《塑料注塑成型内应力研究》

塑料注塑成型内应力影响分析与消除方法研究

1 引言

注塑制品一个普遍存在的缺点是有内应力。内应力的存在不仅是制件在储存和使用中出现翘曲变形和开裂的重要原因，也是影响制件光学性能、电学性能、物理力学性能和表观质量的重要因素。因此找出各种成型因素对注塑制品内应力影响的规律性，以便采取有效措施减少制件的内应力，并使其在制件断面上尽可能均匀地分布，这对提高注塑制品的质量具有重要意义。特别是在制件使用条件下要承受热、有机溶剂和其他能加速制件开裂的腐蚀介质时，减少制件的内应力对保证其正常工作具有更加重要的意义。此外，掌握注塑制品内应力的消除方法和测试方法也很有必要。

2内应力的种类

高分子材料在成型过程中形成的不平衡构象，在成型之后不能立即恢复到与环境条件相适应的平衡构象，是注塑制品存在内应力的主要原因。另外，外力使制件产生强迫高弹形变也会在其中形成内应力。根据起因不同，通常认为热塑性塑料注塑制件中主要存在着四种不同形式的内应力。对注塑制件力学性能影响最大的是取向应力和体积温度应力。

2.1 取向应力

高分子取向使制件内存在着未松弛的高弹形变，主要集中在表层和浇口的附近，使这些地方存在着较大的取向应力，用退火的方法可以消除制件的取向应力。试验表明，提高加工温度和模具温度、降低注射压力和注射速度、缩短注射时间和保压时间都能在不同程度上使制件的取向应力减小。

2.2 体积温度应力

体积温度应力是制件冷却时不均匀收缩引起的。因内外收缩不均而产生的体积温度应力主要靠减少制件内外层冷却降温速率的差别来降低。这可以通过提高模具温度、降低加工温度来达到。加工结晶塑料制件时，常常因各部分结晶结构和结晶度不等而出现结晶应力。模具温度是影响结晶过程的最主要的工艺因素，降低模具温度可以降低结晶应力。带金属嵌件的塑件成型时，嵌件周围的料层由于两种材料线膨胀系数不等而出现收缩应力，可通过预热嵌件降低应力。这两种内应力主要是由于收缩不均而产生的，也属于体积温度应力。2.3 与制件体积不平衡有关的应力

高分子在模腔内凝固时，甚至在极其缓慢的条件下要使制件在脱模后立即达到其平衡体积，在实际上是不可能的。实验测定表明，注塑制件中这种形式的内应力一般很小。

2.4 与制件顶出变形有关的内应力

这种内应力主要与开模条件和模具顶出机构的设计有关。正确选择开模条件使开模前的模腔压力接近于零，根据制件的结构和形状设计合理的顶出机构，使制件顶出时不致变形，是可以将这种形式的内应力减少到不会影响制件力学性能的限度以内的。

3 影响注塑制品内应力的因素分析

注塑制品的造型设计不合理、模具设计不合理、成型工艺条件不正确、注射机选用不当等都会使制品内存在比较大的内应力。影响制品内应力的因素很多，也很复杂。主要影响因素见下图所示。

3.1 造型设

3.1.1 圆角

塑料制品除了使用上要求采用尖角外，各表面相交处应尽可能采用圆弧过渡。由于制品形状和截面的变化，使注塑过程中熔料在尖角处的流态发生急剧变化而产生大的应力，而且残留在尖角处。在有载荷或受冲击振动时会发生破裂，甚至在脱模过程中即由于模塑内应力而开裂，特别是制品的内圆角。一般，即使采用R为0.5mm的圆角就能使塑件强度大为增加。一般情况下，理想的内圆角半径应有壁厚的1/4以上。外圆角半径可取壁厚的1.5倍。

采用圆弧过渡既可以减少应力集中，还可大大改善塑料的充模特性，避免在转角处产生冲击形成波纹或充不满模腔。

塑件设计成圆角，使模具型腔对应部位也呈圆角，这样增加了模具的坚固性，塑件的外圆角对应着型腔的内圆角，它使模具在淬火或使用时不至于因应力集中而开裂，提高了模具的使用寿命。但是在塑件的某些部位如分型面、型芯与型腔配合处等不便做成圆角而只能采用尖角。

除相交表面的尖角外，尖锐的螺纹牙也是严重的应力集中源，采用倒圆角的螺纹可减少应力集中，提高螺纹强度。

3.1.2 制品壁厚

制品壁厚是结构设计时所需要考虑的重要因素。不合理的壁厚会给制品带来很多缺陷。增加壁厚既可改善树脂的充模特性，又可降低取向应力，减少变形，提高制品强度。但同时收缩加大，保压和冷却时间加长，生产效率降低，消耗材料多。较大的收缩应力还将造成制品表面产生凹陷或内部出现缩孔与气泡，既影响外观又降低了强度。增加壁厚的同时也增加了制品的表面积，表面积与体积之比越大，表面冷却越快，取向应力和体积温度应力都随之增大。如果制品壁太薄，会降低强度，脱模时易破裂，还有碍于树脂的充模流动，造成

填充不足或出现明显的熔合纹，严重影响制品质量。每种塑料根据充模能力都有一个最小壁厚。确定壁厚时在满足强度要求的前提下，壁厚尽量取薄些，可节省材料，减轻制品重量，降低成本，但不能小于最小壁厚。ABS常用的标准壁厚为1.2~3.5mm。壁厚设计还应注意均匀一致，否则将会由于收缩应力引起制品的翘曲变形。同一制品中，若必须存在壁厚相差较大的情况时，连接处应逐渐过渡，避免截面的突变。

3.1.3 金属嵌件

由于金属嵌件冷却时尺寸变化与塑料的热收缩值相差很大，使嵌件周围产生很大的内应力，而造成塑件的开裂。对某些高刚性的工程塑料更甚，如聚碳酸酯；但对于弹性和冷流动性大的塑料则应力值较低。当有金属嵌件存在时，应尽量避免制件开裂：

（1）如能选用与塑料线膨胀系数相近的金属作嵌件，内应力值可以降低；（2）嵌件周围的塑料应有足够的厚度，否则会由于存在收缩应力而开裂；（3）嵌件的顶部也应有足够厚的塑料层，否则嵌件顶部塑件表面会出现鼓包或裂纹；

（4）嵌件不应带尖角、锐边，以减少应力集中；

（5）热塑性塑料注射成型时，将金属嵌件预热到接近物料温度，可减少由于金属与塑料热膨胀系数不同而产生的收缩应力；

（6）对于内应力难以自消的塑料，可先在嵌件周围被覆一层高分子弹性体或在成型后进行退火处理来降低内应力；

（7）在塑件成型后再装配或压入嵌件，可调节因嵌入嵌件而造成的内应力值，使制件不致破裂。