第八章注塑成型過(guò)程及注塑模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的流變學(xué)問(wèn)題

1、第八章 注塑成型過(guò)程及注塑模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的流變學(xué)問(wèn)題1. 1. 注塑成型過(guò)程的流變分析注塑成型過(guò)程的流變分析注塑成型注塑成型 塑化好的塑料熔體依靠螺桿或柱塞的推力注入塑化好的塑料熔體依靠螺桿或柱塞的推力注入閉合的模腔內(nèi)，凈冷卻固化定型后，開(kāi)模得到所需閉合的模腔內(nèi)，凈冷卻固化定型后，開(kāi)模得到所需的制品。的制品。圖圖 注射過(guò)程循環(huán)示意圖注射過(guò)程循環(huán)示意圖 一般注射機(jī)及模具的功能區(qū)段可分為一般注射機(jī)及模具的功能區(qū)段可分為3 3個(gè)區(qū)段個(gè)區(qū)段: : 塑化段塑化段: :同擠出機(jī)同擠出機(jī), ,物料在其中熔融物料在其中熔融 塑化塑化 壓縮并壓縮并向前輸送向前輸送 注射段注射段: :由噴嘴由噴嘴 主流道主

2、流道 分流道分流道 澆口組成澆口組成, ,物料在物料在其中的流動(dòng)如同毛細(xì)管流變儀其中的流動(dòng)如同毛細(xì)管流變儀 充模段充模段: :熔體進(jìn)入模腔后熔體進(jìn)入模腔后, ,發(fā)生復(fù)雜的三維流動(dòng)以發(fā)生復(fù)雜的三維流動(dòng)以及不穩(wěn)定傳熱及不穩(wěn)定傳熱 相變相變 固化等過(guò)程固化等過(guò)程. .1.2 簡(jiǎn)化假定和基本方程選擇幾何形狀最簡(jiǎn)單的選擇幾何形狀最簡(jiǎn)單的圓盤(pán)形模具和管式流道入圓盤(pán)形模具和管式流道入口口進(jìn)行研究進(jìn)行研究. .示意圖見(jiàn)下示意圖見(jiàn)下: :圖圖 采用柱坐標(biāo)系繪出的圓盤(pán)形模具和管式流道采用柱坐標(biāo)系繪出的圓盤(pán)形模具和管式流道入口入口 設(shè)盤(pán)形模具的模腔半徑為設(shè)盤(pán)形模具的模腔半徑為R R* *, ,厚度為厚度為Z,Z,壁

3、溫保持為壁溫保持為T(mén) T0 0, ,澆口在圓盤(pán)中心澆口在圓盤(pán)中心, ,半徑為半徑為R R0 0, ,溫度為溫度為T(mén) T1 1的熔體從澆口的熔體從澆口注入模腔注入模腔, ,并以輻射狀從中心向四周流動(dòng)并以輻射狀從中心向四周流動(dòng). . 取柱坐標(biāo)系取柱坐標(biāo)系, ,在圓盤(pán)中物料沿半徑在圓盤(pán)中物料沿半徑r r的方向流動(dòng)的方向流動(dòng), ,故故r r方向方向?yàn)橹髁鲃?dòng)方向?yàn)橹髁鲃?dòng)方向, ,不同不同z z高度流層的流速不同高度流層的流速不同, ,故故z z方向是方向是速度梯度方向速度梯度方向, ,方向?yàn)榉较驗(yàn)橹行苑较蛑行苑较? .假定假定: :(1)(1)設(shè)物料為不可壓縮的冪律流體設(shè)物料為不可壓縮的冪律流體. .(

4、2)(2)物料以蠕動(dòng)方式充滿模腔物料以蠕動(dòng)方式充滿模腔, ,設(shè)流速只有設(shè)流速只有v vr r0(v0(v, ,v vz z=0),=0),且且v vr r沿沿z z方向的變化率遠(yuǎn)大于沿方向的變化率遠(yuǎn)大于沿r r方方向的變化率向的變化率, ,即即(3)(3)法向應(yīng)力分量遠(yuǎn)小于剪切應(yīng)力分量法向應(yīng)力分量遠(yuǎn)小于剪切應(yīng)力分量, ,重力、慣性重力、慣性力忽略不計(jì)力忽略不計(jì). .(4)(4)導(dǎo)熱只通過(guò)上下板進(jìn)行導(dǎo)熱只通過(guò)上下板進(jìn)行, ,即只在即只在z z方向進(jìn)行方向進(jìn)行, ,且熔且熔體比熱容、密度、導(dǎo)熱系數(shù)全為常數(shù)。體比熱容、密度、導(dǎo)熱系數(shù)全為常數(shù)。rrvvzr據(jù)此，得到系統(tǒng)的連續(xù)性方程：據(jù)此，得到系統(tǒng)的連

