如何解决缩水和变形问题？
2025-07-24
塑料 注塑成型 由于聚合物密度在工艺温度降至室温时会发生变化，导致塑料件本身发生收缩。整个塑料件及其截面收缩率的差异会产生内部残余应力，其作用类似于外力。如果残余应力高于注塑成型过程中塑料件结构的强度，则塑料件脱模后会发生翘曲或因外力作用而开裂。
残余应力
残余应力是指塑料件成型过程中，由于熔融塑料的流动或热效应而产生的应力，并被固化在塑料件内部。如果残余应力高于塑料件的结构强度，则塑料件在注塑成型过程中可能发生翘曲，或在后续受力时发生断裂。
残余应力是塑料零件收缩和翘曲的主要原因。良好的成型条件和设计，例如减少填充模腔时产生的剪切应力，可以降低熔体流动引起的残余应力。同样，充足的保压和均匀冷却可以降低热效应引起的残余应力。对于添加纤维的材料，改善成型条件以获得均匀的力学性能可以降低热效应引起的残余应力。
1.熔体流动引起的残余应力
在无应力状态下，长链聚合物在高于熔点的温度下处于任意卷曲的平衡状态。在成型过程中，聚合物受到剪切和拉伸，分子链沿流动方向排列。
如果分子链在完全松弛和平衡之前就固化，则塑料部件中的分子链取向会被冻结。这种应力冻结状态称为流动诱导残余应力，它会导致沿流动方向和垂直于流动方向的力学性能不均匀和收缩。一般来说，流动诱导残余应力比热效应引起的残余应力小一个幂次。
如图 1 所示，靠近模壁的塑料零件表面高度取向，由于高剪切应力和高冷却速率的相互作用，会立即冻结。如果将塑料零件存放在高温环境中，塑料零件会释放一些应力，导致收缩和翘曲。
固化层的隔热作用使聚合物芯层保持较高温度，从而释放更多应力，导致芯层分子链取向度降低。能够降低熔体剪切应力的成型条件也能降低流动引起的残余应力，例如：
•熔点高。
•模具壁温度高。
•填充时间长（熔化速度慢）。
•降低保持压力。
•流路短。
图 1 填充和堆积阶段冻结的分子链取向导致流动引起的残余应力。
（1）表示冷却速率高、剪切应力高或取向度高；（2）表示冷却速率低、剪切应力低或取向度低。
2. 热效应引起的残余应力
热效应引起的残余应力的原因包括以下几点：
（1）塑料从设定的加工温度降至室温时会收缩。
（2）塑料凝固时，塑料部件从表面到中心层会经历不同的热力学和机械过程，例如不同的冷却时间和不同的保压。
（3）由于密度和机械性能的变化，压力、温度、分子链取向和纤维取向发生变化。
（4）模具的设计限制了塑料零件在某些方向上的收缩。
塑料在生产过程中的收缩 注塑成型 可以用自由冷却的例子来解释。如果一个温度均匀的塑料零件突然被两侧的冷模壁夹紧，在冷却初期，当塑料零件表面冷却并开始收缩时，零件内部的聚合物仍处于高温熔融状态，可以自由收缩。
然而，当塑料零件的中心温度下降时，局部热收缩受到凝固表面层的限制，从而产生典型的应力分布，即中心层为拉应力，表面层为压应力，如图 2 所示。
塑料件表面到中心冷却速率的差异会导致热残余应力。此外，如果模具两侧模壁的冷却速率不同，也会导致不对称的热残余应力。塑料件横截面上拉应力和压应力的不对称分布会产生弯矩，导致塑料件翘曲，如图3所示。
厚度不均和冷却不良的塑料零件会导致冷却不平衡，从而产生残余应力。复杂的塑料零件由于厚度不均、模具冷却不均匀以及模具对自由收缩的限制等因素引起的热效应，其残余应力分布更为复杂。
图 3 塑料零件横截面冷却不均匀，导致不对称热效应引起的残余应力，从而使塑料零件翘曲。
图4展示了压力保持过程中固化层比容的变化。左图为塑料件某截面的温度分布曲线。为便于说明，沿厚度方向将塑料件分为8层，曲线上各层的固化时间分别标记为t1~t8。
