立式注塑机成型制品收缩率（四）

发布日期：2015/10/9 13:14:16

        1.4本文的主要工作
        了解决立式注塑机注塑成型数值模拟方法所需材料常数难以获取的问题,本文提出以塑料生产厂家所提供的某种塑料在某批量的平均收缩率来代表立式注塑机注塑材料的特性,数值模拟方法用来根据模具成型结构预测立式注塑机注塑成型制品的收缩率分布趋势,得出定性结论,然后与立式注塑机注塑材料的平均收缩率相结合,预测立式注塑机注塑成型制品各点的收缩率值,得出定量结论。
        按照所预测的立式注塑机注塑成型制品各处收缩情况确定模具的成型尺寸,在立式注塑机注塑生产时通过调整成型工艺参数使立式注塑机注塑成型制品实际收缩率值向预测收缩率值靠拢,从而得到合格的塑料制品。
        要利用数值模拟方法预测立式注塑机注塑成型制品收缩率分布趋势,同样需要各项材料常数来参与计算过程。既然数值模拟的目的是得到收缩率分布趋势,要的是定性结论而非定量结论,因此可以选择两种已经测得材料常数的塑料来分别代表非结晶性塑料与结晶性塑料。
        由于材料常数不精确,使得不能通过数值模拟来确定合适的立式注塑机注塑工艺参数值,需要立式注塑机注塑生产人员在试模时调试出合理的注塑工艺参数配置。在数值模拟的时候,则假定是在理想的注塑工艺条件下进行,即注塑成型制品不会产生充不足、缩孔、焦烧、溢模、起翘等成型缺陷。研究重点将放在模具成型结构对收缩率分布的影响上,因为使立式注塑机注塑成型制品各处收缩情况不同的主要原因是模具成型结构,而且从服务对象的角度来说,模具设计者最关心的也是模具成型结构对立式注塑机注塑成型制品收缩率分布的影响。
        在以上分析的基础上,本文对注塑成型制品收缩率的预测方法进行研究,主要工作如下:
        (1)对立式注塑机注塑成型过程中的高分子运动特点进行分析,并结合实验研究,探寻立式注塑机注塑成型制品的收缩规律。目前对注塑成型过程的数值模拟,是在获得塑料比容的欲缩小程度后,将其转化为等效的温度载荷,再对模内冷却阶段与模外冷却阶段分别应用线性热粘弹本构模型与热弹性模型来求解立式注塑机注塑成型制品在载荷与变形约束作用下的形变。但如果能够明确注塑成型制品的收缩方向,就可以把比容的欲缩小程度根据所受约束情况直接转化为注塑成型制品的收缩位移,使计算过程得到简化。为此进行注塑成型制品的收缩机理分析。
        (2)根据注塑成型的特点对流体力学的三个基本方程进行简化,建立立式注塑机注塑成型制品温度与压力的控制方程。
        注塑成型制品的收缩是通过比容缩小来实现的,塑料比容变化的原因有压力应变、热应变、结晶应变与化学反应应变,其中化学反应所产生的比容变化不在本文讨论的范围内。在流动与保压阶段,模腔内各处的塑料压力不断提高,塑料比容产生压缩应变;保压压力消失后,塑料比容自发地由被压缩状态向平衡状态回复,但受模腔所限塑料比容无法膨胀,只能靠温度下降产生的比容收缩趋势将比容膨胀趋势吸收,所以在模内冷却阶段的开始一段时间里塑料比容值不发生变化,塑料压力随着塑料温度的卜降而不断降低,一直降至等于大气压力,比容膨胀趋势才完全消失,温度下降与结晶才能使泪‘塑成型制品产生收缩。
        可见为了计算注塑成型制品各点的收缩过程,需要对流动与保压阶段进行立式注塑机注塑成型制品的温度计算与压力计算,然后在模内冷却模拟与模外冷却模拟中根据塑料压力等于大气压力以后的比容随温度下降而缩小的过程来确定每一时步的收缩情况。为求解注塑成型制品的温度与压力,首先要建立起合适的控制方程。本文所建立的控制方程在立式注塑机注塑成型的各阶段都考虑了立式注塑机注塑成型制品在流动面内与模壁之间的热量传递,以及塑料比热相对于时间的变化。
