注塑件內應力形成機理及消除方法探討

范聯甫

摘 要：介紹了注塑件內應力的形成機理，分析了影響內應力的各種因素，從注塑工藝參數設定、塑料材料選型及模具結構設計等方面給出了消除內應力或減輕內應力的措施。

關鍵詞：注塑成型；內應力；影響因素；消除方法

中圖分類號：TB33 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0018-03

Abstract： This paper introduces the forming mechanism of internal stress of injection molded parts， analyzes on various factors affecting internal stress， and puts forward some measures to eliminate or lighten internal stress from the aspects of setting of injection molding process parameters， selection of plastic materials and design of mould structure， etc.

Keywords： injection molding； internal stress； influencing factors； elimination method

1 概述

目前塑料制品在社會生活的各個領域中所占的比重越來越大，使用量已經遠超鋼鐵等材料，被廣泛應用于電子、包裝、化工等領域，在需求的驅動下，塑料制品的加工工藝技術等也得到了迅速發展，使其在國家的社會經濟建設中發揮著越來越重要的作用。與此同時如何進一步提高注塑件的質量也顯得尤為重要，正如大家所知，注塑件由于應力的存在會嚴重影響其品質，為此有必要對內應力的產生機理、影響因素及改善方法加以分析。

2 內應力的分類及形成機理

2.1 內應力的分類

注塑件內應力是塑料經熔融后在注塑加工過程中由于受所選用塑料材料本身特性和注塑工藝參數（模具溫度、注塑壓力、注塑溫度、保壓時間等）等多種原因影響而產生。內應力在塑料制品中都會有不同程度的存在，嚴重時會使零件出現翹曲變形甚至直接斷裂。注塑件最常見的主要內應力有三種基本類型：第一種：注塑過程中熔體在注塑壓力作用下使分子鏈沿注塑流動方向定向排列后被凍結而產生取向應力。第二種：在注塑完成后冷卻時，由于模具各部分的冷卻溫度不一致導致制品產生冷卻應力。第三種：注塑件在成型后由于模具的頂出機構設計不均勻造成頂出零件時出現變形、泛白等現象而產生的內應力。

2.2 內應力的形成機理

注塑件內應力的產生是由很多種原因所造成，比如在加工過程中流動的內、外層熔體之間產生的剪切作用、加工過程中造成的各部位不均勻一致的冷卻速度和加工過程中造成的塑化和制品脫模受力不均勻等都會引起內應力的產生。主要有以下幾種原因：

（1）注塑過程中，熔體在沿流道或型腔流動時外層流體首先遇到溫度較低的模具腔壁而迅速冷卻從而導致熔體外層的粘度高于內層，這樣使內層的流動速度比外層快而在內外層形成剪切應力，因此取向就在沿注塑流動方向上形成（如圖1、2），這種狀態被凍結后在內部形成了取向應力。

（2）塑料制品形狀及壁厚原因，尤其是厚壁制品在冷卻過程中，由于表面的冷卻快而先收縮，從而表面的收縮被內部限制以使內部處在受壓的狀態，但表面處于受拉的狀態，這種冷卻內應力從表面到內部越來越大且呈拋物線變化。另外，塑料制品形狀和切面的變化使注塑過程中熔料在尖角處的流態發生急劇變化而產生很大的應力。

（3）塑料制品中如果有金屬鑲件也會造成塑膠中有應力產生，主要為兩種材質的熱膨脹系數不一致所致。

3 影響注塑件內應力的因素

注塑過程中完全消除內應力幾乎不可能，但可以通過分析其影響因素、采取有效措施將可以最大限度的降低內應力的產生，從而把內應力對制品的性能影響程度降到最低。

3.1 工藝參數對內應力的影響

在塑料制品的成型過程中，塑料制品的冷卻均勻充分及脫模時塑料制品受到的脫模力均勻一致都能有效的降低塑料制品的成型應力，但在制品成型過程中的注塑工藝參數對產品應力影響也很大，主要有以下幾種：

3.1.1 注塑機料筒溫度

注塑工程中采用較高的料筒溫度，有利于降低塑料的流動粘度，減小塑料制品中的取向應力。反之當低溫度充模時會導致粘度升高從而增加形成取向應力的概率，導致成型冷卻后的制品內部會積累較多的殘余內應力。但是當料筒溫度過高或過低時都不利于應力的降低，因為過高溫度時會使零件造成不均勻冷卻以使其在從模具中被頂出系統頂出時變形而造成脫模應力的增大。

3.1.2 模具溫度

在注塑過程中結合所采用的材料特性確定模具采用合適的溫度有利于減小制品的應力，成型過程中如果模具采用的模溫或過高、或過低都增大了應力的形成。模溫較低會使在沖模過程中熔體遇到較低模溫而使熔體產生冷卻產生不均勻收縮而形成冷卻內應力，同時，模溫過低時，熔體粘度增加從而形成明顯的取向應力。模溫適當提高對塑料晶粒的堆砌和降低晶體內部的缺陷從而減少其內應力有利。

