探讨分型面、熔接缝、残余应力和取向的影响

设计注射制品时，设计者同样也应考虑可供模具设计者选择的合理分型面、浇口形式和布置的条件，其目的是保证成型制品具有良好的熔接质量（熔接缝数量少、布局合理、熔接强度好等）、较小的残余应力、取向合理及异向性小等良好的成型质量。这些要求与制品结构设计的尺寸形状有密切的关系，因此在结构设计时必须考虑如何保证成型质量。

1.分型面

在成型模具中，用于取出制品及浇注系统凝料的面，通称为分型面。常见的分型面有与开模方向垂直的主分型面，也有与开模方向一致的侧向分型面。大多数分型面是水平或垂直平面的平面分型面，也有采用倾斜面、台阶面或曲面等形式的，如图19-58所示。

不同形式的分型面与注射的可行性、模具结构的复杂程度关系密切，而采用哪种分型面还与制品的尺寸结构形状有密切的关系，所以设计制品时应该预测模塑分型面，以便为模具设计提供选择合理的分型面条件，从而达到既可保证顺利地完成注射成型过程，保证制品质量，又可简化模具结构，便于成型操作，降低模具及成型加工成本的多赢效果。

图19-58 分型面的形状

a）垂直（水平）平面分型面 b）斜面分型面 c）台阶面分型面 d）曲面分型面

分型面的设计原则如下：

1）为使塑件顺利脱模，分型面必须开设在塑件断面轮廓最大的地方。

2）塑件在模内摆放的位置应以投影面积最大的面朝向成型压力方向，以便利用成型设备的锁模力，如图19-59a所示。如果制品竖立成型（见图19-59b），则模具很高，稳定性差，模壁要求较厚，不能充分利用设备的工作台面积和锁模力。

图19-59 一般将塑件面积大的面朝向注射机工作台面

3）尽量减少侧抽芯，简化模具结构，如图19-60所示。

图19-60 三通管分型面的选择

如果按图19-60a所示的方式，需三个方向侧抽芯；按图19-60b所示的方式，可变成两向抽芯；而按图19-60c所示的方式，只需要一向抽芯。很显然，采用图19-60b、c所示的方案可大大地简化模具结构，省去复杂的侧抽芯机构，而且可一模成型多件，降低模具及制品加工成本。因此，在达到注塑料件使用要求前提下，应尽量避免设计侧向孔、槽和凸起，也可以适当改变塑件的结构来简化模具。另外，除液压抽芯机构外，一般机构抽芯距较短，所以制品设计时应将短侧抽芯结构设在侧面，长抽芯部位设置在开模方向，如图19-61所示。

图19-61 使侧向抽芯距离短的分型面

4）应便于清理飞边和排气。如果分型面与型腔壁面间稍有间隙，或在分型面上的型腔口部有圆角或倒角，则熔料会渗出在制品上产生飞边，影响外观。因此，在制品的光滑平整或圆弧曲面上尽量避免选择分型面。另外，分型面应布置在熔料充模流动的末端，以利于排出型腔中的气体。

5）开模后应尽量使制品留在动模一侧，即在设备推出机构边，以便于顶出脱模。

模压制品和注射制品分型面的选择举例见表19-51和表19-52。

表19-51 选择压塑模分型面举例

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表19-52 选择注射成型分型面举例

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2.熔接缝

熔接缝，又称熔合线，是在充模过程中当熔体流动前峰与某些后续熔料分离后又汇合时，因两熔接界面熔接不良而形成的结合缝。由于熔合缝界面处分子间缠绕扩散不完善，如在填充改性或增强塑料中填料及增强材料对接缠绕不良存在冻结的分子（或纤维）取向、熔接表面呈V形缺口、界面处存在外来物质或较大的空隙等现象，致使该处承受各类负载的强度、耐蚀性、电性能及表观性能都会低于熔接缝以外的其他部分，而且影响制品外观质量，所以要控制熔接质量。

制品中形成熔接缝的数量、分布位置及熔接强度等熔合线性能特征与很多因素有关，其中制品的尺寸形状、壁厚及可提供选择浇口的方案与熔合特性有密切的关系，所以在进行结构设计时必须按制品设计方案预测熔接特性对制品使用和外观要求的影响程度，目前已可采用计算机辅助工程（CAE）对所用塑料制品的设计方案，在多种浇口方案和成型加工条件下可能形成的熔合线位置进行预测分析，可及时修改制品尺寸形状，使熔合线设置在制品非关键部位，不影响制品的使用性能及外观质量。虽然这种方法还不能明确地显示熔合线的强度及表观特征，但设计者可对熔接处的过程模拟输出变量进行分析，也可定性的预测熔接质量，如按熔料温度或沿制品厚度上的温度分布加以分析，且按熔体温度高则熔接效果好的观点也可对熔接处的外观与强度做出定性的判断。

