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在许多情况下,热塑性注塑件的表面质量是影响产品质量的主要因素。由于塑件的表面质量与模具、模具组成及加工过程之间存在着复杂关系,如果我们在教学中只关注模具结构的讲解,而忽视了从产品质量出发,根据产品的特点,由产品的表面质量结果反馈来设计模具的这个过程,就会使学生舍本逐末,在今后的工作实践中出现热塑性注塑件的表面质量问题。
在《塑料模具设计》课程中的热塑性塑料的工艺特性的讲解中,就涉及熱塑性塑料的表面缺陷问题,有些教师在讲解这个复杂的工艺过程时,只花几分钟的时间简单带过,但本人觉得应从塑件产品表面产生的一些缺陷作为切入点,细致讲解,让学生对模具的整体设计更为了解。
一、常见缺陷的检测及分类
以下列举塑件表面常见的几种缺陷,教师在授课过程中最好带上有表面缺陷的塑件,通过理论结合实物,帮助学生对所学知识的理解。
1.表面缩水
当热收缩率得不到补偿时,会在塑件表面材料聚集附近产生凹陷,形成表面缩水。
2.条纹
条纹可以分为塑料降解、水气纹、空气纹,三者外观很相似,用肉眼很难区分,加工者必须了解塑件的特点,加工工艺及环境的影响,才可加以判断。
(1)塑料降解的判断标志有以下几点:①条纹周期性出现;②条纹常出现在横切方向较窄的区域之后,或塑件的锐角边;③在型腔内流体内部达到熔融温度上限而烧黑;④调低螺杆转速可以改善此类缺陷;⑤调低熔融温度可以改善此类缺陷;⑥在注塑体内或此螺杆前停留时间太长 (由于运转停止或每次注射量太少) ;⑦重熔料太多或一部分材料曾熔融多次;⑧模子装配有热流道;⑨模具装配有单向热咀;⑩环境温度高。
(2)水气纹的判断标志:①材料容易吸湿(如PA、ABS、CA、PBTB、PMMA、SAN等);②将材料熔体向空气中挤压时,可见气泡或气流;③部分充填的流体固化前端有火山口似结构;④加工前湿度很高。
(3)空气纹的标志:降低压力以后气纹会变小;降低螺杆前进速度以后气纹会变小;注塑材料中可见气泡;部分充填的流体固化前端有火山口似结构。
3.熔接痕
塑件上的熔接痕在多数情况下代表其光学和力学的薄弱点,常出现凹槽或颜色变化。凹槽多见于高度抛光,而又较暗或透明的表面;而颜色改变则多见于具有金属光泽色料的表面。
4.内应力裂纹
内应裂纹由内部或外部的应力形成,处于应力下的区域变白。
5.毛刺
毛刺常形成于合缝处、封口处、气流道或顶针旁。它们有点像塑件的薄膜边,很细的毛刺不仔细辨认常难以发现。而区域较大处的毛刺常伸出正常边沿外数厘米。
6.顶针痕
顶针痕是在塑件表面顶出一侧的凹陷或凸起。塑件厚度的变化可导致光洁度及塑件可见表面的凹陷。
7.脱模导致的变形
按变形程度的不同,可分为拨出痕、裂纹、裂隙、过分拉伸区及较深顶针凹陷。关键是有倒扣的塑件,无需活动配件脱模。
二、各种缺陷的物理成因及解决措施
1.表面缩水及其解决措施
在冷却过程中若热收缩得不到补偿,塑件的外壁不够坚固,由于冷却不完全,其外表面被内部收缩应力拉牵,形成表面缩水。这是表面缩水的物理成因。
表面缩水的形成有三个基本原因:固化太慢;有效压力保持时间太短;由于模具内熔体流动阻力太大,成形压力的转换不够。
防止表面缩水要最大限度的转换成形压力,浇口必须设计于横截面最大处,为了防止流道系统的过早固化,保证足够的尺寸是有必要的。
判断和解决表面缩水的方法(按步骤进行):
(1)如果残留的熔融痕太小,应加大调节行程;检查单向阀门。
(2)如果缩水出现于浇口附近或厚壁区,应最大限度地增加保压时间;加大成形压力;改变塑件温度; 改变熔体温度;改变注射速度。
(3)如果缩水远离浇口或位于薄壁区,①检查气流道;②检查主流道和浇口直径;③检查球化状态;④进行模温控制;⑤移除材料堆积;⑥考虑壁厚或加强筋的比例;⑦增加挥发成分;⑧采用低缩水性的塑料。
