塑料收縮率對塑膠模具的影響
時間:2024-04-25 12:23來源:德松官網(wǎng) 作者:德松模具鋼
各國對塑料件的尺寸公差專門制訂了國家標準或行業(yè)標準，中國也曾制訂了部級標準，但大都無相應(yīng)的模具型腔的尺寸公差，德國在國家標準中專門制訂了塑件尺寸公差的DIN16901標準。
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設(shè)計塑料模具時，確定了模具結(jié)構(gòu)之後即可對模具的各部分進行詳細設(shè)計，即確定各模板和零件的尺寸，型腔和型芯尺寸等，這時將涉及有關(guān)材料收縮率等主要的設(shè)計參數(shù)，所以只有具體地掌握成形塑料的收縮率才能確定型腔各部分的尺寸。即使所選模具結(jié)構(gòu)正確，但所用參數(shù)不當，就不可能生產(chǎn)出品質(zhì)合格的塑件。
▇ 塑料收縮率及其影響因素
熱塑性塑料的特性是在加熱後膨脹，冷卻後收縮，當然加壓以後體積也將縮小。 在注塑成形過程中，首先將熔融塑料注射入模具型腔內(nèi)，充填結(jié)束後熔料冷卻固化，從模具中取出塑件時即出現(xiàn)收縮，此收縮稱為成形收縮。塑件從模具取出到穩(wěn)定這一段時間內(nèi)，尺寸仍會出現(xiàn)微小的變化，一種變化是繼續(xù)收縮，此收縮稱為後收縮。另一種變化是某些吸濕性塑料因吸濕而出現(xiàn)膨脹。
例如尼龍610含水量為3%時尺寸增加量為2%；玻璃纖維增強尼龍66的含水量為40%時尺寸增加量為0.3%，但其中起主要作用的是成形收縮。 目前確定各種塑料收縮率（成形收縮＋後收縮）的方法一般都推薦德國國家標準中DIN16901的規(guī)定，即以23℃±0.1℃時模具型腔尺寸與成形后放置24小時，在溫度為23℃，相對濕度為50±5%條件下測量出的相應(yīng)塑件尺寸之差算出。收縮率S由①S={(D－M)/D}×100%公式表示，其中S為收縮率， D為模具尺寸， M為塑件尺寸。如果按已知塑件尺寸和材料收縮率計算模具型腔則為 D=M/(1-S) 在模具設(shè)計中為了簡化計算，一般使用D=M+MS求模具尺寸。如果需實施較為精確的計算，則應(yīng)用③D=M+MS+MS2，但在確定收縮率時，由於實際的收縮率要受眾多因素的影響也只能使用近似值，因而用②D=M+MS計算型腔尺寸也基本上滿足要求。在制造模具時，型腔則按照下偏差加工，型芯則按上偏差加工，便于必要時可作適當?shù)男拚?br />
難于精確確定收縮率的主要原因，首先是因各種塑料的收縮率不是一個定值，而是一個范圍。因為不同工廠生產(chǎn)的同種材料的收縮率不相同，即使是一個工廠生產(chǎn)的不同批號同種材料的收縮率也不一樣。 因而各廠只能為用戶提供該廠所生產(chǎn)塑料的收縮率范圍。其次，在成形過程中的實際收縮率還受到塑件形狀，模具結(jié)構(gòu)和成形條件等因素的影響，下面對這些因素的影響作一介紹。
▇ 塑件形狀
對于成形件壁厚來說，一般由于厚壁的冷卻時間較長，因而收縮率也較大。 對一般塑件來說，當熔料流動方向L尺寸與垂直于熔料流方向W尺寸的差異較大時，則收縮率差異也較大。 從熔料流動距離來看，遠離澆口部分的壓力損失大，因而該處的收縮率也比靠近澆口部位大。 因加強筋、孔、凸臺和雕刻等形狀具有收縮抗力，因而這些部位的收縮率較小。
▇ 模具結(jié)構(gòu)
澆口形式對收縮率也有影響。用小澆口時，因保壓結(jié)束之前澆口即固化而使塑件的收縮率增大。 注塑模中的冷卻回路結(jié)構(gòu)也是模具設(shè)計中的一個關(guān)鍵。冷卻回路設(shè)計得不適當，則因塑件各處溫度不均衡而產(chǎn)生收縮差，其結(jié)果是使塑件尺寸超差或變形。在薄壁部分，模具溫度分布對收縮率的影響則更為明顯。
