第10章：收缩与翘曲
10.1 注塑成型与收缩
本节讨论加工与收缩的关系，特别说明保压压力对收缩的影响。
10.1.1 什么是收缩和翘曲？
塑件收缩可理解为零件几何尺寸的减小。若收缩均匀，零件不会变形或改变形状，只会变小。翘曲发生在收缩不均匀时。零件各区域收缩不等会在内部产生应力，视零件刚度而定，可能导致变形或形状改变，长期甚至会开裂。
10.1.2 收缩与机器设定
所有成型人员都知道，加工条件会影响收缩，从而影响翘曲。熔体温度、模具温度、注射速率、保压压力、保压时间及壁厚，都与收缩存在典型关系；但这些曲线只适用于特定的模具和材料组合。零件的最终收缩是机器设定的复杂函数，其中主要因素是材料在模具内充填、保压和冷却期间经历的压力与时间历程。
图 10.1：机器设定对收缩的影响。
10.1.3 模具充填与保压
塑料熔体在注塑压力下具有很高的可压缩性。螺杆前移时，料筒中的材料被压缩，因此型腔内流量小于螺杆位移所显示的流量；螺杆减速时，塑料在压力下膨胀。熔体的可压缩性使充填到保压的过渡平滑。
成型过程常按机器设定分成充填与保压两段，但带传感器模具的试验表明，实际情况远非如此。塑料可压缩性造成螺杆位移与塑料移动之间存在时间延迟，机器上的充填转保压通常发生在型腔充满之前，最后阶段的充填由受压材料的膨胀完成。
图 10.2：简单塑件的压力曲线。
10.1.4 压力和时间如何影响收缩
压力大小和施压时间会显著影响型腔材料的收缩。材料实际承受的压力不仅取决于机器设定，也取决于材料黏度和型腔几何形状。虽然问题复杂，仍可集中考察浇口附近和流动末端两个关键区域。
10.1.4.1 浇口附近的收缩
浇口附近比流动末端更容易加压和卸压，因此压力、时间与收缩的关系通常较简单。只要保压持续到浇口冻结，高保压压力会带来较低收缩，此时浇口周围的收缩通常小于流动末端。若保压未持续到浇口或流道系统冻结，型腔压力会使塑料反流回流道系统，结果可能使浇口区域收缩大于型腔其余部分。
10.1.4.2 流动末端的收缩
压力必须透过塑料传递至型腔末端。型腔几何形状、黏度以及供料系统和型腔内熔体通道保持开放的时间，决定压力传递的效果。高保压压力会因压力快速分布到整个型腔而产生很高的初始流量；型腔加压后，流入型腔的流量来自材料收缩，与初始流量相比可能极低。低保压压力可能相反，初始流量较小，冻结层迅速增长，但材料冷却时从高温到低温的体积变化较大，因此补偿流量可能高于高压情况。
高保压压力并不必然表示流动末端收缩更小，因为上游区域可能在周期中较早冻结，阻止压力继续保压流动末端。
10.1.5 热不稳定流动
塑料流动具有自增强性，流动会把热量带入某区域，从而维持流动。厚外缘圆盘在保压时对厚外缘产生较高补偿流，塑料不会作为薄圆盘流动，而会形成一系列自增强的流道。这些流道保持塑料温度并加热模具，而低流量区域在保压早期便冻结。流道中充满高度取向材料，且其冷却晚于零件其余部分，会像受拉构件一样造成翘曲。
这种效应在主流道对面和拐角处尤其重要。塑料并非纯黏性材料，还具有一定机械强度。熔体在主流道处改变方向时，需要外力使材料发生物理变形，该力来自主流道对面的壁面，因而形成高度不对称的流动模式。拐角也会因微小温差或弹性效应而产生不对称流动。充填阶段几乎无影响的微小模温变化，在保压阶段会产生重大影响；冷却水路位置可显著改变保压流动，一旦形成，后续保压中将持续自增强。
10.2 收缩与翘曲的基本原因
