如何从材料、模具、注塑机和工艺方面解决注塑成型缺陷

如何从材料、模具、注塑机和工艺方面解决注塑成型缺陷？注射成型加工过程是一个涉及材料、模具、注射机、成型工艺等多方面因素的复杂加工流程。注射成型制品缺陷的出现在所难免，于是，寻求缺陷产生的内在机理以及预测制品可能产生缺陷的位置和种类，并用于指导模具设计和制订更为合理的工艺操作条件就显得尤为重要。本文对注塑成型过程中常见的成型缺陷进行了分类，包括欠注、飞边、充填不平衡、缩痕缩孔、熔接痕、波流痕、喷射痕、浇口晕、焦痕、气泡、银纹、色差、白化、龟裂、表面浮纤、翘曲变形等，并从材料、模具、注塑机和工艺方面分析了缺陷产生的原因，进而提出解决措施。1.注塑成型技术注塑成型是一种注射兼模塑的成型方法，又称注射成型。通用注塑方法是将聚合物组分的粒料或粉料放入注塑机的料筒内，经过加热、压缩、剪切、混合和输送作用，使物料进行均化和熔融，这一过程又称塑化。然后再借助于柱塞或螺杆向熔化好的聚，合物熔体施加压力，则高温熔体便通过料筒前面的喷嘴和模具的浇道系统射入预先闭合好的低温模腔中，再经过冷却定型就可开启模具，顶出制品，得到具有一定几何形状和精度的塑料制。由于注塑成型工艺适应性强，成型周期短，生产效率高，注塑成型制品已广泛的用于汽车制造、电子、医疗、日常用品等各行各业。2.注塑机及其工作过程注塑机主要由合模系统、注射系统、加热冷却系统、液压系统、润滑系统、电控系统、安全保护与监测系统组成。注塑周期主要由闭模、注射座前移、注射保压、预塑计量、冷却、开模、顶出制品等程序组成。注射成型加工过程是一个涉及材料、模具、注射机、成型工艺等多方面因素的复杂加工流程。注射成型制品缺陷的出现在所难免，于是，寻求缺陷产生的内在机理以及预测制品可能产生缺陷的位置和种类，并用于指导模具设计和制订更为合理的工艺操作条件就显得尤为重要。3.注塑成型典型缺陷一般来说，对于塑料制品性能优劣的评价主要有三个方面：第一是外观质量，包括完整性、颜色、光泽等；第二是尺寸和相对位置间的准确性，即尺寸精度和位置精度；第三是与用途相应的机械性能、化学性能、电学性能等，即功能性。因而，如果由于上述三个方面中的任何一个环节出现问题，就会导致制品缺陷的产生和扩展。依据以上三方面的评价标准，注射成型制品常见缺陷具体可分为两大类：1.外观问题类：包括欠注、飞边、充填不平衡、缩痕缩孔、熔接痕、波流痕、喷射痕、浇口晕、焦痕、气泡、银纹、色差、白化、龟裂、表面浮纤、翘曲变形等；2.性能问题类：脆化、残余应力、尺寸不稳定、超重欠重即重量重复精度差等。3.1.欠注又称短射、充填不足，是指料流末端出现部分不完整现象或一模多腔中一部分填充不满，特别是薄壁区或流动路径的末端区域。形成原因：材料：1.材料流动性不好；2.润滑剂过多或材料中有异物。模具：1.流道过小、过薄或过长；2.制品结构复杂，转折多，局部断面很薄；3.浇口位置或形式不当，数量不足；4.模具型腔排气不良；5.制品为一模多腔，充填不平衡。注塑机：1.注射机选型不当，塑化容量不足；2.进料处遭异物阻塞；3.喷嘴与主流道入口配合不良。工艺：1.注射量不足；2.熔体温度、模具温度过低；3.注射速度过慢，注射压力过低。解决措施：1.检查注射机工作是否正常，喷嘴处是否露料，堵塞；2.提高模具温度、熔体温度，温度过低会使熔体前锋在型腔尚未充满前，即已冷凝无法流动造成短射；3.提高注射压力、注射速度。注射压力和注射速度是相互关联的，调整时采取同时增大这两个参数并不合适，因为进行调整时并不确定造成短射的原因究竟是注射压力不足还是注射速度不足。正确的方法应当是先选择其中的一个参数进行调整，然后看其产生的效果，再决定下一步的操作；4.提高背压，背压的升高可以增加相对运动的熔体分子间的阻力和剪切热，有利于更好的塑化物料；5.改善模具的排气，保证计量过程中螺杆有适当的速度，而且以适宜的背压最大限度地抑制已达到可塑化物料之间的间隙与气体的流入，保证注射过程中物料填充到模具内时所产生的气体顺利的排到模具外面。