（材料加工工程专业论文）振动力场作用下塑料注射充模过程的动态磁化测量及表征.pdf

摘要 两要 塑料注射加工过程一般要经过塑化、充模、压实、保压和冷却五个阶段，本 文所研究的是注射模塑过程中最重要和复杂的充模阶段。 在理论上，在连续性方程、动量方程和能量方程的基础上，结合较符合实际 的振动注射充模过程的假设，建立了振动注射充模中心浇口圆盘型腔过程的物理 模型。然后，在数学模型的基础上进行数学分析，并且采用c a e 的m o l d f l o w 软 件对稳态下的充模过程速度场、温度场、压力场进行了计算机模拟，理论研究的 结果能够比较好地符合磁化实验的结果，从而在理论上验证了磁化方法的科学性 与普遍性。 自行研制了浇口动态磁化装置，通过对制品各个方位的磁性进行测量，可以 清楚地理解熔体充模过程中各个时刻的流动前沿的速度分布和形状，从而达到了 对振动力场作用下的注射充模流动的较为准确分析的目的。 通过磁化实验，对稳态和振动力场作用下，以及不同振动参数( 振幅、频率) 下充模流动磁化结果进行比较，可以直观地解释振动对注射充模的影响：( 1 ) 振 动加速了熔体充模的速度，缩短了注射的时间；( 2 ) 振动可以使充模流动变得更 加均匀，因此制品的质量也可以得到提高。 本文采用新颖的磁化测量的方法，获得了振动注射充模过程的磁化图像，因 而直观而有效地对充模流动进行了表征。抛弃了前人通过压力和温度测量的方法 来理解熔体在模腔内的流动行为，开创了一种新的研究振动力场下注射充模的方 法。通过对振动注射成型的研究，可以更好地理解振动场对注塑制品的质量的改 进作用，从而可以加速推广振动注射成型工艺、指导振动注射机生产和提高注射 制品的质量。 关键词：振动力场；熔体充模；磁化 a b s t r a c t i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s si sac o m p l e xp r o c e s sw h i c hc a nb ed i v i d e di n t of i v e s t a g e si n c l u d i n gp l a s t i c a t i n g ，f i l l i n g ，p a c k i n g ，h o l d i n gp r e s s u r ea n dc o o l i n g i nt h i s p a p e r ，t h em o s ti m p o r t a n ta n dc o m p l e xf i l l i n gs t a g eh a sb e e ns t u d i e dw h i c hi su n d e r v i b r a t i o nf i e l d f o rt h e p a r t o f t h e o r y ，o n t h eb a s eo ft h ec o n s e c u t i v e e q u a t i o n ，m o v e m e n t e q u a t i o n ，c o n s t i t u t i v ee q u a t i o na n de n e r g e t i ce q u a t i o n ，e s t a b l i s ht h e p h y s i c a la n d m a t h sm o d e lo ff i l l i n gc e n t e r g a t e dd i s ku n d e rt h ev i b r a t i o ni n j e c t i o nb y c o n s i d e r i n g t h eh y p o t h e s i so ft h ec o m p a r a b l y p r a c t i c a lv i b r a t i o ni n j e c t i o nf i l l i n g l a t e r ，m o l d f l o w i su s e di nt h en u m e r i c a la n a l y s i s t h ep r o f i l eo ft h ef i e l d s p e e d ，t e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r eu n d e rs t a t es i t u a t i o ni s s t u d i e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc a nb ew e l la c c o r d i n g w i t ht h em a g n e t i ce x p e r i m e n t sr e s u l t s t h et h e o r ys t u d yi n d i c a t e st h a tt h em a g n e t i c m e t