翹曲變形是指注塑製品的形狀發生畸變而翹曲不平, 偏離了製件的形狀精度要求, 它是注射模設計和注射生產中常見的較難解決的製品缺陷之一.
隨著塑料工業的發展, 特別是電子資訊產業的發展, 對塑料製品的外觀和使用性能要求越來越高. 如筆記本及掌上電腦, 扁薄手機等塑殼製件, 翹曲變形程度已作為評定產品質量的重要指標之一, 越來越受到模具設計者的關注與重視. 希望在設計階段預測出塑料件可能產生的翹曲原因, 以便優化設計, 減小產品的翹曲變形, 達到產品設計的精度要求.
1, 翹曲變形產生的原因
翹曲變形是製品在注射工藝過程中, 應力和收縮不均勻而產生的. 脫模不良, 冷卻不足, 製件形狀和強度不宜, 模具設計和工藝參數不佳等也使塑件發生曲變.
模溫不勻, 塑件內部溫度不均勻.
塑件壁厚差異和冷卻不均勻, 導致收縮的差異.
塑件厚向冷凝壓差和冷卻速差.
塑件頂出時溫度偏高或頂出受力不勻.
塑件形狀不當, 具有彎曲或不對稱的形狀.
模具精度不良, 定位不可靠, 致使塑件易翹曲變形.
進料口位置不當, 注射工藝參數不佳, 使收縮方向性明顯, 收縮不均勻.
流動方向和垂直於流動方向的分子鏈取向性差異, 致使收縮率不同.
凸凹模壁厚向不對稱冷卻, 冷卻時間不足, 脫模後冷卻不當.
2, 模具結構對注塑件翹曲變形的影響
在模具設計方面, 影響塑件翹曲變形的因素主要有三大系統, 分別是澆注系統, 冷卻系統與頂出系統等.
澆口的設計
注塑模澆口是整個澆注系統的關鍵部分, 它的位置, 形式和澆口的數量直接影響熔料在模具型腔內的填流狀態, 導致塑料固化, 收縮和內應力的異變. 常用的澆口類型有側澆口, 點澆口, 潛伏式澆口, 直澆口, 扇形澆口以及薄膜型澆口等.
澆口位置的選擇應使塑料的流動距離最短. 流動距離越長, 內部流動層與外部凍結層之間的流動差增加, 這樣凍結層與中心流動層之間流動和補縮引起的內應力愈大, 塑件變形也隨之增大;
反之, 流動距離越短, 從澆口到製件流動末端的流動時間越短, 充模時凍結層厚度減薄, 內應力降低, 翹曲變形也會因此減小.
如精密薄壁較大塑件, 使用一個中心澆口或一個側澆口, 因徑向收縮率大於周向收縮率, 成型後的塑件會產生較大的扭曲變形;若改用多個點澆口或薄膜型澆口, 則可有效地防止翹曲變形, 因此設計時須進行流動比計算校核.
當採用點澆口成型時, 同樣由於塑料收縮的異向性, 澆口的位置, 數量都對塑件的變形程度有很大的影響.
對扁平箱形塑件在不同澆口數目的分布試驗:採用15%玻璃纖維增強PA66, 重量為1450g的塑件, 沿四周壁流動方向上設有許多加強肋. 採用基本相同的工藝參數. 澆口方式: (a)直澆口, (b)5~4個點澆口, (c)9~8個點澆口. 試驗結果, 按b設置澆口具有最好的效果, 滿足設計要求. 按c設計的澆口比直澆口還差,翹曲變形量超出設計要求3.6~5.2mm.
多澆口能使塑料的流動比(L/t)縮短, 從而使模內熔料密度和收縮更趨均勻. 同時, 塑件能在較小的注射壓力下充滿模腔, 減少塑料的分子取向傾向, 降低內應力, 減少塑件的變形.
冷卻系統的設計
在注射過程中, 塑件冷卻速度的不均勻也將形成塑件收縮的不均勻, 這種收縮差別導致彎曲力矩的產生而使塑件發生翹曲.