3.2.飞边飞边指在模具不连续处（通常是分型面、排气孔、排气顶针、滑动机构等）过量充填造成的塑料外溢料，又称溢料、溢边、披锋等。飞边发生的情况有两种，一种是制品未充满发生飞边，一种是制品充满后发生飞边。形成原因：材料：塑料粘度过高或过低都可能出现飞边，吸水性强的塑料或对水敏感的塑料在高温下会大幅度的降低流动粘度，增加飞边的可能性。塑料粘度过高，则流动阻力增大，产生大的背压使型腔压力提高，造成锁模力不足而产生飞边。模具：1.模具分型面精度差，活动模板（如中板）变形翘曲；2.分型面上沾有异物或模板周边有凸出的毛刺；3.模具设计不合理，模具型腔的开设位置过偏，会令注射时模具单边发生张力，引起飞边；4.模具刚度不足。注塑机：1.注塑机锁模力不足；2.合模装置调节不佳，肘杆机构没有伸直，导致合模不均衡；3.模具平行度不佳，或装得不平行，或模板不平行，或拉杆受力分布不均、变形不均。工艺：1.注射压力过高或注射速度过快；2.注射量过大；3.熔体或模具温度过高；4.锁模力设定过低；5.保压压力过高，速度压力切换过迟。解决措施：1.降低注射量；2.降低熔体温度、模具温度；3.降低注射压力；4.降低注射速度；5.提高锁模力；6.改善模具的排气；7.降低保压压力和保压时间，避免过保压。制品发生飞边缺陷时，检查注射机合模机构是否工作可靠，制品未充满即发生飞边可考虑增大锁模力，制品完全充满发生大面积飞边可考虑减小注射量，降低注射压力和注射速度，制品完全充满发生小飞边可考虑减小保压压力和保压时间3.3.充填不平衡实际注塑成型常用一模多腔生产塑料制品，以提高生产效率。一模多腔常会发生充填不平衡现象，以下分别介绍多型腔充填不平衡和单型腔多浇口充填不平衡。多型腔充填不平衡根据多型腔模具的几何布局,其浇注系统分为平衡布置和非平衡布置两类。非平衡布置浇注系统需人工平衡,即在成形工艺参数一定的情况下,通过调整流道和浇口尺寸使熔体同时充满各型腔,达到充填平衡。对于平衡布置的浇注系统,熔体到各型腔的流动距离相等,即各型腔是几何对称的,如果忽略制造误差,则充填过程应是自然平衡的,即不论成形条件如何变化,各型腔均应同时充满。但实际情况并不是这样,而经常是内部靠近主流道的型腔先充满。根据多型腔模具的几何布局,其浇注系统分为平衡布置和非平衡布置两类。非平衡布置浇注系统需人工平衡,即在成形工艺参数一定的情况下,通过调整流道和浇口尺寸使熔体同时充满各型腔,达到充填平衡。对于平衡布置的浇注系统,熔体到各型腔的流动距离相等,即各型腔是几何对称的,如果忽略制造误差,则充填过程应是自然平衡的,即不论成形条件如何变化,各型腔均应同时充满。但实际情况并不是这样,而经常是内部靠近主流道的型腔先充满。注射成型中，熔体在流道中的流动为层流，每层具有不同的剪切速率、温度和粘度，流道壁面附近剪切速率最大，流道中心处剪切速率为零。在H形流道系统中，主流道中心和外层的熔体分别进入上下型腔。当注射速率较高时，主流道中外层熔体产生的剪切热大于熔体向流道壁的传热即热量损失，因而外层熔体温度高于中心处熔体的温度。这部分熔体进入下面型腔，由于温度较高，粘度较低，阻力较小，流速较快，因而较多的熔体下面型腔。当注射速率较低时，主流道中外层熔体温度低于中心处熔体的温度，因而较多的熔体进入上面型腔注射速度是导致充填不平衡的主要工艺因素，不同的制品和浇注系统，注射速度的相对高低也有不同的范围。当注射速率适当时，型腔充填可以实现平衡，或者在同一注射周期中采取从低速注射切换到高速注射的方式来改善流动平衡的影响，但往往导致充填时间过长，降低生产效率。采用CAE软件如Moldflow、Modex3D对一模多腔注射成型过程进行模拟，可以帮助用户找到合适的注射速度。实际生产中为了缩短注射周期、提高生产效率往往采用较高的注射速度填充制品，解决自然平衡多型腔注射模充填不平衡问题的根本在于改善或消除分流道中熔体温度分布在流动平面的不对称性。