如果脱模后直接成形缩水,则延长冷却时间。
2.条纹成因及其解决措施
塑料降解(褐色或银白色)的物理成因:塑料降解多由于熔体受到热性质损坏而形成,其结果为其分子链缩短(银白色退色)或其巨型分子发生了变化(褐色退色)。
(1)热损坏的可能原因有:①在预热干燥时温度太高或时间太长;②熔体温度太高;③在塑化单元内剪切力太大(螺杆转速太快);④在塑化单元内停留时间太长;⑤在模具内剪切力太大(注射速度太快)。
向空气中注射以检查熔体温度,用针状温度计测量温度。塑料热力性质的退化,即使其表面没有损坏,也对其力学性质有不利的影响。
(2)水气纹的物理成因:在储藏或加工时,水分被球化颗粒吸收,在熔体中形成气泡。由于流体前端的特定流动形状,气泡被挤到流体的表面,由于压力的补偿,气泡胀裂,且由于流体前端的移动而变形,从而在塑件壁冷却形成水气纹。
(3)水气纹可能的成因:①模温控制系统漏气;②模具壁有冷凝水珠;③材料预干燥不完全;④材料储藏方法不当。
(4)空气纹的物理成因:在模具充填时若氯气不能逃逸,它会在模具表面顺流动方向被拖曳和拉伸,尤其在雕刻字母、骨位、圆弧顶和凹陷处,空气容易被卷起而困于熔体中,其结果就会形成了氯纹,若在螺杆后退减压时,空气被吸入至螺杆前面,此时气体就会出现于浇口前面,空气在注射时被输入至型腔,然后被挤入塑件内而冷凝。
3.熔接痕及其判断与解决方法
熔接痕是两个或更多的熔体相遇时所形成的,当两个熔体相遇时,其圆形前端被挤平和黏结在一起(见图1、图2)。此过程要求已有很多气孔的流体前端良好伸展,如果温度和压力不够,流体前端的角部得不到良好成形而产生凹陷。而且熔体不能良好熔融时,会在此处形成一个力学薄弱点。若胶料含有添加剂(如色料),这些添加剂有可能在熔接痕附近形成定向排列,导致熔接痕附近颜色的改变。
唯有提高塑件侧壁温度才可得到显著提高(采用pro-mold时 例外)。提高塑件侧壁温度,同时按2%/(°)提高循环时间。
判断和解决熔接痕的方法(按步骤顺序进行):
(1)观察熔接痕附近的颜色改变。解决变色的方法:①使用较小的色料;②使用球形色料;③使用颜色较浅的材料。
(2)看能否使用PROMOLD-PROCESS材料,如果可以,就使用PROMOLD-PROCESS材料。
(3)如果不能使用PROMOLD-PROCESS材料,采取以下解决方法:①提高模具温度;②提高注射速度;③提高熔融温度;④提高成型压力;⑤检查排气;⑥移动浇口。
需要注意的是,提高模具温度可显著改善熔接痕缺陷。
4.内应力裂纹及其判断与解决方法
内应力裂纹或拖花是由于超过了最大变形限度,最大变形限度决定于材料类型、分子结构、塑件的加工过程及其周围的气候环境。抵抗内应力的强度可由于时间、温度等环境影响而显著减小。此时,分子内部的联结力会因受潮、扩散、膨胀等而减小,甚至可产生应力裂缝。而且冷却内应力、流动产生的应力、膨胀产生的应力是内应力的主要来源。
判断和解决内应力裂纹的方法(按步骤顺序进行):
(1)如果内应力区域变白是由强烈变形引起的,则减小外部应力。
解决应力状态下脱模的方法:①提前进入成型;②减小成型压力;③降低脱模温度;④改变设计、硬化塑件。
(2)如果是晶体型热塑性材料,则①减小模具壁温度;②减小熔体温度。
(3)如果是非晶体型热塑性材料,则①提高模具壁温度;②提高熔体温度;③降低成型压力;④改变注射速度;⑤减少冷却时间。
(4)如果能使用另一种注塑材料,则①选择材料时考虑材料介质;②选择高分子材料或相对分子质量分布较窄 (narrow distribution)的材料。
(5)不能使用另一种注塑材料时,解决的方法是:①确保模具温度连续;②保证充填稳定;③改变塑件的几何形状。
5.毛刺成因及其判断与解决方法