如精密扁平狀較大塑殼件模具型腔, 型芯的溫度相差過大, 冷模腔面的熔體很快冷卻下來, 而貼近熱模腔面的料層則會繼續收縮, 收縮的不均勻將使塑件翹曲. 因此, 注塑模的冷卻系統設計應嚴格控制型芯, 型腔的溫度平衡.
對精密扁平狀塑殼件, 成型收縮率較大而易變形的材料, 生產試驗表明, 溫差不宜超過 5°~8°.
其次, 還應考慮塑件各側溫度的一致, 即保持型芯, 型腔各處溫度均勻一致, 使塑件各處的冷卻速度均衡, 收縮均勻, 有效防止變形的產生. 冷卻系統的設計在理論計算的基礎上, 應經嚴格的工藝試模確定. 因此, 模具上冷卻水孔的設置至關重要.
管壁至型腔表面距離確定後, 應儘可能使冷卻水孔之間的距離小, 必要時採用疏密不均的排列形式, 即料溫高處冷卻水孔排密一些, 料溫低處冷卻水孔排稀疏一些, 以維持冷卻速度基本相同. 同時, 由於冷卻介質的溫度隨冷卻水道長度的增加而上升, 冷卻迴路的水道長度不宜過長.
頂出機構的設計
頂出機構的設計也直接影響塑件的變形. 如果頂出機構布置不平衡, 造成頂出力的不均衡而使塑件變形. 因此, 在設計頂出機構時應力求與脫模阻力相平衡. 頂杆的截面積不宜太小, 以防塑件單位面積受力過大而產生變形.
頂杆的布置應盡量靠近脫模阻力大的部位. 對於精密扁平狀塑殼件, 應儘可能多設頂杆以減少塑件的變形, 並採用頂杆脫模與推件板脫模相結合的複合脫模機構.
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, 如果完全採用機械式頂出方式, 將使塑件產生變形, 若改用多元件聯合或氣(液)壓與機械式頂出相結合的方式效果會更好.
3, 充模冷卻與翹曲變形
熔融的塑料在注射壓力的作用下, 充入模具型腔並在型腔內冷卻, 凝固. 在這個過程中, 溫度, 壓力, 速度三者相互耦合作用, 對塑件的質量產生較大的影響.
較高的壓力和流速會產生高剪切應力, 引起平行於流動方向和垂直於流動方向的分子取向的差異, 形成塑件較大的內應力. 溫度對翹曲變形的影響主要體現在以下幾個方面:
塑件內外表面溫差會引起熱應力和熱變形;
塑件不同區域之間的溫度差引起不均勻收縮;
不同的溫度狀態會影響塑料件的收縮率.
因此, 嚴格控制適宜的注射工藝參數是減少翹曲變形的重要手段.
4, 製件收縮與翹曲變形
注塑件翹曲變形的直接原因在於塑件的不均勻收縮. 對翹曲變形分析而言, 收縮本身並不重要, 重要的是收縮的差異. 在注塑成型過程中, 熔料在注射充模階段由於聚合物分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的收縮率大, 而使注塑件產生翹曲變形.
一般均勻收縮只引起塑料件體積上的變化, 只有不均勻收縮才會引起翹曲變形. 結晶型塑料在流動方向與垂直方向上的收縮率之差較非結晶型塑料大, 而且其收縮率也較非結晶型塑料大. 因此, 結晶型塑料件翹曲變形的傾向較非結晶型塑料大得多.
5, 殘餘熱應力與翹曲變形
在注射成型過程中, 殘餘熱應力是引起翹曲變形的一個重要因素, 由於殘餘熱應力對製件翹曲變形的影響非常複雜, 模具設計通常藉助注塑CAE軟體進行分析和預測.
6, 總結
影響精密扁薄形塑料製件翹曲變形的因素有很多, 模具的結構, 塑料材料的熱物理性能以及注射成型過程的工藝參數均對製件的翹曲變形有不同程度的影響. 因此, 對製件翹曲變形機理的試驗研究必須突出重點綜合考慮諸多的因素.