于材料本身， 也與零件幾何形狀、施加在零件上的載荷特點、注塑成型缺陷等有關。制造商對最終出貨產品的檢驗驗證， 包括耐久性驗證、承載能力、高溫高濕測試等， 非常重視。但這些性能若等到試模樣品才能進行， 則風險高得多。因此， 需要對注塑件的強度及其加工過程進行預測，而傳統的解析計算方法對復雜零件幾乎難于應用。通用數值模擬軟件如Ansys、Marc等， 能夠利用零件的3維CAD模型， 虛擬施加預期應用場合的載荷或其他條件后， 預測出零件的動態或靜態強度， 更為準確地計算零件的設計安全系數， 以優化零件設計。注塑件的專用模流分析Moldflow、HSCAE及Moldex等軟件， 能夠預測塑料在注塑模具內的充填、冷卻情況和由此帶來的成型缺陷， 包括：熔接痕、氣泡、應力集中， 更為準確地預測注塑缺陷所帶來的安全系數損失， 以優化模具設計及工藝設定， 從而減少零件差錯， 降低生產成本。

4 注塑件的應力變形分析及解決對策

4.1 注塑工藝對制品應力變形的影響

塑料在塑化階段即由玻璃態的料粒轉化為粘流態， 提供充模所需的熔體。在此過程中熔體在軸向、徑向（相對螺桿而言）的溫度差會使制品產生應力;另外， 注塑機的注塑壓力、注射速率等參數也會極大地影響充填時塑料分子的取向程度， 進而引起應力不平衡而導致制品變形。熔融態的塑料在注塑壓力的作用下充入模具型腔并在型腔內冷卻、凝固的過程是注射成型的關鍵環節。在這個過程中溫度、壓力、速度三者的相互耦合作用對注塑件的質量和生產效率均有極大的影響。較高的壓力和流速會產生高剪切速率， 從而引起平行于流動方向和垂直于流動方向的塑料分子取向有所差異， 同時產生“凍結效應”。這種“凍結效應”將產生凍結應力而形成注塑件的內應力。溫度對注塑件變形的影響體現在3 個方面：（1）注塑件上、下表面溫度差會引起熱應力而產生熱變形;（2）注塑件不同區域之間的溫度差將引起不同區域間的不均勻收縮而產生應力變形;（3）不同的溫度狀態會影響注塑件的收縮率而產生變形。

另一方面， 注塑件在脫離型腔并冷卻至室溫的過程中多處于聚合物的玻璃態會對各種應力進行放大而產生變形。脫模力不平衡， 推出機構運動不平穩， 或脫模頂出面積不當等均易使制品變形。同時在充模階段和冷卻階段塑料分子產生的“凍結”會使注塑件脫模后的內應力因失去外界的約束而以變形的形式釋放出來， 導致制品翹曲。

消除制品應力變形缺陷， 首先在模具設計階段就必須考慮到填充過程中收縮的影響， 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方向取向而使得熔料在流動方向的收縮率比垂直方向的收縮率大， 使注塑件產生收縮應力而發生變形。所以模具設計時需根據料流的方向制定不同的收縮率。結晶性塑料在流動方向與垂直方向的收縮率之差較非結晶性塑料大， 而且其收縮率也較非結晶性塑料大。結晶性塑料的較大的收縮率與其收縮的異向性疊加后導致注塑件變形的傾向較非結晶性塑料大得多。所以在設計注塑件和計算模具的成型尺寸時， 必須優先考慮到收縮引起應力不均衡的因素， 收縮率的選取應根據注塑件原料的性質、制品形狀不同進膠口位置、料流方向等因素而給出合適的數值。在注射成型過程中， 殘余熱應力是引起制品翹曲變形的另一個重要因素， 對注塑制品的質量具有較大的影響。由于殘余熱應力對制品翹曲變形的影響非常復雜， 模具設計者可以借助于注塑CAE 軟件進行分析和預測。從而在模具結構設計中加以修正， 從而平衡內應力， 避免制品翹曲變形缺陷的發生。

4. 2 澆注系統的設計

注塑模具澆口的位置、形式和澆口的數量將影響塑料熔體在模具型腔內的填充狀態， 從而導致注塑件由于內應力不平衡而產生變形。流動距離越長， 由凍結層與中心流動層之間流動和補縮引起的內應力越大;反之， 流動距離越短， 從澆口到制件流動末端的流動時間越短， 充模時凍結層厚度減薄， 內應力越小， 翹曲變形也會大為減少。采用點澆口進行成型時， 由于塑料收縮的異向性， 澆口的位置、數量都對注塑件的變形程度有很大的影響。但是由于采用多點進澆的點澆口， 且點澆口開設在分型面上， 容易調整尺寸， 方便排氣， 從而可減小因原料成型時揮發出的氣體而造成的內應力，且進膠口的位置需要根據產品的結構，預測料流方向等因素進行選擇，盡可能使流道長度相當，當然要特別考慮薄壁位置。

4.3 冷卻系統的設計

在注射過程中注塑件冷卻速度的不均勻也將造成收縮的不均勻， 這種收縮差別導致彎曲力矩產生內應力而使注塑件產生翹曲。在注射成型平板形注塑制品時， 如果所用的模具型腔、型芯的溫度相差過大， 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繼續收縮， 收縮的不均勻產生的內應力將使注塑件翹曲變形。因此注塑模的冷卻系統應當控制型腔、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重要， 在管壁至型腔表面的距離確定之后應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。同時由于冷卻介質的溫度隨冷卻水道長度的增加而上升， 使模具的型腔、型芯沿水道產生溫度差， 因此要求每個冷卻回路的水道長度小于2 m。在大型模具中應設置數條冷卻回路， 一條回路的進口位于另一條回路的出口附近。

4. 4 頂出系統的設計

模具頂出系統的設計也直接影響注塑件的變形。如果頂出系統布置不平衡， 將造成頂出力的不平衡而產生內應力， 使注塑件變形。因此在設計模具頂出系統時應根據產品的結構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大（尤其在脫模溫度太高時）而產生變形。頂桿的布置應盡量靠近脫模阻力大的部位， 在不影響注塑件質量（包括使用要求、尺寸精度與外觀等）的前提下， 應盡可能多設置頂桿以減少注塑件的總體變形。

5? 結束語

上述對影響塑件成型質量因素的分析，為我們找出各種常見塑件缺陷的原因及制定改進措施提供了可靠依據。注塑件的缺陷種類有很多，上面僅列舉了最常見的幾種，并討論了處理方法。在實際注塑加工生產中，經常會同時出現多種質量缺陷，這時就要根據實際情況靈活選擇多種相應的解決方法。同時，針對注塑件可能存在的缺陷，在設計階段需要遵循模具設計和制品結構設計的相關規范和原則，不僅可縮短消除制品缺陷的時間，而且可減小產品不良率，有利于提高經濟效益。

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[2]成都科技大學. 塑料成型工藝學. 北京：輕工業出版社， 1993.

作者簡介：

范宏軍（1980.11.29），性別：男，民族：漢，籍貫（精確到市）：江蘇省江都市，當前職務：部門經理，當前職稱：助理工程師，學歷：大專，研究方向：鋰電池PACK設計.