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1. 翹曲變形
(1) 缺陷現象
翹曲(warpage)指的是塑件的形狀與圖紙的要求不一致,如(圖1)所示,也稱為塑件變形。翹曲通常是因塑件的不平均收縮而引起,但不包括脫模時造成的變形。

(2) 缺陷原因與解決方法
(a) 分子取向不均勻。如(圖2)所示。為了盡量減少由於分子取向差異產生的翹曲變形,應創造條件減少流動取向或減少取向應力,有效的方法是降低熔體溫度和模具溫度,採用這一方法時,最好與塑件的熱處理結合起來,否則,減小分子取向差異的效果往往是短暫的。熱處理的方法是:塑件脫模後將其至於較高溫度下保持一定時間在緩冷至室溫,即可大量消除塑件內的取向應力。

(b) 冷卻不當。塑件在成型過程冷卻不當極易產生變形現象。如(圖3)所示。設計塑件結構時,各部位的斷面厚度應盡量一致。塑件在模具內必須保持足夠的冷卻定型時間。對於模具冷卻系統的設計,應注意將冷卻管道設置在溫度容易升高、熱量比較集中的部位,對於那些比較難以冷卻的部位,應盡量進行緩冷,以使塑件個部份的冷卻均勻。

(c) 模具流道系統設計不合理。在確定澆口位置時,不應使熔體直接衝擊型芯(公模仁),應使型芯兩側受力均勻;對於面積較大的矩形或扁平塑件,當採用分子取向及收縮大的塑膠原料時,應採用薄膜式澆口或多點式澆口,盡量不要採用側澆口;對於環型塑件,應採用盤型澆口或輪輻式澆口,盡量不要採用側澆口或點澆口;對於殼型塑件,應採用直澆口,盡量不要採用側澆口。
(d) 模具脫模及排氣系統設計不合理。在模具設計方面,應合理設計脫模斜度、頂出位置和數量,提高模具的強度和定位精度;對於中小型模具,可根據翹曲規律來設計和製造反翹模具(例如母模逆雕)。在模具操作方面,應適當減慢頂出速度或頂出行程。
(e) 成型條件設置不當。應針對具體情況,分別調整對應的工藝參數。
綜上所述,塑件翹曲的原因及改善方法如(圖4)所示。

2. 塑件翹曲變形
塑件變形、彎曲、扭曲現象的發生主要是由於塑料成型時流動方向的收縮率比垂直於流動方向的大,使塑件各向收縮率不同而造成的。另外,射出充填時由於塑件結構複雜,塑件冷卻至室溫後不可避免地會在塑件內部留有較大的殘餘內應力,這些應力有時會使塑件在成型後2小時內變形,有的會在7天後甚至30天後緩慢變形。所以從根本上說,模具設計決定了塑件的翹曲傾向,要通過變更成型條件來抑制這種傾向是十分困難的,最終解決問題必須從塑件結構和模具結構的改良著手。這種現象主要由以下幾個方面的原因造成。
(1) 模具方面
- (a) 塑件結構不合理。塑件壁厚不一致,結構嚴重不對稱,塑件成型後極易變形。塑件厚薄的過渡區必須平緩、圓滑過渡,否則不但影響熔體,而且會導致塑件變形開裂。對於結構不合理但因產品功能或外型要求又不能改變時,可以增加塑件壁厚或增加抗翹曲結構,比如加強筋來增強塑件抗翹曲能力。
- (b) 模溫不平均。冷卻系統的設計要使模具型腔各部分溫度均勻,盡量消除型腔內的溫度差。塑件出模時各處溫度一致,則收縮率也一致,結構也就不容易變形。
- (c) 流道系統不合理。澆口位置應對著型腔寬敞部位,否則容易變形。另外,流道系統尺寸設計要合理設計要合理,盡量消除行將內的密度差、壓力差。
- (d) 頂出系統不合理。頂出件布置不平衡,脫模斜度過小,型芯、型腔表面的粗糙度更差,拋光的方向不對,導致脫模力不平衡,都會使塑件脫模時就變形開裂。
- (e) 排氣系統不合理。脫模時塑件和型芯或型腔接觸的局部產生真空,導致頂出不平衡而變形。
- (f) 模具所用的材料強度不足。鑲件或型芯在成千上萬次的高溫、高壓熔體的作用下變形,導致模塑件也變形。
(2) 塑料方面
結晶型塑膠各向異性顯著,內應力大。脫模後未結晶化的分子有繼續結晶化傾向,處於能量不平衡狀態,易發生翹曲變型。另外,收縮率較大的塑料通常比收縮率小的塑料變型大。
(3) 成型工藝方面
- (a) 射出壓力太高、保壓時間不夠、熔體溫度太低、速度太快會造成內應力增加而出現翹曲變型。
- (b) 模具溫度過高、冷卻時間過短、脫模時的塑件過熱而出現頂出變形。
- (c) 在保持最低限度充填量下,減少螺桿轉速和背壓,以降低密度來限制內應力的產生,可改善塑件變型。
另外,當產品的翹曲便型可以利用調整澆口位置、流道配置以及改變成型工藝條件等方式降低到可接受的範圍時,冷卻設計可以單純地僅就均衡冷卻來加以考慮。利用不均衡冷卻使得現有的翹曲反向扳回,是削足適履、似是而非的作法,因為這樣生產的產品質量並不穩定。
3. 射出製品為何會出現翹曲變形? 生產中應如何避免?
射出製品的變形是指射出製品的形狀偏離了模具型腔的型狀,一般製品的平型邊部發生變形時稱為翹曲變形。射出製品翹曲變型通常是由於塑件的不均勻收縮引起的。一般均勻收縮只引起塑件體積上的變化,只有不均勻收縮才會引起翹曲變形。在射出成型過程中,熔融塑料在射出充模階段由於聚合物方子沿流動方向的排列,使塑料在流動方向上的收縮率比垂直方向上的收縮率大,而使塑件產生翹曲變形,如(圖5)所示。

