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模具尺寸和塑料收縮率到底是什么關系？

2017-3-25 15:18:33

設計塑料模時，確定了模具結構之後即可對模具的各部分進行詳細設計，即確定各模板和零件的尺寸，型腔和型芯尺寸等。這時將涉及有關材料收縮率等主要的設計參數。因而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。即使所選模具結構正確，但所用參數不當，就不可能生產出品質合格的塑件。
一、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，充填結束後熔料冷卻固化，從模具中取出塑件時即出現收縮，此收縮稱為成形收縮。塑件從模具取出到穩定這一段時間內，尺寸仍會出現微小的變化，一種變化是繼續收縮，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的規定。即以23℃±0.1℃時模具型腔尺寸與成形後放置24小時，在溫度為23℃，相對濕度為50±5%條件下測量出的相應塑件尺寸之差算出。
收縮率S由下式表示： S={(D-M)/D}×100%(1)
其中：S-收縮率; D-模具尺寸; M-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) 在模具設計中為了簡化計算，一般使用下式求模具尺寸：
D=M+MS(2)。
如果需實施較為精確的計算，則應用下式： D=M+MS+MS2(3)
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，因而用式(2)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，便於必要時可作適當的修整。
難於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。因為不同工廠生產的同種材料的收縮率不相同，即使是一個工廠生產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，模具結構和成形條件等因素的影響。
二、塑件形狀
對於成形件壁厚來說，一般由於厚壁的冷卻時間較長，因而收縮率也較大，如圖1所示。對一般塑件來說，當熔料流動方向L尺寸與垂直於熔料流方向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。
三、模具結構
澆口形式對收縮率也有影響。用小澆口時，因保壓結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構也是模具設計中的一個關鍵。冷卻回路設計得不適當，則因塑件各處溫度不均衡而產生收縮差，其結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硬化，型腔內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。
四、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。對於厚壁塑件來說，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，發生的壓縮量越大，壓力解除后的彈性恢復也越大，使得塑件塑件尺寸更加接近型腔尺寸，因此收縮量越小。
可是，即使是對于同一制品來說，模腔內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。此外,多型腔模具的各模腔所受壓力應設計均勻，否則就會產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。但對於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，內應力和翹曲變形最小。
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在澆口凍結后制品脫模之前這段過程。而在澆口凍結之前，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時間延長，導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果，其數值不一定隨著模溫的升高而增大。如果澆口發生凍結，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生變化，從而也影響收縮率的變化。在作材料試驗時，應按照由所需產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。
五、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。但由於塑料收縮率范圍和穩定性各有差異，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定較差塑料成形塑件的尺寸公差應取得大一些。否則就可能出現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標準。中國也曾制訂了部級專業標準。但大都無相應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標準及相應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參考。
六、關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。 △VS=VSR_VST(4)
式中： VS-成形收縮差 VSR-熔料流動方向的成形收縮率 VST-與熔料流動垂直方向的成形收縮率。
根據塑料△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、110、120、130、140、150和160公差組。并規定，用收縮特性最穩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。表中的一般公差用於不注明公差的尺寸公差。直接標注偏差的公差是用於對塑件尺寸標注公差的公差帶。其上、下偏差可設計人員自行確定。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是由模具零件組合形成的尺寸，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。精密技術是專門設立的一組公差值，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。
七、模具的制造公差
德國國家標準針對塑件公差制訂了相應模具制造公差的標準DIN16749。該表中共設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。精密技術相應的模具制造公差為序號4的公差。
可以合理地確定各種材料塑件的合理公差和相應的模具制造公差，這不僅給模具制造帶來方便，還可以減少廢品，提高經濟效期益。

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