        (3)对控制方程中要用到的塑料粘度、导热系数、比热、比容的计算方法进行讨论,并根据高聚物的松弛特性对计算塑料比容的Tait状态方程进行修正。塑料比容不仅是控制方程中要用到的物理性能数据,而且对收缩过程的计算是按照塑料比容的缩小程度来进行的,所以塑料比容的正确计算十分重要。目前广泛采用Tait状态方程来计算塑料比容,但Tait状态方程所描述的是非结晶性塑料与结晶性塑料在温度变化速率极小并且保持不变的情况下的产V-T关系。实际注塑成型过程中,注塑成型制品的冷却速率不仅时刻在变化,而且各处冷却速率的差别非常大,这使得Tait状态方程所提供的p一v-T关系不能直接被应用,而是需要对其进行修正,以获得冷却速率不断变化的情况下非结晶性塑料与结晶性塑料的几V-T关系。
        (4)提出预测充模过程中塑料熔体前沿位置的当量距离法,并根据塑料熔体前沿位置对注塑模腔流场进行流动路径划分,各条流动路径与不同时刻的塑料熔体前沿的交点作为网格节点,完成对立式注塑机注塑成型制品在流动面内的网格剖分。本文设立式注塑机注塑成型制品各点在流动面内的收缩是沿其流动路径进行,所以在对注塑成型制品进行前处理工作时把网格剖分与流动路径联系起来。
        由于流动路径的划分是依据塑料熔体前沿位置进行的,这样就需要在流动分析之前预测塑料熔体前沿的分布,为此提出当量距离的计算方法,利用当量距离来确定塑料熔体前沿位置。
        (5)在注塑制品温度边界条件的问题上,提出以叠加点源影响场的方法获得模壁温度的分布趋势,并对流动与保压阶段的立式注塑机塑成型制品温度计算采用了非对称温度边界条件、对模内冷却阶段考虑立式注塑机注塑成型制品因收缩而产生的与模壁之间的空隙。然后用有限差分法求解立式注塑机注塑成型制品温度与压力的控制方一程,进行流动、保压、模内冷却与模外冷却过程的数值模拟,得到立式注塑机注塑成型制品的收缩率分布趋势。
        目前普遍采用边界元法求解模壁三维温度场,由于边界元法所得到的大型线性代数方程组的系数矩阵是满阵而且不对称,所以系数矩阵占用的数据量非常大,数据管理十分复杂,方程组求解时间长,而且为了确定注塑成型制品与模壁之间的热流密度,需要把对模壁温度场的计算与对立式注塑机注塑成型制品温度场的计算进行祸合迭代直至达到收敛,才能得到模壁的稳态温度场(若是考虑模具温度的波动变化,把模壁温度场作为瞬态温度场处理,则在每一时步都要进行模壁温度场与立式注塑机注塑成型制品温度场的祸合迭代计算)。
        鉴于用边界元法求解模壁三维温度场要耗费大量的计算时间,而本文在研究收缩率的预测方法时始终着重于对总体分布趋势的把握上,因此将模壁温度场的定量求解以定性求解来代替,通过叠加流道、模腔内各点热源与冷却回路内各点冷源对模壁的影响,获得模壁温度的分布趋势,作为立式注塑机注塑成型制品的温度边界条件。
        (6)把数值模拟所得到的立式注塑机注塑成型制品收缩率分布趋势与塑料生产厂家提供的立式注塑机注塑材料平均收缩率结合起来,预测立式注塑机注塑成型制品各处的收缩率值。最后对本文的收缩率预测方法进行了实验验证。

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