材料成型原理第15章.ppt

第四篇 塑性成型及粉末成形的理论基础,第十五章 塑性成型的理论基础 第十六章 粉末材料成形原理,第十五章 塑性成型的理论基础,15-1 塑料的基本性质,塑料的结构 ： 1聚合材料 1)热塑性塑料(Thermoplastic plastics) 2)热固性塑料(Thermoset plastics) 2、长链分子结构 3、分子链的排列,乙烯单体与聚乙烯分子 （a）单体；（b）聚乙烯分子,聚乙烯中的支链,聚乙烯模型,塑料的基本物理性质,聚合物的玻璃化温度是指线型非结晶聚合物由玻璃态(硬脆状态)向高弹态(橡胶弹性态)、或由后者向前者转变的温度。当温度低于玻璃化温度时，聚合物中的大分子链段凝固成坚硬的固态。当温度高于玻璃化温度时，大分子链段就拥有了足够的自由活动能量，但此时还不是整个大分子链段在运动，故表现出来的还是高弹性橡胶的性质，此时，聚合物中的自由容积会突然增加。玻璃化温度主要与聚合物中大分子键的柔性有关。另外，大分子的交联、结晶取向等都会使升高。,固态塑料的第一个力学特性是蠕变特性。 固态塑料的第二个力学特性是应力松弛。 固态塑料的第三个力学特性是应变速率保持为常数时的拉伸特性。,塑料的流变性,不同类型流体的流动曲线,不同类型流体粘度与剪切速率的关系,聚合物熔体的粘性,1、幂律粘度模型 2、Cross粘度模型,15-2 注射过程及塑料熔体在型腔中的流动,塑料在注塑机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的浇注系统进入模具型腔，其过程可以分为充模、压实、保压、倒流和冷却五个阶段。,熔体流经流道充模 v螺杆速度 p型腔压力 计量室流量 喷嘴流量 主流道 分流道 浇口 型腔,注塑周期中塑料熔体和模具温度随时间的变化曲线 1熔体 2模具温度,当塑料熔体流入型腔时熔体温度稍有升高。当型腔压力迅速上升时熔体温度也上升到最高值。随着保压阶段的开始，熔体逐渐冷却，温度下降。,塑料熔体在型腔中的流动,型腔充填过程可以分为三个阶段，但为了避免和程序注塑中采用的阶段相混淆，习惯上不叫阶段，而称为相。 （）充填相 在充填相中，注塑机的柱塞以稳定的速度向前运动，将塑料熔体注入型腔。充填相一直继续到型腔恰好充满为止。 （）增压相(或称压缩相) 在增压相，注塑机柱塞仍继续向前运动。塑料熔体仍不断注入型腔，一直到模具承受到一定压力为止。 在增压相开始时，塑料熔体己将型腔充满，柱塞向前运动的速度也已下降，但仍要向前移动一段距离，这是因为塑料熔体有很大的可压缩性，在此相中约有15的额外材料在压力作用下进入型腔。 （）补偿相 塑料由熔态冷却至固态时体积变化约有25，而在增压相最多只补充了约15的材料，故补偿相总是必须的。,充填相流动特点,充填相的流动前沿,前沿区流速分布示意图,充填时的取向和残余应力,补偿相流动简图,在补偿相中，熔体的流动是不稳定的，流动形态与河流三角洲的流道很相似,形成这种流动图像的原因有以下几个方面。 （）温度的变化 来自注塑机料筒的熔体其本身温度就不均匀，可以测出，在特殊情况下，此温差可以达到约40。温度高的熔体粘度低，流速快，使得更多的熔体流入此高温区，造成此区熔体温度进一步升高，进一步促进了该区域的流动，最后形成了类似河流三角洲的图像。 （）熔体内部温度的不稳定性 若熔体中某一部分较其余部分温度稍高，则该部分就会因粘度低而流速高，这样就会将更多的熔体带入该区，使该区得以维持较高的温度、较低的粘度和较快的流速。因为河道外熔体大块的温度较河道中熔体的温度低，因而会先于流道中熔体而凝固并收缩。而河道内熔体不但温度稍高，取向和收缩率亦大，冷却凝固时受到已凝固的河道外材料的限制而形成拉伸残余应力，而河道外材料则形成压缩残余应力，这种不均匀收缩而造成的残余应力也是造成制品翘曲的重要原因之一。,15-3 注塑制品中的取向,注塑件厚度取向变化情况,等温条件下剪应力沿厚向的变化 非等温条件下厚向取向分布,松弛前后取向沿厚向的分布,注塑件流动前沿为零级黑，表示流动前沿无取向；从流动前沿出发逆流而上，取向级别逐渐升高，至浇口前一定距离处达列最大，之后，取向级别又逐渐降低。,15-4 注塑制品中的残余应力,残余应力(Residual stress)可以定义为无外力作用下存在于物体内部任意点的局部应力。残余应力所产生的合力或力矩必须为零。,流动残余应力 流动应力主要出现于型腔充填阶段，保压对流动应力只起到补充作用。注塑时，熔体中的高应变速率引起了剪应力和第一、第二正应力差。,热残余应力,15-5 塑料熔体的复杂流动现象与缺陷,一、翘 曲 翘曲(Warp)是塑料制品的一个主要缺陷，大型薄壁精密注塑件的翘曲问题更加突出，造成注塑制品翘曲的原因很多，主要有收缩不均匀，结晶度不均匀，冷却不均匀，过度充填等四个方面。,矩形注塑板的翘曲 注塑制品厚度不同引起的不均匀收缩,冷却不均引起的翘曲,过度充填,过度充填(Over filling)是引起制品翘曲的最常见的原因之一。过度充填是由于流动不平衡所引起的。在型腔充填过程中，熔体总是首先流向最容易流动的部位，因此，当型腔中的某一区域较其余区域更容易流入时，熔体将首先充满此区域。由于塑料熔体是高度可压缩的，故在熔体充填其余区域的同时，将以逐渐降低的流速继续充填易流入区，使此区域密度加大，取向水平提高，这种情况称为过度充填。遭受过度充填的区域收缩率升高，使整个制品中各区域收缩率不同而引起翘曲。,过度充填实例,快车道效应,快车道效应实例,注射速度的影响,截面厚度不同时注射速度对充填性的影响,当制品壁厚有明显差异时，熔体将首先充填厚壁，同时到达薄壁，并可能在薄壁处滞留、损失热量并凝固。厚壁充满后，全部压力作用于充填薄壁。然而，由于薄壁处已经凝固，故仍有充填不满的危险。改变注射速度或提高熔体和模具温度可以改善这种情况。,潜流效应,采用多浇口充填型腔时，来自不同浇口的熔体相互汇合，可能造成流动的停滞和转向。,注塑充填时，理想的流动情况是简单流动，即具有平直前沿、流动方向和流动速度不变的流动。复杂流动往往会降低制品质量，故浇口数量的选择和布置以及确定浇注系统截面尺小等，目的都是希望得到简单流动图像。,潜流效应,熔接线与熔合线,（a）熔接线； （b）融合线 流动前沿相遇时形成的熔接线和融合线,熔合线与熔接线类似，只是相互熔合的流动前沿是平行运动，而不是迎头相遇,凹痕 制品截面若有明显的局部变化，如存在肋骨、凸条或凸出部等，都可在制品对应的表面见到凹陷痕迹。凹陷痕迹是热收缩所造成的，并且在材料愈多的部位愈明显。 采用高保压压力并不能消除凹陷痕迹，与此相反，采用低保压压力却能获得较好效果。,热引起的不稳定流动,图15-26 凹陷痕迹 图15-27 热引起的不稳定流动