范宏军 缪永华

摘 要：对塑料制品在注射成型过程中常见缺陷的产生进行了分析，阐述了影响塑件注射成型质量的几种主要因素。从成型工艺控制、模具及塑件结构设计等角度，探讨了各方面条件对成型缺陷的影响程度，提出了防止质量缺陷产生，获得优良注塑件的措施。分析了强度设计、应力变形分析、熔接痕的研究。

关键词：注塑成型;缺陷;强度设计;应力分析;熔接痕

1 引言

塑料制品广泛用于家用电器、玩具和汽车等各个领域，其生产以注射成型为主。塑料以其质量轻、设计空间大、制造成本低、性能优异的显著特点， 成为了二十一世纪汽车、电子、家电等工业领域最好材料的选择之一。尤其是工程塑料， 以其较高的拉伸强度、弯曲弹性模量、耐热性，在有承载要求的结构件中应用日益广泛。为达到预期使用寿命， 工程师采用传统的思路——安全系数来设计产品。但注塑件设计的失败通常发生在设计者不明白不同载荷条件下的安全系数与塑料的行为（呈现与时间、温度相关的黏塑性）的关系， 以及注塑加工过程对设计强度的影响， 从而导致注塑件断裂、变形的各种失效。但在成型过程中，由于受材料、模具、成型设备等多种因素的影响，制品的质量经常会出现各种各样的缺陷。理解质量缺陷形成的过程和原因，掌握消除制品缺陷的方法对实际生产具有非常重要的作用。现列举几种常见的缺陷作以扼要分析论述。

2 常见塑件缺陷及预防措施

2.1 飞边

现象：当塑料熔料被迫从分型面挤压出模具型腔而产生薄片时便形成了飞边，又称溢边、披锋、毛刺等

主要原因及解决方法：

（1）模具缺陷：这是产生溢料飞边的主要原因，必须认真检查模具分型面是否贴合，是否有缝隙或损伤，特别是在大型成型品的情况下，模具可能都会发生变形，此时，有无支柱对飞边也有影响。如果没有支柱，变形缝隙就会增大，飞边也会增多。

（2）合模力不足。应检查合模力设定值，加大合模力，或考虑减少型腔数及改用合模吨位大的注塑机。

（3）熔料过热。应适当降低料筒温度、喷嘴及模具温度，加快树脂固化，这样飞边就不容易出现。同时，应选用流动性稍低的原料，否则树脂流动性越好，树脂就越容易进入缝隙，因此飞边也就越大。

（4）工艺条件控制不当。必须做到①延缓注射速度;②降低注射压力。

2.2 熔接痕

现象：由于来自不同方向的熔融树脂前端部分被冷却、在结合处未能完全融合，一般情况下主要影响制品的外观，严重时对制品强度产生影响。

主要原因及解决方法：

（1）注射压力太小或注射速度慢。必须提高注射速率，增加注射压力，使熔料在高压下快速充模，以达到良好的自然熔合。

（2）料温或模温太低。低温熔料的分流汇合性能较差，容易形成熔接痕。对此，应适当提高料筒、喷嘴及模具的温度，或者延长注射周期，促使料温上升。

（3）制品形状不良。塑件结构如果设计不合理，壁厚薄不均匀，使熔料在薄壁处汇合。所以在设计塑件形体结构时，应确保塑件的最薄部位必须大于成型时允许的最小壁厚。此外，应尽量减少嵌件的使用且壁厚尽可能趋于一致。

（4）模具排气不良。检查冷却系统和排气孔情况。如果模具排气不良，需在可能产生熔接线位置开设排气槽或增加排气孔，使型腔内残留空气和挥发成份排出顺畅。从而提高其熔结效果。

2.3 翘曲和变形

现象：制品翘曲变形是指注塑件的形状偏离了模具型腔的形状，这是注塑件常见的缺陷之一。

主要原因及解决方法：

（1）由成型条件引起残留应力造成变形。可通过降低注射压力、提高模具温度并使模具温度均匀以及提高树脂温度来解决。当然这也可能和产品本身的结构设计、模具结构设计、进胶口的位置选择有关。

（2）冷却不当。对于模具冷却系统的设计，应尽可能在贴近温度容易升高、热量比较集中的部位设置冷却回路。

（3）注塑件壁厚不均造成收缩不一致。因冷却速度不同和产生紊流而造成尺寸不稳定及制品变形;薄壁部分的熔体冷却迅速，粘度提高，引起翘曲。设计塑件结构时，在可能的条件下应尽量使壁厚均匀一致，加强筋也需要布置均匀。