h o di sr e a s o n a b l ea n do f u n i v e r s a l i t y w ed e v e l o pt h e g a t e m a g n e t i z a t i o nd y n a m i cv i s u a l d e v i c ew h i c hi su s e dt o i n v e s t i g a t et h em e l tf l o wb e h a v i o ri nt h ec a v i t y b yo b s e r v i n gt h em a g n e t i z ep a t t e r n s o ft h em o l d e dp a r t s ，w ec a nc l e a r l yu n d e r s t a n dt h es p e e dp r o f i l ea n ds h a p eo fm e l t f r o n t w er e a c ht h ea i m so fd y n a m i c a l l yv i s u a l i z a t i o no ff i l l i n gu n d e rt h ev i b r a t i o n f i e l d b yc o m p a r i s o n o ft h e m a g n e t i z a t i o np a t t e r n s o fm o l d e d p a r t s o fd i f f e r e n t v i b r a t i o np a r a m e t e r s ，w ec a n e x p l a i nt h e e f f e c t so fv i b r a t i o no nt h e f i l l i n g f l o w d i r e c t l y f i r s t l y ，v i b r a t i o ns p e e du pt h ef i l l i n gf l o w s e c o n d l y ，v i b r a t i o n c a nm a k e f i l l i n gf l o wm o r eu n i f o r m t h u s ，i ti m p r o v e st h eq u a l i t yo fm o l d e dp a r t s i nt h i sp a p e r , an o v e lv i s u a l i z a t i o nm e t h o di si n t r o d u c e dt ou n d e r s t a n dt h ef l o w b e h a v i o r i n s t i n c t i v e l y a n de f f e c t i v e l y i ta b a n d o n st h et r a d i t i o n a lm e t h o d sw h i c h a i d e db ym e a s u r i n gt h ep r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e s ow ei n i t i a t ean e wv i s u a lm e t h o d t oi n v e s t i g a t et h ei n j e c t i o np r o c e s su n d e rv i b r a t i o nf i e l d t h r o u g ht h es t u d yo ff i l l i n g f l o wu n d e rv i b r a t i o n ，w ec a nf u r t h e ra n db e t t e ru n d e r s t a n dt h ei m p r o v e m e n te f f e c t so f v i b r a t i o nf i e l do nt h e q u a l i t y o fm o l d e dp a r t s c o n s e q u e n t l y ，w ec a ni n s t r u c tt h e m a n u f a c t u r eo fv i b r a t i n gi n j e c t i o nm a c h i n e ，a c c e l e r a t et h ep r o m o t i o no ft h ea p p l i c a t i o no f v i b r a t i n gi n j e c t i n gm o l d i n gm e t h o da n di m p r o v et h eq u a l i t yo fp r o d u c t s k e y w o r d s ： v i b r a t i o nf o r c ef i e l dm e l tf i l l i n g m a g n e t i z a t i o n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：砂垆 眺m 年孑月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密翻。 