塑料注射制品试制技巧与方法

每件注射制品的生产过程是一项系统工程。本节讨论的注射制品的试制是这项工程的前期策划阶段。它包括制品的失效分析、设计和材料选择。不容置疑，此阶段工作优劣将影响注射成型和模具设计，从而影响注射制品的质量。

1.失效分析

塑料制品失效分析是在塑料材料学的基础上，研究塑料及制品的失效形式和机理，从而预测塑料制品的安全使用期，指导和监控塑料及其制品的设计、生产和使用的全过程。完善的塑料制品设计还应包括制品的失效分析、成本核算和制品的功能和性能测试。了解塑料制品的失效形式有助于深入了解注射成型工程的全过程，有助于全面并深入认识塑料制品的质量。

（1）失效分析方法 塑料和塑料制品的失效，有力学、机械、物理和化学等因素。在众多因素中，对塑料材料的力学性能认识是讨论的基础。

由于构成的分子和结构不同，塑料与金属材料性能差异很大。相对而言，金属件的设计较为容易，因为金属材料与其制品的性能相差较小。金属零件的功能和性能可较准确地计算和预测。塑料制品的设计和试验测试必须考虑三个主要特点。

1）负载。作用于塑料件的负载有拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转五种基本类型和它们的组合。金属件的力学计算以强度为主，在精密机械设计时，才较多考虑刚度问题。塑料件的力学分析计算以刚度计算为主。普通塑料的弹性模量是钢材的1/100～1/50。塑料结构件在负载下容易产生塑性变形；在大多数场合因变形过大而丧失工作能力。另一方面，塑料的注射加工方法都要求注塑件壁厚不能过厚。塑料制品设计者追求薄壁组合的形体，以结构设计来提高注塑件的刚性。

塑料的负载校核计算有短期和长期的区分。塑料件在恒定负载下蠕变和在恒定变形下的应力松弛，在5年、10或15年的使用期限下有很明显的发展。塑料件在周期性交变载荷下，不但有疲劳破坏、冲击疲劳破坏，还有应变滞后热的生成。塑料件对负载施加的速率很敏感，有特殊的抗冲击性能。

2）温度。比起金属件，塑料制品是对环境温度很敏感的材料。塑料的热变形温度和低温脆化温度限制了塑料件的工作温度。各种塑料件的工作温度范围较小。塑料件的屈服应力和弹性模量等力学性能随温度升高而下降。塑料件的电绝缘性能和耐化学腐蚀性能等也会随温度提高而丧失。

3）时间。在长期的应力与应变作用下，塑料有蠕变和松弛行为。塑料的力学性能是时间的函数。塑料材料的弹性模量随时间增长而降低。黏弹性在塑料制品的设计和应用中必须考虑。另一方面，塑料件在长期使用中，会逐渐衰老而失效。热、光、氧、化学介质，气体和液体会使塑料件塑化、降解、脆化、渗透、溶胀、变色、脱黏和开裂，有随时间增长而缓慢恶化的过程。

对于不同用途的塑料制品，各有其行业的实用性试验标准和指标。实用性试验（Performance test）与塑料材料试验有相同的原理，但注重考察塑料结构件对变形和破裂的阻抗能力，考察塑料件在工作环境下长时期的功能和性能变化。例如塑料管件的环境应力裂缝试验，要从塑料管件中截取试样，并采用模拟环境的“加速试验”方法。

塑料制品的性能与其制造材料的性能有很大差距。这是由于材料性能测试试样和环境条件的局限性，是由于塑料件对负载响应的特殊性，对温度、时间、形状和尺寸的敏感性。又由于塑料件的加工经历，使材料损失了一些性能，因此在塑料件的设计过程中，必须进行失效分析来预测失效形式和寿命，以保证使用期内功能和性能满足要求。

（2）塑料制品的失效类型 塑料制品的多样性，工作条件和环境的复杂多变，以致塑料件的失效形式众多，需要正确确定一个或几个主要失效形式进行理论计算和试验预测。下面介绍几种常见的失效形式，供分析时参考。

1）屈服失效。屈服点是塑性变形的起点。剪切屈服和银纹屈服是塑料件破坏的先兆。短时静态负载作用的塑料件，用屈服点以下的许用应变或允许应力，作为塑料件上危险截面上的极限应变或极限应力。