5、續(xù)性方程：R R方向的運(yùn)動(dòng)方程：方向的運(yùn)動(dòng)方程：能量方程：能量方程：其中，其中，為密度，為密度，c cv v熔體定容比熱，熔體定容比熱，k k為熔體導(dǎo)熱為熔體導(dǎo)熱系數(shù)，系數(shù)，p p為壓力，為壓力，T T為溫度。為溫度。.10rr vrr0rzprz22rvrrzvTTTcvktrzz 選用選用冪律方程冪律方程為物料的本構(gòu)方程：為物料的本構(gòu)方程：借助于適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，可以求出從中央澆口管的借助于適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，可以求出從中央澆口管的半徑半徑R R0 0處到輻射狀流動(dòng)時(shí)的流動(dòng)長(zhǎng)度處到輻射狀流動(dòng)時(shí)的流動(dòng)長(zhǎng)度R R處（即圓盤(pán)處（即圓盤(pán)的瞬時(shí)半徑的瞬時(shí)半徑R R處）的處）的壓力降壓力降為：為：其中，其中

6、，Q Q為注射機(jī)的體積流量，為注射機(jī)的體積流量，z z為圓盤(pán)高度。為圓盤(pán)高度。此式是在不考慮此式是在不考慮溫度變化溫度變化條件下求得的。條件下求得的。nrrzvKz1101 261221nnnnQKpRRnZ 1.3 充模壓力分析充模過(guò)程中，模腔內(nèi)的壓力降，即從澆口到熔體瞬充模過(guò)程中，模腔內(nèi)的壓力降，即從澆口到熔體瞬時(shí)前沿的壓力降是十分重要的參數(shù)，一般，希望壓時(shí)前沿的壓力降是十分重要的參數(shù)，一般，希望壓力降越小越好，力降越小越好， 原因：原因：A A可減少模塑制品內(nèi)的可減少模塑制品內(nèi)的凍結(jié)應(yīng)力凍結(jié)應(yīng)力，提高制，提高制品的尺寸穩(wěn)定性品的尺寸穩(wěn)定性 B B可降低可降低鎖模壓力鎖模壓力，提高安全系數(shù)

7、。，提高安全系數(shù)。 對(duì)于冷模更重要。對(duì)于冷模更重要。圖圖 等溫和非等溫充模時(shí)模腔壓力與流量的實(shí)測(cè)關(guān)系等溫和非等溫充模時(shí)模腔壓力與流量的實(shí)測(cè)關(guān)系可見(jiàn)，在可見(jiàn)，在等溫注射等溫注射過(guò)程中，過(guò)程中，壓力降壓力降幾乎與幾乎與lgQlgQ成正比，成正比，與上式描述的規(guī)律一致。與上式描述的規(guī)律一致。 對(duì)于對(duì)于非等溫充模非等溫充模（冷模），曲線存在一最小體積流（冷模），曲線存在一最小體積流率率Q Qminmin，當(dāng)，當(dāng)Q QQ Qminmin，相當(dāng)于熔體一進(jìn)入模腔就全部凝固，相當(dāng)于熔體一進(jìn)入模腔就全部凝固，流道堵塞，此時(shí)熔體壓力再高，也不能充模。，流道堵塞，此時(shí)熔體壓力再高，也不能充模。當(dāng)當(dāng)Q QQ Qmin

8、min流率很高，瞬間充入的熔體與模壁來(lái)不及進(jìn)行流率很高，瞬間充入的熔體與模壁來(lái)不及進(jìn)行熱交換，因此接近等溫充模過(guò)程。在兩種極端情況中間熱交換，因此接近等溫充模過(guò)程。在兩種極端情況中間，存在一恰當(dāng)?shù)牧髀剩嬖谝磺‘?dāng)?shù)牧髀蔘 Qp p，與之相對(duì)應(yīng)的模腔壓力降為極，與之相對(duì)應(yīng)的模腔壓力降為極小值。小值?？紤]圓盤(pán)高度考慮圓盤(pán)高度Z Z 實(shí)際上熔體進(jìn)入冷模后，實(shí)際上熔體進(jìn)入冷模后，貼近模壁的熔體很快凝固，速貼近模壁的熔體很快凝固，速度銳減，形成度銳減，形成冷凍皮層冷凍皮層，使熔，使熔體流道寬度體流道寬度Z Z下降。右圖給出下降。右圖給出的是熔體充滿模腔之前的一瞬的是熔體充滿模腔之前的一瞬間，運(yùn)動(dòng)著的熔體

