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主题:虎皮纹的成因与解决措施

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虎皮纹的成因与解决措施  发帖心情 Post By:2011/12/27 22:32:00 [只看该作者]


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关于注塑制件虎皮纹的形成原因和解决措施

杨明华

 摘要:本文用出模膨胀原理揭示了注塑制件形成虎皮纹的原因,并从注塑工艺、模具设计和材料配方三个方面提出了如何解决虎皮纹的措施。

关键词:出模膨胀、巴拉斯效应、虎皮纹、注塑制件

 一  引言

大型注塑零件在汽车上面的应用越来越多,并且出于降低成本的考虑,免喷涂注塑制件的应用范围越来越广。但是这也对注塑件的外观质量要求越来越高。在汽车保险杠、仪表板、门板和流程较长的内饰件等大型零件上,出现了一种外观缺陷,其特征是垂直于流动方向出现一条一条的纹路,看起来就像是老虎皮上的花纹一样,俗称虎皮纹,如下图所示。

 

 

 

 

 

 

    图1.汽车仪表板上的虎皮纹现象

二、虎皮纹的形成原因分析

当高聚物熔体从小孔、毛细管或狭缝中挤出时,挤出物的直径或厚度会明显大于模口的尺寸,这种现象称为挤出物胀大或出模膨胀. 1893年美国生物学家Barus首先观察到了这一现象,所以又称Barus效应,亦称出模膨胀。例如聚苯乙烯于175-200℃以较快速度挤出时,直径膨胀可达2.8倍。产生这种现象的原因为:高聚物熔体受力被挤入较细的管道或模孔后,由于剪切应力的作用不仅使高分子链发生相对位移,而且使链段沿流动方向取向,同时主链的链长和键角也沿着流动方向伸展,即熔体不仅发生塑性流动,而且产生高弹及普弹形变。熔体离开口模后,剪切应力消失,高分子链首先产生键长、键角回缩,继而向热力学稳定构象——自然卷曲状态产生回缩,从而引起挤出物的轴向尺寸的缩短和横向尺寸的增加。挤出物胀大随切变速度增大而增大,在到达最大值后再下降。分子量增大和其他能增加缠结的因素(如长支链的增加)都将使挤出物胀大增大。塑料中橡胶弹性体的含量越大,挤出物离开口模时的弹性恢复效果就越明显,出模膨胀就越厉害。

 

口模

 

高分子链

 

挤出物出模膨胀

 

分子链由于剪切应力的作用而被拉伸,从而产生弹性形变

 

由于剪切应力消失,分子链恢复卷曲状态

 

 

 

 

 

 

 

图2 挤出物发生出模膨胀及微观原理说明图

    在注塑成型时,当塑料熔体通过较小的浇口时,会在浇口处受到较大的剪切应力而使塑料在分流道和浇口处发生较大的体积收缩和弹性变形,一旦通过浇口进入空旷的型腔后,就会由于流动阻力突然变小而导致塑料熔体发生弹性回复而体积膨胀,从而导致熔体压力和流速产生较大的波动,并导致流动前沿发生膨胀跳跃现象,表观上就会形成虎皮纹。

 

形成虎皮纹

 

 

 

 

 

 

 

图3 塑料熔体流动形成虎皮纹的分析

同样,熔体在流动过程中,制件较薄,型腔空隙较小,模温过低,流动过程中制件结构造成流动波动或者流程过长,射速较快等,都会造成熔体前沿阻力增大,熔体流动明显减速或出现停滞,此时充填的区域外观光泽差,且较窄。但此时热的熔体不断从浇口涌来,具有粘弹性的塑料熔体开始吸收并储备能量,当能量积聚到一定程度时,即可突破熔胶前沿的阻力,熔体开始急速膨胀,跳跃推进,此时新充填的区域外观光泽好,且较宽。这就形成表观上的光泽度出现差异,从而形成虎皮纹。

塑料熔体的粘弹性越强,这种现象越容易出现。弹性较弱的材料就很少会出现虎皮纹现象。比如增强材料、非增韧的尼龙、PBT等材料成型过程中很少有虎皮纹现象,而ABS、HIPS以及添加了EPDM、POE等橡胶成分的PP材料,则非常容易出现虎皮纹缺陷。原因就在于橡胶成分越多,熔体的粘弹性形变越大,越容易出现出模膨胀效应而导致虎皮纹。

三、解决措施

根据前面的原因分析,可以从以下几个方面来消除虎皮纹:

1、  注塑工艺方面:(1)降低射速(目的是为了让熔体中的橡胶弹性体成分有更多的时间来实现弹性回复,避免形成突然的出模膨胀而导致压力波动和流动前沿的流速变化)。(2)提高塑料加工温度和模具温度(目的是为了减小塑料冻结层的厚度,减小流动阻力,并能提高熔体与模具表面的复制效果)。