（1）熔接缝的形成及分类 熔接缝的形成如图19-62所示，熔体从浇口注入型腔后由于型芯阻挡或多浇口注出的熔体使熔体分离后又汇合即生成了熔接缝。图19-62表明，粘合效果好的区域两侧邻接着粘合效果差的区域（顶部和底部），这种现象被称为“预开裂状态”。在这个区域存在显著的分子扩散，而且由于熔体流动前峰在熔合前发生喷泉式流动，这里可能存在一种不利的冷冻分子取向状态。

图19-62 制件断面上显示的熔合线本身呈V形缺口状

图19-63 冷熔接（对熔接）和热熔接

熔接方式可按流峰汇合时的流量进行分类，如图19-63所示，如果在相反方向流动的熔体前峰汇合形成熔合线并且几乎立刻固定下来，这种熔接方式通常称之为对熔接或冷熔接。如果熔体前峰汇合后在型腔中继续进行其他流动，这类熔接被称之为典型的流线熔接或热熔接。冷熔接通常认为是最差的一种熔接方式。流峰汇合后的流动程度是表征熔合线的一种方法，在发生冷熔接时，流峰汇合后静止不动，而热熔接可用于表征具有阻碍流动制件的熔接。

（2）熔接界面状态 如图19-62所示，熔接缝界面呈V形缺口，且按熔接界面处不同熔体温度分子缠绕扩散状态也不同，如图19-63所示。由此可推理，凡能提高熔体界面温度及接触压力的措施都是有利于提高熔接特性的，如提高制品厚度及简化形状，提高料温及模温，提高注射压力、保压力和保压时间，选用流动性好的材料，选择适当的浇口尺寸形式及位置，缩短流程等。熔接角度（V形缺口角）大（120°～150°），则熔接面会充分熔合，熔接线会消失。图19-64表明，熔接面中心部分的最佳粘合区对熔接强度起支配作用。像其他熔接过程一样，为了获得较好的熔接强度，分子扩散及缠结是必要的。

图19-64 熔接界面处分子的扩散和缠结情况

a）无扩散 b）部分扩散 c）完全扩散

（3）影响熔接特性的因素 熔接特性主要包括熔接缝的数量、位置及熔接强度。一般要求熔接缝数量少，位置适当，熔接强度高。但如果熔接强度低，则宁可选用较多的强熔合线，而不要较少的弱熔合线。熔接强度较难预测，影响因素也甚多。美国ASTMD467标准推荐用测熔合缝系数的办法来判断各种塑料的熔接强度。熔合缝系数α_k1是指熔合缝区域强度与无缝材料强度之比，这是在设定测试条件下测定的数据，用无缝材料的性能数据乘以系数α_k1即可求出熔接的强度，但仅为参考值，且不能代替熔合缝的完整熔接性能，如熔接缝的拉伸强度好，但其抗冲击性、抗疲劳性和耐化学侵蚀性却不一定好。

脆性无定形聚合物α_k1低于0.6。结晶型聚合物α_k1大于0.8。各种颗粒填料充填的塑料，聚合物的混合物，尤其是短玻璃纤维增强塑料，它们的α_k1值比纯聚合物低得多。一般而言，增强熔合缝处的厚度，有利于提高熔合缝强度。各种塑料的熔合缝系数α_k1值见表19-53。(www.xing528.com)

影响熔接强度的因素见表19-54。

表19-53 各种塑料的熔合缝系数α_k1值

注：材料中的百分数为填料加入的质量分数。

表19-54 影响熔接强度的因素

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（4）提高熔接缝质量的方法 综上所述，调节影响熔接强度的诸多因素及采用CAE分析法均有利于提高熔接缝质量。这里介绍几种新的工艺方法。

1）调节浇口方案。如图19-65所示，将单边浇口改成带溢流槽浇口、多点浇口或切向浇口都能提高熔接缝质量或提高熔接强度。

图19-65 几种浇口方案

a）单边浇口 b）带溢流槽的浇口 c）多点浇口 d）切向浇口

2）真空排气工艺，即使真空泵、真空室及管道、接口与模具型腔相连，中间设置电磁阀，当注射未开始时电磁阀打开，起动真空泵抽出模型内的气体，当注射开始时电磁阀关闭模型成为真空腔，熔料注入后可迅速充满型腔，不仅填充速度快，熔料温度高，且分离汇合界熔接良好，可制作熔接强度高、质量好或无熔接缝的制品。

