注塑制品翘曲变形的影响因素及对策

任清海，翁楠，耿铁

（1.安阳职业技术学院 机电工程系，河南安阳，455000；2.河南机电高等专科学校机械工程系，河南郑州， 453000；3.河南工业大学 机电工程学院， 河南郑州，450007）

翘曲变形是指注塑制品的形状偏离了模具型腔的形状，是塑料制品常见的质量缺陷之一，翘曲变形不仅影响塑件的装配性能，同时对制品的外观质量和使用性能也有一定的影响[1]。翘曲变形作为衡量注塑制品质量的一个重要指标，受到了越来越多的关注和重视[2]。因此，分析和研究导致翘曲变形的因素，研究减小或者消除翘曲变形的可行性措施，对提高注塑制品品质具有重要意义。

1 注塑制品的翘曲变形理论

拱形和马鞍形是注塑制品翘曲变形的基本形式，分别如图1、图2所示。然而在现实生产中，注塑制品的翘曲变形常常是这两种基本形式的叠加。

图1 拱形变形

图2 马鞍形变形

针对翘曲变形产生机理，目前业界存在两种理论[3]：一种是收缩/翘曲变形理论，另一种是应力/翘曲变形理论。

收缩/翘曲变形理论认为注塑制品在成型过程中均匀的收缩仅仅会使其按比例缩小，并不会发生翘曲，而不均匀的收缩才会导致翘曲变形[4]。造成不均匀收缩的原因主要有：塑件内部温度变化的速率不协调、结晶型塑料相变过程中结晶度的高低不均、分子链及分子链段在取向方向上恢复蜷曲状态的不一致、粘弹性熔体在压力作用下发生的密度增加和弹性恢复不均等等，从而对应地造成塑件不同部位的收缩不均、壁厚不同造成的收缩不均、与分子取向（或纤维取向）平行和垂直方向收缩不均。

而应力/翘曲变形理论认为塑件在成型过程中应力和应力松弛同时在塑件内作用，由于受到模具的限制，塑件在取出前不会发生变形，而取出后，由于不再受到模具型腔的约束，此时若残留在塑件内的应力的不均匀程度大于其刚度时，就会发生翘曲变形。也就是塑件的残余应力分布不均导致的翘曲变形。塑件的残余应力主要包括塑件内未完全松弛而冻结在凝固层内的流动残余应力和塑件各部分压力和温度差异引起的热残余应力。

2 注塑制品翘曲变形的影响因素

注塑制品的翘曲变形是非常复杂的，其影响因素是多种原因综合的结果，主要包括塑料性能、塑件结构、模具结构、成型工艺参数、塑件脱模后处理情况等。

2.1 塑料性能

塑料材料的性能，诸如流动、结晶、取向、收缩和热性能等塑料性能是决定塑件成型的质量根源之一，其中塑料的结晶、取向性能与塑件翘曲变形的相关性最大。研究发现，塑料的结晶程度越高，越容易发生翘曲变形，而无定型塑料材料如PC等在成型过程中则不易发生翘曲变形[5]。相关研究还指出，在流动过程中，平行于流动方向比垂直于流动方向的取向大，从而容易导致各向异性收缩和翘曲变形[5]。另外，塑料中的填充物如纤维类填充物、形核剂、玻璃纤维等亦对塑件的翘曲变形有一定的影响。

2.2 塑件结构

塑件结构设计的好坏，直接影响着翘曲量的大小。因为塑件的结构不符合成型要求时，其所导致的翘曲变形最为严重。有关研究结果指出塑件的剧烈壁厚变化对翘曲变形产生更为显著的影响[6-7]。在实际的塑件结构设计中，合理的加强筋设置有助于抵抗翘曲变形，但不合理的设置反而会引起新的翘曲和缩痕。

2.3 模具结构

模具结构中的浇注系统、冷却系统和顶出机构对塑件翘曲变形的形成具有较大的影响。浇注系统中的浇口是充填时熔体流动和保压时压力传递的必经通道，直接影响着分子和纤维的取向、制品的收缩和尺寸稳定性，对翘曲变形有很大的影响。冷却系统的设计不良会造成塑件的冷却不均，在塑件上产生不均匀的收缩和残余应力，从而导致塑件的翘曲变形，这也是发生翘曲的主要因素。顶出时，如果顶针和斜销的截面过小、布局不合理，使塑件受力不均匀，很容易使其发生变形，甚至出现顶白或顶穿。

2.4 成型参数

注射成型的过程中的熔体温度、模具温度、注射压力、保压压力、保压时间和冷却时间等都对塑件翘曲变形有一定的影响。研究表明，保压压力和熔体温度对翘曲变形的影响最大。

在成型过程中，增加保压压力不但可以压实塑件提高其密度，而且可以加强熔体的结晶和取向作用。而熔体温度的高低决定了熔体的流动性，对分子取向和结晶产生重要影响。

2.5 其他

塑件脱模以后，在室温或使用环境中，由于发生二次结晶和后结晶，引起应力不均，从而会导致塑件的翘曲变形。

3 翘曲变形的对策方法

根据产生翘曲变形的原因，可以对应的从以下几个方面进行对策。

3.1 塑件材料

对于结晶性塑料，影响其结晶和取向的因素都将影响塑件的翘曲变形，因此，可以通过选用对称性好、无支链或少支链的高分子的塑料或者适当添加形核剂来减小翘曲变形。另外，可以通过对塑料进行改性，来减少翘曲变形程度。

