深度 | 塑胶件：如何预防翘曲变形--上
如何预防翘曲变形分为上下两篇，本篇文章关注塑胶件翘曲变形产生的机理；下一篇文章关注如何预防翘曲变形。
塑胶件翘曲变形是在塑胶件开发过程中最经常碰到的问题，也是最让人头疼的问题。一般的翘曲变形会造成外观间隙不一致，存在断差，影响产品外观，消费者可能会觉得产品档次太低而放弃购买；严重的翘曲变形会影响产品的装配，甚至会影响产品的功能、性能和可靠性。
▲翘曲影响装配质量，降低产品强度及性能，具有潜在失效风险▲滚筒洗衣机前桶产品头部翘曲变形导致密封圈和不锈钢内桶间隙太小，密封圈和不锈钢内桶产生磨损，严重影响产品可靠性塑胶件翘曲变形一旦发生，解决起来就很麻烦，能够采用的手段往往少而无奈：- 特殊甚至极端的注塑成型工艺条件（特殊模温、高模具温差、较长的注塑成型周期等）；
- 修改模具（修改产品设计、修改浇口、模具反补偿、或者采用热流道），甚至重新开发模具；
以上手段往往需要多次试模调试，才能满足预想目标，同时还会降低注塑生产效率、延误产品上市时间、和增加产品成本。因此，塑胶件的翘曲变形一定要在塑胶件的产品设计阶段就提前预防，不能等到模具加工完毕、试模发现翘曲变形问题时再去解决问题，就已经很晚了。塑胶材料在注塑成型过程中的收缩时塑胶件翘曲变形的一个重要原因。在深入了解翘曲变形之前，需要理解塑胶材料是如何收缩以及为什么会收缩。为此，需要从塑胶材料的分子结构入手来，看看塑胶材料在熔化和冷却过程中的发生的各种变化。对于大多数的塑胶材料来说，熔化和冷却过程中的特性依赖于塑胶材料的类型以及是否添加了填充剂或玻纤。无定形塑料是指分子相互排列不呈晶体结构而呈无序状态的塑料。常见的无定型塑料包括ABS、PC、PMMA和PPO等。无论在熔融状态还是在固态，无定形塑料的分子排列均呈无序状态。当无定形塑料熔化时，分子之间的力量变弱，使得分子相互之间移动。另外，在充填阶段中的剪切力（类似于摩擦）使得分子展开，分子取向与溶流流动方向一致。
当溶流停止流动，分子松弛，又回到最初的无序状态。分子之间的力促使分子互相靠近，直到温度足够低使它们固化。这些力会造成均匀的收缩，但是松弛效应会使得在溶流方向上收缩更多。
半结晶塑料是指在固态下，部分分子相互排列呈规则晶体结构的塑料，这部分晶体结构相对密度较高、更紧密，常见的半结晶塑料包括PBT、PA、POM、PPS和PEEK等。当半结晶塑料熔化时，结晶部分松动，分子取向与溶流流动方向一致，与无定形塑料大致相同。但是当冷却时，这部分并不会松弛。相反，它们依然保持与溶流流动方向一致，并开始结晶，这显著增加了收缩率。松弛效应使得溶流流动方向的收缩率远大于垂直方向的收缩率。半结晶塑料的收缩率较高，同时半结晶塑料在平行和垂直于溶料流动方向有着不同的收缩率，使得问题变得复杂。这问题又因注塑成型工艺条件改变致使结晶度变化而更加复杂。如果塑料冷却得慢，结晶度和收缩率都会增加。玻纤常常添加在塑料中用于增加机械强度或其它特性。当玻纤添加到塑料中，它们可能会抵消前文中因为分子取向而产生的收缩。当温度变化时，玻纤不会膨胀、也不会缩小。所以，在溶流流动方向上，玻纤会显著降低塑料的收缩率。
塑胶件发生翘曲变形的根本原因就是在于塑料的收缩不均匀。这看似简单，实则水很深。如果塑胶件在注塑成型过程中在各个方向都均匀收缩，那么塑胶件尺寸会变小，但是会保持正确的形状，不会发生翘曲变形。然而，如果在任意一个方向上的收缩与其它方向不一致，这就会导致内应力，当内应力超过塑胶件本身的强度时，塑胶件就会在顶出后发生翘曲变形。
塑胶件上靠近浇口的区域和最后充填的区域其收缩不均匀。靠近浇口的区域收缩小，最后充填的区域收缩大。如果从一个塑胶件的厚度剖面上看，剖面上层和下层区域的收缩不均匀。这种收缩不一致会导致塑胶件翘曲，因为一侧收缩多而另一侧收缩小。由于分子取向或纤维方向，在平行于和垂直于塑胶件溶流流动方向上存在收缩不均匀。如前文所述，无填充塑料在溶料流动方向上收缩更大，而玻纤增强塑料在垂直方向上收缩更大。
塑胶件通常在厚度方向比平面方向收缩更大，这主要是因为在平面方向有模具结构限制，而在厚度方向上没有。这种收缩不均匀会导致翘曲变形，特别是在塑胶件的角落处，在这些区域零件壁厚通常大于零件的基本壁厚。很显然，收缩不均匀是塑胶件发生翘曲变形的根本原因。那么，是什么造成收缩不均匀呢？这主要有五方面的原因。
在充填之初，剪切压力使得塑料分子取向。当充填停止，塑胶溶料依然处在高温，剪切力消失，取向松弛（取向只有在剪切和固化同时发生时才会保持）。对于无定形塑料，当取向松弛时，平行于溶料流动方向上的收缩更大。而对于玻纤增强塑料，在垂直于溶料流动方向上的收缩更大，这是因为结晶部分的分子取向与溶流流动方向一致，结晶会发生在垂直于溶料流动方向上。当塑胶件在模具中时，由于模具结构的限制，塑胶件不能在平面方向收缩，但是可以在厚度方向上收缩。这有两个效果。第一，在厚度方向上收缩更大；第二，残余内应力集聚在平面方向上，当顶出之后，由于没有模具结构的限制，随着塑胶件的继续冷却，应力释放造成翘曲变形。模具温度越高，冷却速度越慢，应力释放越多。模具结构限制的影响受塑胶材料影响。应力释放较慢的塑胶材料，有更大的线性收缩；应力释放较快的塑胶材料，有更小的线性收缩；
当塑胶件厚度方向上的两侧模温不一致时，两侧的收缩不均匀。一般来说，模温较高的一侧收缩较大，模具较低的一侧收缩较小，从而产生一个弯曲力矩导致塑胶件翘曲变形。
当塑胶件存在壁厚不均匀时，厚的区域需要较长的冷却时间，导致更大的收缩。
塑胶件内部各区域承受的保压压力不均匀，浇口附件区域压力大，与远离浇口的区域压力下，会以不同的速度冷却，造成收缩不均匀。
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