龙华大浪注塑模具中广瑞达深入了解注塑制品的翘曲变形
关键词：龙华 大浪 注塑 模具 加工
来源：塑模网
我们采访了中广瑞达实业总经理肖韬，深入探讨了中国模具行业发展及前景，同时也深入了解了注塑制品加工过程中翘曲变形的一些技术要点，以下为采访内容：
一、模具行业发展现状分析
1、我国模具制造行业发展历程
我国模具工业在经历了半个多世纪的发展后已有了较大的提高，发展速度十分迅速。总的来说，我国模具设计与制造技术的发展经历了手工作坊制造的萌芽阶段、工业化生产的快速发展及产品竞争阶段和现代化生产的品牌竞争阶段。
萌芽阶段为二十世纪50年代至上世纪70年代中期。由于受社会经济及政治发展状况的影响，我国模具制造在这一阶段发展缓慢，模具制造大多依附于企业的一个配件加工车间，模具制造企业较少且产量低。模具产品的种类较为单一，供需关系处于不合理的混乱状态。
快速发展阶段为二十世纪80年代初期至90年代中期。在该阶段，我国开始实行改革开放政策，国内模具制造企业开始引进国外先进生产设备和科学管理理念，并自行研制开发了一批适合我国国情的模具新钢种。模具的产量及生产工艺均得到了较大幅度的提升，整个行业进入了快速发展阶段。
产品竞争阶段为二十世纪90年代中期至二十一世纪初。这一阶段，在消费需求的引领下，模具产品更新换代加快。具有技术优势的国外模具企业开始大举挤入国内的模具市场，抢占市场份额。与此同时，中小企业厂商之间相互模仿，产品同质化严重，竞争日益激烈。
品牌竞争阶段为二十一世纪初至今。外资布局国内模具市场加剧了整体市场竞争，一些实力较强的厂商开始注重品牌宣传、产品创新、服务提升和渠道终端建设，并逐步开拓中高端模具市场。此外，下游市场呈现多样化需求，下游客户对品牌的认知度也逐渐提高，我国模具制造产业进入了以品牌竞争为主的新阶段。
2、中国模具总销售额
在中国，人们已经越来越认识到模具在制造中的重要地位，认识到模具技术水平的高低，已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定着产品质量、效益和新产品的开发能力。许多模具企业十分重视技术发展，加大了用于技术进步的投资力度，将技术进步视为企业发展的重要动力。
近年来随着汽车工业以超过20%的增幅发展，进入汽车领域的模具企业和模具产品比上年有大幅增加。汽车企业也对模具产品的质量提出了更高要求，促使模具企业加紧改进，不断提高水平。同时，由于模具出口大幅增长，也在很大程度上带动了模具水平的提升。
据国家统计局数据显示，我国模具行业工业总产值已从2010年的1367.31亿元上升到2016年的2400.91亿元。
2010-2017年模具行业工业产值变化走势
2010-2016年间，我国模具产量呈波动变化。2016年，我国模具产量约为1723万套，较上年同期减少0.5%。
2010-2017年模具产量变化趋势(单位：万套，%)
数据显示，我国模具制造厂点约30000家，从业人员约100万人。2015年全国模具总销售额约1718亿元，企业自用模具产值约400亿元。到了2016年全国模具总销售额达到了1800亿元。2013年至2015年，我国模具总销售额的年均复合增长率达到6.1%。预计2018年全国模具总销售额及将接近2000亿元，预计到了2020年全国模具总销售额将达2188亿元。
2013-2020年中国模具总销售额走势
中国、美国、日本、德国、韩国、意大利六国为全球主要的注塑模具和冲压模具生产国，其中，中国的模具产值为世界之最。对比分析世界主要模具制造国家的模具市场分布情况，其中汽车行业模具需求最大，占比约34%;电子行业需求占比约28%;IT行业需求占比约12%;家电行业需求占比约9%;OA自动化行业需求占比约4%;半导体行业需求占比约4%;其他行业需求占比约9%。
