注塑制品內應力的分析及控制

在注塑加工過程中，注塑制品存在著一個內在的質量問題-------內應力。內應力的來源與所使用的塑料原料種類、注塑機的類型與塑化系統的結構、模具的結構及精度、塑料制品的結構、注塑成型的工藝參數的設定及控制、生產環境及操作者的狀態等有關。其中任何一項出現問題，都將影響到制品的質量。

而且，由于制品的表面質量是內在質量的反映，所以，凡是能引起制品內在質量的因素，都能同時引起制品的表面質量及其他質量問題，如引起制品的開裂、銀紋、翹曲、變形、力學強度降低，甚至失去使用價值等問題。

由于注塑過程中，除了引起制品翹曲變形的內應力可以直觀感覺到外，其它質量問題不但用肉眼看不到，而且在短時間內也沒有表露出來。所以注塑加工現場的工程人員對于這個問題一般不很重視，但是卻可能存在著很大的質量隱患。所以，本文針對內應力這個內在的質量問題展開分析，并提出控制的一些方法，希望對現場控制產品質量的工程人員有所幫助和啟示。

一、內應力的種類及產生原因

注塑制品的內應力主要有以下四種：

1、溫度應力：

是制品冷卻時溫度不均產生的應力。當熔體進入溫度較低的模具時，靠近模腔壁的熔體迅速地冷卻而固化。由于凝固的聚合物層導熱性很差，因而在制品厚度方向上產生較大的溫度梯度。先凝固的外層熔體要阻止后凝固的內層熔體的收縮，結果在外層產生壓應力（收縮應力），內層產生拉應力（取向應力）。另方面，因制品壁厚不均勻，冷卻速度不一致，從而產生冷卻溫度不均現象。

2、取向應力：

是制品內部大分子取向產生的應力。對于線形樹脂和纖維增強的塑料，在加工中最容易產生取向應力。其結果，沿著流動方向的分子取向程度最大，在速冷條件下，如果被拉直的分子鏈來不及松弛，則在該方向上產生了取向應力。

3、收縮應力：

注塑過程中，塑料分子本身的平衡狀態受到破壞，并產生不平衡體積時的應力。如結晶塑料的晶區與非晶區界面因收縮不均產生的內應力。

4、脫模應力：

脫模時制品變形產生的應力。這主要是模具加工精度較差和設計不合理造成，如脫模斜度不夠，頂針數量不夠或頂出不平衡等。

以上2至4類應力可以歸納為成型應力，是成型過程產生的應力。一般注塑制品中同時都存在幾種應力，制品的破壞，是由幾種應力共同作用的結果。

二、內應力對注塑制品的影響

制品中內應力的存在會嚴重影響到制品的力學性能和使用性能。它的存在將降低了制品對光、熱以及腐蝕介質的抵抗能力。同時，制品在使用過程中將出現裂紋、不規則變形和翹曲，制品表面泛白、渾濁、光學性能下降等結果。

三、內應力的控制

當注塑制品內的殘余應力太高或應力分布不均時，塑件表面就會產生變形、泛白、裂紋及破裂等現象。

一般情況下，澆口附近最容易發生由殘余應力引起的裂紋及破裂，因為澆口處的成型壓力相對其他部位要高一些，尤其是主流道為直接澆口時更是如此。當塑件的壁厚不均勻，熔料的冷卻速度不一致時，由于厚薄部位的收縮量不同，也產生殘余應力。

在速冷條件下，取向的分子鏈不能很快松馳會導致聚合物內應力的形成，等等。由此，可以通過減少制品殘余應力來防止或減小注塑制品產生以上缺陷。減少殘余應力的主要方法是改進澆注系統的結構形式和調整好塑件的成型條件。

1、減小取向應力的影響

a、提高熔體溫度，使剪切應力降低，分子取向度減??；另一方面會使應力松馳加快，促使解取向能力加強。但有的材料成形溫度范圍窄，提高料溫時可能出現分解，從而影響制品的抗衡力，會使制品開裂。

b、盡量減小保壓壓力。

c、減小注射壓力或保壓壓力，會使取向應力減小。因擔心制品出現收縮凹陷或試圖取得更好表面光澤而將注射壓力、速度等調得過大，會造成制品內部產生大的應變。結果，有些制品很快就開裂了，有些制品在存放一段時間后慢慢出現微裂或裂紋。當中心澆口出現以澆口為中心的放射狀開裂時，應考慮調節澆口尺寸，使型腔內的壓力減少，減小取向應力。有可能時，重新安排澆口的位置和形式，也可以增設必要的輔助澆口。

d、提高模具溫度，使解取向作用加強。雖然高的模溫可減少聚合物的分子取向，但是，卻使結晶性塑料結晶度提高，或因模溫過高使塑料難以固化而造成脫模困難，所以要注意。相反，如果模溫太低，塑料過早冷卻，熔接縫有可能產生，制品容易開裂。

e、有可能的話增加制品壁厚，使取向應力降低。

2、減小溫度應力的影響

如果在澆口封閉前維持模腔壓力，有利于提高制品密度，消除冷卻溫度應力，但是在澆口附近會產生較大的應力集中。設法降低澆口處溫度，延長緩冷時間，有利于改善制品的應力不均，使制品的機械性能均一。

