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1、高分子材料流變學(xué)第八章第八章注塑成型過(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．注塑成型過(guò)程的流變分析1．1注塑成型過(guò)程簡(jiǎn)介注塑成型，又稱(chēng)注射模塑，是熱塑性塑料制品重要的成型方法。可用于生產(chǎn)形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精確，用途不同的制品，產(chǎn)量約占塑料制品總量的30%。近年來(lái)，熱固性塑料，越來(lái)越多的橡膠制品，帶有金屬嵌件的塑料制品也采用注射成型法生產(chǎn)。精密注射成型，氣輔注射成型，多臺(tái)注射機(jī)共注射及注射成型過(guò)程的全自動(dòng)控制等為注射成型工藝發(fā)展的新領(lǐng)域。注塑成型的主要設(shè)備是柱塞式或螺桿式往復(fù)注射機(jī)，以及根據(jù)
2、制品要求設(shè)計(jì)的注射模具。塑化好的熔體靠螺桿或柱塞的推力注入閉合的模腔內(nèi)，經(jīng)冷卻固化定型，開(kāi)模得到所需的制品（見(jiàn)圖8-1）。圖8-1典型注射成型設(shè)備示意圖注塑過(guò)程是循環(huán)往復(fù)、連續(xù)進(jìn)行的。全部注塑過(guò)程由一個(gè)主循環(huán)和兩個(gè)輔助工序組成，見(jiàn)圖8-2。圖8-2注塑過(guò)程循環(huán)示意圖與該過(guò)程相對(duì)應(yīng)，一個(gè)循環(huán)中模腔內(nèi)物料承受的壓力隨時(shí)間或溫度的變化曲線(xiàn)如圖8-3所示。圖中各段時(shí)間的總和為一個(gè)注塑成型周期。圖8-3典型注塑周期的程序圖1－柱塞前進(jìn)時(shí)間；2－合模時(shí)間；3－開(kāi)模時(shí)間；4－殘余壓力；a－靜置時(shí)間；b－充模時(shí)
3、間；c－保壓時(shí)間；d－倒流時(shí)間；e－封口時(shí)間；f－封口后冷卻時(shí)間206高分子材料流變學(xué)第八章要得到令人滿(mǎn)意的注塑制品，除掌握準(zhǔn)確的時(shí)間程序外，還要借助于流變學(xué)理論，掌握模腔內(nèi)的物料填充情況，即掌握流道和模腔內(nèi)的壓力變化程序和溫度變化程序。目前已經(jīng)能夠運(yùn)用流變學(xué)和傳熱學(xué)理論，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，數(shù)值計(jì)算模具設(shè)計(jì)中遇到的一些與流道設(shè)計(jì)、傳熱管路設(shè)計(jì)有關(guān)的問(wèn)題，數(shù)字模擬流道和模腔內(nèi)的物料填充圖和壓力、溫度場(chǎng)分布圖，為模具設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的資料。但是由于各種模具內(nèi)流道形狀復(fù)雜，模具溫度不穩(wěn)定，物料注射
4、速度高，非牛頓流動(dòng)性突出，流動(dòng)過(guò)程間歇，所以對(duì)這樣一個(gè)復(fù)雜的注射過(guò)程要求得其精確解幾乎是不可能的。下面首先運(yùn)用流變學(xué)基本方程，結(jié)合若干經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)注模過(guò)程中模腔內(nèi)壓力的變化進(jìn)行分析，說(shuō)明一些有意義的現(xiàn)象；然后介紹注射模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的流變學(xué)方法。一般螺桿式往復(fù)注射機(jī)及模具的功能區(qū)段可分為三段：塑化段，注射段，充模段。塑化段同螺桿擠出機(jī)，物料在其中熔融、塑化、壓縮并向前輸送。注射段由噴嘴、主流道、分流道、澆口組成，物料在其中的流動(dòng)如同在毛細(xì)管流變儀中的流動(dòng)。充模段是關(guān)鍵，熔體由澆口進(jìn)入模腔，發(fā)
