塑料件翘曲变形分析

塑料件的翘曲变形是塑料件常见的成型质量缺陷。

塑料件的翘曲变形主要是因为塑料件受到了较大的应力作用，主要分为外部应力和内部应力，当大分子间的作用力和相互缠结力承受不住这种应力作用时，塑料件就会发生翘曲变形。

1、外部应力导致的翘曲变形

此类翘曲变形主要为制件顶出变形，产生的原因为模具顶出机构设计不合理或成型工艺条件不合理。

1.1、模具顶出机构设计不合理

顶出机构设计不合理，顶出设计不平衡，或顶杆截面积过小，都有可能使塑料件局部受力过大，承受不住应力作用发生塑性形变而导致翘曲变形。

防止顶出变形需改善脱模条件：如平衡顶出力；仔细磨光新型侧面；增大脱模角度；顶杆布置在脱模阻力较大的地方，如加强筋，Boss柱等处。

1.2、成型工艺参数设置不合理

冷却时间不足，凝固层厚度不够，塑料件强度不足，脱模时容易导致产品翘曲变形。 可以延长冷却时间，增加凝固层厚度来解决。

2、内部应力导致的翘曲变形

2.1、塑料内应力产生的机理

塑料内应力是指在塑料熔融加工过程中由于受到大分子链的取向和冷却收缩等因素而产生的一种内在应力。内应力的本质为大分子链在熔融加工过程中形成的不平衡构象，这种不平衡构象在冷却固化时不能立刻恢复到与环境条件相适应的平衡构象，这种不平衡构象实质为一种可逆的高弹形变，而冻结的高弹形变以位能情势储存在塑料制品中，在合适的条件下，这种被迫的不稳定的构象将向自在的稳定的构象转化，位能改变为动能而开释。当大分子间的作用力和相互缠结力承受不住这种动能时，内应力平衡即受到破坏，塑料制品就会产生翘曲变形，严重时会发生应力开裂。

2.2、塑料内应力的种类

2.2.1 取向内应力

取向内应力是塑料熔体在充模流动和保压补料过程中，大分子链沿流动方向定向排列，构象被冻结而产生的一种内应力。

取向应力受塑胶流动速率和粘度的影响。如图一所示，A 层是固化层，B层是流动高剪切层，C层是熔胶流动层。A层为充填时紧贴两侧模壁，瞬间冷却固化层。B层是充填时紧靠A层的高剪切区域所形成的，由于与A层具有最大速度差，所以形成最大剪切流动应力效果（如图二所示），塑胶充填结束时本区尚未完全凝固，因外层A固化层有绝热效果，使B层散热较慢，而C层所受剪切作用较小，若产品厚度有变化，则主要影响C层厚度，若是薄件成品则C层的厚度将会变小。

1、在充填结束瞬间 ---- 由于填充体积变少，流量固定时射速增加，加上塑胶较冷，粘度较高，因此最后填充位置的剪切应力较高。2、浇口位置 ---- 容易因射速快或保压时间长而容易产生挤压取向应力。3、壁厚急剧变化处（特别是厚壁到薄壁处）---- 会因壁薄位置剪切力强而产生挤压取向应力。4、料流充填不平衡处 ---- 会因为过度填充而造成局部挤压而产生挤压取向应力。

2.2.2 体积温度应力

体积温度应力是制件冷却时不均匀收缩引起的，制件厚度方向之冷却是由与模壁接触之成品表面开始向成品内部延伸，所以中心层是最慢冷却之位置。所以当塑胶成品成型后，开始进行冷却阶段时，在某一特定位置上分子链会受到其外部已冷却收缩之分子链牵引，所以会感受到早先冷却收缩之分子链的拉伸应力。所以严格来看在成品厚

度方向靠近表面区域，分子链是处在压缩应力状况，而内部区域是处于拉伸应力状况。

简单的说，塑料件薄的地方先冷却，厚的地方后冷却，厚薄差异大时，体积收缩率差异大，残留应力大。当残留应力克服了零件强度，就会产生翘曲，甚至开裂。

1、前后模温度差异大时—— 冷却效率所影响，冷面先收缩，但很快固化，收缩量固定，但热面缓慢收缩，分子有较长时间重排，收缩量会更大，所以产品会向热的一面弯曲。【塑胶残留应力分析】

上图2XP尾门下饰件，成型后产品朝外侧方向变形（绿色箭头），需定型夹具矫形（黄色箭头）。出模后，实测产品温度，定模侧80℃，动模侧75℃，定模温度比动模温度高很多。

上图为皮卡汽车前轮盖，发现产品如图所示方向变形。【基于Moldflow的汽车塑料件翘曲变形完美解决方案】

2、区域性收缩——塑料件不同区域之间的温度差异导致塑料件不同区域的收缩率不一致也会导致翘曲变形的产生。

2.3、影响塑料内应力产生的因素

2.3.1、塑料件制品的设计

2.3.1.1、塑料制品的形状和尺寸

在具体设计塑料件制品时，为了有效的分散内应力，应遵循以下准则：制品形状应尽可能的坚持持续性，防止锐角、直角、缺口等（容易导致在该位置应力集中，并容易形成冲击波纹，困气）。