美国BTI公司研发的可以MeltFlipper多模穴流道平衡专利技术，即是通过在每一级分流道入口处改变熔体流动方向，使其以垂直于流动平面的方向进入下一级流道，从而使熔体温度的不对称性产生在垂直于流动平面的方向，消除流动平面的温度的不对称性，达到平衡充填的目的。型腔内充填不平衡当制品采用多个浇口时，由于浇口的布置形式也会在型腔内产生充填不平衡现象。3.4.缩痕、缩孔缩痕为制品表面的局部塌陷，又称凹痕、缩坑、沉降斑，缩孔即制品内部的空洞。形成原因：材料：收缩率过大。模具：1.制品设计不合理，制品壁厚过大或不均匀；2.浇口位置不合理；3.浇口过小；4.模具冷却不均匀。注塑机：1.止逆环、螺杆或柱塞磨损严重，注射压力无法传至型腔导致供料不足；2.注射及保压时熔料发生漏流，降低了充模压力和料量，造成供料不足。工艺：1.熔体温度过高，则壁厚处、加强筋处或突起处背面容易出现缩痕，因为容易冷却的地方先固化，物料会朝难以冷却的部分流动；因此尽量将缩痕控制在不影响制品品质的位置。如果通过降低熔体温度来减小制品的缩痕，但势必会带来注射压力的增加；2.注射时间过短或保压时间过短，浇口未固化时，保压就结束了；3.注射压力或保压压力过低；4.注射速度过快；5.塑料注射量不足且没有进行足够的补缩。解决措施：1.改换收缩率较小的原料；2.提高注塑压力、保压压力；3.提高注射速度可以较方便地使制品充满并消除大部分的收缩；4.降低熔体温度和模具温度。同一型腔压力下，通常温度越高收缩越大。保压与注塑压力越大收缩越小。同一型腔压力下，填充、保压时间越增加，收缩越小。薄壁制品应提高模具温度，保证料流顺畅；厚壁制品应减低模温以加速表皮的固化定型；5.调整注射量和速度压力切换位置；6.增大注射和保压时间，延长制品在模内冷却停留时间，保持均匀的生产周期，增加背压，螺杆前段保留一定的缓冲垫等均有利于减少收缩现象；7.调整优化保压压力曲线。由于缩痕一般发生在保压阶段，因此减小和消除缩痕最有效的办法是正确控制保压压力和保压时间，制品壁厚不均，厚壁与薄壁熔体流动阻力不同，保压过程中可能导致厚壁过保压，薄壁补缩不够，所以制品壁厚应该尽量均匀。3.5.熔接痕又称熔接线、熔接缝，熔接痕不仅使塑件的外观质量受到影响，而且使塑件的力学性能如冲击强度、拉伸强度、断裂伸长率等受到不同程度的影响。形成原因：材料：物料流动性不好，熔体前锋愈流愈慢，愈流愈冷，当熔接线形成时，熔体前锋的温度已经下降得很低了，造成结合不良，此时会产生明显的熔接痕。模具：1.浇口尺寸或位置不合理；2.排气不良或没有排气孔；3.制品壁厚过小或差异过大；4.嵌件位置不当；5.制品设计不合理，波前汇合角过小。工艺：1.料筒、喷嘴温度设定过低；2.背压设定不足；3.注射压力或注射速度过低；4.锁模力过大造成排气不良；5.模具温度过低或熔体汇合处模温过低。解决措施：材料方面：1.应在满足注射件力学性能要求的前提下,首先选用无定形韧性聚合物或半结晶性聚合物,避免选用无定形脆性聚合物,尽量选用表观粘度低、松弛时间短、分子量小的材料,或在材料中加入润滑剂以增加熔体的流动性；2.选用半结晶性聚合物时,应选用含有成核剂的塑料品级,因为含有成核剂的半结晶性聚合物结晶晶粒比不含成核剂的聚合物细致,有利于提高熔接痕的强度；3.须选用填料或增强材料时,应尽量选用比表面积和长径比较小的填料或增强剂；4.对于表面无法避免的V形槽,打磨表面可以提高拉伸强度和冲击强度。工艺方面：1.在分解温度以下合理提高熔体温度与模具温度，但提高熔体温度与模具温度会延长成型周期；2.适当提高注塑压力和保压压力；3.适当增加注射速度或缩短注射时间；4.对于有些制品，可在成型后进行适当的热处理，以消除成型过程中的残余应力，也有利于改善熔接痕的外观质量与强度。模具方面：1.合理设置浇口位置。避免流程过长导致的前锋料流温降过多，另外，要避免小浇口正对着一个大型腔，防止熔体在较高的剪切速率下产生喷射流动或蠕动，防止熔料充射到型腔对面产生向回折叠堆积，冷却后形成无规则的波纹状熔接痕；2.适当增加浇口数量。对