2）蠕变和松弛失效。负载长期作用的塑料件产生过大的蠕变形变，最终会蠕变断裂。蠕变塑料件的材料，其蠕变模量随着时间增长而下降。用蠕变模量计算塑料件上最大的变形量，应该小于塑料件工作寿命期的极限变形量。压力装配的连接件和有预应力的密封件，其本身的应力松弛会使连接松动，密封失效。

3）冲击失效。受冲击的塑料件的形变和断裂是常见的失效形式。冲击负载的作用时间极短，塑料件的变形速率很高。材料、取向、缺口、温度和冲击速度都影响着塑料件的冲击性能。脆性聚合物与弹塑性聚合物及其复合塑料，有不同的冲击断裂机理。聚合物在低温和高速变形下有独特的冲击断裂特征。理论预测各种塑料件被冲击破坏是困难的。塑料件的破坏性冲击性能测试是常用的。

4）疲劳失效。在长期的交变应力作用下，疲劳裂纹的生成和扩展导致塑料件最终断裂。各种塑料的抗疲劳性能有较大差异。疲劳破坏是塑料齿轮和传动带等传动零件的失效形式，也是交通工具上受振动塑料件的失效形式。塑料件疲劳破坏的交变载荷的作用频率在10Hz以下。过高的频率会产生力学致热的失效。

5）力学致热。在振动负载的激励下，塑料响应之后使一部分能量以热的形式被耗散。单位时间产生的热量与振动频率、应变幅和损耗角正切成正比。一旦塑料件的工作系统失去热平衡，会软化失效。

6）环境失效。气体和液体对塑料制品的渗透、扩散和溶解，会使整体力学性能劣化。并引发环境应力裂缝。化学介质、热、光和氧的环境导致塑料件渐渐变质老化，缩短了使用寿命。

7）慢性裂缝生成。慢性裂缝生成SCG（Slow crack growth）的特点是在静载荷或静应力作用下，塑料及制品中裂纹的初始值，而后有缓慢成长过程，由小裂纹到大裂缝断裂的过程。它有别于动态载荷作用下生成的冲击裂纹和疲劳裂纹。慢性裂缝生成过程中受到环境因素和活性介质作用，会促进裂纹扩展和裂缝的生成。

塑料及制品长期在低应力作用，并在非溶剂的液体中浸泡，产生裂纹和生成慢裂缝。在长期的测试过程中，塑料材料有从韧性到脆化的转化现象。这种环境应力裂纹ESC（Environmental stress crazing）最早应用于塑料管的老化性能测试，可用显微观察测量裂纹随时间的成长过程。环境应力裂纹ESC可被视为低应力和环境试剂作用下的蠕变开裂。蠕变开裂失效排除了环境因素作用。许多情况下，环境条件加速慢性裂缝生成。

大量存在水、溶液、油脂、燃油、清洁剂和各种活性介质，与塑料材料及制品短时间接触或长期浸泡，同时又在低应力作用下，也有慢性裂缝生成。这种裂缝称为应力腐蚀裂纹SCC（Stress corrosion crazing）。尽管它也存在裂纹的初始化和缓慢成长过程，应力腐蚀裂纹是由于化学反应使分子链断裂，又借助应力作用加快了材料开裂的速率。但各种塑料制品形状各异，各种制品的体积和表面积之比相差很大。塑料片和薄膜，比厚壁试样更容易腐蚀。具有残余应力的注塑件，容易生成应力腐蚀裂纹。加上热降解和水解等因素，经常微波加热和蒸汽消毒的注塑件，开裂失效更为常见。

8）摩擦与磨损。摩擦使运动塑料件的工作能量有损失，导致塑料件表面材料的损耗和损伤。磨损破坏了塑料件摩擦表面的性能、形状和尺寸精度。伴随产生的塑性变形、热软化和热熔化、裂纹和撕裂，使塑料件过早丧失表面接触运动功能。

9）成型加工形成的损伤。熔合缝是塑料件的重要缺陷，造成了塑料件与原材料的力学性能的差距。塑料成型制品的取向、残余应力和收缩影响塑料件的内部和表面质量、形状和尺寸精度。以上两类损伤形成了塑料件材质的弱点和缺陷，也是上述各种失效产生和加剧的内在原因。

在许多情况下，由两个或两个以上相关因素，在同一时期和一定温度下，对塑料制品的失效有增强作用。例如：氯+紫外线、电场+水、臭氧+应力、射线辐射+氧、溶剂+应力等，这些综合失效形式已被关注和研究。