。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：沙哆年扩月加日 日期：洒；年雪月日 物理量名称及符号表 物理量名称及符号表 振幅 磁感应强度 空气隙磁感应强度 瞬时流率 平均流率 熔体密度 径向速度 轴向速度 时间变量 圆盘半高 磁场强度 电流密度 圆柱坐标系 零剪切粘度 电工钢的实际磁导率 真空磁导率 径向速度( 一维) 柱坐标变量 笛卡儿直角坐标变量 振动圆频率 随振动变化的粘度 周向夹角 压力 平均表观剪切粘度 熔体温度 圆盘半径 粘性流动活化能 与剪切速率、剪切力和分子结构有关的常数 微分算子 熔体热导率 0 口 z 8 z ” a b 易q q p咋吃，矗h， h托“ h 氘 叩p p y 丁民e a v k 华南理工大学硕士学位论文 流动指数 熔体定压比热 圆柱坐标下的切应力和周应力 形变速率 壁温 初始熔体温度 模具入口半径 熔体热传导系数 注射速率 1 v 毛 。q k y r n a l k 第一章绪论 第一章绪论弟一旱三百化 1 1 前言 注射成型加工是一种非常重要的塑料成型的方法。有统计显示，在工程塑料 中，有8 0 的制品是采用注射成型加工的。 注射成型加工一般要经过塑化、充模、压实、保压和冷却五个阶段。这五个 阶段构成一个循环。其中，充模阶段是整个注射模塑周期中最重要最复杂的阶段， 是高温熔体向相对较低温度的模腔中流动的阶段，是决定聚合物结晶和取向的阶 段，因此，熔体在这期间的行为决定着注塑制品的质量。 从注塑技术所追求的实质性目的来看，其最终目的是为了取得优质的制品。 一般说来，注塑制品成型不良的主要原因大致可以分为两大类：一类是起源于充 模时的流动不良；另一类是起源于冷却过程。流动不良可以引起充模不满，表面 痕迹以及熔接缝等缺陷，保压和冷却不良可以引起尺寸偏差、溢料、翘曲变形、 开裂以及残余应力过大等缺陷。 振动对聚合物成型制件的性能的影响主要是通过对聚合物的凝聚态转变和结 晶动力学过程起作用的，而结晶与取向过程主要是由注射充模过程决定的。由于 振动场可以有效地增强产品的性能，对于系统地解决注射成型制品的诸如熔接线、 翘曲、填充不足等质量问题有着重要的意义。因此，研究振动力场作用下的注射 充模过程具有非常重要的理论和实践价值。 华南理工大学的瞿金平教授等人将电磁场引入聚合物塑化注射全过程，发明 并研制成功电磁塑化注射成型机，电磁场产生的机械振动场被引入物料的塑化、 注射、保压全过程，实现了动态塑化计量、动态注射、动态保压，即：聚合物塑 化注射全过程均处于周期性振动状态。为了理解电磁动态注塑机的成型机理，特 别是振动力场如何改变注射充模过程中熔体的流动状态，就必须研究出切实有效 的实验手段来对电磁振动注射成型的充模过程进行分析，对电磁动态注射机的进 一步发展和推广具有重要的科学和现实的意义。 注射充模动态磁化测量与表征就是以电磁动态注射成型机为实验机台，通过 动态磁化实验的方法，测量振动力场作用下，模腔内的熔体在各个时刻的流动位 置、流动前沿的形状以及充模时间，揭示振动参数对熔体充模过程强化作用的实 质。 华南理工大学硕士学位论文 1 2 文献综述 1 2 1 塑料振动注射技术及其对制品的性能的影响 振动注射成型技术是将物理场直接作用于塑料注射加工过程，其基本原理是 在振动力场( 主要是机械振动和超声波振动) 条件下，在塑料的主要剪切流动方 向上叠加了一个附加的应力，使得聚合物在组合应力的作用下完成物理与化学变 化的加工过程。 研究振动力场对注塑制品的性能的影响最早是在上个世纪八十年代初，英国 b r u n e l 大学的m b a v i s 和p a l l a n 成型过程中的保压阶段引入振动技术，有 效地防止了制件中缩孑l 、疏松与表面沉陷的形成，并可以控制残余应力的大小和 方向，在实验中制造出了厚度达1 1 0 r a m 的2 0 玻璃纤维增强p e e k 无缺陷制件。 而后，j p i b a r t 2 0 1 在注射成型p p 时引入压力振动，其结果表明制件的伸长率 提高了8 0 ，屈服强度和弯曲模量也有很大的提高。四川大学的申开智等1 4 - 7 使用 动态保压振动技术注射成型了h d p e 、p p 、a b s ，发现这三种制品的拉伸强度均 有较大的提高。由华南理工大学研制成功的塑料电磁动态塑化注射机，将机械振 动场引入到注射成型的塑化、注射和保压的全过程，具有能耗低、噪音小、可实 现低温、低压注射等特点，是一种全新的先进的塑料注射成型技术 8 4 】。 振动技术对聚合物制件的性能的影响主要是通过对聚合物的凝聚态转变和结 晶动力学过程起作用的1 0 】。