剪切過高，可能導(dǎo)致很多的外觀和強(qiáng)度問題，如澆口附近銀紋、料花、亮印、暗色、焦痕和開裂等都是剪切應(yīng)力過高的不同表現(xiàn)形式。有時(shí)一些氣常常是在高剪切應(yīng)力時(shí)，導(dǎo)致摩擦生熱多，熔體升溫高，以至于塑料氣化而生成的瓦斯氣體，從而在產(chǎn)品表面產(chǎn)生氣痕。

1. 什么是剪切應(yīng)力

說到剪切應(yīng)力，不得不先提剪切速率。剪切速率被定義為一個分子滑過另一分子的速度，剪切速率是熔體在流路中其流速V對距離Z(厚度或半徑方向的坐標(biāo))的偏微分。下圖中A點(diǎn)的剪切速率就是其上下二流層的流速差(V_i+1 - V_i)除以其上下二流層在厚度方向或半徑方向的距離(Z_i+1 - Z_i)，也就是塑料熔體在Z方向的速度梯度(velocity gradient)。如下圖所示。

剪切應(yīng)力則是上述二流層之間單位面積承受的剪力(shear force)。剪切應(yīng)力等于熔體的黏度(viscosity)乘以剪切速率(shear rate)，如下公式表示。

τ=η*γ

注：
τ：剪切應(yīng)力
η：黏度
γ：剪切速率
剪切應(yīng)力和剪切速率在流動中的關(guān)系如下圖所示。

2. 噴泉流動與剪切應(yīng)力

在填充期間，分子取向、剪切應(yīng)力和零件橫截面的剪切速率分布有非常顯著的變化。前文提到剪切速率被定義為一個分子滑過另一分子的速度，或隨著距離的推移速度的變化，以 1/s 為單位。剪切應(yīng)力是面積上的力，以 MPa 或 psi 為單位。雖然零件以噴泉流方式填充，橫截面中心的分子移動的速度較高，卻相當(dāng)均勻，如下圖中所示。

中心層因?yàn)樗俣染鶆?，因而剪切速率較低，并且分子上有極少的剪切拉伸力。在凍結(jié)層附近，速度較低、并且存在明顯的速度梯度從而產(chǎn)生高剪切速率，這將導(dǎo)致在分子上產(chǎn)生較高的剪切應(yīng)力，從而沿流動方向拉伸或?qū)R分子。下圖中的曲線表示橫截面的剪切速率。凍結(jié)層的剪切速率是 0 s^-1，靠近凍結(jié)層處是橫截面內(nèi)最大的剪切速率，同樣，橫截面中心的剪切速率也接近 0 s^-1，如下圖所示。

3. 剪切應(yīng)力過高導(dǎo)致的問題

剪切過高，可能導(dǎo)致很多的外觀和強(qiáng)度問題，如澆口附近銀紋、料花、亮印、暗色、焦痕和開裂等都是剪切應(yīng)力過高的不同表現(xiàn)形式。

零件生產(chǎn)完成幾天或幾周之內(nèi)，可能并不會有明顯的開裂，但是在使用過程中會出現(xiàn)開裂，從而導(dǎo)致零件失效、零件壽命短和外觀無法接受等。因此，最好在生產(chǎn)之前就能意識到潛在的開裂問題并將其解決。探究其原因，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1.  殘余應(yīng)力高

一是因?yàn)楦邭堄鄳?yīng)力，開裂可能會發(fā)生在零件中內(nèi)部剪切應(yīng)力凍結(jié)的區(qū)域。Moldflow應(yīng)力結(jié)果可以查看第一主方向上翹曲的初始應(yīng)力結(jié)果、第二主方向上翹曲的初始應(yīng)力結(jié)果、壁上剪切應(yīng)力或von-Mises 應(yīng)力結(jié)果，如下圖所示。

3.2.  熔接線缺陷

如果在填充過程中有兩條或多條流動路徑相遇，就會發(fā)生結(jié)構(gòu)問題和/或明顯無法接受的結(jié)果。

熔接線對強(qiáng)度的影響是顯著的，?其強(qiáng)度一般在原始材料強(qiáng)度上衰減10%-20%之間。熔接線是注塑成型制品中常見的一種缺陷，?它發(fā)生在熔融塑料在型腔中遇到嵌件、?孔洞、?流速不連貫的區(qū)域或充模料流中斷的區(qū)域時(shí)，?兩股流動熔體前沿在另一側(cè)匯合時(shí)又結(jié)合起來形成的線，在其形狀上實(shí)質(zhì)上是一個V形槽。?這種結(jié)合處由于熱量損失和兩相的差異導(dǎo)致不能完全熔合，使其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于周圍塑料的強(qiáng)度。?具體來說，?熔接線的位置強(qiáng)度是周圍塑料強(qiáng)度的80%到95%，?這個范圍取決于塑料、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝條件。?