（3）塑料制品的失效原因 据对塑料制品失效事件的5千次统计，环境应力裂纹，占25%。各种失效形式出现比例，由多到少排列；依次为缺口类的缺陷而被冲击开裂、蠕变和松弛失效、动态疲劳裂纹、化学侵蚀失效、紫外线攻击失效、热降解失效。

安全使用期塑料制品设计的目标之一，是避免在使用期内早期失效。塑料制品在使用期内，存在塑料缓慢降解和性能衰减。确定塑料件的安全使用期，涉及整机产品的安全使用期和塑料件的更换期，决定了塑料制品的使用价值和经济价值。

人为因素是塑料制品失效的重要因素。据统计，其中约1/2的原因是塑料选择错误；错误的结构设计和加工质量低劣，各占20%；其次是使用不当或犯规使用，例如PET饮料瓶里装热水。

1）材料选择错误。塑料制品供应商和使用者，从审美观念要求制品着色光亮和表面容易修饰，倾向于选用ABS等无定形塑料。塑料制品的加工者，愿选用成型收缩率较小的无定形塑料，例如ABS、PC、PS和PMMA等，便于达到塑料件的尺寸精度。从失效分析观点，要考虑到无定形热塑性塑料的动态抗疲劳性能差，而且对于慢性裂缝SCG和应力腐蚀裂纹SCC生成的阻抗能力，比结晶型塑料差，因此，塑料齿轮不能错误用ABS和PC注射成型，应该用结晶型的聚甲醛POM和聚酰胺PA模塑。

2）错误的结构设计。塑料注塑件的转角为锐边和锐角，凹槽和缺口无圆角过渡，受到作用载荷时存在应力集中，容易开裂和缺损。螺纹联接的部位，瓶口螺纹和螺纹盖帽容易受载开裂。螺栓或螺钉夹固的凸台和柱孔必须正确设计，避免在联接载荷下，应力过多集中；注意塑料材料的抗冲击性能对缺口的敏感性。制品上微小缺口或划痕会影响慢性裂缝生成的速率。

3）加工质量低劣。众多塑料制品提早失效是由于在制品生产厂的加工过程中，已经受到损伤。这类失效是可预见的。塑料制品生产过程有效的质量控制和严格管理验收，可以避免或减少失效可能。

常见的生产过程对制品造成损伤的有：塑料改性混料的质量差，材料复合加工低劣和在加热加工过程中热降解和水解；制品材料中存在气囊和熔合缝；在后期加工的焊接、粘结和切割过程中遭受损伤。

注射成型固化后的塑料制品内，存在残余应力，残余应力较高的部位，如浇口附近或金属嵌件周围，容易生成慢性裂缝。被焊接部位曾受到过短时高温加热，存在温差残余应力；粘接部位曾受到活性胶黏剂和助剂侵蚀，这些也容易生成慢性裂缝。

2.注射制品设计

在塑料制品生产中，工程技术人员必须熟悉制品设计的有关理论、方法、结构和造型。塑料制品设计又与注射成型模具设计的关系密切。对于仿制产品中的注塑件，塑料注射模的设计和制造比较顺利。这是因为有注塑件实样作为模具设计的依据。而初次设计的注塑件试制品，理应允许注射模具有较长的生产周期。(www.xing528.com)

（1）设计要求 塑料材料的黏弹性，使其制品呈现对时间和温度的依赖性。注塑件不但在强度和刚度等力学性能方面，在静载荷下比钢材差许多，而且在各种频率的交变载荷下或在冲击载荷下，在各种环境条件下有不少特殊的失效形式。对塑料制品的使用寿命和可靠性设计，还处于科研和探索阶段。塑料制品设计的困难之处，在于聚合物材料的弹性模量低。因此，塑料制品设计更讲究有效地利用材料，使注塑件具有适用的刚性。追求几何形状的完美性的刚性设计，对塑料制品设计很重要。

塑料制品不同于金属零件，很少采用刀具进行切削加工。绝大多数聚合物的加工成型都经过熔体的流动和形变，通过模具来加工成型制品。塑料熔体在压力下充满模具的型腔，或在模具表面边界作用下成型，进而冷却固化。因此，塑料制品设计必须熟练掌握与之相应的成型模具的设计、制造和应用。

