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影响内应力的因素
作者:4000822881    发布于:2016-11-21 10:55:32    文字:【】【】【

        塑料制品除了使用上要求采用尖角外,各表面相交处应尽可能采用圆弧过渡。由于制品形状和截面的变化,使注塑过程中熔料在尖角处的流态发生急剧变化而产生大的应力,而且残留在尖角处。在有载荷或受冲击振动时会发生破裂,甚至在脱模过程中即由于模塑内应力而开裂,特别是制品的内圆角。一般,即使采用R为0.5mm的圆角就能使塑件强度大为增加。一般情况下,理想的内圆角半径应有壁厚的1/4以上。外圆角半径可取壁厚的1.5倍。
采用圆弧过渡既可以减少应力集中,还可大大改善塑料的充模特性,避免在转角处产生冲击形成波纹或充不满模腔。
塑件设计成圆角,使模具型腔对应部位也呈圆角,这样增加了模具的坚固性,塑件的外圆角对应着型腔的内圆角,它使模具在淬火或使用时不至于因应力集中而开裂,提高了模具的使用寿命。但是在塑件的某些部位如分型面、型芯与型腔配合处等不便做成圆角而只能采用尖角。
除相交表面的尖角外,尖锐的螺纹牙也是严重的应力集中源,采用倒圆角的螺纹可减少应力集中,提高螺纹强度。
1、制品壁厚
制品壁厚是结构设计时所需要考虑的重要因素。不合理的壁厚会给制品带来很多缺陷。增加壁厚既可改善树脂的充模特性,又可降低取向应力,减少变形,提高制品强度。但同时收缩加大,保压和冷却时间加长,生产效率降低,消耗材料多。较大的收缩应力还将造成制品表面产生凹陷或内部出现缩孔与气泡,既影响外观又降低了强度。增加壁厚的同时也增加了制品的表面积,表面积与体积之比越大,表面冷却越快,取向应力和体积温度应力都随之增大。如果制品壁太薄,会降低强度,脱模时易破裂,还有碍于树脂的充模流动,造成填充不足或出现明显的熔合纹,严重影响制品质量。每种塑料根据充模能力都有一个最小壁厚。确定壁厚时在满足强度要求的前提下,壁厚尽量取薄些,可节省材料,减轻制品重量,降低成本,但不能小于最小壁厚。ABS常用的标准壁厚为1.2~3.5mm。壁厚设计还应注意均匀一致,否则将会由于收缩应力引起制品的翘曲变形。同一制品中,若必须存在壁厚相差较大的情况时,连接处应逐渐过渡,避免截面的突变。
2、金属嵌件
由于金属嵌件冷却时尺寸变化与塑料的热收缩值相差很大,使嵌件周围产生很大的内应力,而造成塑件的开裂。对某些高刚性的工程塑料更甚,如聚碳酸酯;但对于弹性和冷流动性大的塑料则应力值较低。当有金属嵌件存在时,应尽量避免制件开裂:
(1) 如能选用与塑料线膨胀系数相近的金属作嵌件,内应力值可以降低;
(2) 嵌件周围的塑料应有足够的厚度,否则会由于存在收缩应力而开裂;
(3) 嵌件的顶部也应有足够厚的塑料层,否则嵌件顶部塑件表面会出现鼓包或裂纹;
(4) 嵌件不应带尖角、锐边,以减少应力集中;
(5) 热塑性塑料注射成型时,将金属嵌件预热到接近物料温度,可减少由于金属与塑料热膨胀系数不同而产生的收缩应力;
(6) 对于内应力难以自消的塑料,可先在嵌件周围被覆一层高分子弹性体或在成型后进行退火处理来降低内应力;
(7) 在塑件成型后再装配或压入嵌件,可调节因嵌入嵌件而造成的内应力值,使制件不致破裂。
3、注塑机选用
注射机选用不当,也会产生内应力。那种认为大容量注射机注射小模具中的制品会减少内应力的说法不正确。有时会因为压力过高、喷嘴结构不合适或混料造成较大的内应力。
4、模具设计
模具浇注系统和顶出机构设计不当都会使制件产生内应力。
5、浇注系统
模具浇注系统设计不合理如浇口大小不合适、浇道太窄、主流动太长、浇口位置不合理都会造成内应力:
