塑膠制品如何去除內(nèi)應力

1、塑膠制品如何去除內(nèi)應力？塑膠制品如何去除內(nèi)應力？1 引言 注塑制品一個普遍存在的缺點是有內(nèi)應力。 內(nèi)應力的存在不僅是制件在儲存和使 用中出現(xiàn)翹曲變形和開裂的重要原因， 也是影響制件光學性能、 電學性能、 物理 力學性能和表觀質量的重要因素。 因此找出各種成型因素對注塑制品內(nèi)應力影響 的規(guī)律性， 以便采取有效措施減少制件的內(nèi)應力， 并使其在制件斷面上盡可能均 勻地分布， 這對提高注塑制品的質量具有重要意義。 特別是在制件使用條件下要 承受熱、有機溶劑和其他能加速制件開裂的腐蝕介質時， 減少制件的內(nèi)應力對保 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)應力的消除方法和測 試方法也很有必要

2、 2 內(nèi)應力的種類 高分子材料在成型過程中形成的不平衡構象， 在成型之后不能立即恢復到與環(huán)境 條件相適應的平衡構象， 是注塑制品存在內(nèi)應力的主要原因。 另外，外力使制件 產(chǎn)生強迫高彈形變也會在其中形成內(nèi)應力。 根據(jù)起因不同， 通常認為熱塑性塑料 注塑制件中主要存在著四種不同形式的內(nèi)應力。 對注塑制件力學性能影響最大的 是取向應力和體積溫度應力。2.1 取向應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力， 用退火的方法可以消除制件的取向應力。 試 驗表明，提高加工溫度和模具溫度、 降低注射壓力和注射速度、 縮短注射時間和 保壓時間都能在

3、不同程度上使制件的取向應力減小。2.2 體積溫度應力體積溫度應力是制件冷卻時不均勻收縮引起的。 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、降低加工溫度來達到。加工結晶塑料制件時， 常常因各部分結晶結構和結晶度不等而出現(xiàn)結晶應力。 模 具溫度是影響結晶過程的最主要的工藝因素，降低模具溫度可以降低結晶應力。帶金屬嵌件的塑件成型時， 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) 收縮應力，可通過預熱嵌件降低應力。這兩種內(nèi)應力主要是由于收縮不均而產(chǎn)生的，也屬于體積溫度應力。2.3 與制件體積不平衡有關的應力高分子在模腔內(nèi)凝固時， 甚

4、至在極其緩慢的條件下要使制件在脫模后立即達到其 平衡體積，在實際上是不可能的。 實驗測定表明， 注塑制件中這種形式的內(nèi)應力 一般很小。2.4 與制件頂出變形有關的內(nèi)應力這種內(nèi)應力主要與開模條件和模具頂出機構的設計有關。 正確選擇開模條件使開 模前的模腔壓力接近于零，根據(jù)制件的結構和形狀設計合 理的頂出機構， 使制件頂出時不致變形， 是可以將這種形式的內(nèi)應力減少到不會 影響制件力學性能的限度以內(nèi)的。3影響注塑制品內(nèi)應力的因素分析注塑制品的造型設計不合理、 模具設計不合理、 成型工藝條件不正確、 注射機選 用不當?shù)榷紩怪破穬?nèi)存在比較大的內(nèi)應力。 影響制品內(nèi)應力的因素很多， 也很 復雜。主要影響因

5、素見下圖所示 3.1 造型設計3.1.1 圓角塑料制品除了使用上要求采用尖角外， 各表面相交處應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) 生大的應力， 而且殘留在尖角處。 在有載荷或受沖擊振動時會發(fā)生破裂， 甚至在 脫模過程中即由于模塑內(nèi)應力而開裂，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度大為增加。一般情況下，理想的內(nèi)圓角半徑應 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力集中， 還可大大改善塑料的充模特性， 避免在轉角 處產(chǎn)生沖擊形成波紋或充不滿模腔。塑件設計

6、成圓角， 使模具型腔對應部位也呈圓角， 這樣增加了模具的堅固性， 塑 件的外圓角對應著型腔的內(nèi)圓角， 它使模具在淬火或使用時不至于因應力集中而 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重的應力集中源， 采用倒圓角的螺紋 可減少應力集中，提高螺紋強度。3.1.2 制品壁厚 制品壁厚是結構設計時所需要考慮的重要因素。 不合理的壁厚會給制品帶來很多 缺陷。增加壁厚既可改善樹脂的充模特性，又可降低取向應力，減少變形，提高 制品強度。但同時收縮加大，保壓和冷卻時間加長， 生產(chǎn)效率降低，消耗材料多