需要注意的是，塑料部件是从最外层开始凝固的，凝固时间越长，凝固层就越靠近中心层。中间的图表显示了各层凝固的典型压力变化曲线（P1~P8）。填充阶段的压力通常逐渐上升，在保压初期达到最高值，然后由于冷却和浇口凝固而逐渐下降。
因此，塑料零件的表面层和中心层在低压下凝固，而其他中间层则在高保压下凝固。右图展示了PvT图上第五层的比容变化历程，以及最终凝固时各层的比容，并用实心圆点标出。
根据各层的凝固比容，塑料零件各层的收缩行为会根据PvT曲线而有所不同。假设各层如图5所示分离，则收缩结果如图中所示。中间层2、5、6、7由于凝固比容低（或凝固密度高）而收缩较小。实际上，各层相互连接，导致收缩分布较为均衡：中间层被压缩，而外层和中心层被拉伸。
图 5 各凝固层比容的差异相互作用，导致塑性零件产生不同的残余应力和变形。
3. 工艺引起的残余应力和空腔残余应力
在注塑成型模拟中，工艺引起的残余应力比型腔内残余应力更为重要。以下将介绍这两个术语的定义，并通过实例说明它们的区别。
塑料件被顶出后，模腔对塑料件的约束被解除，塑料件可以自由收缩变形，直至达到平衡状态。
此时，塑料零件中残留的应力是工艺引起的残余应力，简称残余应力。它包括流动引起的残余应力和热效应引起的残余应力，其中热效应的影响最为显著。
当塑料件仍受模腔约束时，塑料件凝固过程中储存的内应力称为模腔残余应力。这种残余应力会导致塑料件在脱模后发生收缩和翘曲。
图 6 左上角的图显示了模腔中的残余应力（图中通常显示的是拉应力）。 模制塑料部件 在脱模之前，模具仍会限制其形状。
脱模后，模具摆脱了对塑料件的约束，塑料件会释放模腔内的残余应力，发生收缩和翘曲。图6左下角所示为脱模后塑料件收缩分布引起的热效应残余应力分布曲线。在无外力作用下，塑料件截面的拉应力等于压应力，达到平衡状态。
图 6 右下角的图显示，塑料零件的厚度受到不均匀冷却，导致残余应力不对称和翘曲。
图 6（上）模腔内残余应力分布曲线和（下）塑料零件脱模后工艺和形状引起的残余应力分布曲线。
能够确保足够保压和均匀模壁温度的条件可以降低热效应引起的残余应力。这些条件包括：
（1）适当的保压和保压时间。
（2）塑料部件的所有表面均匀冷却。
（3）塑料部件具有均匀的横截面厚度。
收缩
当 注塑成型塑料零件 当晶体和半晶体材料从加工温度冷却到室温时，体积收缩率可高达 20%。当晶体和半晶体材料冷却到玻璃化转变温度以下时，分子排列更加规则，形成晶体，这些晶体特别容易发生热收缩；
非晶态材料在相变过程中不会发生微观结构变化，其热收缩相对较小。因此，如图7所示，晶态和半晶态材料的熔融相与固相（结晶）之间的体积变化大于非晶态材料。此外，冷却速率也会影响晶态和半晶态材料的PvT行为。
图 7 非晶态和晶态聚合物的 PvT 曲线。
从过程状态（A 点）到正常压力和室温状态的变化会引起比容变化 △υ。
注意：随着压力的增加，比容会减小。
塑料零件过度收缩的原因包括注射压力过低、保压时间或冷却时间不足、熔体温度过高、模具温度过高、保压压力过低，收缩率、工艺参数和壁厚之间的关系如图 8 所示：
期间 注塑成型如果塑料零件的体积收缩得不到补偿，就会导致零件表面出现凹陷或内部产生气孔。因此，在模具设计时必须考虑塑料零件的收缩。控制塑料零件的收缩率对于塑料零件设计、模具设计和工艺条件设定都至关重要，尤其对于组合式塑料零件而言。
填充后保持模腔形状可以减少/消除缩痕和气孔，从而确定塑料零件的尺寸。模流分析软件可以预测塑料零件的收缩率，并为模具的正确设计提供指导。