生产中的塑料熔体经模具的冷却系统作用快速固化。因此，制品的收缩存在波动和不均匀，使塑料制品的形状和尺寸精度的控制较为困难。塑料制品的精度取决于塑料材料注射成型方法、模具精度和冷却系统等因素。注射成型也决定了塑料制品必须厚度均匀。它由薄板构成，其厚度必须以所承受力学载荷和绝缘等使用要求确定，并保证塑料熔体能顺利充满型腔。

设计塑料制品首先要确定制品的功能和性能指标，然后选择合适材料，决定成型加工工艺。注塑件设计有方案拟订、结构设计、生产准备和定型三个阶段。

（2）拟订设计方案 在接受了设计任务后，需全面收集有关的资料和技术数据，进行综合分析后，必需做四步工作：

首先要科学地确定制品的功能和性能。注塑件所具有的功能包括使用功能和环境功能。在一定时间、空间和环境下，需要完成诸如包装、抗振、绝热、结构支承、电气绝缘和机械传动等功能。注塑件的性能有力学、热力学、物理和化学等性能。要注意到塑料的性能不等于塑料制品的性能。大多数塑料经加热熔融和冷却固化成型，原材料的性能会损失下降，会出现新的内在缺陷，影响注塑件的性能。常用塑料制品一般都参照汽车、建筑、包装和电气各行业的指标和测试标准。

第二步是选择合适的塑料。不仅要保证实现制品的功能和性能，也要考虑可加工性和生产成本。经常选择几种材料，用对比分析方法确定。

第三步是确定制品的加工方法。各种加工方法适用于一定形状和尺寸，具有一定的加工精度和生产率，要有相应成型模具和设备。同时确定注塑件的装配方法和表面修饰要求。

第四步是对注塑件进行失效分析。针对注塑件对时间、温度和环境的敏感性，为保证在使用期限里注塑件有可靠的功能和性能，必须按主要失效形式进行预测性的理论计算和相应的实验测试。轴与套的注塑件压力装配后，要计算温度升高和应力松弛后的传递力矩。塑料齿轮设计，必须进行在弯曲疲劳、接触点蚀和热膨胀下的模数和中心距的理论计算。在重要的场合需对制品进行冲击或疲劳、耐候或渗透等测试。

拟订方案时，要遵循多个方案分析比较和逐步优化的常规方法。

（3）结构设计 考虑注塑件的结构，基本上有功能结构、工艺结构和造型结构三方面。注塑件的结构设计主导了注射模的设计。它的每个细节都要与模具结构设计应对。因此，注塑件的设计师与模具设计工程师之间交流合作意义重大。

功能结构设计是结构设计的核心，主要是确定使用功能实现的制品形状、尺寸和壁厚。注塑件结构设计要做静载荷下短时和长期的变形校核；有的要进行动载荷冲击、疲劳、滞后热和磨损等校核。

合理的工艺结构设计是制品生产的前提。关系到注塑件质量、生产率和成本。聚合物流变学是工艺结构设计的理论基础，用以考虑注射成型的可行性。必须合理处理流动性、收缩率、嵌件和脱模等技术问题。注塑件的合理联接设计，采用螺纹联接或弹性卡夹联接，简化了单个注塑件，还能实现与非塑料件的联接，并保证了流水线上对注塑件的高效装配。

对于机壳、面板、仪表板和日用塑料制品，要通过外部造型设计予以装饰和美化。着色、喷涂、彩饰、被覆植绒织物、镀覆金属和模塑图案等修饰与美术相结合，能给人以美感。

结构设计要用工程制图进行形体的空间思维。各种草图、轴侧图、三视图和三维造型是相互交流的工程语言。现代的计算机三维造型保证了设计质量。例如：变形金刚玩具的造型设计，能保证各零件在多种装配关系下，不产生干涉。三维造型也为下一步的计算机充模流动数值模拟分析准备了形体数据。制作一些模型可以帮助结构设计。例如用透明的有机玻璃板粘结成机壳模型。设计中要跟各专业工程师和模具设计师一起工作。现代计算机技术也为注塑件设计提供各种专业软件与数据库。例如弹性卡夹、塑料铰链和塑料齿轮等辅助设计软件。在结构设计的最后阶段，慎重确定注塑件的尺寸精度、几何公差和表面质量的要求是项重要的工作。最后要绘制塑料制品生产用工程图。

