注塑件内应力形成机理及消除方法探讨

范联甫

摘 要：介绍了注塑件内应力的形成机理，分析了影响内应力的各种因素，从注塑工艺参数设定、塑料材料选型及模具结构设计等方面给出了消除内应力或减轻内应力的措施。

关键词：注塑成型；内应力；影响因素；消除方法

中图分类号：TB33 文献标志码：A 文章编号：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

目前塑料制品在社会生活的各个领域中所占的比重越来越大，使用量已经远超钢铁等材料，被广泛应用于电子、包装、化工等领域，在需求的驱动下，塑料制品的加工工艺技术等也得到了迅速发展，使其在国家的社会经济建设中发挥着越来越重要的作用。与此同时如何进一步提高注塑件的质量也显得尤为重要，正如大家所知，注塑件由于应力的存在会严重影响其品质，为此有必要对内应力的产生机理、影响因素及改善方法加以分析。

2 内应力的分类及形成机理

2.1 内应力的分类

注塑件内应力是塑料经熔融后在注塑加工过程中由于受所选用塑料材料本身特性和注塑工艺参数（模具温度、注塑压力、注塑温度、保压时间等）等多种原因影响而产生。内应力在塑料制品中都会有不同程度的存在，严重时会使零件出现翘曲变形甚至直接断裂。注塑件最常见的主要内应力有三种基本类型：第一种：注塑过程中熔体在注塑压力作用下使分子链沿注塑流动方向定向排列后被冻结而产生取向应力。第二种：在注塑完成后冷却时，由于模具各部分的冷却温度不一致导致制品产生冷却应力。第三种：注塑件在成型后由于模具的顶出机构设计不均匀造成顶出零件时出现变形、泛白等现象而产生的内应力。

2.2 内应力的形成机理

注塑件内应力的产生是由很多种原因所造成，比如在加工过程中流动的内、外层熔体之间产生的剪切作用、加工过程中造成的各部位不均匀一致的冷却速度和加工过程中造成的塑化和制品脱模受力不均匀等都会引起内应力的产生。主要有以下几种原因：

（1）注塑过程中，熔体在沿流道或型腔流动时外层流体首先遇到温度较低的模具腔壁而迅速冷却从而导致熔体外层的粘度高于内层，这样使内层的流动速度比外层快而在内外层形成剪切应力，因此取向就在沿注塑流动方向上形成（如图1、2），这种状态被冻结后在内部形成了取向应力。

（2）塑料制品形状及壁厚原因，尤其是厚壁制品在冷却过程中，由于表面的冷却快而先收缩，从而表面的收缩被内部限制以使内部处在受压的状态，但表面处于受拉的状态，这种冷却内应力从表面到内部越来越大且呈抛物线变化。另外，塑料制品形状和切面的变化使注塑过程中熔料在尖角处的流态发生急剧变化而产生很大的应力。

（3）塑料制品中如果有金属镶件也会造成塑胶中有应力产生，主要为两种材质的热膨胀系数不一致所致。

3 影响注塑件内应力的因素

注塑过程中完全消除内应力几乎不可能，但可以通过分析其影响因素、采取有效措施将可以最大限度的降低内应力的产生，从而把内应力对制品的性能影响程度降到最低。

3.1 工艺参数对内应力的影响

在塑料制品的成型过程中，塑料制品的冷却均匀充分及脱模时塑料制品受到的脱模力均匀一致都能有效的降低塑料制品的成型应力，但在制品成型过程中的注塑工艺参数对产品应力影响也很大，主要有以下幾种：

3.1.1 注塑机料筒温度

注塑工程中采用较高的料筒温度，有利于降低塑料的流动粘度，减小塑料制品中的取向应力。反之当低温度充模时会导致粘度升高从而增加形成取向应力的概率，导致成型冷却后的制品内部会积累较多的残余内应力。但是当料筒温度过高或过低时都不利于应力的降低，因为过高温度时会使零件造成不均匀冷却以使其在从模具中被顶出系统顶出时变形而造成脱模应力的增大。

3.1.2 模具温度

在注塑过程中结合所采用的材料特性确定模具采用合适的温度有利于减小制品的应力，成型过程中如果模具采用的模温或过高、或过低都增大了应力的形成。模温较低会使在冲模过程中熔体遇到较低模温而使熔体产生冷却产生不均匀收缩而形成冷却内应力，同时，模温过低时，熔体粘度增加从而形成明显的取向应力。模温适当提高对塑料晶粒的堆砌和降低晶体内部的缺陷从而减少其内应力有利。

