文档介绍：注塑成型过程
及注塑模具计算机辅助设计中的流变学问题
1. 注塑成型过程的流变分析
注塑成型过程简介
注塑成型,又称注射模塑,是热塑性塑料制品重要的成型方法。可用于生产形状结构复杂,尺寸精确,用途不同的制品,产量约占塑料制品总量的30%。近年来,热固性塑料,越来越多的橡胶制品,带有金属嵌件的塑料制品也采用注射成型法生产。精密注射成型,气辅注射成型,多台注射机共注射及注射成型过程的全自动控制等为注射成型工艺发展的新领域。
注塑成型的主要设备是柱塞式或螺杆式往复注射机,以及根据制品要求设计的注射模具。塑化好的熔体靠螺杆或柱塞的推力注入闭合的模腔内,经冷却固化定型,开模得到所需的制品(见图8-1)。
图8-1 典型注射成型设备示意图
注塑过程是循环往复、连续进行的。全部注塑过程由一个主循环和两个辅助工序组成,见图8-2。
图8-2 注塑过程循环示意图
与该过程相对应,一个循环中模腔内物料承受的压力随时间或温度的变化曲线如图8-3所示。图中各段时间的总和为一个注塑成型周期。
图8-3 典型注塑周期的程序图
1-柱塞前进时间;2-合模时间;3-开模时间;4-残余压力;
a-静置时间;b-充模时间;c-保压时间;d-倒流时间;e-封口时间;
f-封口后冷却时间
要得到令人满意的注塑制品,除掌握准确的时间程序外,还要借助于流变学理论,掌握模腔内的物料填充情况,即掌握流道和模腔内的压力变化程序和温度变化程序。
目前已经能够运用流变学和传热学理论,采用计算机辅助设计方法,数值计算模具设计中遇到的一些与流道设计、传热管路设计有关的问题,数字模拟流道和模腔内的物料填充图和压力、温度场分布图,为模具设计提供有价值的资料。
但是由于各种模具内流道形状复杂,模具温度不稳定,物料注射速度高,非牛顿流动性突出,流动过程间歇,所以对这样一个复杂的注射过程要求得其精确解几乎是不可能的。
下面首先运用流变学基本方程,结合若干经验公式,对注模过程中模腔内压力的变化进行分析,说明一些有意义的现象;然后介绍注射模具计算机辅助设计中的流变学方法。
一般螺杆式往复注射机及模具的功能区段可分为三段:塑化段,注射段,充模段。
塑化段同螺杆挤出机,物料在其中熔融、塑化、压缩并向前输送。
注射段由喷嘴、主流道、分流道、浇口组成,物料在其中的流动如同在毛细管流变仪中的流动。
充模段是关键,熔体由浇口进入模腔,发生复杂的三维流动以及不稳定传热、相变、固化等过程,流动情况十分复杂。
为简便起见,选择几何形状最简单的圆盘形模具和管式流道入口进行研究。
简化假定和基本方程
圆盘形模具和管式流道入口示意图见图8-4。设盘形模具的模腔半径为,厚度为Z ,壁温保持为T0 ,浇口在圆盘中心,半径为,温度为的熔体从浇口注入模腔,并以辐射状从中心向四周流动。
图中取柱坐标系(r、、z),在圆盘中物料沿半径 r方向流动,故r方向为主流动方向,不同z高度流层的流速不同,故z方向为速度梯度方向,方向为中性方向。
图8-4 采用柱坐标系绘出的圆盘形模具和管式流道入口
1-温度为T1的熔体;2-"冻结"的聚合物皮层;3-流前;4-喷嘴;
5-浇口;6-模腔;7-初始速度分布
为讨论方便,作如下假定:
设物料为不可压缩的幂律流体。因注射时物料流速很高,浇口处的剪切速率约达103~104s-1,采用幂律方程描述其结构粘性较合适。
物料以蠕动方式充满模腔。设流速只有,且沿z方向的变化率远大于沿r方向的变化率,即;
法向应力分量、、远小于剪切应力分量,重力、惯性力忽略不计;
导热只通过模具上、下大板进行,即只在z方向进行,且熔体比热、密度、导热系数等全部为常数。
据此,得到系统的连续性方程:
(8-1)
r方向的运动方程:
(8-2)
能量方程
(8-3)
式中为密度,为熔体定容比热, 为熔体导热系数, 为压力,T 为温度。
选用幂律方程为物料的本构方程:
(8-4)
借助于适当的边界条件,可以求出从中央浇口管的半径处到辐射状流动时的流动长度 R处(即圆盘的瞬时半径R处)的压力降为:
(8-5)
式中 Q为注射机的体积流量, Z为圆盘高度。
充模压力分析
充模过程中,模腔内的压力降,即从浇口到熔体瞬时前沿的压力降是十分重要的参数。一般希望该压力降越小越好,一则因为减少压力梯度将减少模塑制品内的冻结应力,从而提高制品的尺寸稳定性;二则可因此降低锁模压力,提高安全系数。
研究表明,尤其对冷模,由于熔体注入后冷却很快,应力松弛时间少,因此熔体中最初建立的应力大部分将作为冻结应力保留下来,降低压力降的问题尤为突出。
图8-5给出实测的在等温和非等温充模过程中模腔内压力降与体积流量Q的关系。
可以看出,在等温注模