本节从体积收缩、结晶含量、应力松弛和取向等基本因素解释收缩与翘曲。相对于机器参数，这种表述更适合作为设计准则，因为机器参数与收缩的关系过于复杂。
10.2.1 收缩的原因
塑料零件收缩的驱动力是材料从熔融态冷却至固态时的体积变化。体积收缩与零件线收缩的关系还受模具约束、结晶度和取向影响。翘曲由收缩变化造成。
10.2.1.1 体积收缩
所有塑料从熔融态冷却到固态都会产生很大的体积收缩，无压力时通常约为 25%。塑件必须以某种方式补偿这种收缩。注塑中的高压能够减小体积收缩，但绝不能将其消除。
压力、体积和温度的关系可用 PVT 关系表示；它将比容，即密度的倒数，与温度和压力关联。聚合物 PVT 数据通常投影到比容和温度平面。
图 10.3：三维 PVT 图。
通常的注塑压力只能使体积收缩减少约一半。室温常压点、典型成型温度点和典型成型保压点之间的关系显示，若要让熔体到固态的收缩为零，所需压力远高于注塑机可提供的压力，单靠施压消除收缩并不现实。
图 10.4：聚合物的 PVT 图。
结晶度。 PVT 曲线通常在恒温或极慢冷却速率下测得，此时结晶含量已达平衡，故由 PVT 得出的体积收缩称为平衡体积收缩。冷却速率和取向都会影响结晶含量。快速冷却条件下难以取得 PVT 数据，因此实际或净体积收缩通常由平衡体积收缩结合结晶动力学数学模型求得。
10.2.1.2 线收缩与体积收缩的关系
线收缩由体积收缩驱动，但不是一一对应。若塑料可在各方向自由且各向同性收缩，线收缩
在给定压力、温度和结晶度下，体积收缩总是相同；但它分配到厚度、平行流动和垂直流动三个线收缩分量的方式会变化。这一关系取决于应力松弛和取向。
应力松弛。 实际上，塑件平面内的两个线收缩分量通常远小于体积收缩的三分之一，因为材料在型腔内沿自身平面受到约束，而在厚度方向可自由收缩。材料试图在平面内收缩时，模具约束会产生应力。应力松弛速率取决于材料的松弛特性，以及零件在模内受约束期间经历的温度时间历程。零件冷却时应力会松弛，造成永久变形，类似恒应变应力松弛试验中一部分应力松弛后形成永久变形、残余应力形成弹性变形的情形。
图 10.5：模具约束的影响。
模内每次降温都会带来新的应力输入。高温时大部分应力松弛，低温时较高比例以弹性形式保留。单纯让冷却后的零件在型腔内停留更久，对收缩影响很小。冷却速率显著影响松弛程度。提高模温会让材料有更多时间松弛，从而使相对于体积收缩的线收缩减小，但可能延长冷却时间。松弛慢、抗蠕变性高的材料在型腔中应力较大，脱模时回弹并显示较高线收缩；松弛快的材料更贴合型腔尺寸，线收缩较低。
取向。 取向会使塑料沿流动方向和垂直流动方向的收缩不同。长链分子取向最初由剪切产生，高温下分子可移动，剪切应力移除后取向会迅速松弛。剪切过程中的冻结会锁定取向。取向材料通常会松弛，所以沿流动方向的收缩大于横向收缩；对可结晶材料，横向可能出现更紧密堆积，使横向收缩相对增大，这在易发生剪切诱导结晶的材料中很明显。
对纤维增强材料，纤维取向的影响大于分子取向，且纤维取向不一定沿流动方向，因此上述规律不适用。聚丙烯是有趣的例子，低取向时剪切诱导结晶占主导，平行流动方向收缩较大；较高取向时垂直流动方向收缩较大。
图 10.6：聚丙烯平行与垂直方向的收缩。
10.2.1.3 小结
- 体积收缩是线收缩的驱动力。
- 体积收缩由压力和温度决定，对结晶材料还受冷却速率影响。
- 体积收缩产生厚度、平行流动和垂直流动三个方向的线收缩。