7、。 較大的收縮應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 又降低了強度。增加壁厚的同時也增加了制品的表面積， 表面積與體積之比越大， 表面冷卻越快， 取向應力和體積溫度應力都隨之增大。 如果制品壁太薄， 會降低 強度，脫模時易破裂， 還有礙于樹脂的充模流動， 造成填充不足或出現(xiàn)明顯的熔 合紋，嚴重影響制品質量。 每種塑料根據(jù)充模能力都有一個最小壁厚。 確定壁厚 時在滿足強度要求的前提下，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常用的標準壁厚為1.23.5m m。壁厚設計還 應注意均勻一致，否則將會由于收縮應力引起制品的翹曲變形。同一制

8、品中，若必須存在壁厚相差較大的情況時，連接處應逐漸過渡，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)應力，而造成塑件的開裂。對某些高剛性的工程塑料更甚，如聚碳酸酯；但 對于彈性和冷流動性大的塑料則應力值較低。 當有金屬嵌件存在時， 應盡量避免 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)應力值可以降低；（2）嵌件周圍的塑料應有足夠的厚度，否則會由于存在收縮應力而開裂；（3）嵌件的頂部也應有足夠厚的塑料層，否則嵌件頂部塑件表面會出現(xiàn)鼓包或 裂紋；4）嵌件不應帶尖角、銳邊，以減少應力集中；（5）熱塑性塑料注射成型時

9、，將金屬嵌件預熱到接近物料溫度，可減少由于金屬與塑料熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的收縮應力； （6）對于內(nèi)應力難以自消的塑料，可先在嵌件周圍被覆一層高分子彈性體或在 成型后進行退火處理來降低內(nèi)應力； （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)應力值， 使制件不致破裂。3.2 注塑機選用注射機選用不當， 也會產(chǎn)生內(nèi)應力。 那種認為大容量注射機注射小模具中的制品 會減少內(nèi)應力的說法不正確。 有時會因為壓力過高、 噴嘴結構不合適或混料造成 較大的內(nèi)應力。3.3 模具設計模具澆注系統(tǒng)和頂出機構設計不當都會使制件產(chǎn)生內(nèi)應力。3.3.1 澆注系統(tǒng)模具澆注系統(tǒng)設計不合理如澆口大小不合適、 澆道太

10、窄、 主流動太長、 澆口位置 不合理都會造成內(nèi)應力：（1）澆口尺寸太大，補料時間就會延長， 會增大大分子的凍結取向和凍結應變， 造成很大的補料內(nèi)應力， 特別在澆口附近內(nèi)應力更大。 小澆口的適時封閉， 能適 當?shù)乜刂蒲a料時間。 但澆口尺寸也不宜太小， 過小的澆口會造成太大的流動阻力， 產(chǎn)生取向應力。（2）主流道太長、流道太窄、流道的急劇轉折都會使流動阻力加大，延長進料 時間或需增大注射壓力和保壓壓力，會使制品產(chǎn)生更高的取向應力。（3）澆口位置的選取除考慮制品外觀和熔接縫外，還應盡量減少在流動方向上 由于充模和補料而造成的定向作用。3.3.2 頂出機構頂出機構設計不當， 使脫模力不均衡或型芯表面在

11、脫模過程中形成真空或施加過 大的脫模力， 都會造成塑件產(chǎn)生強迫高彈形變形成內(nèi)應力， 甚至龜裂，嚴重時發(fā) 生開裂。龜裂和開裂看上去相似，本質上有區(qū)別。龜裂不是空隙狀的缺陷，是高 分子本身同所加應力成平行方向排列， 經(jīng)過加熱又能恢復到無龜裂的狀態(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)應力需改善脫模條件， 如仔細磨光型芯側面； 增加脫模斜度； 平衡頂出 力；頂桿應布置在脫模阻力最大的部位如型芯凸臺附近及能承受較大頂出力的部 位，如加強筋、凸緣、塑件端面等部位。3.4 機械加工注塑制品除為切除大澆口冷凝料而進行機械加工外， 當制件尺寸精度和形位公差 要求很高而無法

12、通過模具設計與調(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，成型之后就需要進行機械加工。常用 的機械加工工藝有車、銑、刨、鉆、鋸、鉸孔和拱螺紋等。但機械加工會使塑件 內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力， 因此加工時應用專用刀具、 宜采用較低的切削速度、 小切削量 和低速度，還應保證充分冷卻。對于易產(chǎn)生內(nèi)應力的制品應進行多次熱處理。3.5 注塑成型工藝條件注塑制品由于成型工藝特點不可避免的存在內(nèi)應力， 但工藝條件控制得當就會使 塑件內(nèi)應力降低到最小程度， 能夠保證制件的正常使用。 相反，如果工藝控制不 當，制件就會存在很大的內(nèi)應力， 不僅使制件強度下降， 而且在儲存和使用過程