世界模具应用行业分布情况
2008-2011年度模具销售额中塑料模具占比最大，约占45%;冲压模具约占37%;铸造模具约占9%;其他各类模具共计约9%。
二、中国模具行业五大发展势头看好出口前景
我国目前的塑料模具行业交易市场发展非常迅猛，每年呈现出15%-20%的趋势的增长速度。2015年工业4.0的到来会将中国的塑料模具行业发展推向一个新高度。保守估计，以13%的增速计算，到2018年，我国塑料模具行业销售收入将达到1357亿元左右。到2023年，我国塑料模具行业的销售收入将接近2281亿元。
2018-2023年中国塑料模具行业销售收入预测
模具行业还是大有可为的，因为它毕竟是制造业的两大核心，尤其是当以后这两大核心开始融合为一个核心的时候，又一个黄金时代即将到来！即使现在确实不景气，确实困难，却不能够否定这个行业！特别是这样一个基础行业。
1、机制转换加速，结构渐趋合理
为了适应形势，我国模具行业近几年来加快了体制改革和机制转换步伐，“三资”和民营企业已占行业主导地位，装备水平和产品水平有了较大的提升，管理有了很大进步。许多企业已应用了CAD/CAM/CAE一体化技术、三维设计技术、ERP和IM3等信息管理技术以及高速加工、快速成型、虚拟仿真及网络技术等许多高新技术。通过各种质量体系认证的企业一年比一年多。
2、规模经济效益，集群发展迅速
在“小而精专”的专业化不断发展的同时，近年来，规模效应已被愈加重视。除了把企业做强做大，使规模经济产生效益之外，模具集群生产也不断显示其优越性，因而“模具城”、“模具园区”、“模具生产基地”等各种集群生产形式在全国迅速发展。目前全国年产1亿元以上模具的企业已有40多个，超过3000万元以上的企业已有200多个，具有一定影响力的“模具城(园区)”已有近50个。这些模具集聚生产基地的建设，对我国模具工业的发展起到了积极的促进作用。
3、重视品牌专利，加强创新研发
许多企业开始认识到了“品牌”和“专利”的重要性，自主创新的资金投入力度和能力不断提高。长期以来模具一直处于“后方”和“被动”的地位，因此也很少有“品牌”和“专利”。随着市场经济的发展，近年来企业越来越重视“品牌”和“专利”。有些企业已认识到了创新研发的重要性，投入力度提高很快。据中国模具工业协会了解到的情况，近年不少企业在创新研发方面的投入与销售收入的比例达到5%左右，个别企业甚至达到8%至10%。
4、高新技术走俏，模具人才紧缺
随着我国模具行业结构调整步伐加快，模具发展越来越趋向于大型化、精密化。一方面，模具成型零件日渐大型化和为提高生产效率开发的“一模多腔”造成了模具日趋大型化；另一方面，电子信息产业、医学的迅猛发展带来了零件微型化及精密化，有些模具的加工精度公差就要求在1μm以下。
模具技术含量不断提高，属于高新技术产品的模具越来越多。随着高新技术的发展，越来越多的模具生产企业被各级政府有关部门认定为高新技术企业。据中国模协初步统计，目前模具行业国家级高新技术企业有7家，省、市级高新技术企业已有近百家。
人才紧缺日益突出。虽然近年来我国模具行业职工队伍发展迅速，估计目前已达近百万人，但仍然跟不上行业发展需求。一是总量不足，二是素质不够，适应不了行业发展的需求。据调查，全国模具行业从业人员约缺口30万～50万人，其中工程技术人员约占20%，目前尤其紧缺的是高素质和高水平的模具企业管理人员和中高层技术人员及高级技术工人。
5、外贸逆差增大，出口前景看好