(1) 產生原因
(a) 分子曲向不均勻。熱塑性塑料的翹曲變形很大程度上取決於塑件徑向和切向收縮的差值,而這一差值是由分子取向產生的。通常,塑件在成型過程中,沿熔料流動方向上的分子取向大於垂直流動方向上的分子取向,這是由於充填時大部分聚合物分子沿著流動方向排列造成的,充填結束後,被取向的分子型態總是力圖恢復原有的捲曲狀態,導致塑件在此方向上的長度縮短。因此,塑件沿熔料流動方向上的收縮也就大於垂直流動方向的收縮。由於在這兩個垂直方向上的收縮不均勻,塑件必然產生翹曲變形。
(b) 冷卻不當。如果模具的冷卻系統設計不合理或模具溫度控制不當、塑件冷卻不足,都會引起塑件翹曲變形。特別是當塑件壁厚的厚薄差異較大時,由於塑件各部份的冷卻收縮不一致,塑件特別容易翹曲,如(圖6)所示。冷卻速率慢,收縮量加大;薄壁部份的物料冷卻較快,黏度增大引起翹曲。

(c) 原材料及助劑選用不當。結晶型塑料在流動方向與垂直方向上的收縮率之差比非結晶型塑料大,而且其收縮率也比非結晶型塑料大。結晶型塑料大的收縮率與其收縮的異向性疊加厚,導致結晶型塑料的塑件翹曲變形的傾向較非結晶型塑料大得多。
(d) 射出機頂出位置不當或是塑件受力不均勻。如果用軟質塑料來生產大型、深腔、薄壁的塑件時,由於脫模阻力較大而材料又較軟,如果完全採用單一的機械式頂出方式,將使塑件產生變形,甚至頂穿或產生折疊而造成塑件報廢。
(e) 模具設計不合理
(e-1) 澆口位置不當或澆口數量不足,模具澆口的設計涉及熔料在模具內的流動特性、塑件內應力的形成以及熱收縮變形等。
(e-2) 塑件的壁厚不均勻,變化突然或是壁厚過小。
(e-3) 塑件結構設計不當,使各部份冷卻速率不均勻。
(e-4) 塑件兩側、型腔(母模)與型芯(公模)間溫度差異較大。
(e-5) 模具冷卻水路的位置分配不均勻,沒有對溫度進行很好的控制。
(f) 脫模機構設計不合理。塑件在脫模過程中受到較大的不均衡外力的作用,會使其形體結構產生較大的翹曲變型。例如,模具型腔的脫模斜度不夠,塑件頂出困難;頂針的頂出面積太小或頂針分布不均勻;脫模時塑件各部份的頂出速度不一致以及頂出太快或太慢;模具的抽芯裝置及嵌件設置不當;型芯彎曲或模具強度不足,精度太差等,都會導致塑件翹曲變形。
(g)成型工藝控置不當
(g-1) 料管溫度、熔體溫度過高。
(g-2) 射出壓力過高或射出速度過大。
(g-3) 保壓時間過長或冷卻時間過短,塑件尚未進行充分冷卻就被頂出。由於頂針對塑件表面施加壓力,造成翹曲變形。
(g-4)模具上有溫差,冷卻不均勻、不充分。
(2) 避免塑件翹曲變形的措施
(a) 為了盡量減少由於分子取向差異產生的翹曲變形,應創造條件減少流動取向及緩和取向應力的鬆弛,其中最有效的方法是降低熔料溫度和模具溫度。在採用這一方法時,最好與塑件的熱處理結合起來,否則,減少分子取向差異的效果往往是暫時的。因為料溫及模溫較低時,熔料冷卻很快,塑件內會殘留內應力,使塑件在今後使用過程中或環境溫度升高時,能就出現翹曲變形。
(b) 使用非結晶型塑料時,塑件的翹曲比結晶型塑料小得多;使用結晶型塑料,可通過選擇合適的成型工藝條件減少翹曲;合理選用顏料(色粉、色母;如酞菁系列顏料,易使聚乙烯、聚丙烯等塑料在加工時,因分子取向加劇而產生翹曲)。
(c) 適當提高射出壓力、射出速度,降低保壓壓力;延長射出時間及保壓時間;適當降低料溫、加強冷卻;控制好熱處理工藝。
(d) 控制模溫各部位盡量均勻。對於模具溫度的控制,應根據塑件的結構特徵來確定模腔(母模)與模芯(公模)、模芯與模壁、模壁與嵌件間的溫差,從而利用控制模具各部位冷卻收縮速度的差值來抵銷取向收縮差,避免塑件按取向規律翹曲變形。對於形體結構完全對稱的塑件,模溫應相應保持一致,使塑件各部位的冷卻均衡。
值得注意的是,在控制模芯與模壁的溫差時,如果模芯處的溫度較高,塑件脫模後框邊就向模芯牽引的方向彎曲。例如,生產框形塑件時(圖7),若模芯(公模)溫度高於型腔(母模)側,塑件脫模後框邊就向側彎曲,特別是料溫較低時,由於熔料流動方向的收縮較大,彎曲現象更為嚴重。還需注意的是,模芯部位很容易過熱,必須冷卻得當,當模芯處的溫度降不下來時,應適當提高型腔側的溫度也是一種輔助手段。