3.1.3 注射壓力和保壓壓力

注塑過程中的注射壓力過高時會使熔體在充模過程中受到的剪切作用增加從而使其產生取向應力的幾率也增大；因此，注塑時適當降低注射壓力可以對降低取向應力和消除脫模應力起到一定作用。注塑過程中保壓壓力的大小對制品內應力的影響也很大，在保壓過程中伴隨著時間的推移、溫度的降低使熔體粘度增加，此時若增加高壓會形成很大的取向應力。

3.1.4 注射時間和保壓時間

注塑過程中過快的注射速度或過慢的注射速度都會使制品應力增加，當過快時容易引起很大的取向應力，過慢時塑料熔體進入模腔后會很快冷卻而形成熔化痕，此時會產生應力集中而使制品開裂。因此注塑時可以結合制品情況進行采用不同的注塑速度，減小形成應力的風險。

3.2 塑膠制品的設計

在設計塑膠制品結構時就結合具體外觀充分考慮成型工藝性進行優化結構設計對后續減小產品應力有很大作用，在設計結構過程盡量使制品的壁厚均勻以利于材料流動，盡量在壁厚突變部分盡量采用逐步過渡的方式來完成，在零件轉角部分盡量采用圓弧轉角（如圖3、圖4）。另外塑料制品中需要嵌件時，嵌件材料的選用、嵌件外形的設計及嵌件周圍的制品結構設計等都與最終應力的形成有很大關系。

3.3 模具的設計

塑料制品應力的形成與模具設計的實現方式也有很大關系，結合具體塑料制品形狀進行合理的澆口尺寸設計以利于成型過程中的補料，降低注塑時間，使制品在合理的時間、壓力范圍內得到成型以減少應力形成；結合具體塑料制品形狀進行合理的澆口位置選擇也可以減小塑料制品應力形成，比如將澆口選擇在壁厚較厚的地方就有利于降低零件的取向應力；另外，在設計模具時對流道尺寸、冷卻系統及頂出系統進行綜合充分考慮都能有效的降低后續在零件成型過程中的應力形成。

3.4 注塑材料的選擇

在滿足制品使用要求的前提下進行合理的材料選擇也有利于制品成型后內應力的減小或消除，比如選用純度較高材料，或者在原有材料中增加有利于降低應力的材料、或者對材料進行改性處理等都可以達到降低制品內應力的目的。

4 注塑件內應力的消除

塑料制品在注塑成型或機械加工后立即對其進行熱處理將有效降低加工過程中形成的內應力，從而使制品內部的應力得到釋放，使不平衡構象重新恢復到平衡構象。注塑件如果選用的材料分子鏈的剛性很大且玻璃化溫度很高、或注塑件的壁厚較厚且又帶有金屬嵌件、或注塑件的使用環境溫度范圍較大且尺寸精度要求又較高、或注塑件不能自消除內應力且其外形又較大以及注塑后經過機械加工的注塑件都需進行熱處理。一般注塑件的熱處理溫度稍低于制品熱變形溫度5～10℃左右或高于制品使用溫度15～20℃左右；制品熱處理時間由于受制品材料種類、壁厚、注塑時的工藝等因素影響，一般情況下需要2小時左右，但如果是壁厚較厚的制品，則熱處理時間需要長一些。

通常制品熱處理是將其放入液體（如：水、甘油、乙二醇等）中或放入烘箱中加熱到一定溫度并恒溫一定時間后再緩慢冷卻到室溫。一般情況下應將制品在脫模后立即進行熱處理，這樣對改善內部內應力和其性能的效果更為顯著；此外，對脫模后制品進行適當保溫處理或在成型過程中通過改變注塑工藝（提高模具溫度、延長冷卻時間等）都有類似熱處理的作用。

通過熱處理要想完全消除制品的內應力是不可能的，該方法只是作了有效降低處理，因此不應將其作為消除或降低應力的唯一措施，因為有些材料在熱處理時間稍長后會使材料本身的分子鏈發生改變從而對制品的機械性能產生負面影響。因此在采用降低制品內應力方法時要從注塑工藝、材料選用、制品外形等方面進行綜合考慮。

5 結束語

總之，結合本文討論的對制品產生內應力影響的相關因素，需要通過對制品從外形結構設計到材料選擇以及到模具設計、注塑工藝等方方面面進行綜合分析并結合給出的優化措施可以使成型制品的性能得到優化并能完全滿足使用要求。

參考文獻：

[1]西北工業大學.塑料成型工藝學[M].西安：西北工業大學出版社，1988.

[2]北京化工學院，等.塑料成型模具[M].北京：輕工業出版社，1987.

[3]羅河勝.塑料材料手冊[M].廣州：廣東科技出版社，1988.

[4]吳利英.熱塑性塑料注塑制品內應力分析[J].塑料科技，2001（1）：28-32.

[5]張麗珍.環氧樹脂復合材料制品內應力的形成和降低[J].廣東科技，2004（5）：45-47.

[6]楊鳳霞.堿性蓄電池塑料殼蓋內應力分析及控制[J].工程塑料應用，2005（6）：40-43.