2.4 裂纹

现象：成型制品表面开裂形成裂缝叫做裂纹，是塑料制品较常见的一种缺陷，其主要成因是塑件结构设计不良和应力变形所致。这里的应力主要包括残留应力和外部应力。

主要原因及解决方法：

（1）制品设计不合理。塑件结构中的尖角及缺口处通常会导致部件有缺陷及应力集中，导致塑件表面产生裂纹及破裂，因此塑件的转角都应尽可能采用最大半径做成圆弧。这样不但可减低应力集中的因素，而且可以使塑料流动得更顺畅和成品脱模时更容易。

（2）充填过剩，残留应力太高引起的龟裂，可从以下几个方面进行消除：

①如果龟裂最主要产生在直浇口附近，那么依据直浇口压力损失最小的特点，可考虑改用多个针形点浇口、侧浇口及柄形浇口等方式。

②因为注射压力与残余应力是正比例关系，所以也可以通过降低注射压力，以减小残余应力。这是一种最简便的方法。

③一般情况下，模温较低时容易产生应力，故可适当提高模具温度。

④注射和保压时间过长也会产生应力。应将其适当缩短，或进行多次保压切换效果较好。

（3）外力导致应力集中。如果模具型腔脱模斜度不够，塑件表面也会出现擦伤形成褶皱花纹。出现这类缺陷后，应认真检查和校调顶出装置，使顶针顺利顶出制品而不发生冲撞。顶杆应设置在脱模阻力最大部位，如台、加强筋等处。

3 注塑件的强度设计

3.1 注塑件的强度设计

安全系数是衡量产品能达到预期使用寿命的能力， 它给出了零件在任意操作条件下都不会失效的保证。与金属零件不同， 对于塑料注塑件而言， 其安全系数的设計不仅仅要考虑材料本身的性能， 还应该能补偿零件从加工到成型整个过程的缺陷， 以及后续使用过程的波动。注塑件的安全系数分为材料性能安全系数、设计安全系数、加工过程安全系数以及操作条件安全系数。

3.2 注塑件的强度预测

塑料件的强度不仅依赖于材料本身， 也与零件几何形状、施加在零件上的载荷特点、注塑成型缺陷等有关。制造商对最终出货产品的检验验证， 包括耐久性验证、承载能力、高温高湿测试等， 非常重视。但这些性能若等到试模样品才能进行， 则风险高得多。因此， 需要对注塑件的强度及其加工过程进行预测，而传统的解析计算方法对复杂零件几乎难于应用。通用数值模拟软件如Ansys、Marc等， 能够利用零件的3维CAD模型， 虚拟施加预期应用场合的载荷或其他条件后， 预测出零件的动态或静态强度， 更为准确地计算零件的设计安全系数， 以优化零件设计。注塑件的专用模流分析Moldflow、HSCAE及Moldex等软件， 能够预测塑料在注塑模具内的充填、冷却情况和由此带来的成型缺陷， 包括：熔接痕、气泡、应力集中， 更为准确地预测注塑缺陷所带来的安全系数损失， 以优化模具设计及工艺设定， 从而减少零件差错， 降低生产成本。

4 注塑件的应力变形分析及解决对策

4.1 注塑工艺对制品应力变形的影响

塑料在塑化阶段即由玻璃态的料粒转化为粘流态， 提供充模所需的熔體。在此过程中熔体在轴向、径向（相对螺杆而言）的温度差会使制品产生应力;另外， 注塑机的注塑压力、注射速率等参数也会极大地影响充填时塑料分子的取向程度， 进而引起应力不平衡而导致制品变形。熔融态的塑料在注塑压力的作用下充入模具型腔并在型腔内冷却、凝固的过程是注射成型的关键环节。在这个过程中温度、压力、速度三者的相互耦合作用对注塑件的质量和生产效率均有极大的影响。较高的压力和流速会产生高剪切速率， 从而引起平行于流动方向和垂直于流动方向的塑料分子取向有所差异， 同时产生“冻结效应”。这种“冻结效应”将产生冻结应力而形成注塑件的内应力。温度对注塑件变形的影响体现在3 个方面：（1）注塑件上、下表面温度差会引起热应力而产生热变形;（2）注塑件不同区域之间的温度差将引起不同区域间的不均匀收缩而产生应力变形;（3）不同的温度状态会影响注塑件的收缩率而产生变形。

另一方面， 注塑件在脱离型腔并冷却至室温的过程中多处于聚合物的玻璃态会对各种应力进行放大而产生变形。脱模力不平衡， 推出机构运动不平稳， 或脱模顶出面积不当等均易使制品变形。同时在充模阶段和冷却阶段塑料分子产生的“冻结”会使注塑件脱模后的内应力因失去外界的约束而以变形的形式释放出来， 导致制品翘曲。

