第八章 注塑成型

1、Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and TechnologyBOY 12A型微注射成型機(jī)80T震天精密注射機(jī)Babyplast 微型注射機(jī)塑料顆粒從注塑機(jī)的料斗送進(jìn)加熱的料筒內(nèi)，經(jīng)過(guò)加熱熔化呈流動(dòng)狀態(tài)后，在柱塞或螺桿的高壓推擠下，以很大的流速通過(guò)料筒前端的噴嘴、經(jīng)模具的澆注系統(tǒng)注入到閉合模具的型腔中。經(jīng)保壓、冷卻、脫模，成型出具有一定形狀的制品。 Southwest University of Science and TechnologySouthwest Univers

2、ity of Science and Technology注塑循環(huán)工藝過(guò)程Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology8.28.2注塑成型分析注塑成型分析8.2.1 充模流動(dòng)分析充模流動(dòng)分析 目前注射成型CAE軟件，應(yīng)用較多且成熟的是流動(dòng)充模過(guò)程和冷卻系統(tǒng)的模擬分析。充模流動(dòng)

3、過(guò)程分析主要是輔助澆注系統(tǒng)的流道布置和尺寸設(shè)計(jì)、澆口數(shù)目和位置設(shè)計(jì)。能確保所設(shè)計(jì)注塑制品有良好流動(dòng)充模性能，也可獲得最佳的注射壓力和充模剪切速率等工藝參數(shù)。冷卻分析可以保證注塑制品的質(zhì)量和有效的冷卻時(shí)間。 注射成型充模流動(dòng)過(guò)程數(shù)值模擬主要描述高聚物熔體不穩(wěn)定和非等溫的流動(dòng)過(guò)程。包括有三個(gè)要素：成型制品的結(jié)構(gòu)、高聚物熔體的流動(dòng)特征、高聚物熔體的流變學(xué)基本方程的復(fù)雜性。常用到的是二維流變學(xué)基本方程（2.5維）Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology0pz,

4、emomcc ccb 高聚物熔體在一扁薄的型腔間隙中充模流動(dòng)。如圖所示。 表示澆口區(qū)，為型腔的邊界，表示熔體流動(dòng)前沿位置。型腔間隙厚度為2坐標(biāo)原點(diǎn)位于型腔間隙的中央平面上，置于料流的起始位置。一般注塑件都是薄壁塑件，型腔的壁厚（z向）一般遠(yuǎn)小于其它兩個(gè)方向（x，y向）的尺寸，可忽略壁厚方向上的速度分量，即vz0；在壁厚方向上的壓力梯度注射充模流動(dòng)常作如下假設(shè)注射充模流動(dòng)常作如下假設(shè)熔體為廣義牛頓流體，在充填階段不考慮熔體的粘彈效應(yīng)， 0熔體在型腔中流動(dòng)時(shí)，熔體的慣性力和質(zhì)量力可忽略不計(jì)。 在充模過(guò)程中，熔體溫度變化范圍不大，熔體的比定壓熱容和導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù) 設(shè)熔體在型腔壁面處無(wú)滑移，即無(wú)滑移邊

5、界條件。忽略熔體前沿附近區(qū)域噴泉效應(yīng)的影響。 Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology 在熔體流動(dòng)方向上，相對(duì)于熱對(duì)流項(xiàng)而言，熱傳導(dǎo)項(xiàng)較小，可忽略不計(jì)，即010001expnATBpT 忽略厚度方向上的對(duì)流傳熱。 忽略入口效應(yīng)。材料方程（流變方程）材料方程（流變方程）修正修正Cross模型模型0,0TTxxyySouthwest University of Science and TechnologySouthwest University of Sc

6、ience and Technology()()()0yxztxyz流體不可壓縮充模流動(dòng)控制方程充模流動(dòng)控制方程0yxzxyz223ijiijijp 連續(xù)性方程連續(xù)性方程密度在計(jì)算過(guò)程中按常數(shù)計(jì)算動(dòng)量方程（奈維動(dòng)量方程（奈維- -斯托克斯方程）斯托克斯方程）廣義牛頓流體本構(gòu)方程粘性流體力學(xué)Cross-WLF模型模型0010021*n*AT PDAAT PDA,TT,P,exp,expAT,P,p 11211223TTTTTTTT =A +DSouthwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science

7、and Technologyii223iijjjDppgDtxx1(:)2ijaijijij微分形式的動(dòng)量方程式（2）代入式（1）得iijijDgDtx對(duì)于不可壓縮流動(dòng)0iii2ijjDpgDtx式（3）變形為對(duì)于非牛頓流體本構(gòu)方程次方程于1821由法國(guó)力學(xué)家奈維提出，1845年英國(guó)力學(xué)家斯托克斯完成最終形式Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and TechnologyiijjDpDtx 2222221(:)22yyyxxxzzzijijxyzyxyzzx()()()()(

8、)()yxxxzyyyxzyxzzzvdvvvpdtxyyxzzxdvvvvpdtyyzyxxyvvdvvpdtzxxzyyz 展開(kāi)具體形式為1(:)2aijij忽略慣性力和質(zhì)量力，由于2ijij故式（4）變?yōu)镾outhwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technologyxxyyzz能量方程能量方程z()()()yxxyzyyyxxxzzzxxyyzzxyxzyzqqqTTTTtxyzxyzxyzyxzxzy vCDT:DtviiijippCqTT DT:DtviijiCq