9、前沿部分的間，運(yùn)動(dòng)著的熔體前沿部分的速度和溫度分布?？梢?jiàn)，模壁速度和溫度分布。可見(jiàn)，模壁附近范圍內(nèi)熔體速度為附近范圍內(nèi)熔體速度為0 0，即，即冷凍皮層的厚度為冷凍皮層的厚度為Z Z。 實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)表明，冷凍皮層的厚度冷凍皮層的厚度Z Z是充模時(shí)間是充模時(shí)間t t，模溫模溫T To o，熔體溫度，熔體溫度T Tl l，熔體凝固溫度，熔體凝固溫度T Ts s及熔體熱擴(kuò)及熔體熱擴(kuò)散系數(shù)散系數(shù)a a的函數(shù)，有經(jīng)驗(yàn)公式：的函數(shù)，有經(jīng)驗(yàn)公式：可見(jiàn)，熔體溫度越低，模溫越低，熔體熱擴(kuò)散系數(shù)可見(jiàn)，熔體溫度越低，模溫越低，熔體熱擴(kuò)散系數(shù)越大，則越大，則Z Z越厚。越厚。 于是，熔體充模時(shí)于是，熔體充模時(shí)實(shí)際有效

10、流道寬度實(shí)際有效流道寬度為：為：1/31/21/3002.slTTZCtatTT2effZZZ 充模時(shí)間充模時(shí)間t t等于模腔體積除以體積流率等于模腔體積除以體積流率Q Q：當(dāng)熔體充滿模腔的一瞬間，當(dāng)熔體充滿模腔的一瞬間，R R* *=R=R0 0。假定澆口半徑。假定澆口半徑熔體圓盤(pán)半徑，得到圓盤(pán)模腔內(nèi)熔體圓盤(pán)半徑，得到圓盤(pán)模腔內(nèi)熔體壓力降熔體壓力降的的修正公式：修正公式：其中，其中，K K為稠度，為稠度，n n為冪指數(shù)。為冪指數(shù)。*2/tR Z Q11 211 21/321 22(1)2(1) 1 2nnneffnnnnKQ RpZnKQ RRZnCQZ 充模過(guò)程中希望壓力降越小越好。將充模

11、過(guò)程中希望壓力降越小越好。將p p對(duì)流對(duì)流量量Q Q求導(dǎo)，并令求導(dǎo)，并令 得到得到模腔模腔內(nèi)壓力降極小值內(nèi)壓力降極小值為：為：其中：其中：或：或：即模腔內(nèi)壓力降極小值由三項(xiàng)決定：即模腔內(nèi)壓力降極小值由三項(xiàng)決定：f f（n n）為純）為純數(shù)，與數(shù)，與物料流動(dòng)性物料流動(dòng)性有關(guān)；有關(guān)； 反映反映了物料的了物料的傳熱性能和流動(dòng)性傳熱性能和流動(dòng)性；第三項(xiàng)；第三項(xiàng)G G（n n）主要）主要取決于取決于模腔的幾何參數(shù)模腔的幾何參數(shù)。/0pQ13min1 4( )nnnnRpf n KCZ31 23121 51 5( )1312nnnnnf nnnnmin( )( )Tpf n u G n3nTuKC 在物料

12、及模腔的幾何參數(shù)確定的情況下，決定在物料及模腔的幾何參數(shù)確定的情況下，決定模腔內(nèi)壓力降的主要因素為模腔內(nèi)壓力降的主要因素為 。 可見(jiàn)，要使可見(jiàn)，要使p pminmin盡可能小，可采取的措施有：盡可能小，可采取的措施有：提高熔體溫度和提高模具溫度提高熔體溫度和提高模具溫度，兩者均可使，兩者均可使C C降低降低，尤其當(dāng)熔體溫度升高后，粘度降低，更有利于，尤其當(dāng)熔體溫度升高后，粘度降低，更有利于注射。注射。 此外，選擇此外，選擇凝固溫度低的物料和熱擴(kuò)散系數(shù)小凝固溫度低的物料和熱擴(kuò)散系數(shù)小的物料的物料，均有利于加工。，均有利于加工。3nTuKC1.4 注塑制品中的殘余應(yīng)力及分子取向 由前面已知，從熔體

