我们设计塑胶件时，不可避免的会碰到翘曲变形缺陷。
那么，如何去解决翘曲变形呢？
首先，我们必须去明白翘曲变形的机理，即塑胶件为什么会发生翘曲变形。
在了解机理的基础之后，我们可以从塑胶材料、塑胶件设计、模具结构和成型工艺等四个方面入手，从而系统化、结构化和逻辑化的解决。
当然，面对塑胶件翘曲变形，预防比解决更重要。我们必须在翘曲变形实际发生之前，就通过上述四个方面行优化。而不是等到翘曲变形真正发生了，再去解决；这个时候，解决起来就非常麻烦。
塑胶件翘曲变形，是在塑胶件最容易发生的缺陷之一，在任何产品上都有可能会发生；同时，也是最难以解决的缺陷之一。
一般的翘曲变形会造成外观间隙不一致，存在断差，影响产品外观，消费者可能会觉得产品档次太低而放弃购买。严重的翘曲变形会影响产品的装配，甚至会影响产品的功能、性能和可靠性。▲翘曲影响装配质量，降低产品强度及性能，具有潜在失效风险▲滚筒洗衣机前桶产品头部翘曲变形导致密封圈和不锈钢内桶间隙太小，密封圈和不锈钢内桶产生磨损，严重影响产品可靠性
塑胶件发生翘曲变形的根本原因就是在于塑料的收缩不均匀。如果塑胶件在注塑成型过程中在各个方向都均匀收缩，那么塑胶件尺寸会同时变小，但是会保持正确的形状，不会发生翘曲变形。然而，如果在任意一个方向上的收缩与其它方向不一致，这就会导致内应力，当内应力超过塑胶件本身的强度时，塑胶件就会在顶出后发生翘曲变形。在了解收缩不均匀之前，我们需要了解塑胶材料的收缩。为此，需要从塑胶材料分子结构入手来，看看塑胶材料在熔化和冷却过程中的发生的各种变化。
对于大多数的塑胶材料来说，熔化和冷却过程中的特性依赖于塑胶材料的类型以及是否添加了填充剂或玻纤。无定形塑料是指分子相互排列不呈晶体结构而呈无序状态的塑料。常见的无定型塑料包括ABS、PC、PMMA和PPO等。无论在熔融状态还是在固态，无定形塑料的分子排列均呈无序状态。当无定形塑料熔化时，分子之间的力量变弱，使得分子相互之间移动。另外，在充填阶段中的剪切力（类似于摩擦）使得分子展开，分子取向与溶流流动方向一致。当溶流停止流动，分子松弛，又回到最初的无序状态。分子之间的力促使分子互相靠近，直到温度足够低使它们固化。这些力会造成均匀的收缩，但是松弛效应会使得在溶流流动方向上收缩更多。半结晶塑料是指在固态下，部分分子相互排列呈规则晶体结构的塑料，这部分晶体结构相对密度较高、更紧密，常见的半结晶塑料包括PBT、PA、POM、PPS和PEEK等。当半结晶塑料熔化时，结晶部分松动，分子取向与溶流流动方向一致，与无定形塑料大致相同。但是当冷却时，这部分并不会松弛。相反，它们依然保持与溶流流动方向一致，并开始结晶，这显著增加了收缩率。松弛效应使得溶流流动方向的收缩率远大于垂直方向的收缩率。半结晶塑料的收缩率较高，同时半结晶塑料在平行和垂直于溶料流动方向有着不同的收缩率，使得问题变得复杂。这问题又因注塑成型工艺条件改变致使结晶度变化而更加复杂。如果塑料冷却得慢，结晶度和收缩率都会增加。玻纤常常添加在塑料中用于增加机械强度或其它特性。当玻纤添加到塑料中，它们可能会抵消前文中因为分子取向而产生的收缩。当温度变化时，玻纤不会膨胀、也不会缩小。所以，在溶流流动方向上，玻纤会显著降低塑料的收缩率。在充填之初，剪切压力使得塑料分子取向。当充填停止，塑胶溶料依然处在高温，剪切力消失，取向松弛（取向只有在剪切和固化同时发生时才会保持）。对于无定形塑料，当取向松弛时，平行于溶料流动方向上的收缩更大。而对于玻纤增强塑料，在垂直于溶料流动方向上的收缩更大，这是因为结晶部分的分子取向与溶流流动方向一致，结晶会发生在垂直于溶料流动方向上。▲玻纤的取向
红色：与溶料流动方向一致
蓝色：垂直于溶料流动方向