- 体积收缩与线收缩的关系取决于材料的松弛特性和取向影响。
10.2.2 翘曲的原因
翘曲由零件各处收缩的变化造成。高而均匀的收缩只会使零件变小，不会造成翘曲。每个位置都有平行和垂直流动方向的收缩。收缩计算机模拟会为每个单元输出材料取向方向及两个收缩值。为分析收缩如何引起翘曲，可分为取向效应、面积收缩效应和差异冷却效应。
10.2.2.1 取向效应
取向效应来自平行和垂直方向收缩的差异，适合在零件局部区域内考察。该差异可由分子取向或纤维取向引起。
10.2.2.2 面积收缩
比较零件不同区域的收缩时，面积收缩是有用概念，也称差异收缩，定义为平行和垂直收缩共同造成的面积变化。面积收缩可比较浇口附近和充填末端等不同区域的收缩差异；取向效应用于比较同一区域不同方向的收缩变化。
图 10.7：面积收缩的定义。
10.2.2.3 差异冷却
冷却差异也会引起翘曲，最常见情形是模具相对两个表面温度不同。零件刚脱模时可能完全平整，但顶出后冷却至均匀温度时，两侧收缩差会形成弯矩并导致翘曲。箱形结构常出现这种问题，通常因为箱体内侧比外侧更难冷却，内侧模温较高，进而产生温度和收缩差异。
图 10.8：差异冷却引起的翘曲。
厚薄壁也可能产生类似效应。结晶材料因收缩差异而更容易出现问题，但非晶材料同样可能受影响。厚区在顶出时可能更热，随后冷却时，厚薄区收缩差会产生内应力。热区在模内受约束的时间短于冷区，也会造成收缩差异。
10.2.3 取向、面积收缩与翘曲的关系
收缩变化是翘曲驱动力，零件几何刚度会抵抗它。刚度高且收缩变化大的零件可能不翘曲，却会有较高内应力；在相同收缩条件下，刚度较低的零件可能翘曲更大而内应力较低。
中心浇口圆盘可说明两种典型响应，即圆顶形和鞍形翘曲。圆顶形可由外区面积收缩大于内区引起，圆周试图缩小而半径保持，圆盘弹成圆顶以减小圆周；若流动为径向且垂直流动收缩大于平行收缩，也会形成圆顶。鞍形则由内区面积收缩大于外区，或垂直收缩小于平行收缩引起。因此，圆顶和鞍形都可能源自取向或面积收缩，仅凭观察零件不能判断根因。
图 10.9：圆盘的圆顶形和鞍形翘曲。
10.3 考虑翘曲的精密塑件设计
零件和模具设计者可从材料选择、壁厚变化、浇口位置与流道尺寸、成型条件及冷却水路布局五方面改善尺寸稳定性。
10.3.1 材料选择
材料选择受许多因素影响，收缩只是其中之一。为达到尺寸精度，有时会规定收缩低且均匀的材料，这往往更昂贵。应用收缩和翘曲设计原则后，可能采用更具成本效益的材料并取得显著经济收益。了解不同材料的基本收缩特性有助于正确设计，Moldflow 开发的收缩测试方法可提供这些特性。
10.3.2 壁厚变化
改变壁厚会同时改变收缩和机械刚度。传统教材常主张壁厚均匀，但实践中均匀壁厚不一定最优，细微变化可带来好处。局部壁厚通常仍有较大调整余地。增厚一般会减小取向，却增加面积收缩。
10.3.2.1 结晶材料
对结晶材料，结晶含量变化通常主导其他效应，因此增厚会增加面积收缩。
10.3.2.2 非晶材料
对非晶材料，主导效应是不同冷却速率和顶出温度导致的松弛变化。若延长总合模时间，即零件留在型腔内的时间，面积收缩会减小；若合模时间短、零件热态顶出，模具约束较弱，收缩会增加。壁厚不均时尤其重要：厚区尚未充分冷却便顶出，会加大厚薄区收缩差，在零件最终冷却到室温后增加翘曲应力。
10.3.2.3 用壁厚控制浇口附近收缩