3）溶剂法是指成型后控制溶剂气体的逸出来提高一些无定形聚合物（如ABS）的熔合强度的方法。这种方法与蒸气抛光法原理基本相似，可使擦伤的ABS制件表面恢复高表面质量。如果溶剂渗透达到足够的水平，暴露在溶剂气体中几秒钟时间，就能够缓解取向和提高分子缠结；溶剂也可钝化熔合线的V形缺口。这些愈合因素结合起来可提高ABS制件熔合线的冲击强度，但也限制了一些实际应用。

4）采用多动式喷嘴法，又称剪切控制取向注射成型（SCORIM），如图19-66所示，可消除制品熔接缝、凹痕、缩孔等缺陷，还可控制大分子和纤维取向。

图19-66所示的系统有3个主要制件，其中机头或与常规注塑机机筒末端相连的活动件代替了标准的注射机喷嘴。这套系统由自动液压设备提供动力，用电子控制系统进行控制，模具沿顶部开有两个浇口。这种加工的起始阶段与常规注塑成型工艺在本质上是相同的，熔体通过热的机头注射进入模具内（用一个或两个浇口），一旦模具被充满以后，这个多动式喂料系统的液压活塞就开始往复运动，而且不断改变运动形式。当第一个活动喂料活塞向下移动时，就迫使熔体向上通过流道和型腔进入第二个活动喂料筒，这时与加工进程相反，熔体反向流动，这样就可有效地破坏在成型中可能形成的熔合线。这种反向流动持续几个周期，因为只有熔融的模内流动，才有可能控制制件横断面上分子的取向（或增强聚合物的纤维取向）。当使用四个浇口时（如在四边形模具的每一侧都开有一个浇口），由于这些浇口是成对的，就会形成可控制的双轴取向。经过几个周期改变形成的往复运动以后，两活动喂料活塞同步作向内或向外的往复运动，这样进行一个或多个周期的传递压力，以保证型腔被充满和物料均匀密实。在加工的最后阶段，活塞向下一起运动并紧压型腔中的熔体，直到浇口凝固（即常规的保压阶段）。实践已证明，这种独特的方法用于修补熔合线非常有效，特别是对于纤维增强的聚合物，也可作为控制聚合物大分子或纤维取向的方法。

图19-66 多动式喂料注塑成型

a）第一阶段：保压开始，螺杆维持加压/保压压力，活塞进行一个或多个周期的往复运动 b）第二阶段：保压，聚合物仍处于熔融状态活塞同步做一个或多个周期的进退运动，进行加压和卸压 c）第三阶段：保压结束，当开始最终固化时，活塞处于最下方的位置以控制压力，下一个注射周期的塑化开始 1—常规的螺杆、机筒检测和接合器装置 2—双动液压油缸和活塞 3—加工头 4—分型线 5—注射模具

5）推拉成型是一项最近发展起来的与上述工艺过程相似的成型技术。这种方法也可用来修复熔合线，控制聚合物分子和纤维的取向。这种工艺采用带有两个注射装置的注塑机，一个主注射装置和一个辅助注射装置，它与多浇口型腔一起使用，图19-67所示为最简单的系统是用带有两个浇口的模具，主注射装置通过一个浇口过度填充型腔，多余的熔体（溢料）通过第二个浇口进入辅助注射装置，为主注射装置提供一个缓冲区。充模阶段结束后，注射过程反向进行，辅助注射装置推动熔体，主注射装置则吸纳多余的熔体。成型过程中，这个相反的过程反复多次。由于熔体流动穿过熔接界面，因此熔合线可被有效地修复。在单一的推-拉层上存在的熔合线，可沿制件的厚度分布，从而能减小其影响。塑料制件必须有足够的厚度以便在熔体固化前往复运动几个周期。采用这种工艺也可通过带有两个以上浇口的模具来控制取向，当与阀门浇口系统连用时，它还可按照要求去机械地控制浇口的开/关。

图19-67 推-拉成型工艺采用的一级和二级注射装置

1—主注射机筒 2—主流道 3—多浇口模具 4—溢料流道 5—辅助注射机筒

6）采用模内往复杆。用模具的可动部分，如旋转型芯（适于圆柱状塑料制件），或用往复杆也可提高熔合线的强度性能。若用往复杆，可将单杆安装在熔合线附近或将两杆安装在熔合线的两边。在注塑成型的充模过程中，当熔体通过时，杆上下移动（或往复运动），这种运动可在熔接区域产生横向流动，这已被证明可提高熔接强度。这种往复杆的运动可用液压驱动凸轮来控制，从而使杆可从与型腔表面齐平的位置移动到低于表面一定距离处，经过特定数量的往复周期后，杆返回到起始的位置，如图19-68所示。凸轮的运动可用计时器、注塑活塞位置信号或模内压力检测信号来触发。