(1)毛刺的物理成因可分为四种:①超过了允许的缝隙宽度(模具吻合不紧密,产品误差太大或闭合面损坏);②机器的锁模力太低或设定值太小(模具的开模力大于锁模力,模具不能合模;锁模力使分型面或模具变形);③模具的内应力太高(缝隙处的成形压力太大,即使很小的缝隙,熔体也可以被挤入);④模塑胶料中的空洞太少(高内应力和较小的流动阻力容易形成毛刺)。
(2)判断和解决毛刺的方法(按步骤顺序进行):
第一步,判断能否提高锁模力,如果能就加大锁模力。
第二步,如果塑件变形严重,则①防止模具中的压力峰值;②优化转换点;③减小保压值;④改变锁模力;⑤硬化塑件。
第三步,如果溢料发生在浇口附近,就要减小注射速度或注射型式为由慢至快。
第四步,如果溢料不在浇口附近,则①较早转化为保压状态;②减小注射速度或注射型式为慢—快—慢;③降低熔体温度;④减小模具壁温度。
6.顶针痕成因及其避免方法
(1)据顶针痕不同,成因可分成四组:①与加工过程有关的原因,例如提前脱模或由于机器设置不当而导致脱模力太大;②由于几何形状的原因,例如合模不好或顶针太长;③机械或强度相关问题,例如由于模具设计尺寸不对或塑件和脱模系统存在问题;④热力学原因,例如顶针和模具壁的温度差异太大)。
(2)如能避免以上情况出现,则可减少产品上的顶针痕。
7.脱模导致的变形的解决方法
脱模导致变形的成因可进行如下分类:①不损坏塑件脱模力得不到有效利用;②脫模运动受到干扰。
脱模力是一个很重要的工艺标准,原则上应尽力使用较小的脱模力,脱模力还受其他因素的影响,例如缩水对脱模力有直接的影响,工艺参数的改变可显著影响缩水率和脱模力。尽管塑件的几何参数是很重要的影响因素,但对这两个因素也要有充分的考虑,原则上筒状或盒状的塑件应使用较小的缩水率,因为这些配件容易向型芯缩水。在加强筋位旁,缩水对脱模的作用相反,因为缩水可以使加强筋位与模具壁分离。
笔者认为,在教学中如果能将热塑性塑件产品的表面缺陷和一些解决措施,作为模具结构设计讲解时的切入点,这样的教学有助于学生理解模具的结构设计理念和制造工艺,利于指导学生在今后的生产中提高热塑性塑件的产品质量。
(作者单位:广东省国防科技高级技工学校)
在《塑料模具设计》课程中的热塑性塑料的工艺特性的讲解中,就涉及熱塑性塑料的表面缺陷问题,有些教师在讲解这个复杂的工艺过程时,只花几分钟的时间简单带过,但本人觉得应从塑件产品表面产生的一些缺陷作为切入点,细致讲解,让学生对模具的整体设计更为了解。
一、常见缺陷的检测及分类
以下列举塑件表面常见的几种缺陷,教师在授课过程中最好带上有表面缺陷的塑件,通过理论结合实物,帮助学生对所学知识的理解。
1.表面缩水
当热收缩率得不到补偿时,会在塑件表面材料聚集附近产生凹陷,形成表面缩水。
2.条纹
条纹可以分为塑料降解、水气纹、空气纹,三者外观很相似,用肉眼很难区分,加工者必须了解塑件的特点,加工工艺及环境的影响,才可加以判断。
(1)塑料降解的判断标志有以下几点:①条纹周期性出现;②条纹常出现在横切方向较窄的区域之后,或塑件的锐角边;③在型腔内流体内部达到熔融温度上限而烧黑;④调低螺杆转速可以改善此类缺陷;⑤调低熔融温度可以改善此类缺陷;⑥在注塑体内或此螺杆前停留时间太长 (由于运转停止或每次注射量太少) ;⑦重熔料太多或一部分材料曾熔融多次;⑧模子装配有热流道;⑨模具装配有单向热咀;⑩环境温度高。
(2)水气纹的判断标志:①材料容易吸湿(如PA、ABS、CA、PBTB、PMMA、SAN等);②将材料熔体向空气中挤压时,可见气泡或气流;③部分充填的流体固化前端有火山口似结构;④加工前湿度很高。
(3)空气纹的标志:降低压力以后气纹会变小;降低螺杆前进速度以后气纹会变小;注塑材料中可见气泡;部分充填的流体固化前端有火山口似结构。
3.熔接痕