 

 

 

 

 

 

图4.某汽车零件采用50%注射速度出现虎皮纹                 图5.采用15%注射速度后虎皮纹消失

2、模具结构方面:(1)扩大浇口截面厚度和宽度和分流道直径,浇口厚度必须要达到零件壁厚的0.8——0.9倍(目的是为了减小流道中的阻力,从而减小出模膨胀效应);(2)增加浇口数目,尽量减少流长比(调机过程中我们发现:靠近浇口的地方没有虎皮纹,超过一定距离后虎皮纹就会很明显);(3)尽量采用尺寸和截面积逐渐扩大的直浇口、侧浇口、扇形浇口,避免使用截面积逐渐缩小的潜伏浇口、点浇口(参考下面图6,实践中发现潜伏浇口和点浇口或者很小的侧浇口都很容易产生虎皮纹);(4)模具排气尽量做到良好,可以实现高速注射并且避免由于困气导致的流动前沿出现滞流而形成外观质量缺陷;

 

分流道直径Φ10以上,可以减少阻力,避免塑料熔体在流道中体积被过度压缩

 

采用横截面积逐渐扩大的楔形浇口,有利于塑料在浇口中逐渐完成体积弹性恢复,避免产生突然的压力波动

 

15-20°斜角

 

 

 

90°

 

 

 

 

 

 

图6.推荐的浇口结构和流道尺寸

3、塑料材料方面:(1)减小橡胶弹性体成分的含量(但是由于很多汽车零件使用要求冲击强度较高,这一点很多时候无法实现);(2)提高材料的流动性(实践中发现,材料熔指只要达到25g/10min以上就可以有效改善虎皮纹现象);(3)采用分子量分布较宽的材料可以有效减少虎皮纹现象出现的几率。

四、总结

要得到品质优良的塑料零件,需要优良的模具和注塑机、合适的注塑工艺、性能优良的塑料材料三者配合才能得到。据日本专家分析,影响塑料件品质的因素中,模具设计和产品结构设计得是否合理占据了70%左右的因素,注塑工艺和注塑机占据了20%的因素,材料占据了10%的因素。虎皮纹的形成与模具、注塑工艺、塑料材料三者都有一定关系,很多时候需要三个方面都进行优化改进才能取得良好的效果。“工欲善其事必先利其器“,优秀的模具可以适应各种不同的塑料材料,能够做出外观质量合格的零件,并且注塑成型窗口也很宽,这样的模具是我们要尽量追求的目标

 

 

 

摘自blog.sina.com.cn/s/blog_51c436760100vsbr.html



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这东西,害死人,生产的时候没办法检测,十几二十吨送过去,退货甚至罚款......

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看不到图片 呀 


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兄弟!!好文章 ,多多上转,谢谢 !!

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金发倒是勇为天下先。我也研究了这个玩意近10年,但是没有这么大勇气现眼。借此机会,也给出些看法。

【1】虎皮纹的发生需要两个基本条件(同时具备才能发生):①蛇形流动②弹性取向(狭义的是橡胶取向)

【2】粘弹性不是越大越好,也不是越小越好。蛇形流动源于弹性不足,弹性取向源于弹性过大。

【3】没有橡胶的材料也会出现虎皮纹,因为只要有聚合物分子,就会有粘弹性

【4】聚合物材料的分子结构和三级结构是关键因素。

【5】外在的因素包括制件长径比、径厚比、熔体和模具温度。


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  发帖心情 Post By:2011/12/28 15:22:00 [只看该作者]

最近在研究这个东西,上述资料都看过,但觉得还是不尽人意,总觉得有更深层的原因,但又吐不出来

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  发帖心情 Post By:2011/12/28 20:01:00 [只看该作者]

以下是引用adsl2000在2011-12-28 15:21:40的发言:
最近在研究这个东西,上述资料都看过,但觉得还是不尽人意,总觉得有更深层的原因,但又吐不出来

最好做些试验,这样对文献理解就大不一样。


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  发帖心情 Post By:2011/12/31 12:10:00 [只看该作者]

网上查德到的关于虎皮纹的研究文章好像就此一篇呢

别的就基本上找不到了


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  发帖心情 Post By:2011/12/31 21:27:00 [只看该作者]

外文有很多研究的,老廖说的很明白了,橡胶相的取向引起明暗相关的条纹,根本原因是熔体的蛇形流动,蛇形流动的原因是压力的衰减

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  发帖心情 Post By:2012/1/1 8:56:00 [只看该作者]

这个恐怕就是改性PP材料中的内应力


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