▇ 分型面及澆口
模具的分型面、澆口形式及尺寸等因素直接影響料流方向、密度分布、保壓補縮作用及成型時間。采用直接澆口或大截面澆口可減少收縮，但各向異性大、沿料流方向收縮小、沿垂直料流方向收縮大，反之，當澆口厚度較小時，澆口部分會過早凝結(jié)硬化，型腔內(nèi)的塑料收縮后得不到及時補充，收縮較大。點澆口凝封快,在制件條件允許的情況下，可設(shè)多點澆口，可有效地延長保壓時間和增大型腔壓力，使收縮率減小。
▇ 成形條件
料筒溫度：料筒溫度（塑料溫度）較高時，壓力傳遞較好而使收縮力減小。但用小澆口時，因澆口固化早而使收縮率仍較大。對于厚壁塑件來說，即使料筒溫度較高，其收縮仍較大。
補料：在成形條件中，盡量減少補料以使塑件尺寸保持穩(wěn)定。但補料不足則無法保持壓力，也會使收縮率增大。
注射壓力：注射壓力是對收縮率影響較大的因素，特別是充填結(jié)束後的保壓頁號335壓力。在一般情況下，壓力較大的時因材料的密度大，收縮率就較小。注射成型中壓力包括注射壓力、保壓壓力和模腔壓力等，這些因素均對塑件收縮行為有明顯的影響。提高注射壓力能夠降低制品的收縮率，這是因為壓力增大，使注射速度提高，充模過程加快后，一方面因塑料熔體的剪切發(fā)熱而提高了熔體溫度，減小了流動阻力。另一方面還可以在熔體溫度尚高、流動阻力較小的狀態(tài)下較早進入保壓補料階段。尤其對于薄壁塑件和小澆口塑件，由于冷卻速度快更應(yīng)該盡量縮短充模過程。較高的保壓壓力和模腔壓力使型腔內(nèi)制品密實，收縮減小，尤其是保壓階段的壓力對制品的收縮率產(chǎn)生影響更大。這可解釋為熔融樹脂在成型壓力作用下受到壓縮，壓力越高,發(fā)生的壓縮量越大，壓力解除后的彈性恢復(fù)也越大，使得塑件塑件尺寸更加接近型腔尺寸，因此收縮量越小。但是，即使是對于同一制品來說，模腔內(nèi)樹脂的壓力在各部分并不一致，在注射壓力難以作用的部位和容易作用的部位，所受注射壓力也不一樣。另外，多型腔模具的各模腔所受壓力應(yīng)設(shè)計均勻，否則就會產(chǎn)生各模腔的制品收縮率不一致。
注射速度：注射速度對收縮率的影響較小。但對于薄壁塑件或澆口非常小，以及使用強化材料時，注射速度加快則收縮率小。
模具溫度：熱塑性塑料熔體注入型腔后，釋放大量的熱量而凝固，不同的塑料品種，需要模腔維持在一適當溫度。在此溫度下將最有利于塑件的成型，塑件成型效率最高，內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形最小。模具溫度是控制制品冷卻定型的主要因素，它對成型收縮率的影響主要表現(xiàn)在澆口凍結(jié)后制品脫模之前這段過程。而在澆口凍結(jié)之前模溫升高雖有增大熱收縮的趨勢，但也正是較高的模溫使得澆口凍結(jié)時間延長，導(dǎo)致注射壓力和保壓力的影響增強，補縮作用和負收縮量均會增大。所以，總收縮是兩種反向收縮綜合作用的結(jié)果，其數(shù)值不一定隨著模溫的升高而增大。如果澆口發(fā)生凍結(jié)，注射壓力和保壓壓力的影響將會消失，隨著模溫的升高，冷卻定型時間亦將延長，故脫模后制品收縮率一般都會增大。
成形周期：成形周期與收縮率無直接關(guān)系，但需注意當加快成形周期時，模具溫度、熔料溫度等必然也發(fā)生變化，從而也影響收縮率的變化。在作材料試驗時，應(yīng)按照由所需產(chǎn)量決定的成形周期進行成形，并對塑件尺寸進行檢驗，用此模具進行塑料收縮率試驗的實例如下。
注射機：
鎖模力70t
螺桿直徑Φ35mm