塑件上的熔接痕在多数情况下代表其光学和力学的薄弱点,常出现凹槽或颜色变化。凹槽多见于高度抛光,而又较暗或透明的表面;而颜色改变则多见于具有金属光泽色料的表面。
4.内应力裂纹
内应裂纹由内部或外部的应力形成,处于应力下的区域变白。
5.毛刺
毛刺常形成于合缝处、封口处、气流道或顶针旁。它们有点像塑件的薄膜边,很细的毛刺不仔细辨认常难以发现。而区域较大处的毛刺常伸出正常边沿外数厘米。
6.顶针痕
顶针痕是在塑件表面顶出一侧的凹陷或凸起。塑件厚度的变化可导致光洁度及塑件可见表面的凹陷。
7.脱模导致的变形
按变形程度的不同,可分为拨出痕、裂纹、裂隙、过分拉伸区及较深顶针凹陷。关键是有倒扣的塑件,无需活动配件脱模。
二、各种缺陷的物理成因及解决措施
1.表面缩水及其解决措施
在冷却过程中若热收缩得不到补偿,塑件的外壁不够坚固,由于冷却不完全,其外表面被内部收缩应力拉牵,形成表面缩水。这是表面缩水的物理成因。
表面缩水的形成有三个基本原因:固化太慢;有效压力保持时间太短;由于模具内熔体流动阻力太大,成形压力的转换不够。
防止表面缩水要最大限度的转换成形压力,浇口必须设计于横截面最大处,为了防止流道系统的过早固化,保证足够的尺寸是有必要的。
判断和解决表面缩水的方法(按步骤进行):
(1)如果残留的熔融痕太小,应加大调节行程;检查单向阀门。
(2)如果缩水出现于浇口附近或厚壁区,应最大限度地增加保压时间;加大成形压力;改变塑件温度; 改变熔体温度;改变注射速度。
(3)如果缩水远离浇口或位于薄壁区,①检查气流道;②检查主流道和浇口直径;③检查球化状态;④进行模温控制;⑤移除材料堆积;⑥考虑壁厚或加强筋的比例;⑦增加挥发成分;⑧采用低缩水性的塑料。
如果脱模后直接成形缩水,则延长冷却时间。
2.条纹成因及其解决措施
塑料降解(褐色或银白色)的物理成因:塑料降解多由于熔体受到热性质损坏而形成,其结果为其分子链缩短(银白色退色)或其巨型分子发生了变化(褐色退色)。
(1)热损坏的可能原因有:①在预热干燥时温度太高或时间太长;②熔体温度太高;③在塑化单元内剪切力太大(螺杆转速太快);④在塑化单元内停留时间太长;⑤在模具内剪切力太大(注射速度太快)。
向空气中注射以检查熔体温度,用针状温度计测量温度。塑料热力性质的退化,即使其表面没有损坏,也对其力学性质有不利的影响。
(2)水气纹的物理成因:在储藏或加工时,水分被球化颗粒吸收,在熔体中形成气泡。由于流体前端的特定流动形状,气泡被挤到流体的表面,由于压力的补偿,气泡胀裂,且由于流体前端的移动而变形,从而在塑件壁冷却形成水气纹。
(3)水气纹可能的成因:①模温控制系统漏气;②模具壁有冷凝水珠;③材料预干燥不完全;④材料储藏方法不当。
(4)空气纹的物理成因:在模具充填时若氯气不能逃逸,它会在模具表面顺流动方向被拖曳和拉伸,尤其在雕刻字母、骨位、圆弧顶和凹陷处,空气容易被卷起而困于熔体中,其结果就会形成了氯纹,若在螺杆后退减压时,空气被吸入至螺杆前面,此时气体就会出现于浇口前面,空气在注射时被输入至型腔,然后被挤入塑件内而冷凝。
3.熔接痕及其判断与解决方法
熔接痕是两个或更多的熔体相遇时所形成的,当两个熔体相遇时,其圆形前端被挤平和黏结在一起(见图1、图2)。此过程要求已有很多气孔的流体前端良好伸展,如果温度和压力不够,流体前端的角部得不到良好成形而产生凹陷。而且熔体不能良好熔融时,会在此处形成一个力学薄弱点。若胶料含有添加剂(如色料),这些添加剂有可能在熔接痕附近形成定向排列,导致熔接痕附近颜色的改变。
唯有提高塑件侧壁温度才可得到显著提高(采用pro-mold时 例外)。提高塑件侧壁温度,同时按2%/(°)提高循环时间。
判断和解决熔接痕的方法(按步骤顺序进行):
(1)观察熔接痕附近的颜色改变。解决变色的方法:①使用较小的色料;②使用球形色料;③使用颜色较浅的材料。