分析常显示最大取向在浇口周围。该处差异取向收缩像拉索一样将零件端部拉向浇口，可能导致翘曲。增加浇口周围厚度可降低取向，从而减小取向效应造成的翘曲，但通常会增加面积收缩，可能加大差异面积收缩引起的翘曲。若同时增加浇口周围和流动末端厚度，可维持均匀面积收缩并减小翘曲。
10.3.2.4 用壁厚控制取向和面积收缩
若面积收缩是翘曲主因，零件端部应比浇口处更厚；若取向是主因，中心应更厚，同时增加端部厚度以减小面积收缩导致的翘曲分量。结晶材料更易发生面积收缩，通常向浇口方向渐薄；非晶材料更易受取向影响，通常远离浇口方向渐薄。
以简单箱体的鞍形翘曲为例，浇口区域的高取向或高面积收缩都可能导致它。若根因是非晶材料常见的取向，应增厚浇口周围；若根因是保压期压力分布或结晶度变化造成的面积收缩，应增厚流动末端，必要时配合流动引导条。取向效应与面积收缩的解决方法相反，因此准确诊断至关重要。
图 10.10：用壁厚控制翘曲。
10.3.3 浇口位置和流道尺寸
供料系统设计是获得尺寸精确零件的关键因素。应先尝试将单一浇口置于塑件的流动重心。若单一浇口不可行，可将塑件概念上分成若干子塑件，把浇口置于各子塑件流动重心，再确定流道尺寸，使各子塑件同时充满。其本质是避免过保压引起的收缩变化、零件粘模等问题。只有充填分析时这些原则仍有效，但可通过保压、收缩和翘曲分析进一步细化。
图 10.11：浇口布置与流动重心。
10.3.3.1 浇口数量和位置的设计准则
以最佳保压压力下流动末端体积收缩接近设计值为准则确定浇口数量和位置。在给定收缩值下，高加压阶段配合最小补偿阶段能获得最低应力。实践中即在不溢边的条件下采用最大保压压力，模拟中以锁模力上限确定。也可用随时间升高的低保压压力维持关键流量，避免上游流道冻结，从而减小收缩；但这会造成较高取向和残余应力，只有没有其他可行方案时才使用。
浇口应使所有流动路径末端的收缩同时均匀且可接受，实践上近似于让所有流路同时充满。厚薄壁并存时，为实现更均匀保压，可能需要把浇口移近流动末端的厚区。改变浇口位置有时是控制取向效应、获得合格设计的唯一方法。
10.3.4 成型条件
第 2 章形成的成型条件原则仍适用，但应利用注射速度曲线加以修正。传统目标是型腔内温度均匀，即摩擦热与传导散热平衡。实际上多数热量在浇口附近产生，温度在浇口附近升高后向流动末端降低，因此准则是流动末端温度应等于浇口温度。
流道系统设计的目标是降低料筒温度以减小降解，再由流道产生摩擦热。该准则没有考虑浇口附近容易出现的喷射和其他表面缺陷。采用程序注射时，应在不发生喷射、过热等问题的条件下，用尽可能短时间充满型腔，并保持较高的流动末端温度。机器流量和锁模力能力也构成机械约束。理想曲线以最大注射速率和锁模力为上限，局部降低流量，使材料最高温度、剪切速率和剪切应力等约束不被超过。刻意在关键区域，通常是浇口和流动末端，降低注射速率，反而可获得更短的总注射时间；许多情况下可用锁模力要求在充填末端降低注射速率。
保压阶段目标是在不超出锁模力限制的情况下使型腔末端加压。设计良好的供料系统应允许快速加压。恒定锁模力准则通常使保压压力随时间衰减，直至流动末端塑料冻结或达到所需体积收缩，二者实际给出相同结果。之后冻结前沿应逐步向浇口回退，每一时刻都可调整保压压力，使整个零件获得所需体积收缩。
10.3.4.1 体积收缩的设计准则