5、生復(fù)雜的三維流動(dòng)以及不穩(wěn)定傳熱、相變、固化等過(guò)程，流動(dòng)情況十分復(fù)雜。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，選擇幾何形狀最簡(jiǎn)單的圓盤(pán)形模具和管式流道入口進(jìn)行研究。1．1簡(jiǎn)化假定和基本方程圓盤(pán)形模具和管式流道入口示意圖見(jiàn)圖8-4。設(shè)盤(pán)形模具的模腔半徑為，厚度為Z，壁溫保持為T(mén)0，澆口在圓盤(pán)中心，半徑為，溫度為的熔體從澆口注入模腔，并以輻射狀從中心向四周流動(dòng)。圖中取柱坐標(biāo)系（r、、z），在圓盤(pán)中物料沿半徑r方向流動(dòng)，故r方向?yàn)橹髁鲃?dòng)方向，不同z高度流層的流速不同，故z方向?yàn)樗俣忍荻确较?，方向?yàn)橹行苑较?。圖8-4采用柱坐標(biāo)系繪出
6、的圓盤(pán)形模具和管式流道入口1－溫度為T(mén)1的熔體；2－＂凍結(jié)＂的聚合物皮層；3－流前；4－噴嘴；5－澆口；6－模腔；7－初始速度分布206高分子材料流變學(xué)第八章為討論方便，作如下假定：1）設(shè)物料為不可壓縮的冪律流體。因注射時(shí)物料流速很高，澆口處的剪切速率約達(dá)103～104s-1，采用冪律方程描述其結(jié)構(gòu)粘性較合適。2）物料以蠕動(dòng)方式充滿(mǎn)模腔。設(shè)流速只有，且沿z方向的變化率遠(yuǎn)大于沿r方向的變化率，即；3）法向應(yīng)力分量、、遠(yuǎn)小于剪切應(yīng)力分量，重力、慣性力忽略不計(jì)；4）導(dǎo)熱只通過(guò)模具上、下大板進(jìn)行，即只在
7、z方向進(jìn)行，且熔體比熱、密度、導(dǎo)熱系數(shù)等全部為常數(shù)。據(jù)此，得到系統(tǒng)的連續(xù)性方程：（8-1）r方向的運(yùn)動(dòng)方程：（8-2）能量方程（8-3）式中為密度，為熔體定容比熱，為熔體導(dǎo)熱系數(shù)，為壓力，T為溫度。選用冪律方程為物料的本構(gòu)方程：（8-4）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處到輻射狀流動(dòng)時(shí)的流動(dòng)長(zhǎng)度R處（即圓盤(pán)的瞬時(shí)半徑R處）的壓力降為：（8-5）式中Q為注射機(jī)的體積流量，Z為圓盤(pán)高度。206高分子材料流變學(xué)第八章1．1充模壓力分析充模過(guò)程中，模腔內(nèi)的壓力降，即從澆口到熔體瞬時(shí)前沿的
8、壓力降是十分重要的參數(shù)。一般希望該壓力降越小越好，一則因?yàn)闇p少壓力梯度將減少模塑制品內(nèi)的凍結(jié)應(yīng)力，從而提高制品的尺寸穩(wěn)定性；二則可因此降低鎖模壓力，提高安全系數(shù)。研究表明，尤其對(duì)冷模，由于熔體注入后冷卻很快，應(yīng)力松弛時(shí)間少，因此熔體中最初建立的應(yīng)力大部分將作為凍結(jié)應(yīng)力保留下來(lái)，降低壓力降的問(wèn)題尤為突出。圖8-5給出實(shí)測(cè)的在等溫和非等溫充模過(guò)程中模腔內(nèi)壓力降與體積流量Q的關(guān)系。可以看出，在等溫注模過(guò)程中（熱模），與幾乎成正比，與公式（8-5）描述的規(guī)律一致。對(duì)于非等溫注模過(guò)程（冷模），曲線(xiàn)上有一個(gè)