螺桿轉(zhuǎn)速80rpm
成形條件：
最高注射壓力178MPa
料筒溫度230(225-230-220-210)℃
240(235-240-230-220)℃
250(245-250-240-230)℃
260(225-260-250-240)℃
注射速度57cm3/s
注射時間0.44～0.52s
保壓時間6.0s
冷卻時間15.0s
▇ 模具尺寸和制造公差
模具型腔和型芯的加工尺寸除了通過D=M(1+S)公式計算基本尺寸之外，還有一個加工公差的問題，按照慣例模具的加工公差為塑件公差的1/3，但由于塑料收縮率范圍和穩(wěn)定性各有差異，首先必須合理化確定不同塑料所成形塑件的尺寸公差。即由收縮率范圍較大或收縮率穩(wěn)定較差塑料成形塑件的尺寸公差應(yīng)取得大一些，否則就可能出現(xiàn)大量尺寸超差的廢品。 為此，各國對塑料件的尺寸公差專門制訂了國家標準或行業(yè)標準，中國也曾制訂了部級專業(yè)標準，但大都無相應(yīng)的模具型腔的尺寸公差。德國國家標準中專門制訂了塑件尺寸公差的DIN16901標準，以及相應(yīng)的模具型腔尺寸公差的DIN16749標準，此標準在世界上具有較大的影響，因而可供塑料模具行業(yè)參考。
▇ 關(guān)于塑件的尺寸公差和允許偏差
為了合理地確定不同收縮特性材料所成形塑件的尺寸公差，讓標準引入了成形收縮差VS這一概念， ④VS＝VSR_VST式中的VS為成形收縮差，VSR為熔料流動方向的成形收縮率，VST為與熔料流動垂直方向的成形收縮率。根據(jù)塑料VS值，將各種塑料的收縮特性分為4個組，VS值最小的組是高精度組，以此類推，VS值最大的組為低精度組， 并按照基本尺寸編制了精密技術(shù)110、120、130、140、150和160公差組，并規(guī)定用收縮特性最穩(wěn)定的塑料成形塑件的尺寸公差可選用110、120和130組，用收縮特性中等穩(wěn)定的塑料成形塑件的尺寸公差選用120、130和140。如果用這類塑料成形塑件的尺寸公差選用110組時，即可能出大量尺寸超差塑件，用收縮特性較差的塑料成形塑件的尺寸公差選用130、140和150組，用收縮特性最差的塑料成形塑件的尺寸公差選用140、150和160組。 在使用此公差表時，還需注意以下各點， 直接標注偏差的公差是用于對塑件尺寸標注公差的公差帶，其上下偏差可設(shè)計人員自行確定，例如公差帶為0.8mm，則可以選用以下各種上下偏差構(gòu)成0.0\-0.8\±0.4\-0.2\-0.5等。 每一公差組中均有A、B兩組公差值，其中A是由模具鋼件組合形成的尺寸，增加了模具零件對合處不密合所形成的錯差，此增加值為0.2mm，其中B是直接由模具零件所決定的尺寸。 精密技術(shù)是專門設(shè)立的一組公差值，供具有高精度要求塑件使用，在此用塑件公差之前，首先必須知道所使用的塑料適用哪幾個公差組。
▇ 模具的制造公差
德國國家標準針對塑件公差制訂了相應(yīng)模具制造公差的標準DIN16749。該表中共設(shè)4種公差。不論何種材料的塑件，其中不注明尺寸公差尺寸的模具制造公差均使用序號①的公差，具體公差值由基本尺寸范圍確定。 不論何種材料塑件中等精度尺寸的模具制造公差為序號②的公差，不論何種材料塑件較高精度尺寸的模具制造公差為序號③的公差，精密技術(shù)相應(yīng)的模具制造公差為序號④的公差。
作為模具設(shè)計和制造者，能合理地確定各種材料塑件的合理公差和相應(yīng)的模具制造公差，這不僅給模具制造帶來方便，還可以減少廢品，提高經(jīng)濟效期益。
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