熔體溫度的提高，不論對結晶型聚合物還是非結晶型聚合物都會導致拉伸強度的降低。對非結晶型聚合物，拉伸強度會因澆口的位置而異。當澆口與充模方向一致時，拉伸強度隨熔體溫度提高而降低；當澆口與充模方向垂直時，拉伸強度隨熔體溫度的提高而增加。

3、減小收縮應力的影響

塑料制品如果在模內散熱不好，冷熱不均（尤其對大制品而言），可能會使制品出現收縮差異，產生較大的內應力，而使制品開裂。因此，模具的冷卻水道的布置應盡量平衡。

制品設計上，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卻速度不一，冷卻過程的收縮和結晶情形的不同，力學狀態也不同。

4、減小脫模應力的影響

a、調整頂出裝置，如頂板、頂桿等，使之平衡動作，避免作用力先后不一或傾斜歪曲頂出。

b、型腔、型芯要有適當的脫模斜度。當斜度不夠時，脫模困難，制品受的機械應力過大而開裂。

c、型腔脫模面要有足夠的光潔度，甚至連拋光方向也應盡量與料流方向一致。型芯部分的加強筋、柱子等應有足夠的光潔度，使脫模順暢。

d、采用小澆口，保壓時間短，內應力小；用大流道，則注射壓力低，注射時間短，內應力??；澆口設計在制品的厚壁處，則注射壓力和保壓壓力低，內應力小。

e、調節好開模速度，避免高速撥模。

f、調節好模板的平行度及平穩性。

g、在模面上施加適當的脫模劑，使脫模順暢。

h、制品在模內冷卻時間太短，未充分硬化即開模頂出，可能在頂桿周圍開裂。但冷卻時間過長，制品包貼在模芯上，頂出時由于脫模光潔度不夠或斜度不夠而發生頂白現象。

i、深腔制品應設置適當的進氣孔道，以免脫模時產生過大的負壓，影響塑料制品與模具的分離。必要時，通過進氣孔道向模具和制品之間吹入壓縮空氣有助于脫模。

5、制品設計上應注意問題

避免出現應力開裂的尖角、缺口或厚度相差很大的部位。尖角和缺口是內應力集中的地方，而厚度相差很大的部位必然是冷卻速度不一，冷卻過程的收縮和結晶也不同。總之，制品形狀越復雜，尺寸愈大，愈容易開裂。

當塑料制品中帶有金屬嵌件時，嵌件最好是銅或鋁，而且加工前應先預熱嵌件。由于金屬和塑料的收縮率不一致，塑料的收縮率較大，而金屬的收縮率相對較小，通過預熱方法減小收縮差異。對于聚苯乙烯，一般不宜設置金屬嵌件。

制品設計上應注意平滑、緩過渡和勻稱。在制品造型上，應盡量采用曲面、雙曲面，既美觀又可減小變形。

6、材料方面的控制

某些剛性大的塑料（如PC、PS塑料），本身不適合作脫模有困難的制品，而且容易出現應力開裂，所以應注意。一般非結晶型樹脂比結晶型樹脂容易產生殘余應力而引起裂紋，也應注意。

塑料再生次數太多或再生料含量太高，或料在料筒內加熱時間太長，都會促使制品脆裂。塑料分子量每成形一次，當降到某一數值下，其耐沖擊強度急劇降低而變脆。

有些塑料在受潮狀況下加熱，會與水汽發生催化裂化反應，形成的降解產物和氣態物質，除了影響制品外觀外，還使制品發生大的應變，較小的殘余應力就可以使出模后的制品產生開裂。

有些塑料本身質量不佳，例如分子量分布大，塑料受到污染，也是造成開裂的原因。

7、設備方面要注意的問題

a、注塑機塑化容量要適中。即使是相熔性良好的塑料，如果在機筒內未完全均勻混合，也即塑化不充分，成型的制品在受力時將使應變集中在未充分混合的部位而脆裂。相反，若注塑機塑化容量太大，塑料在料筒中受剪切作用時間過長，也會老化降解，使制品變脆。

b、 注塑機料筒內有障礙物，促使塑料降解而使制品變脆。

四、制品應力開裂檢查和退火處理

1、診斷方法：

（1）、溶劑法：

a、PS 在室溫下用煤油處理。

b、對PC、PS、聚砜、PPO等注塑制品，用四氯化硅溶劑處理，20秒內若制品開裂，說明內應力大。

c、POM 30%鹽酸溶液中浸30min。

d.ABS 浸入冰醋酸溶液中。

e、PP 在80℃下，用63%（重量百分比）的三氧化鉻與水的混合物處理。

f、HDPE 在80℃下，用2%的洗滌劑水溶液處理。

（2）、儀器法：用偏振光方法可以檢測制品的內應力。

2、熱處理方法：有開裂傾向的塑料制品，可以用退火熱處理方法來消除制品內應力，從而減小裂紋的生成。

POM 空氣浴退火：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。

PBT 120℃×1～2h 。

PC 110～135℃×時間根據厚度定。

聚砜 170～180℃×2～4h 。

PMMA 70～80℃×4h 。

ABS 70～80℃×2～4h 。

PS 介質為熱空氣或熱水：60～70℃×30～60min（厚度≤6mm）；70～80℃×120～300min（厚度≤6mm）。