虽然我国模具行业已经驶入发展快车道，但由于在精度、寿命、制造周期及能力等方面，与国际水平和工业先进国家相比尚有较大差距，所以还不能满足我国制造业发展的需求。特别是在精密、大型、复杂、长寿命模具方面，仍旧供不应求。因此，每年尚需大量进口。
对外资的依存逐年增大。我国加入世贸组织已过6年，外贸高速发展，我国经济对外贸的依存度从30%上升到70%。同时，近年来，正是外资大量进入我国的时期，随着对外开放政策的不断扩大和深化，外资在我国模具行业的投资也越来越多，致使对外资的依存度也逐年增大。例如广东省是我国模具第一大省，其产能约占全国的40%左右。该省的模具产能中，外资企业已占60%左右，合资企业约占10%左右。该省模具出口约占全国的50%左右，其中由外资、合资企业出口的也占其出口量的多数。对外资和外贸依存度大，会对行业安全，乃至整个国家的经济安全产生重大影响。
以下是深入了解注塑制品的翘曲变形对应的要点：
一、翘曲变形是指注塑制品的形状偏离了模具型腔的形状，它是塑料制品常见的缺陷之一。出现翘曲变形的原因很多，单靠工艺参数解决往往力不从心。结合相关资料和实际工作经验，下面对影响注塑制品翘曲变形的因素作简要分析。
二、模具的结构对注塑制品翘曲变形的影响。在模具方面，影响塑件变形的因素主要有浇注系统、冷却系统与顶出系统等。
1．浇注系统
注塑模具浇口的位置、形式和浇口的数量将影响塑料在模具型腔内的填充状态，从而导致塑件产生变形。
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，充模时冻结层厚度减薄，内应力降低，翘曲变形也会因此大为减少。一些平板形塑件，如果只使用一个中心浇口，因直径方向上的收缩率大于圆周方向上的收缩率，成型后的塑件会产生扭曲变形；若改用多个点浇口或薄膜型浇口，则可有效地防止翘曲变形。
当采用点浇口进行成型时，同样由于塑料收缩的异向性，浇口的位置、数量都对塑件的变形程度有很大的影响。
另外，多浇口的使用还能使塑料的流动比（L/t）缩短，从而使模腔内熔体密度更趋均匀，收缩更均匀。同时，整个塑件能在较小的注塑压力下充满。而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，因而可减少塑件的变形。
2. 冷却系统
在注射过程中，塑件冷却速度的不均匀也将形成塑件收缩的不均匀，这种收缩差别导致弯曲力矩的产生而使塑件发生翘曲。
如果在注射成型平板形塑件（如手机电池壳）时所用的模具型腔、型芯的温度相差过大，由于贴近冷模腔面的熔体很快冷却下来，而贴近热模腔面的料层则会继续收缩，收缩的不均匀将使塑件翘曲。因此，注塑模的冷却应当注意型腔、型芯的温度趋于平衡，两者的温差不能太大（此时可考虑使用两个模温机）。
除了考虑塑件内外表的温度趋于平衡外，还应考虑塑件各侧的温度一致，即模具冷却时要尽量保持型腔、型芯各处温度均匀一致，使塑件各处的冷却速度均衡，从而使各处的收缩更趋均匀，有效地防止变形的产生。因此，模具上冷却水孔的布置至关重要。在管壁至型腔表面距离确定后，应尽可能使冷却水孔之间的距离小，才能保证型腔壁的温度均匀一致。
同时，由于冷却介质的温度随冷却水道长度的增加而上升，使模具的型腔、型芯沿水道产生温差。因此，要求每个冷却回路的水道长度小于2米。在大型模具中应设置数条冷却回路，一条回路的进口位于另一条回路的出口附近。对于长条形塑件，应采用直通型水道。（而我们的模具大多是采用S型回路----既不利于循环，又延长周期。）
3. 顶出系统
顶出系统的设计也直接影响塑件的变形。如果顶出系统布置不平衡，将造成顶出力的不平衡而使塑件变形。因此，在设计顶出系统时应力求与脱模阻力相平衡。另外，顶出杆的截面积不能太小，以防塑件单位面积受力过大（尤其在脱模温度太高时）而使塑件产生变形。