3.1.3 注射压力和保压压力

注塑过程中的注射压力过高时会使熔体在充模过程中受到的剪切作用增加从而使其产生取向应力的几率也增大；因此，注塑时适当降低注射压力可以对降低取向应力和消除脱模应力起到一定作用。注塑过程中保压压力的大小对制品内应力的影响也很大，在保压过程中伴随着时间的推移、温度的降低使熔体粘度增加，此时若增加高压会形成很大的取向应力。

3.1.4 注射时间和保压时间

注塑过程中过快的注射速度或过慢的注射速度都会使制品应力增加，当过快时容易引起很大的取向应力，过慢时塑料熔体进入模腔后会很快冷却而形成熔化痕，此时会产生应力集中而使制品开裂。因此注塑时可以结合制品情况进行采用不同的注塑速度，减小形成应力的风险。

3.2 塑胶制品的设计

在设计塑胶制品结构时就结合具体外观充分考虑成型工艺性进行优化结构设计对后续减小产品应力有很大作用，在设计结构过程尽量使制品的壁厚均匀以利于材料流动，尽量在壁厚突变部分尽量采用逐步过渡的方式来完成，在零件转角部分尽量采用圆弧转角（如图3、图4）。另外塑料制品中需要嵌件时，嵌件材料的选用、嵌件外形的设计及嵌件周围的制品结构设计等都与最终应力的形成有很大关系。

3.3 模具的设计

塑料制品应力的形成与模具设计的实现方式也有很大关系，结合具体塑料制品形状进行合理的浇口尺寸设计以利于成型过程中的补料，降低注塑时间，使制品在合理的时间、压力范围内得到成型以减少应力形成；结合具体塑料制品形状进行合理的浇口位置选择也可以减小塑料制品应力形成，比如将浇口选择在壁厚较厚的地方就有利于降低零件的取向应力；另外，在设计模具时对流道尺寸、冷却系统及顶出系统进行综合充分考虑都能有效的降低后续在零件成型过程中的应力形成。

3.4 注塑材料的选择

在满足制品使用要求的前提下进行合理的材料选择也有利于制品成型后内应力的减小或消除，比如选用纯度较高材料，或者在原有材料中增加有利于降低应力的材料、或者对材料进行改性处理等都可以达到降低制品内应力的目的。

4 注塑件内应力的消除

塑料制品在注塑成型或机械加工后立即对其进行热处理将有效降低加工过程中形成的内应力，从而使制品内部的应力得到释放，使不平衡构象重新恢复到平衡构象。注塑件如果选用的材料分子链的刚性很大且玻璃化温度很高、或注塑件的壁厚较厚且又带有金属嵌件、或注塑件的使用环境温度范围较大且尺寸精度要求又较高、或注塑件不能自消除内应力且其外形又较大以及注塑后经过机械加工的注塑件都需进行热处理。一般注塑件的热处理温度稍低于制品热变形温度5～10℃左右或高于制品使用温度15～20℃左右；制品热处理时间由于受制品材料种类、壁厚、注塑时的工艺等因素影响，一般情况下需要2小时左右，但如果是壁厚较厚的制品，则热处理时间需要长一些。

通常制品热处理是将其放入液体（如：水、甘油、乙二醇等）中或放入烘箱中加熱到一定温度并恒温一定时间后再缓慢冷却到室温。一般情况下应将制品在脱模后立即进行热处理，这样对改善内部内应力和其性能的效果更为显著；此外，对脱模后制品进行适当保温处理或在成型过程中通过改变注塑工艺（提高模具温度、延长冷却时间等）都有类似热处理的作用。

通过热处理要想完全消除制品的内应力是不可能的，该方法只是作了有效降低处理，因此不应将其作为消除或降低应力的唯一措施，因为有些材料在热处理时间稍长后会使材料本身的分子链发生改变从而对制品的机械性能产生负面影响。因此在采用降低制品内应力方法时要从注塑工艺、材料选用、制品外形等方面进行综合考虑。

5 结束语

总之，结合本文讨论的对制品产生内应力影响的相关因素，需要通过对制品从外形结构设计到材料选择以及到模具设计、注塑工艺等方方面面进行综合分析并结合给出的优化措施可以使成型制品的性能得到优化并能完全满足使用要求。

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