(1) 浇口尺寸太大,补料时间就会延长,会增大大分子的冻结取向和冻结应变,造成很大的补料内应力,特别在浇口附近内应力更大。小浇口的适时封闭,能适当地控制补料时间。但浇口尺寸也不宜太小,过小的浇口会造成太大的流动阻力,产生取向应力。
(2) 主流道太长、流道太窄、流道的急剧转折都会使流动阻力加大,延长进料时间或需增大注射压力和保压压力,会使制品产生更高的取向应力。
(3) 浇口位置的选取除考虑制品外观和熔接缝外,还应尽量减少在流动方向上由于充模和补料而造成的定向作用。
6、顶出机构
顶出机构设计不当,使脱模力不均衡或型芯表面在脱模过程中形成真空或施加过大的脱模力,都会造成塑件产生强迫高弹形变形成内应力,甚至龟裂,严重时发生开裂。龟裂和开裂看上去相似,本质上有区别。龟裂不是空隙状的缺陷,是高分子本身同所加应力成平行方向排列,经过加热又能恢复到无龟裂的状态,所以能用热处理方法解决。注塑成型后立即热处理效果较好。防止顶出产生内应力需改善脱模条件,如仔细磨光型芯侧面;增加脱模斜度;平衡顶出力;顶杆应布置在脱模阻力最大的部位如型芯凸台附近及能承受较大顶出力的部位,如加强筋、凸缘、塑件端面等部位。
7、机械加工
注塑制品除为切除大浇口冷凝料而进行机械加工外,当制件尺寸精度和形位公差要求很高而无法通过模具设计与调整工艺条件得到保证,或零件上有难以一次成型出的形状(如小而深的孔或螺纹等)时,成型之后就需要进行机械加工。常用的机械加工工艺有车、铣、刨、钻、锯、铰孔和拱螺纹等。但机械加工会使塑件内部产生内应力,因此加工时应用专用刀具、宜采用较低的切削速度、小切削量和低速度,还应保证充分冷却。对于易产生内应力的制品应进行多次热处理。
8、注塑成型工艺条件
注塑制品由于成型工艺特点不可避免的存在内应力,但工艺条件控制得当就会使塑件内应力降低到最小程度,能够保证制件的正常使用。相反,如果工艺控制不当,制件就会存在很大的内应力,不仅使制件强度下降,而且在储存和使用过程中出现翘曲变形甚至开裂。需要控制的工艺条件如嵌件预热、模具温度、加工温度、注射速度、注射压力、保压压力、注射时间、保压时间、冷却时间等。温度、压力、时间是塑料成型工艺的主要因素。
9、金属嵌件预热
注射成型时,应将金属嵌件预热到接近物料温度,预热嵌件的目的是减少金属与塑料冷却时收缩值的差距,从而降低由于二者热膨胀系数的不同而在嵌件周围产生的收缩应力。收缩应力是注塑制品内容易形成的内应力的一种,这种内应力的存在,是带金属嵌件的注塑制品出现裂纹和强度下降的重要原因。
10、模具温度
提高模具温度,可以降低因内外收缩不均而产生的体积温度应力和高分子取向应力,也可以降低结晶塑料制品的结晶应力。但模温也不能过高,模温升高使冷却时间延长,降低了生产效率。
11、加工温度
提高加工温度可降低取向应力,但同时会使因收缩不均而产生的体积温度应力增加,同时也使封口压力升高,延长冷却时间才能顺利脱模。
12、注射压力、注射速度和注射时间
增大注射压力使取向应力和结晶塑料的结晶应力增加,同时使封口压力增大,必须延长冷却时间才能顺利脱模,否则会造成脱模应力;注射速度增加也会使取向应力和结晶应力增加,但对冷凝快的塑料还是用高的注射速度充模较为有利,因为冷凝快的塑料慢速注射需要更高的注射压力来维持熔体的流动;注射时间不宜太长,模腔充满以后就相当于在注射压力下保压了,也会使制件的取向应力增加。
13、保压压力和保压时间
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。
14、冷却时间
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。

来源:金鑫注塑机螺杆(http://www.sz-jx.cn)

脚注信息
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