当塑胶件在模具中时，由于模具结构的限制，塑胶件不能在平面方向收缩，但是可以在厚度方向上收缩。这有两个效果：第一，在厚度方向上收缩更大；第二，残余内应力集聚在平面方向上。当顶出之后，由于没有模具结构的限制，随着塑胶件的继续冷却，应力释放造成翘曲变形。模具结构限制的影响受塑胶材料影响。应力释放较慢的塑胶材料，有更大的线性收缩；应力释放较快的塑胶材料，有更小的线性收缩；当塑胶件厚度方向上的两侧模温不一致时，两侧收缩不均匀。一般来说，模温较高的一侧收缩较大，模具较低的一侧收缩较小，从而产生一个弯曲力矩导致塑胶件翘曲变形。当塑胶件存在壁厚不均匀时，厚的区域需要较长的冷却时间，导致更大的收缩。浇口附件区域压力大，与远离浇口的区域压力下，会以不同的速度冷却，造成收缩不均匀。塑胶件上靠近浇口的区域和最后充填的区域其收缩不均匀。靠近浇口的区域收缩小，最后充填的区域收缩大。如果从一个塑胶件的厚度剖面上看，剖面上层和下层区域的收缩不均匀。这种收缩不一致会导致塑胶件翘曲，因为一侧收缩多而另一侧收缩小。由于分子取向或纤维方向，在平行于和垂直于塑胶件溶流流动方向上存在收缩不均匀。如前文所述，无填充塑料在溶料流动方向上收缩更大，而玻纤增强塑料在垂直方向上收缩更大。塑胶件通常在厚度方向比平面方向收缩更大，这主要是因为在平面方向有模具结构限制，而在厚度方向上没有。这种收缩不均匀会导致翘曲变形，特别是在塑胶件的角落处，在这些区域零件壁厚通常大于零件的基本壁厚。塑胶件的翘曲变形一定要在塑胶件的产品设计阶段就提前预防，不能等到模具加工完毕、试模发现翘曲变形问题时再去解决问题，就已经很晚了。塑胶件翘曲变形一旦发生，解决起来就很麻烦，能够采用的手段往往少而无奈：- 特殊甚至极端的注塑成型工艺条件（特殊模温、高模具温差、较长的注塑成型周期等）；
- 修改模具（修改产品设计、修改浇口、模具反补偿、或者采用热流道），甚至重新开发模具；
以上手段往往需要多次试模调试，才能满足预定目标，同时还会降低注塑生产效率、延误产品上市时间、和增加产品成本。预防和解决翘曲变形问题需要从四个方面入手：材料选择、塑胶件设计、模具结构和注塑成型工艺。利用模流分析软件，在未开模之前，就准确预测出产品翘曲变形的趋势，并进行针对性的优化设计，来减小翘曲变形，这已经是一个非常成熟和有效的方法。塑胶材料的收缩率、流动性及玻纤含量、耐温等对产品的翘曲变形都有影响，在其它条件相同的情况下，不同塑胶材料的翘曲变形存在差别。玻纤增强塑料比无玻纤增强塑料，在溶料流动方向的翘曲变形小。根据塑胶件应用场景的要求，在尺寸精度要求较高的场合尽量选用低翘曲可能性的塑胶材料。▲读卡器4合1卡材料由PA9T换成LCP后，翘曲变形由0.15mm减小为0.05mm壁厚不均匀是造成塑胶件翘曲变形的一个根本原因。因此，在塑胶件设计时，需要遵循《面向制造和装配的产品设计指南》一书中倡导的壁厚均匀的原则。对于塑胶件上任何壁厚过厚的地方，均需使用掏空的设计，使得壁厚均匀。▲使用掏空的设计之后翘曲从0.25mm降低到0.06mm尽量设计较大的脱模斜度，避免顶出时因为粘模而发生翘曲变形。- 咬花面：依咬花规格而定
对于塑胶件结构上强度不足之处，应当通过添加加强筋的方法来提高强度，避免在顶出时因受力而变形。
▲添加加强筋之后翘曲从0.15mm降低到0.05mm当塑胶件翘曲变形不可避免时，或者减小翘曲变形各种手段的成本过高时，可以把塑胶件放在产品结构中，通过其它零部件的设计来纠正塑胶件的翘曲。通过在塑胶件中添加金属片的方式可以矫正翘曲，不过这种方式成本高，这是最后的选择，不建议使用。▲添加金属片，翘曲由0.14mm减小到0.08mm模具结构的三大部分包括浇注系统、冷却系统和顶出系统，对塑胶件的翘曲变形有很大的影响。注塑模具浇口的位置、结构和数量等影响塑料在模具型腔内的充填状态，从而导致塑件产生翘曲变形。熔料充填时，熔料在模腔中的流动，一般模腔壁面的温度都比塑料的熔点低，所以熔料从进入模腔的时刻起便开始冷却，在与模壁接触的一层熔体构成了不移动的外壳（冷凝层），而其内部则仍然是较热的熔体（流动层）。▲红色代表熔料，蓝色代表冷凝层，红色箭头代表热传方向流动距离越长，由冻结层与中心流动层之间流动和补缩引起的内应力越大；反之，流动距离越短，从浇口到制件流动末端的流动时间越短，充填时冻结层厚度减薄，内应力降低，翘曲变形也会因此大为减少。熔体在模腔内流动距离越长，产生取向应力的几率越大。为此，对应壁厚、流程长且面积较大的塑料件，应适当多分布几个浇口，能有效降低取向应力，防止翘曲变形。不过，浇口多容易产生熔接痕。充填模式(Filling Pattern)是指熔料在输送系统与模穴内，随着时间而变化的流动情形。