图19-68 凸轮控制的模内往复杆装置

1—液压机筒 2—往复杆 3—模腔 4—弹簧 5—凸轮 6—凸轮支架 7—托板

7）采用连续开浇口的方法，一般来说，对有熔合线的制件使用热流道系统是有利的，这是因为熔体的温度在熔体注入型腔之前保持不变。大的制件，例如图19-69所示的矩形制件，就是在一系列位置上开浇口的，这样可缩短流程，确保填充均匀。遗憾的是，使用多个浇口会产生许多熔合线，但如果采用热的阀式浇口（浇口可机械地开关），在充模期间，就可以通过依次控制浇口开启的次数来消除熔合线。浇口打开的信号可用一计时器触发，注射活塞位置用模内压力检测器来显示。如图19-69所示，充模从一个阀式浇口的开启开始，一旦熔体前端通过第二个浇口，第二个阀式浇口就会开启，如此循环往复，一旦充模结束，所有的浇口就都可被用来对型腔内的物料加压。

图19-69 机械阀式浇口控制充模示意图

3.残余应力

残余应力是注射模塑的流动和冷却过程产生的。在注射和保压阶段，物料受到不均衡的高切应力和正应力作用，诱导了塑料件内的残余流动应力。由于注射模具温度的不均匀，更因模具内塑料件很快冷却固化，在温差作用下也会诱发塑件的热应力，称为温差残余应力。

在一般工艺条件下，塑件厚度截面上中央层附近的残余应力是拉伸应力，表层为压缩应力。塑件越厚，温差残余应力影响越大，残余流动应力较小。残余应力分布还与流程和注射工艺条件有关，浇口附近区域有最高的残余应力。

残余应力可导致制品变形、光学性能变化和耐蚀性下降，当残余应力大于材料极限应力时，则制品会发生塑性变形，甚至出现裂纹。另外，结晶型料，如后结晶引发的应力及变形会与制品过盈配合部分或螺纹紧固等部位的装配应力叠加，长期作用下会发生蠕变和松弛。使用过程中温度变化也会导致热应力波动，受载制品也都会引发内应力，引发翘曲变形。由此可见，塑料制品或多或少都会残留内应力，因此在制品设计中应考虑结构、尺寸形状、壁厚均匀性、圆角连接等参数，尽量避免应力集中，降低残余应力。

4.取向

众所周知，由于塑料在成型过程中会产生取向，致使其性能、尺寸和形位精度等形成各向异性，从而直接影响制品的使用性，因此也应考虑取向情况及其对制品性能的影响程度来设计制品尺寸形状。

注塑件上产生取向是两方面的原因造成的。其一是熔体充模流动的诱导。在充模流动中，切应力和正应力导致了长分子链和链段的有序排列，又被冻结成取向状态。其二是温度差异的诱导。存在着熔体与模具间的温差，模具各区域的温差。随着时间的推延，塑料件各组元有温度变化快慢。由于塑料的热导率低，模具-塑件系统处于不均匀和非恒定温度场中。不均衡的热状态使模塑件的密度不均匀。冷却中不均匀的收缩造成的取向，在得不到充分松弛状态下被冻结下来。

取向方向的力学性能和收缩率大于均质材料。而垂直取向方向的力学性能和收缩低于均质材料。平行和垂直取向，两个方向的收缩率之比反映两者的力学性能差异程度。取向方向有较高的弹性模量和断裂伸长率。退火处理注塑件，对于流动诱导的取向没有明显的解冻和松弛的迹象，而对温差诱导的分子链段的取向有解冻下降的效果。

对一端射入熔体的矩形截面的长条试样，可测知在厚度方向取向程度。其中芯层的取向最低，但不为零。次表层的取向为最高。表面层的取向较低，在试条的长度方向，距浇口越远，取向程度越低。较大的模腔间隙，即厚度较大的塑件的取向程度低些。

因此，在制品设计时要分析预测制品各部位的取向状态，将制品有使用性能要求的部位设置在平行取向方向，如图19-70所示对塑料铰链件，将浇口应设在铰链附近，使充模熔体沿铰链弯曲轴线方向流动。而且在塑料件脱模后即行弯折，增强铰链区域的取向程度，有利于提高弯曲疲劳强度。

图19-70 塑料铰链取向位置

测试取向及残余应力，可对取向的注塑件进行回复试验。注塑件在加热箱中退火，使其有足够的时间松弛。从回复后注塑件外形尺寸变化，各位置上圆孔的椭圆化，可测知取向状态。对于透明塑件可用双折射法，将试片放在偏振光学仪上测得双折射率，再用应力-光学定律计算材料的内应力。对于不透明注塑件，可剖切试样用去层法测得残余应力。