9、 不可壓縮0i展開(kāi)為不可壓縮，穩(wěn)定流動(dòng)z()()()yxxyzyyxxzzxyxzyzqqqTTTTtxyzxyzyxzxzy vCSouthwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology式（6）變?yōu)閕iTqx 222222()()()xyzyyxxzzxyxzyzTTTTTTTtxyzxyzyxzxzyvC()()()yxxyyxxyyzyzzyyzxzzxxzxzyxzyzx剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力Southwest University of Science and T

10、echnologySouthwest University of Science and Technology邊界條件及初始條件邊界條件及初始條件,0,0ininxyzwwTT TTT Tp pppninininin入口處為熔體入口溫度型腔壁面上為壁面溫度入口處的壓力、流量給定，即Q=Q=。Q 和分別為入口流量和入口壓力型腔壁面上壓力梯度為0，即熱力學(xué)邊界條件熱力學(xué)邊界條件 第三類(lèi)邊界條件規(guī)定了與物體表面進(jìn)行對(duì)流換熱的流體溫度及對(duì)流換熱系數(shù)，系數(shù)，即對(duì)流邊界條件。由傅立葉傳熱定律，垂直流動(dòng)方向的法向熱流密度為()wTh TTnThn為熔體的導(dǎo)熱系數(shù)， 為對(duì)流換熱系數(shù)，為法向溫度梯度Southw

11、est University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology 對(duì)流邊界條件可以較準(zhǔn)確的反映流體與固體壁面間的熱量傳遞，其傳遞過(guò)程主要是借流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)和混合來(lái)完成的。對(duì)于層流運(yùn)動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)在垂直流動(dòng)方向上沒(méi)有位移，熱量的傳遞是通過(guò)相鄰流體質(zhì)點(diǎn)間的相互碰撞即通過(guò)熱傳導(dǎo)發(fā)生的。 Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology注塑模內(nèi)冷卻注塑模內(nèi)冷卻 注

12、塑制品在保壓后進(jìn)行冷卻，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響塑料制品的收縮變形、注塑制品在保壓后進(jìn)行冷卻，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響塑料制品的收縮變形、生產(chǎn)效率、質(zhì)量、應(yīng)力應(yīng)變和翹曲。生產(chǎn)效率、質(zhì)量、應(yīng)力應(yīng)變和翹曲。 模具的冷卻主要采用循環(huán)水冷卻。模具的冷卻主要采用循環(huán)水冷卻。 典型的是平板冷卻：一側(cè)是高溫熔體，一側(cè)是冷卻水。典型的是平板冷卻：一側(cè)是高溫熔體，一側(cè)是冷卻水。熔體的單向冷卻的熱流密度熔體的單向冷卻的熱流密度()-qK TtTtK2熔體平均溫度冷卻水平均溫度傳熱系數(shù)（w/(m K)）12111KRSouthwest University of Science and TechnologySouthwest Un

13、iversity of Science and Technology12-R式中熔體與金屬模具界面給熱系數(shù)模具金屬的導(dǎo)熱系數(shù)冷卻面與熔體接觸面之間壁厚冷卻流體污垢熱阻金屬模具與冷卻液界面上給熱系數(shù)實(shí)際上冷卻過(guò)程并非單向，對(duì)式（實(shí)際上冷卻過(guò)程并非單向，對(duì)式（7）改寫(xiě)）改寫(xiě)121111d-S-sinh 2KRSddD P 式中冷卻管道直徑形狀因子2S=ln2PSouthwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technologyiirzrzrzrzrz/,/z=0=0r=0r =ooo

14、oRRARRr RrrR 管材擠出口模如圖，由環(huán)隙外半徑與內(nèi)半徑 組成，進(jìn)行常溫層流流動(dòng)分析。令，采用柱面坐標(biāo)系 ， ，。假設(shè)熔體在半徑的圓周上，流速最大。此處的剪切應(yīng)力，速度梯度。， （ ）。1()rzprzrr()nnzrzrzKKr oASouthwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology222r=+C2=,0,C=-p2L=-2rzrzorzoorzpprrrrzLprrLrRRpRL對(duì) 積分，得在解得于是里區(qū)的剪切應(yīng)力分布1()()nnnnnzzzrzr

15、zoddddKKKKdrddrRd Southwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology112111122211221-21=-ln22121=A=0C=-lnAA2122nnozonnnnnoozoonnnozoozopRdRdKLpRpRnRdRCKLKLnpRnRKLnpRRKL 對(duì)其積分利用邊界條件， ，解得111222211lnlnAA122nnnnnnnA Southwest University of Science and TechnologySo

16、uthwest University of Science and Technology1122z2z2112111222z21V =ln212=1V =01=-ln21211V =lnln2122nnnoonnnoonnnnnoopRnRCKLnpRnCRKLnpRnRKLn 外區(qū)的速度分布采用相同的推理方法，解得當(dāng)解得12zzSouthwest University of Science and TechnologySouthwest University of Science and Technology1111222222211321121111lnlnlnlnAA2222=nA= ( , )221( , )212nnnnnnnnnnoonvzozoAF