熔接線的形成機(jī)理涉及到熔融材料在型腔內(nèi)流動時(shí)，?從料的芯層向外翻，?貼近模具型腔的熔融材料會快速冷卻。?這種快速冷卻導(dǎo)致熔接線處的融合不完整，?從而影響了制品的整體強(qiáng)度。?

對于像增強(qiáng)纖維PA66等材料，?熔接線區(qū)的纖維取向方向因平行于熔接方向而大大降低其熔接線強(qiáng)度，?導(dǎo)致制件整體強(qiáng)度下降。?這表明，?即使是增強(qiáng)型材料，?熔接線也會對其強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響。熔接線的結(jié)果如下圖所示。

3.3.  收縮不均

取向、保壓和冷卻的差異導(dǎo)致收縮不均，在凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生較高的內(nèi)部應(yīng)力等級，從而導(dǎo)致開裂的發(fā)生。

收縮不均會導(dǎo)致應(yīng)力分布不均，?進(jìn)而影響材料的性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。?

收縮不均主要指的是材料在固化或冷卻過程中各部分收縮程度不一致，?導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。?這種應(yīng)力如果超過材料的剛度，?會導(dǎo)致材料變形、?翹曲或尺寸不穩(wěn)定，?尤其是在注塑件中，?不均勻收縮往往造成內(nèi)應(yīng)力分布不均，?進(jìn)而影響材料的尺寸穩(wěn)定性。Moldflow里體積收縮的結(jié)果如下圖所示。?

4. 解決方法

使殘余應(yīng)力降至最小，調(diào)控螺桿速度曲線或加大壁厚，以減少流體產(chǎn)生的應(yīng)力。檢查材料的推薦最大剪切應(yīng)力值（記錄在Autodesk Moldflow材料數(shù)據(jù)庫中），讓壁上剪切應(yīng)力結(jié)果盡量偏低，同時(shí)成型過程中使收縮不均降至最小程度。

在對標(biāo)最大剪切應(yīng)力時(shí)，可以參照以下經(jīng)驗(yàn)法則：最大的剪切應(yīng)力應(yīng)保持在許用剪切應(yīng)力τ(20 *τ^* )以下。τ^* 是下圖所示Cross-WLF黏度模式(viscosity model)中的7個黏度系數(shù)(viscosity constants) 之一 。τ(20*τ^* )可以做為許用剪切應(yīng)力的初始采用標(biāo)準(zhǔn)，具體的項(xiàng)目可因特定的產(chǎn)品功能和客戶特殊要求而作修正。

剪切應(yīng)力主要受剪切速率和黏度的影響，要降低剪切應(yīng)力，可以想辦法降低黏度或者降低剪切速率，這兩方面同時(shí)采取措施效果更好，同時(shí)增加壁厚也往往可以降低剪切應(yīng)力。

降低黏度常用的方法是提高模溫、提高料溫、更換低粘度的材料、材料改性或者調(diào)整注射速度曲線等。降低剪切速率的方法則包括了調(diào)低射速、增加流道直徑、加大澆口尺寸等。

提高模溫，目前業(yè)界用的急冷急熱(或動態(tài)模溫控制也稱RHCM)制程，就是一有效降低剪切應(yīng)力的制程，充填階段的高模溫和低射速可以將熔體黏度和剪切速率雙雙降到較低的水平，剪切應(yīng)力自然隨之保持在很低的水平，這樣前面所提到的問題缺陷就可以得到大幅度的優(yōu)化和改善。

5. 小結(jié)

剪切應(yīng)力隨材料流動速率或材料粘度的增加而增加。注射速度較高時(shí)，澆口附近通常會產(chǎn)生剪切應(yīng)力，而使用恒定流動速率時(shí)，流動的末端會產(chǎn)生剪切應(yīng)力。剪切應(yīng)力較高會導(dǎo)致塑料由于應(yīng)力開裂而降解或成型失敗。常用的解決方法有降低流動速率、使用螺桿曲線、增大壁厚、避免不同的取向和收縮不均等。

了解剪切應(yīng)力的機(jī)理，就能在解決剪切引起的缺陷方面時(shí)事半功倍、對陣下藥、藥到病除。