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塑料注射成型本质上会收缩，因为过程温度下降到室温，会导致聚合物的密度发生变化，从而产生收缩。 零件和截面收缩的差异会产生内部残余应力，其效果与外力完全相同。 如果注塑时残余应力高于塑件的结构强度，则塑件脱模后会翘曲或受外力开裂。

1、残余应力

残余应力是塑件成型时由熔体的流致或热致效应引起并冻结在塑件中的应力。 如果残余应力高于塑件的结构强度，则塑件可能会在注射过程中发生翘曲，或稍后在负载下开裂。

残余应力是造成塑件收缩和翘曲的主要原因。 良好的成型条件和设计，可以减少填充模腔产生的剪切应力，可以减少熔胶流动产生的残余应力。 同样，充分的包装和均匀的冷却可以减少热效应引起的残余应力。 对于添加纤维的材料，促进均匀机械性能的成型条件可以减少由热效应引起的残余应力。

1-1 熔体流动引起的残余应力

在没有应力的情况下，长链聚合物在高于熔点的温度下处于任意卷曲的平衡状态。 在成型过程中，聚合物被剪切和拉伸，分子链沿流动方向排列。如果分子链在平衡完全松弛之前凝固，则分子链取向在塑件中被冻结。 这种应力冻结状态称为流致残余应力，会引起流向和垂直于流向的不均匀性。

均匀的机械性能和收缩率。 一般来说，流动引起的残余应力比热效应引起的残余应力小一个幂。

由于靠近模壁处的高剪切应力和高冷却速率相互作用，表面的高取向会立即冻结，如图7-1所示。 如果塑件存放在高温环境中，塑件会释放部分应力，导致收缩和翘曲。

固化层的隔热作用使聚合物中心层保持较高的温度，可以释放更多的应力，因此中心层的分子链排列度较低。 降低熔体剪切应力的成型条件也会降低流动引起的残余应力，包括：

图 1. 在填充和保压阶段冻结的分子链方向，导致流动引起的残余应力。

(1)表示高冷却速度、高剪切应力或高取向； (2) 表示低冷却速率、低剪切应力或低取向。

1-2 热效应引起的残余应力

注塑成型中塑料的收缩可以用自由冷却的例子来说明。 如果温度均匀的塑件突然被两侧的冷模壁夹住，在冷却初期，当塑件表层冷却并开始收缩时翘曲扭转，塑件内部的聚合物仍处于高温熔融状态，可以自由收缩。但是，当塑件中心温度下降时，局部热收缩受到凝固表层的限制，导致中心层产生拉应力，而表面

层内压应力的典型应力分布如图 2 所示。

塑件表面到中心的冷却速度不同，会因热效应而产生残余应力。 更重要的是，如果模具两侧模壁的冷却速度不同，也会造成不对称的热效应残余应力，塑件断面拉应力和压应力的不对称分布会造成弯曲瞬间，导致塑料部件翘曲，如图 3 所示。

肉厚不均、冷却不良的塑件都会造成这种冷却不平衡翘曲扭转，从而产生残余应力。 复杂塑件由于肉厚不均匀、模具冷却不均匀、模具自由收缩受到限制等因素，热效应引起的残余应力分布变得更加复杂。

图2 塑件冷却不均匀的影响和塑料的温度历程，导致热效应引起的残余应力。

图3 塑件截面方向冷却不均匀，造成热效应不对称产生残余应力，造成塑件翘曲。

图4说明了由保压压力历史引起的凝固层比容的变化。 其中，左图为某段塑件的温度分布曲线。 为便于说明，将塑件沿厚度方向分为8层，每层凝固时间在曲线上表示为t1~t8。

注意塑件从最外层开始凝固，到中心层需要的凝固时间越长。

中图为各层典型的凝固压力历程，分别为P1~P8。 充模阶段的压力通常逐渐升高，在保压初期达到最高压力，然后由于浇口冷却凝固，压力逐渐降低。 结果，塑件的表层和中心层在低压下凝固，而其他中间层在高保压下凝固。右图说明了 PvT 图上第 5 层的比体积历史，以及最终的各层凝固

时间的比容用实心圆圈标记。

知道每一层的凝固比容，塑件每一层的收缩行为会根据PvT曲线收缩不同。 假设每层按图5分开，结果会收缩到中间图中的情况，而中间层如2、5、6、7由于凝固比容低（或凝固密度高）。 相反，各层连接在一起，导致收缩分布受损，中间层受压，外层和中心层受拉。

图5 各凝固层的比容差异相互作用，导致塑件的残余应力和变形不同。

1-3 工艺引起的残余应力和模腔残余应力

对于注塑成型的模拟，工艺引起的残余应力比型腔内残余应力更重要。 下面介绍这两个术语的定义，并举例说明它们的区别。

塑件顶出后，模具型腔对塑件的约束解除，塑件可以自由收缩变形，直至达到平衡状态。

此时塑件中残留的应力就是制造过程中产生的残余应力，或简称为残余应力，它包括流动引起的残余应力和热效应引起的残余应力，以及热效应是主要的。

当塑件仍受制于模具型腔时，塑件凝固所积累的内应力称为型腔残余应力，它会驱使塑件脱模后发生收缩和翘曲。

图6左上图为成型塑件脱模前仍受模具约束的模腔残余应力（通常为图中所示的拉应力）。

一旦顶出，模具对塑件的束缚解除，塑件释放模腔残余应力而收缩翘曲。 因顶出塑件收缩分布引起的热效应残余应力分布曲线如图6左下图所示，在无外力作用下，塑件断面拉应力等于压应力应力并达到平衡状态。 图6右下图为塑件厚度受冷不均匀，导致残余应力不对称，翘曲变形。

图6（上）模腔残余应力分布曲线和（下）工艺诱发残余应力分布

曲线和顶出后的塑件形状。

由热效应引起的残余应力可以通过导致充分填充和均匀模具壁温的条件来减少，包括：

2.缩水

当注塑塑件从工艺温度冷却到室温时，收缩率可高达20%。 结晶材料和半结晶材料冷却到玻璃化转变温度以下时，分子排列比较规则，形成晶体，特别容易发生热收缩；

非晶材料在相变过程中没有微观结构变化，热收缩率也比较小。 因此，结晶和半结晶材料的熔融相和固（结晶）相之间的比容差异比非晶材料大，如图 7 所示。此外，冷却速率也影响结晶的 PvT 行为和半结晶材料。

图 7 无定形和结晶聚合物的 PvT 曲线。 从工艺状态（A点）到常压常温状态，比容变化Δυ。 注：随着压力的增加，比容减小。

塑件收缩过大的原因有注射压力太低、保压时间不够或冷却时间不够、熔体温度太高、模具温度太高、保压压力太低，以及收缩率与工艺参数、肉厚的关系说明图 8：

注塑成型时，如果塑件的体积收缩率得不到补偿，会造成塑件表面下垂或内部气孔，因此在设计模具时必须考虑塑件的收缩率。 工艺条件的设计和设置非常重要，特别是对于组合塑料件。

型腔填充后立即进行保压以减少/消除凹痕和孔隙率以确定零件尺寸。 模流分析软件可以预测塑料部件的收缩，为正确的模具设计提供指导。

图8 影响塑件收缩的工艺和设计参数