对于壁厚相差较大的部位，因冷却速度不同，易产生冷却内应力及取向内应力。因此，应设计成壁厚尽可能匀称的制件，如必须壁厚不均，则要进行壁厚差别的渐变过渡。

2.3.1.2、合理设计金属嵌件

a．尽可能选取与塑料热膨胀系数相差小的金属材料做嵌件

b．金属嵌件进行适当的热处理

c．金属嵌件周围塑料的厚度要充分。

2.3.2、塑料模具的设计

在设计塑料模具时，浇注系统和冷却系统对塑料制品的内应力影响较大，在具体设计时应注意以下几点：

2.3.2.1、浇口尺寸

过大的浇口将须要较长的保压补料时间，在降温过程中的补料流动一定会冻结更多的取向应力，将给浇口附件造成很大的内应力【塑胶内应力分析】。

恰当缩小浇口尺寸，可缩短保压补料时间，下降浇口凝封时模内压力，从而降低取向应力。但过小的浇口将导致充模时间延伸，造成制品缺料。

2.3.2.2、浇口的位置

a．浇口应设计在制品壁厚最大时，可适当降低注塑压力、保压压力及保压时间，有利于降低取向应力。当浇口设计在薄壁部位时，宜适当增加浇口处的壁厚，以降低浇口附近的取向应力。

b．熔体在模腔内流动距离越长，产生取向应力的几率越大。为此，对应壁厚、流程长且面积较大的塑料件，应适当多分布几个浇口，能有效降低取向应力，防止翘曲变形

【专业塑件成型翘曲分析】。但浇口多容易产生熔接痕。

2.3.2.3、流道的设计

设计短而粗的流道，可减小熔体的压力丧失和温度降，相应降低注射压力和冷却速度，从而降低取向应力和冷却压力。

另流道设计应平衡，保证各浇口平衡进胶。不合理的流道设计会导致料流填充不平衡，局部位置可能过度充填，产生较大的挤压剪切应力，造成类似保压过大所造成的应力。

2.3.2.4、冷却体系设计

冷却水道的散布要均匀，使浇口附近、阔别浇口区、壁厚处、壁薄处都要得到平均且迟缓的冷却，从而降低内应力。

2.3.3注塑成型工艺条件

在塑料制品的成型过程中，凡能减小制品中聚合物分子取向的成型因素都可能降低取向应力；但凡能使制品中聚合物均匀冷却的工艺条件都能降低冷却应力；凡有助于塑料制品脱模的加工方法都有利于降低脱模内应力。对内应力影响较大的加工条件主要有如下几种：

2.3.3.1、料筒温度（料筒温度需适中，太高增加内应力，太低增加取向内应力）

较高的料筒温度有利于取向应力的降低，这是因为在较高的料筒温度，熔体融化均匀，粘度较低，流动性增加，在熔体充斥型腔过程中，分子取向作用小，因而取向应力较小。而在较低的料筒温度下，熔体粘度较高，充模过程中分子取向较多，冷却定型后残余内应力则较大。

但是料筒温度太高也不好，太高容易造成冷却不充足，脱模时易造成变形，固然取向内应力减小，但冷却应力和脱模应力反而增加。

2.3.3.2、模具温度（提高模具温度有利于减小内应力）

模具温度的高低对取向内应力和冷却内应力的影响都很大。一方面，模具温度过低，会造成冷却加快，易使冷却不均匀而引起收缩上的较大差异，从而增大冷却内应力；另一方面，模具温度过低，熔体进入模具后，温度降低加快，熔体粘度增加迅速，造成在高粘度下充模，形成取向应力的程度明显增加。

模温对塑料结晶影响很大，模温越高，越有利于晶粒堆砌严密，晶体内部的缺点减小或消除，从而减少内应力。

但模温也不能过高，模温升高，冷却时间延长，降低了生产效率。

2.3.3.3、注塑压力（减小注塑压力利于减小内应力）

注塑压力高，熔体充模过程中所受剪切作用大，产生取向应力的概率大。因而，为了降低取向应力和脱模应力，应适当降低注塑压力。

2.3.3.4、注塑速度（注塑速度适中）

注塑速度越快，越容易造成分子链的取向程度增加，从而引起更大的取向应力。但注塑速度过低，塑料熔体进入模腔后，可能先后分层而形成融化痕，产生应力集中线，易产生应力开裂。所以注塑速度以适中为宜。所以注塑速度以适中为宜。最好采用变速注塑，在速度逐步减小下停止冲模。

2.3.3.5、保压压力（减小保压压力有利于减小内应力）

保压压力对塑料制品的内应力的影响大于注塑压力的影响。在保压阶段，跟着熔体温度的降低，熔体粘度增加，此时若施以高压，必定导致分子链的逼迫取向，从而形成更大的取向应力。

2.3.3.6、保压时间（减小保压时间有利于减小内应力）

保压时间越长，会增加塑料熔体的剪切作用，从而产生更大的弹性形变，冻结更多的取向应力。所以取向内应力随保压时间延长和补料量增加而明显增大。 冷却中的熔体在外压作用下产生的总形变中，有相当大一部分是弹性的，故使熔体在高压下冷凝会在制件中产生较大的内应力和高分子取向。压实后立即降压或补料过程中分步降压有利于高分子解取向，所以降低保压压力和缩短保压时间有利于取向应力的降低；延长保压时间仅在一定范围内取向度增大，浇口封闭之后再延长保压时间对取向度的变化就不再影响。 当注射压力、保压压力、熔体温度升高，浇口尺寸较大时都会使封口压力升高，这时必须延长冷却时间才能使开模前模腔内的残余压力降到很低或接近于零，否则要将制件顺利地从模具内顶出是很困难的。若强制脱模，制件在顶出时会产生很大的应力，以至制件可能被划伤，严重时会出现破裂。但冷却时间也不宜过长，否则不但生产效率低，而且制件内部压力降到零以后进一步冷却可能在制件内部形成负压，即由于冷却收缩使制件内外层之间产生拉应力。