消除制品应力变形缺陷， 首先在模具设计阶段就必须考虑到填充过程中收缩的影响， 特别是收缩不均衡的影响。熔融的塑料在注射充模阶段由于其分子沿流动方向取向而使得熔料在流动方向的收缩率比垂直方向的收缩率大， 使注塑件产生收缩应力而发生变形。所以模具设计时需根据料流的方向制定不同的收缩率。结晶性塑料在流动方向与垂直方向的收缩率之差较非结晶性塑料大， 而且其收缩率也较非结晶性塑料大。结晶性塑料的较大的收缩率与其收缩的异向性叠加后导致注塑件变形的倾向较非结晶性塑料大得多。所以在设计注塑件和计算模具的成型尺寸时， 必须优先考虑到收缩引起应力不均衡的因素， 收缩率的选取应根据注塑件原料的性质、制品形状不同进胶口位置、料流方向等因素而给出合适的数值。在注射成型过程中， 残余热应力是引起制品翘曲变形的另一个重要因素， 对注塑制品的质量具有较大的影响。由于残余热应力对制品翘曲变形的影响非常复杂， 模具设计者可以借助于注塑CAE 软件进行分析和预测。从而在模具结构设计中加以修正， 从而平衡内应力， 避免制品翘曲变形缺陷的发生。

4. 2 浇注系统的设计

注塑模具浇口的位置、形式和浇口的数量将影响塑料熔体在模具型腔内的填充状态， 从而导致注塑件由于内应力不平衡而产生变形。流动距离越长， 由冻结层与中心流动层之间流动和补缩引起的内应力越大;反之， 流动距离越短， 从浇口到制件流动末端的流动时间越短， 充模时冻结层厚度减薄， 内应力越小， 翘曲变形也会大为减少。采用点浇口进行成型时， 由于塑料收缩的异向性， 浇口的位置、数量都对注塑件的变形程度有很大的影响。但是由于采用多点进浇的点浇口， 且点浇口开设在分型面上， 容易调整尺寸， 方便排气， 从而可减小因原料成型时挥发出的气体而造成的内应力，且进胶口的位置需要根据产品的结构，预测料流方向等因素进行选择，尽可能使流道长度相当，当然要特别考虑薄壁位置。

4.3 冷却系统的设计

在注射过程中注塑件冷却速度的不均匀也将造成收缩的不均匀， 这种收缩差别导致弯曲力矩产生内应力而使注塑件产生翘曲。在注射成型平板形注塑制品时， 如果所用的模具型腔、型芯的温度相差过大， 贴近冷型腔面的熔体很快得到冷却， 而贴近热型腔面的熔体则会继续收缩， 收缩的不均匀产生的内应力将使注塑件翘曲变形。因此注塑模的冷却系统应当控制型腔、型芯的温度趋于平衡， 两者的温差不能太大。模具中冷却水孔的布置至关重要， 在管壁至型腔表面的距离确定之后应尽可能使冷却水孔之间的距离短些， 以保证型腔壁的温度均匀一致。同时由于冷却介质的温度随冷却水道长度的增加而上升， 使模具的型腔、型芯沿水道产生温度差， 因此要求每个冷却回路的水道长度小于2 m。在大型模具中应设置数条冷却回路， 一条回路的进口位于另一条回路的出口附近。

4. 4 顶出系统的设计

模具顶出系统的设计也直接影响注塑件的变形。如果顶出系统布置不平衡， 将造成顶出力的不平衡而产生内应力， 使注塑件变形。因此在设计模具顶出系统时应根据产品的结构力求与脱模阻力相平衡。另外， 顶出杆的截面积不能太小， 以防注塑件单位面积受力过大（尤其在脱模温度太高时）而产生变形。顶杆的布置应尽量靠近脱模阻力大的部位， 在不影响注塑件质量（包括使用要求、尺寸精度与外观等）的前提下， 应尽可能多设置顶杆以减少注塑件的总体变形。

5  结束语

上述对影响塑件成型质量因素的分析，为我们找出各种常见塑件缺陷的原因及制定改进措施提供了可靠依据。注塑件的缺陷种类有很多，上面仅列举了最常见的几种，并讨论了处理方法。在实际注塑加工生产中，经常会同时出现多种质量缺陷，这时就要根据实际情况灵活选择多种相应的解决方法。同时，针对注塑件可能存在的缺陷，在设计阶段需要遵循模具设计和制品结构设计的相关规范和原则，不仅可缩短消除制品缺陷的时间，而且可减小产品不良率，有利于提高经济效益。

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[2]成都科技大学. 塑料成型工艺学. 北京：轻工业出版社， 1993.

作者简介：

范宏军（1980.11.29），性别：男，民族：汉，籍贯（精确到市）：江苏省江都市，当前职务：部门经理，当前职称：助理工程师，学历：大专，研究方向：锂电池PACK设计.