(e) 對於模具冷卻系統的設計。必須注意將冷卻管道設置在溫度容易升高、熱量比較集中的部位,對於那些比較容易冷卻的部位,應盡量進行緩冷,使塑件各部位的冷卻均衡。通常,模具型腔和型芯應分別冷卻,冷卻孔與型腔的距離應適中,不宜太遠或太近,一般控制在15~25mm;水孔的直徑應大於8mm,冷卻小孔的深度不能太淺,水管及管接頭的內徑應與冷卻孔直徑相等,冷卻孔內的水流狀態應為紊流,流速控制在0.6~1.0m/s,冷卻水孔的總長度應在1.2~1.5m以下,否則壓力損失太大;冷卻水入口與出口處溫度的差值不能太大,特別是對於一模多腔的模具,溫差應控制在2°C以下。
(f) 合理設計模具的流道系統。如澆口位置、澆口數量及澆口的形狀和尺寸等,使熔體平穩充模,減少分子取向,使收縮平衡而減少翹曲;在確定澆口位置時,不要使熔料直接衝擊型芯,應使型性兩側受力均勻;對面積較大的矩形扁平塑件,當採用分子取向及收縮大的樹脂原料時,應採用薄膜式澆口或多點式側澆口,盡量不要採用直澆口或分布在一條直線上的點澆口;對於圓片形塑件,應採用多點式澆口或直接式中心澆,進料不要採用側澆口;對於環形塑膠,應採用盤型澆口或輪輻式十字澆口,盡量不要採用側澆口或針澆口;對於殼型塑件,應採用直接口,盡量不要採用側澆口。
(g) 合理確定脫模斜度。合理設計頂出裝置,如頂出位置、頂出面積、頂針數量等,保證塑件頂出受力均勻;提高模具的強度和定位精度;對於中小型模具,可根據翹曲規律來設計和製作反翹曲模具,將型腔事先做成與翹曲方向相反的曲面,抵銷取向變形,不過這種方法較難掌握,需要反覆試模和修模,一般用於批量很大的塑件。必要時,可適當增加塑件的壁厚,以提高抵抗變形能力;為減少成型週期,對某些易翹曲變形的塑件,脫模後應立即置於冷模中進行校正。
(h) 合理設計塑件結構。塑件的造型上,盡量採用曲面、雙曲面,這樣不僅美觀,而且也能減少變形。
(i) 對於容易翹曲變形的塑件。可以採用整形處理技術,把塑件放入適合其型體結構的治具強制定型(圖8),但要注意對治具(夾具)中的塑件不可施加壓力,應讓其自由收縮,可適當輔以冷卻來促使塑件盡快定型;對於周轉箱等箱體類塑件,可以利用支板或框架定型,防止其收縮或膨脹。

☆ 其他參考資料及文章