13、經(jīng)澆口開(kāi)始注入模腔時(shí)起，模由前面已知，從熔體經(jīng)澆口開(kāi)始注入模腔時(shí)起，模腔內(nèi)壓力開(kāi)始建立，而后迅速增大，在保壓階段保持高腔內(nèi)壓力開(kāi)始建立，而后迅速增大，在保壓階段保持高壓壓一旦流動(dòng)停止，應(yīng)力開(kāi)始松弛，松弛速率取決于卸載后一旦流動(dòng)停止，應(yīng)力開(kāi)始松弛，松弛速率取決于卸載后的冷卻速率、冷卻時(shí)間及物料松弛時(shí)間的長(zhǎng)短。的冷卻速率、冷卻時(shí)間及物料松弛時(shí)間的長(zhǎng)短。若物料冷卻速率高，冷卻時(shí)間短而松弛時(shí)間較長(zhǎng)，則冷若物料冷卻速率高，冷卻時(shí)間短而松弛時(shí)間較長(zhǎng)，則冷卻后有較多應(yīng)力被凍結(jié)在制品內(nèi)，稱(chēng)卻后有較多應(yīng)力被凍結(jié)在制品內(nèi)，稱(chēng)殘余應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力殘余應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力大大。殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力種類(lèi)種類(lèi)： （1 1）伴隨驟冷淬火產(chǎn)

14、生的）伴隨驟冷淬火產(chǎn)生的驟冷應(yīng)力驟冷應(yīng)力 （2 2）由于制品的幾何形狀所造成的各部分收縮不）由于制品的幾何形狀所造成的各部分收縮不均勻而產(chǎn)生的均勻而產(chǎn)生的構(gòu)型體積應(yīng)變構(gòu)型體積應(yīng)變，與（，與（1 1）可通過(guò)熱處理消）可通過(guò)熱處理消除。除。 （3 3）因分子取向被凍結(jié)而產(chǎn)生的應(yīng)力，稱(chēng)）因分子取向被凍結(jié)而產(chǎn)生的應(yīng)力，稱(chēng)凍結(jié)分凍結(jié)分子取向子取向。凍結(jié)分子取向產(chǎn)生凍結(jié)分子取向產(chǎn)生機(jī)理機(jī)理： 進(jìn)入模腔的物料一般處于高溫低剪切狀態(tài)，進(jìn)入模腔的物料一般處于高溫低剪切狀態(tài)，但當(dāng)物料接觸到冷模壁后，物料冷凝，致使粘度但當(dāng)物料接觸到冷模壁后，物料冷凝，致使粘度升高，并在模壁上產(chǎn)生一層不流動(dòng)的升高，并在模壁上產(chǎn)生一層

15、不流動(dòng)的冷凍皮層冷凍皮層。該皮層有該皮層有絕熱絕熱作用，使貼近皮層的物料不立即凝作用，使貼近皮層的物料不立即凝固，在剪切應(yīng)力作用下繼續(xù)向前流動(dòng)。若高分子固，在剪切應(yīng)力作用下繼續(xù)向前流動(dòng)。若高分子鏈一端被凍結(jié)在皮層內(nèi)，而另一端仍向前流動(dòng)，鏈一端被凍結(jié)在皮層內(nèi)，而另一端仍向前流動(dòng)，必然造成分子鏈沿流動(dòng)方向必然造成分子鏈沿流動(dòng)方向取向取向，且保壓時(shí)間越，且保壓時(shí)間越長(zhǎng)，分子鏈取向程度越高。在后來(lái)的冷卻階段，長(zhǎng)，分子鏈取向程度越高。在后來(lái)的冷卻階段，這種取向被這種取向被凍結(jié)凍結(jié)下來(lái)?？梢?jiàn)，分子取向凍結(jié)大多下來(lái)。可見(jiàn)，分子取向凍結(jié)大多不發(fā)生在制品中心處，而發(fā)生在不發(fā)生在制品中心處，而發(fā)生在表皮層以下的那表皮層以下的那層材料中層材料中。圖圖 沿注塑制品厚度方向的雙折射變化示意圖沿注塑制品厚度方向的雙折射變化示意圖影響凍結(jié)分子取向的影響凍結(jié)分子取向的因素因素： 圖圖 部分注塑過(guò)程變量對(duì)凍結(jié)分子取向的影響部分注塑過(guò)程變量對(duì)凍結(jié)分子取向的影響分子取向?qū)χ破肺锢硇阅艿挠绊懀悍肿尤∠驅(qū)χ破肺锢硇阅艿挠绊懀簣D分子取向?qū)D分子取向?qū)VCPVC注塑制品拉伸性能影響注塑制品拉伸性能影響l本章重點(diǎn)重點(diǎn)：1、注塑成型過(guò)程周期注塑成型過(guò)程周期2 2、充模壓力降如何做到最小、充模壓力降如何做到最小2 2、凍結(jié)分子取向產(chǎn)生機(jī)理、凍結(jié)分子取向產(chǎn)生機(jī)理課后作