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非平衡澆注係統的人工平衡設計與數值仿真

更新時間:2008-9-1 16:05:18 文章來源:互聯網 點擊:

一、引言

塑料注射模的澆注係統是指塑料熔體從注塑機噴嘴到模具型腔之間所流經的通道,其作用是將塑料熔體從注塑機噴嘴處平穩地引入模腔。典型的澆注係統一般由主流道、分流道、澆口和冷料穴等四部分組成。對於多型腔注射模,若各個型腔能夠同時充滿,則稱這個澆注係統是平衡的,又稱自然平衡澆注係統,否則,就是非平衡澆注係統。自然平衡澆注係統簡稱為平衡澆注係統,它是通過流道的幾何結構保證分流道至各澆口的幾何參數完全相等來實現的。非平衡澆注係統一般是由於各型腔分流道的長度無法做得相等而導致澆注係統的不平衡, 一般需通過人工幹預的方法,調整分流道和澆口的相關幾何參數或通過調整注射成型工藝參數(如注射的壓力、溫度和時間等) 等來實現係統平衡的,故又稱為人工平衡澆注係統。其中,前者可稱為幾何參數平衡法,後者可稱為工藝參數平衡法。一般多用幾何參數平衡法,因其調整範圍較大。

佳工機電網

圖1 所示是某衣夾注射成型的三維幾何模型。該模型為一模24腔,塑件材料為聚丙烯(PP) ,在250g注塑機上注射成型。從圖中可以看出,該模型的澆注係統是一個相同製品非平衡澆注係統,有兩級分流道,潛伏式澆口。主流道是典型結構,小端直徑D1由噴嘴直徑而定,錐角2α取2°~6。,大端直徑D2由主流道長度L和錐角確定。分流道的斷麵可以是圓形、梯形、U形、半圓形等。

二、澆注係統的流變學分析

1、假塑性流體的流變學性質

塑料流變學知識可知,注射成型過程中熔體的流動基本屬於假塑性流體流動,其熔體流動符合以下指數規律:

佳工機電網

其中,ηa 為熔體的表觀黏度,其表達式為:

佳工機電網

式中,τ為熔體流動時相鄰液層間的剪應力;佳工機電網為剪切速率; n 為非牛頓指數,假塑性流體的n < 1 ;K和k為與聚合物和溫度有關的常數,K反映聚合物熔體的黏稠性, 稱為稠度係數,而k 反映聚合物熔體的流動性,稱為流動係數,K和k的關係為K= (1/ k)n ,ηa 與K和k 有一定的關係,ηa 越大,則K越大,k 越小; m 是熔體的流動指數,且m=1/n。從(1) 、(2) 式可以看出,τ與佳工機電網和ηa 與佳工機電網均呈指數規律變化,佳工機電網增加,τ增加,而佳工機電網增加,ηa 減小。

2、剪切速率佳工機電網的變化範圍

根據測定,ηa與佳工機電網的取值範圍有關。在低剪切速率( 佳工機電網< 100/s) 區,熔體呈現牛頓流體性質,表觀黏度ηa 較小,且佳工機電網的變化對ηa 的影響較大,注射過程難以進行和控製。而高剪切速率( 佳工機電網>100000/s) 區,熔體的表觀黏度ηa 下降很大,並失去與佳工機電網的依賴關係,呈現出不再降低的趨勢,同時,熔體的流動陷入一種紊亂流動,出現熔體破裂現象,使得塑件質量顯著下降。以上2種情況都是注射成型過程中應當避免的情況。因此,注射成型過程中熔體的剪切速率佳工機電網應控製在100 ~100000/s,公式(1) 、(2) 描述的便是該區間熔體流動的流變學規律。

3、澆注係統中剪切速率佳工機電網的選擇

應當注意到熔體流動時的表觀黏度ηa 不僅與 佳工機電網有關,還與熔體的溫度和壓力有關,其關係為溫度增加,ηa 減小,壓力增加,ηa 增加。在剪切速率佳工機電網 的選擇時必須考慮溫度和壓力的影響。在澆注係統中,主流道、分流道和澆口三部分中佳工機電網的選擇所考慮的問題是不一樣的。

主流道一般為圓錐形,其結構參數主要受注塑機噴嘴和模具結構與加工等因素的影響,結構參數較為固定,這一段一般僅需校核一下佳工機電網在100~100000/s 即可。

分流道主要是用於溝通主流道與澆口之間的通道,這段流道的佳工機電網一般取偏小值,這主要考慮到以下因素。首先,這段流道離主流道較近,溫度稍高。

其次,這段流道若佳工機電網取偏大值,隻能是提高注射速度或減小流道麵積,前者注塑機難於實現,後者壓力損失太大,也不可取。第三,澆口處的佳工機電網較大,所以分流道區段的佳工機電網一般取100~1000/s 即可。

澆口必須保證熔體能夠可靠的填充型腔,並在一定的時間後能夠及時地凝結澆口繼續保壓。這段流道的佳工機電網值一般取偏大值,其考慮的因素是,第一,要可靠填充,其熔體黏度就必須盡可能低,而高的佳工機電網值可以有效降低熔體黏度。第二,要及時地凝結澆口,則澆口麵積就必須小, 而在流量一定時,截麵積的減小必然導致流速增加和剪切速率提高。第三,澆口已經是分流道的末端,溫度損失已較大,高的佳工機電網值有利於熔體溫度的提高,對型腔內熔體的充滿和熔接痕處的聯結牢固是有幫助的。因此,澆口處的剪切速率佳工機電網值一般取10000~100000/s。

2. 4 澆注係統中壓力降的分析

假塑性流體在圓形截麵流道中流動時的壓力降Δp和體積流量qV的計算式為:

佳工機電網

式中,L為流道的長度,R為圓截麵流道的半徑, k′為熔體在圓截麵中流動時的表觀流動係數,k′= 4/ ( m + 3) k,其餘參數同前。

從公式(3)可以看出,

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