由于结晶性塑料很容易产生翘曲变形，因此对于精度要求比较高的塑件，优先选用收缩率小的无定形塑料。

3.2 塑件结构

在设计塑件时，尽量保证壁厚的均匀，这样可以有效地减小或避免翘曲变形。如果塑件的壁厚不能保证均匀，可以在塑件的公差范围内，有针对性的改变壁厚，也可以有效地减少翘曲变形[8-10]。

合理的设计加强筋的厚度、高度、拔模斜度、间距等，不仅可以提高塑件的强度，减小壁厚，减少用料，缩短成型周期，还可以有效的减小或避免翘曲变形。

另外，可以采用气体辅助成型的方法，在壁厚的部位形成中空，从而减小或避免翘曲变形。

3.3 模具结构

优化模具结构中的浇注系统、冷却系统及顶出机构设计可以有效地减小或消除翘曲变形。

合理的设计浇口的位置、形状、大小和数量可以降低流动长度，优化填充速度，有利于充填平衡，从而可效控制收缩和翘曲。比如，当流动距离过长，壁厚较小时，可以适当增加浇口数量来平衡填充，降低翘曲变形。

在模具结构中合理的设计冷却系统可以获得均匀的冷却时间，使塑件冷却均匀，从而减小翘曲变形。优化冷却系统的方法有：减小冷却管道之间的间距、采用喷泉式或倒“U”形水路、采用随形冷却等。

针对由于顶出时受力不均造成的翘曲变形，通常使用横截面积大的顶杆或者使用顶块、顶板，也可以适当延长冷却时间、降低顶出温度，使塑件顶出时有足够的刚度等方法来降低或避免翘曲变形的产生。

最近相关学者/工程技术人员提出了反变形设计方法来对策翘曲变形。反变形设计就是针对塑件的翘曲变形，在模具结构上以相反的变形设计成型部件，从而成型出没有翘曲的塑件。

3.4 成型参数

通过优化成型工艺参数来降低翘曲，此方法成本比较低，方便可行，应用比较广泛。

成型过程中，出现翘曲变形后，首先调整保压压力大小，通过调整保压压力来改善熔体的结晶和取向，从而对策翘曲变形。次之调整熔体的温度大小，因为熔体温度的高低决定了熔体的流动性，对分子取向和结晶有重要影响，从而也可以有效地改善塑件的翘曲变形。再次之可以增加保压时间，对改善翘曲也有很大的作用。

3.5 后处理

整形处理、退火、调湿等后处理方法也经常用来对策塑件的翘曲变形。

整形处理就是使塑件在根据塑件几何形状特制的治具中强制定型。退火就是使塑件加热到一定温度后再缓慢冷却至室温，这样可加速聚合物二次结晶和后结晶的过程，消除产品内应力，防止翘曲变形[11]。调湿就是将刚脱模的产品放入沸水或醋酸钾溶液中，在隔绝空气防止氧化的条件下，加速吸湿，从而消除内应力，稳定尺寸，减少翘曲。

4 结论

前面所述的对策方法都是在塑件出现翘曲变形后采取的减小或消除翘曲的因对措施，但随着CAE技术的发展，在塑件设计、模具设计制造、实际成型之前，可以运用CAE软件对产品、模具和成型工艺进行模拟分析，发现可能导致塑件翘曲的因素，从而及时的对产品、模具和成型工艺进行优化，减少成型不良的发生，提高产品的质量，缩短产品开发周期。

[1]李金良，龙玲．注塑制品的翘曲变形分析[J]．CAD/CAM与制造业信息化，2003，（7）：43-44

[2]杨虹．模具结构对典型注塑件翘曲的影响及优化方法[D]．上海：上海交通大学，2008

[3]郭志英．注塑制品翘曲变形数值模拟及实验研究[D]．武汉：华中科技大学，2001

[4]高月华，王希诚．注塑制品的翘曲优化设计进展[J]．中国塑料，2006，20（11）: 8-13

[5]K．B．Spatola.MINDELB, A New Generation of Warp-Free Thermoplastic Alloys Electrical/Electronic[J]．Applications Engineering Plastics,1985,13(1)：143-148

[6]Jou, Rong-Yuan.Injection molding measurement and analysis of a plastic part with changes in thickness dimensions and material types[C]．Materials Science Forum，2006，505-507（PART 1）：175-180

[7]温开财，辛勇，钟为民．基于壁厚与翘曲关系的厚壁塑件成型工艺研究[J]．塑料工业，2012，40（2）：49-51

[8]刘东雷，辛勇．RHCM成型高光制品的结构设计技术[J]．高分子材料科学与工程，2009，25（8）：162-166

[9]孙红明．Moldflow在改善手机电池盖变形上的应用[J]．模具制造，2009，6:15-16

[10]董金虎．基于CAE的壁厚不均匀注塑件的结构修正[J]．中国塑料，2010，24：75-77

[11]李万兴．塑料制品翘曲变形及避免措施[J]．工程塑料应用，1989，（1）：27-28