（4）生产准备和定型 完成了注塑件的图样设计后，还必须与工艺工程师和模具工程师合作，对制品成型进行计算机模拟和生产验证，并进行修改，直至定型。

注射成型制品有各种CAE/CAD数值分析软件。注塑件三维造型后，计算机模拟注射工艺，可获知塑料熔体的充模流动、保压冷却、固化收缩和翘曲变形的分析结果。在此过程中，需对注塑件设计进行修正和优化。大型注射壳体壁厚相差0.1mm，就会明显影响熔体充模流动和制品材料成本。计算机分析软件校验和预测，是塑料新产品设计优化和制品优质的保证。

塑料制品与金属零件一样有规模效应。由于成型模具成本很高，生产批量与每个注塑件制造成本成反比。注塑件试制周期，还包括金属模具的机械加工周期。专门的注塑件生产，还需设计和制造专用的成型机。

此外，塑料制品的标准化和系列化程度反映了塑料工业的发展水平。对各种瓶盖、塑料门窗附件、塑料管的接头等产品的标准化工作，今后必将有更大进展。

3.塑料材料的选择

塑料材料的选择是塑料制品设计的重要组成部分。在制品注射成型后，考虑更换材料是困难和麻烦的，甚至是不可行的。材料的选择不仅要保证塑料制品的功能和性能，还要考虑加工生产、成本和供应。注射加工和模具设计的工程师了解和认知加工材料的性能，是实施工程项目的前提。在熟悉塑料材料分类和品种的基础上，要了解：塑料基体聚合物是热塑性还是热固性；结晶型还是无定形；聚合物混合物的比例；塑料中添加剂的配方；增强塑料的纤维分数。

从材料手册和材料制造商的说明书，以及塑料材料的计算机数据库，设计者可掌握全面和近期的材料信息。材料性能项目所列数值，一般是此种材料性能的平均值，应该从材料供应商处获取详细的材料性能清单。现代注射成型的CAE计算机辅助软件中的材料数据库，已经成为了解材料性能的重要途径。

（1）材料的性能 材料性能一般包括四方面：

1）加工性能：熔体流动速率（g/10min）、熔化温度（结晶型聚合物为熔点）、加工温度范围、料筒和喷嘴的加热温度、模具温度、注射成型的压力、固液态的压缩比、注射成型收缩率，以及塑料流动的流变曲线和冷却固化的P-V-T状态曲线。

2）力学性能：拉伸强度、拉断伸长率、拉伸屈服应力、压缩强度（断裂或屈服）、拉伸模量、弯曲模量（分别在22℃、92℃、120℃和150℃）、带缺口悬臂式冲击强度、硬度。

3）热性能：线胀系数、热变形温度（1.82 MPa和0.45 MPa）、热导率、比热容。

4）物理性能：固态和熔融态的密度、吸水率（24h）、介电强度（短时升压）。

材料的性能测试是规定的试样在标准的试验条件下进行。试样与塑料制品的形状和尺寸有很大差异。材料经加工后，绝大多数的注塑件的性能比原始材料低。因此，所选择材料性能要比注塑件的性能高，应该考虑安全系数。

（2）对照选用塑料材料品种乃至品级，材料的选择大致有四个步骤：

1）提出注塑件所需性能项目。除了前述的加工性能、力学性能、热性能和物理性能外，还有实现各种功能的专项性能。例如：包装用制品，需提出透明性、抗化学腐蚀，对气体和液体的渗透性；食品包装还要有食用无害要求；室内的日用注塑件应有阻燃性能要求；室外用品必须有耐候性等各项抗老化性能；电工注塑件有各种绝缘性能要求。

2）提出对原材料性能项目的最低数值清单。设计一个刚性热塑性塑料的注射成型结构件，对原材料性能的最低数值要求。包括拉伸强度、弯曲模量、热变形温度、带缺口悬臂冲击强度和断裂伸长率的对原材料性能数值要求。

3）初步选定一批候选材料。根据对原材料性能的要求，选定几种初选材料。可凭生产经验，以对材料品种的性能先进性和成本的了解，开列所考虑材料的清单，然后淘汰一批。

4）根据专门的性能和材料成本最终选定材料。对注塑件进一步分析比较。蠕变模量、介电强度、成型收缩率和材料成本。对于有刚度和精度要求的注塑件，还要比较可注射成型塑料件较高尺寸精度。如果两种材料收缩率相近，必要时可用成型模具试射注塑件进行分析比较。适用的塑料品种没有商品供应时，可以专门配制复合材料。对聚合物添加填料、用两种聚合物混合，有可能获得所需的改性塑料，但需要时间和资金。