成型材料的体积收缩范围很宽，甚至可能为负值，即零件脱模后膨胀，通常源于周期结束时零件内仍有残余压力和过高保压压力。另一极端是体积收缩超过 15%。低或负体积收缩往往伴随高取向和高残余应力；很高的体积收缩通常导致厚度方向收缩过大，表现为表面质量差或缩痕，即使平面内收缩仍正常。此时模具约束会因塑料在型腔中被拉伸变薄而产生很高应力，应避免这两个极端。
10.3.4.2 均匀且可接受的体积收缩
收缩设计的第一步是让全件达到均匀且可接受的体积收缩。仅保证充满并不能保证收缩可接受，特别是流动末端。第 2 章建议限制压力和温度，充满型腔所需压力应显著低于机器可用压力，流动末端温度应足够高，最好接近型腔入口熔体温度。这些原则可靠但略保守，现在可改述为在整个型腔实现均匀且可接受的体积收缩，材料测试程序会确定可接受的设计值。
10.3.4.3 减少缩痕
厚薄壁或极长流路的零件可能无法达到理想条件。通常不应通过薄区充填厚区，但对凸台等无法避免的情形，需要采用另一策略。不要以锁模力许可的最高压力开始，而应降低充填结束压力，避免型腔回流；随后保持低压使冻结层生长，再逐步升压以维持恒定流量，从而保持均匀冻结层厚度。压力升至最大锁模力准则后，再按保持恒定体积收缩的准则衰减。该方法能减少缩痕并提高流动末端保压，但会带来显著取向和应力，仅应作为最后选择。
10.3.4.4 熔体温度
提高熔体温度可能增大也可能减小收缩。很低的熔体温度通常因无法充分保压而导致较高收缩；温度提高到一定程度时，黏度降低，保压压力能更好传递，收缩减小。固定保压压力和时间下继续升温，因型腔充入密度较低的材料，收缩会增加。
10.3.4.5 成型条件对取向的影响
上述准则会减小全件体积收缩变化，却不直接考虑取向。取向由剪切和冻结共同引起。一般而言，在约束范围内尽快充满型腔可减少取向。大多数取向发生于保压阶段，若诊断为取向是翘曲主因，应使用较高熔体温度，可能配合更快注射，并接受较高但仍均匀的体积收缩。
10.3.4.6 模具温度
模温变化是众所周知的翘曲原因，箱体侧壁经典的内弯通常由型芯和型腔温差引起。若翘曲来自冷却不佳，通常可通过重新布置冷却水路、使用铍铜嵌件或热管、提高冷却液流量等解决。设计冷却回路的目标不一定是模温均匀，而应是冷却时间均匀。因此在可行处，厚区应采用较低模温，薄区可有意采用较高模温，例如将冷却水路远离表面。较高模温可使收缩更均匀、取向更低，却要求更长冷却时间；提高模温却不增加冷却时间，会因模具约束时间减少而得到更差的制品。
10.3.4.7 保压压力
初始高、随后随时间降低的保压压力，能使面积收缩更均匀并降低取向，通常最适合壁厚变化很小的零件。若薄区向厚区供料，这种方式并非最佳。初始低、随时间升高的保压压力可使厚区获得高保压，减小缩痕，但会造成高取向；改变浇口位置往往是更好的解决方案。
10.3.5 冷却水路布局
不应只追求让冷却水路尽量靠近零件。模温变化可用于补偿其他翘曲来源。例如中心浇口零件常因浇口处高取向和过保压造成的低收缩而扭曲或呈鞍形，可有意让模具端部较热以增加收缩，让浇口区域较冷以减小收缩。浇口附近因塑料流动时间较长和摩擦热较高，热负荷更大。要实现外侧热、浇口区冷的温度分布，可能需要高度非标准的冷却回路，实际中更可能使用各自独立控温的双回路。
模具两侧温差也可有意使零件向特定方向偏转。常见例子是肋厚小于主体壁厚的零件，自然会向远离薄肋的一侧偏转。提高肋区温度可使零件回偏至所需形状。有时可使用低导热嵌件或带独立冷却回路的嵌件形成肋，从而更好控制肋温。