(2)看能否使用PROMOLD-PROCESS材料,如果可以,就使用PROMOLD-PROCESS材料。
(3)如果不能使用PROMOLD-PROCESS材料,采取以下解决方法:①提高模具温度;②提高注射速度;③提高熔融温度;④提高成型压力;⑤检查排气;⑥移动浇口。
需要注意的是,提高模具温度可显著改善熔接痕缺陷。
4.内应力裂纹及其判断与解决方法
内应力裂纹或拖花是由于超过了最大变形限度,最大变形限度决定于材料类型、分子结构、塑件的加工过程及其周围的气候环境。抵抗内应力的强度可由于时间、温度等环境影响而显著减小。此时,分子内部的联结力会因受潮、扩散、膨胀等而减小,甚至可产生应力裂缝。而且冷却内应力、流动产生的应力、膨胀产生的应力是内应力的主要来源。
判断和解决内应力裂纹的方法(按步骤顺序进行):
(1)如果内应力区域变白是由强烈变形引起的,则减小外部应力。
解决应力状态下脱模的方法:①提前进入成型;②减小成型压力;③降低脱模温度;④改变设计、硬化塑件。
(2)如果是晶体型热塑性材料,则①减小模具壁温度;②减小熔体温度。
(3)如果是非晶体型热塑性材料,则①提高模具壁温度;②提高熔体温度;③降低成型压力;④改变注射速度;⑤减少冷却时间。
(4)如果能使用另一种注塑材料,则①选择材料时考虑材料介质;②选择高分子材料或相对分子质量分布较窄 (narrow distribution)的材料。
(5)不能使用另一种注塑材料时,解决的方法是:①确保模具温度连续;②保证充填稳定;③改变塑件的几何形状。
5.毛刺成因及其判断与解决方法
(1)毛刺的物理成因可分为四种:①超过了允许的缝隙宽度(模具吻合不紧密,产品误差太大或闭合面损坏);②机器的锁模力太低或设定值太小(模具的开模力大于锁模力,模具不能合模;锁模力使分型面或模具变形);③模具的内应力太高(缝隙处的成形压力太大,即使很小的缝隙,熔体也可以被挤入);④模塑胶料中的空洞太少(高内应力和较小的流动阻力容易形成毛刺)。
(2)判断和解决毛刺的方法(按步骤顺序进行):
第一步,判断能否提高锁模力,如果能就加大锁模力。
第二步,如果塑件变形严重,则①防止模具中的压力峰值;②优化转换点;③减小保压值;④改变锁模力;⑤硬化塑件。
第三步,如果溢料发生在浇口附近,就要减小注射速度或注射型式为由慢至快。
第四步,如果溢料不在浇口附近,则①较早转化为保压状态;②减小注射速度或注射型式为慢—快—慢;③降低熔体温度;④减小模具壁温度。
6.顶针痕成因及其避免方法
(1)据顶针痕不同,成因可分成四组:①与加工过程有关的原因,例如提前脱模或由于机器设置不当而导致脱模力太大;②由于几何形状的原因,例如合模不好或顶针太长;③机械或强度相关问题,例如由于模具设计尺寸不对或塑件和脱模系统存在问题;④热力学原因,例如顶针和模具壁的温度差异太大)。
(2)如能避免以上情况出现,则可减少产品上的顶针痕。
7.脱模导致的变形的解决方法
脱模导致变形的成因可进行如下分类:①不损坏塑件脱模力得不到有效利用;②脫模运动受到干扰。
脱模力是一个很重要的工艺标准,原则上应尽力使用较小的脱模力,脱模力还受其他因素的影响,例如缩水对脱模力有直接的影响,工艺参数的改变可显著影响缩水率和脱模力。尽管塑件的几何参数是很重要的影响因素,但对这两个因素也要有充分的考虑,原则上筒状或盒状的塑件应使用较小的缩水率,因为这些配件容易向型芯缩水。在加强筋位旁,缩水对脱模的作用相反,因为缩水可以使加强筋位与模具壁分离。
笔者认为,在教学中如果能将热塑性塑件产品的表面缺陷和一些解决措施,作为模具结构设计讲解时的切入点,这样的教学有助于学生理解模具的结构设计理念和制造工艺,利于指导学生在今后的生产中提高热塑性塑件的产品质量。
(作者单位:广东省国防科技高级技工学校)