顶杆的布置应尽量靠近脱模阻力大的部位。在不影响塑件质量（包括使用要求、尺寸精度与外观等）的前提下，应尽可能多设顶杆以减少塑件的总体变形（换顶杆为顶块就是这个道理）。
用软质塑料（如TPU）来生产深腔薄壁的塑件时，由于脱模阻力较大，而材料又较软，如果完全采用单一的机械顶出方式，将使塑件产生变形，甚至顶穿或产生折叠而造成塑件报废，如改用多元件联合或气（液）压与机械式顶出相结合的方式效果会更好（以后会用到）。
三、塑化阶段对制品翘曲变形的影响：塑化阶段即由玻璃态料粒转化为粘流态熔体的过程（培训时讲过原料塑化的三态变化）。在这个过程中，聚合物的温度在轴向、径向（相对螺杆而言）温差会使塑料产生应力；另外，注射机的注射压力、速率等参数会极大地影响充填时分子的取向程度，进而引起翘曲变形。
四、充填及冷却阶段对制品翘曲变形的影响：熔融态的塑料在注射压力的作用下，充入模具型腔并在型腔内冷却、凝固。此过程是注射成型的关键环节。在这个过程中，温度、压力、速度三者相互耦合作用，对塑件的质量和生产效率均有极大的影响。较高的压力和流速会产生高剪切速率，从而引起平行于流动方向和垂直于流动方向的分子取向的差异，同时产生“冻结效应”。“冻结效应”将产生冻结应力，形成塑件的内应力。
温度对翘曲变形的影响体现在以下几个方面：
（1） 塑件上、下表面温差会引起热应力和热变形；
（2） 塑件不同区域之间的温度差将引起不同区域间的不均匀收缩；
（3） 不同的温度状态会影响塑料件的收缩率。
五、脱模阶段对制品翘曲变形的影响塑件在脱离型腔并冷却至室温的过程中多为玻璃态聚合物。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制品变形（前面已经讲过）。同时，在充模和冷却阶段“冻结”在塑件内的应力由于失去外界的约束，将会以“变形”的形式释放出来，从而导致翘曲变形。
六、注塑制品的收缩对翘曲变形的影响注塑制品翘曲变形的直接原因在于塑件的不均匀收缩。如果在模具设计阶段不考虑填充过程中收缩的影响，则制品的几何形状会与设计要求相差很大，严重的变形会致使制品报废（即收缩率的问题）。除填充阶段会引起变形外，模具上下壁面的温度差也将引起塑件上下表面收缩的差异，从而产生翘曲变形。对翘曲分析而言，收缩本身并不重要，重要的是收缩上的差异。在注塑成型过程中，熔融塑料在注射充模阶段由于聚合物分子沿流动方向的排列使塑料在流动方向上的收缩率比垂直方向的收缩率大，而使注塑件产生翘曲变形（即各向异性）。一般均匀收缩只引起塑料件体积上的变化，只有不均匀收缩会引起翘曲变形。结晶型塑料在流动方向与垂直方向上的收缩率之差较非结晶型塑料大，而且其收缩率也较非结晶型塑料大，结晶型塑料大的收缩与其收缩的异向性叠加后导致影响结晶型塑料件翘曲变形的倾向较非结晶型塑料大得多。
七、残余热应力对制品翘曲变形的影响在注射成型过程中，残余热应力是引起翘曲变形的一个重要因素，而且对注塑制品的质量有较大的影响。由于残余热应力对制品翘曲变形的影响非常复杂，这里就不赘述。
八、金属嵌件对制品翘曲变形的影响对放嵌件的注塑制品，由于塑料的收缩率远比金属的大，所以容易导致扭曲变形（有的甚至开裂）；为减少这种情况，可先将金属件预热（一般不低于100℃），再投入生产。
九、结论影响注塑制品翘曲变形的因素有很多，模具的结构、塑料材料的热物理性能以及成型过程的条件和参数均对制品的翘曲变形有不同程度的影响。因此，对注塑制品翘曲变形的处理必须综合考虑上述因素。
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