充填模式对于塑胶件翘曲有决定性的影响，理想的充填模式是在整个充填过程中，熔体以固定熔体波前速度(melt front velocity, MFV)同时到达模穴内的每一角落；否则，模穴内先填饱的区域会因过度充填而溢料。而如果以变化之熔体波前速度充填模穴，将导致分子链或纤维配向性的改变。▲此熔体流动波前推进图可以发现此产品在流动大至平衡，流动平衡产品保压才能够一致性到达模穴各处，这样才能有效的降低产品收缩翘曲变形的问题1）浇口应设计在塑胶件壁厚最大时，可适当降低注塑压力、保压压力及保压时间，有利于降低取向应力。当浇口设计在薄壁部位时，宜适当增加浇口处的壁厚，以降低浇口附近的取向应力。2）熔体在模腔内流动距离越长，产生取向应力的几率越大。为此，对应壁厚、流程长且面积较大的塑料件，应适当多分布几个浇口，能有效降低取向应力，防止翘曲变形。3）设计短而粗的流道，可减小熔体的压力丧失和温度降，相应降低注射压力和冷却速度，从而降低取向应力和冷却压力。4）流道设计应平衡，保证各浇口平衡进胶。不合理的流道设计会导致料流填充不平衡，局部位置可能过度充填，产生较大的挤压剪切应力，造成类似保压过大所造成的应力。例，下图所示为汽车音响面板，通过优化浇注系统，可以减小翘曲变形；成型材料：PC+ABS Bayblend T65 Bayer冷却水路的散布要均匀，使浇口附近、远离浇口区、壁厚处、壁薄处都要得到均匀且迟缓的冷却，从而降低内应力。▲成型深盒形塑胶件时，如果内部冷却不够，取出塑胶件后，就会如上图般变形。▲成型深盒形塑胶件时，如果内部冷却过头- 比如说在内部通以高速流动的冷水，取出塑胶件后，就会如上图般变形。通过对冷却水路进行优化，使得塑胶件的各个部位能够同时冷却，从而可以减少翘曲变形。
顶出系统的设计也直接影响塑胶件的翘曲变形。脱模力不平衡、推出机构运动不平稳或脱模顶出面积不当很容易使得塑胶件翘曲变形。防止顶出变形需改善脱模条件：如平衡顶出力、仔细磨光新型侧面、增大脱模角度、顶杆布置在脱模阻力较大的地方、如加强筋和支柱等处。变形预补偿是根据模流分析软件分析预测的产品变形量或实际成型中的塑胶件变形量，在对应模具零部件的结构和尺寸上施加一定预变形(反向变形)，以补偿成型中的变形，从而达到减小翘曲变形、提高尺寸精度的目的。如图所示的塑料卡扣，在红色箭头所示处变形严重，而通过浇口位置调节、冷却系统优化等常规方法，都不能解决变形问题。
通过变形预补偿，在模具反方向上施加一定的预变形；如图所示，灰色为原始的模具结构，蓝色为反方向上的预变形结构。
变形预补偿之后，塑胶件实际成型的变形量从原来的1.86mm，减小为0.47mm。
为降低塑胶件的翘曲变形，从注塑成型工艺参数入手，可以从以下四大方面考虑：较高的注射压力和流速会产生高剪切速率，形成塑件的内应力，从而使得塑胶件发生翘曲变形。较小的注射压力可减少塑料的分子取向倾向，降低其内应力。减少翘曲变形，注射压力和速度在可行范围内调到最低。保压压力过高，因补料而固化的流动残余应力高，应力易于释放，造成塑胶件翘曲变形。保压压力太低，浇口附近会发生回流，不仅形成流动残余剪切应力，而且会形成大的体积收缩率差异而产生高的残余拉、压应力，造成塑胶件翘曲变形。保压时间短，螺杆回退时浇口附近会发生回流，形成大的残余应力。因此，保压压力要适中，保压时间延长至浇口凝固为止，可使产生的残余应力较小。模具温度低，残余剪切应力大，若没有足够的时间释放残余应力，容易翘曲变形。提高模温，可以减少翘曲。但也并非只要温度低即可。对于有些形状，温度低反而会导致模腔与模芯间的温度差增大而容易产生变形。并且，模具温度低于塑胶件的使用环境温度时，因后收缩会产生变形或尺寸变化等问题。因此，对于模具温度，最重要的不是温度的高低，而是包括模芯冷却在内的温度均匀（均衡），以实现均匀的收缩。
8.4 调整冷却时间
因为塑胶件在模腔内的形状保持时间延长，所以许多场合下增加冷却时间会减少变形。
但对于某些形状则相反，因模具（模芯）的抱紧等原因，有时增加冷却时间会造成脱模不良而产生变形，不能一概而论。
在理解收缩不均匀的基础上，进行备结构化思维，即从塑胶材料、塑胶件设计、模具结构和注塑成型工艺过程等去预防和解决，那么翘曲变形就不再是一个难题。
作者简介：钟元，著有书籍《面向制造和装配的产品设计指南》和《面向成本的产品设计：降本设计之道》