13、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熱、 模具溫度、 加工溫 度、注射速度、注射壓力、保壓壓力、注射時間、保壓時間、冷卻時間等。 溫度、 壓力、時間是塑料成型工藝的主要因素。3.5.1金屬嵌件預熱注射成型時， 應將金屬嵌件預熱到接近物料溫度， 預熱嵌件的目的是減少金屬與 塑料冷卻時收縮值的差距， 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) 生的收縮應力。 收縮應力是注塑制品內(nèi)容易形成的內(nèi)應力的一種， 這種內(nèi)應力的 存在，是帶金屬嵌件的注塑制品出現(xiàn)裂紋和強度下降的重要原因。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)生的體積溫度應力和高分子取向應 力，也可以降

14、低結晶塑料制品的結晶應力。 但模溫也不能過高， 模溫升高使冷卻 時間延長，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力， 但同時會使因收縮不均而產(chǎn)生的體積溫度應力增 加，同時也使封口壓力升高，延長冷卻時間才能順利脫模。3.5.4 注射壓力、注射速度和注射時間 增大注射壓力使取向應力和結晶塑料的結晶應力增加， 同時使封口壓力增大， 必 須延長冷卻時間才能順利脫模， 否則會造成脫模應力； 注射速度增加也會使取向 應力和結晶應力增加， 但對冷凝快的塑料還是用高的注射速度充模較為有利， 因 為冷凝快的塑料慢速注射需要更高的注射壓力來維持熔體的流動；注射時間不宜太長，模腔充滿以后就相當

15、于在注射壓力下保壓了， 也會使制件的取向應力增加。3.5.5 保壓壓力和保壓時間冷卻中的熔體在外壓作用下產(chǎn)生的總形變中， 有相當大一部分是彈性的， 故使熔 體在高壓下冷凝會在制件中產(chǎn)生較大的內(nèi)應力和高分子取向。 壓實后立即降壓或 補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間有 利于取向應力的降低； 延長保壓時間僅在一定范圍內(nèi)取向度增大， 澆口封閉之后 再延長保壓時間對取向度的變化就不再影響。3.5.6 冷卻時間當注射壓力、保壓壓力、熔體溫度升高，澆口尺寸較大時都會使封口壓力升高， 這時必須延長冷卻時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

16、地從模具內(nèi)頂出是很困難的。 若強制脫模， 制件在頂出時會產(chǎn)生 很大的應力，以至制件可能被劃傷， 嚴重時會出現(xiàn)破裂。但冷卻時間也不宜過長， 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一步冷卻可能在制件內(nèi)部 形成負壓，即由于冷卻收縮使制件內(nèi)外層之間產(chǎn)生拉應力。3. 注塑制品內(nèi)應力的消除方法 在注塑成型或機械加工之后及時對制件進行熱處理是降低或消除其內(nèi)應力， 使其 內(nèi)部結構加速達到穩(wěn)定狀態(tài)的一個有效措施。 對于要求強度高、 尺寸穩(wěn)定性好的 制件，往往在加工過程中進行不只一次的熱處理。熱處理的方法是： 在加熱介質中先將溫度從室溫升到一定溫度 （這個溫度常稱為 熱處理溫度或退火溫度） ，使制件在

17、此溫度下保持一定的時間，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間。 在理論 上熱處理溫度越高，熱處理時間越長，制件的內(nèi)應力就能在更大程度上被消除， 其內(nèi)部結構就越趨于穩(wěn)定。 但實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。 一般認為， 熱塑性塑料注塑件的熱處理溫度以 稍低于熱變形溫度（約低5C10 C）為宜。熱處理時間則主要與塑料的性質與 制件壁厚有關， 高分子鏈的剛性越大， 制件的壁越厚， 需要進行熱處理的時間就 越長。正確選用加熱介質對熱處理效果也很重要。 用空氣作為加熱介質， 有操作簡便和 處理后不需要清洗等優(yōu)點。AB

18、S塑料在6575C空氣中處理24小時效果良好。 但空氣熱傳導效率低， 容易引起尼龍類和聚甲醛等塑料氧化變色。 高沸點油作為 熱處理介質有傳熱快、 制件加熱均勻等優(yōu)點， 但操作比較麻煩， 而且處理后的制 件上存留的油斑有時很難除去。 吸水性強的尼龍類塑料制件用水或乙酸鉀的水溶 液（沸點121 T ）作熱處理介質比較好。用這種介質既有利于防止制件在熱處理過 程中氧化變色，又能使其加速達到吸濕平衡。熱處理有時不一定能達到理想的效果， 只能作為一種輔助工序， 完全依靠熱處理 防止應力開裂的做法不可靠。 必須從影響注塑制品內(nèi)應力的幾個主要因素方面采 取有效措施，結合熱處理方法才能取得滿意效果。4. 應力的危害4.1 開裂：因為應力的存在，