周期性的振动力将有效地促进分子的取向，并在熔体 的固化阶段控制晶粒的生长、形成和取向，从而最终获得具有较高物理机械性能 的制品。 1 2 1 1 振动技术在注射成型加工中的应用 在注射成型中，施加振动的方式有机械振动、波振动和气体振动。施加机械 振动的情况研究得比较充分14 1 ，主要包括模具加振成型、螺杆加振注射成型、 辅助加振注射成型、单点动态进料保压注射成型、多点动态进料保压注射成型、 推拉注射成型和全振动注射成型等多种形式。 1振动保压注射成型 振动注射保压成型工艺的核心是在塑料的保压阶段，将振动引入型腔。主要 的具体实现方法有两种。一是螺杆加振；二是辅助装置加振。 1 ) 螺杆加振 在保压阶段使油缸的油压产生脉动，从而使振动通过螺杆直接传到塑料。具 体工艺过程如图1 - 1 所示 1 4 1 。开始，螺杆旋转，但无轴向运动，熔料被挤进模腔； 模腔被充满，在熔体的反作用力下，螺杆后退，在油缸中产生背压；螺杆停止转 二至：三量业一 动，进行振动保压：保压结束，螺杆开始转动，预塑至一定的位置为止；制品冷 却后项出，准备第二次注射。 图1 - 1螺杆加振装置 f i g 1 1 s c h e m a t i c d e s c r i p t i o no ft h es c r e wo s c i l l a t i n gd e v i c e 实验表明，采用脉动保压，不但有效地防止了缩孔、疏松等缺陷，试件的尺 寸精度也大大提高，每批样件重量变化 0 0 3 ，横向尺寸变化 o 0 6 ，变形比常 规工艺明显减少。 2 ) 辅助装置加振 这种方法也可称为单点动态进料保压 。它在模具与浇口之间加装了一个辅 助保压装置，该保压装置由一个保压室和一个柱塞组成，柱塞由液压缸驱动，由 微机控制的电磁阀实现压力的波动。其主要工艺和螺杆加振装置基本相同，不同 之处是在保压阶段，螺杆不振动，而依靠保压装置的柱塞杆振动进行动态保压， 如图1 2 所示。 图1 - 2 辅助保压振动装置 f i g 1 - 2 s k e t c hm a po fa i d e d p a c k i n go s c i l l a t i n gd e v i c e 2 振动保压的迸一步发展 如前所示，振动保压之所以改善了产品的质量，一个主要原因是由于保压过 程中使熔体产生了剪切为进一步加强剪切程度，改善效果，在振动保压的基础 上研制出了新颖的振动注射工艺。一种是“多点动态进料保压”注射工艺，另一 种是“推一拉”注射工艺。 1 ) 多点动态进料保压 如囤l 一3 所示为b r u n e l 大学研制的多点动态进料保压装置简图 1 6 1 它无需对 华南理工大学硕士学位论文 设备做大的改动，在模腔充满后，两保压活塞在独立的液压系统驱动下以同样的 频率振动，但其相位差1 8 0 0 ，这样在两进料点间的熔融塑料在固化过程中受到剪 切。 图1 3多点动态进料保压装置 f i g 1 - 3m u l t i p l el i v e f e e di n j e c t i o nm o u l d i n g 根据a l l a n 等人的实验 i ”，这种工艺对消除塑件的常见缺陷( 缩孔，疏松， 表面沉陷等) 比较有效，而且较单点振动所需的压力更低，尤为可贵的是，它能 使塑料中的纤维定向，从而提高了制件的强度，并且大大地改善了熔合线部位的 力学性能，3 r a m 厚的p p 玻璃纤维增强塑料，采用以上方法在不增加保压峰值的 条件下其熔接线强度提高了5 0 8 0 。 申开智副等人采用这种装置的改进形式，研究了动态进料保压注射a b s 自 增强，宽角x 一射线衍射表明，与传统的注射模塑相比，动态保压注射模塑的a b s 的分子链取向度有所提高，拉伸强度提高了1 7 。 2 ) 推一拉注射成型 如图1 - 4 所示，为k l o c k n e r 公司发明的9 1 ，它有两个注射单元和一个双浇口 模具，工作时，主注射单元推动熔体经过一个浇口，过度填满型腔，多余的物料 经过另一浇口进入辅助注射单元，辅助机的螺杆后退，腾出空间进料，接着辅注 射机重复主注射单元的工作。高分子熔体在模腔内被螺杆前后推拉，高分子之间 互相剪切，一般工作经过1 0 次左右的循环，有的高达4 0 次。 图1 4 推拉注射成型装置 f i g 1 - 4p u s h p u l li n j e c t i o nm o u l d i n g d e v i c e k i r k l a n d 用这种方法对玻璃纤维l c p 进行实验2 们，拉伸强度达3 7 ，7 0 0 p s i ( 常 规值7 ，2 5 0 p s i ) ，弯曲模量达2 ，7 5 0 ，0 0 0 p s i ( 常规值2 ，1 7 0 ，0 0 0 p s i ) ，分别提高 4 第一章绪论 了4 2 0 和2 7 。 1 2 ，2 振动在注塑成型中的作用机理的研究 1 2 2 。1 振动对聚合物熔体的普遍作用 高分子链很长，它在熔体内部形成一种网状的缠结结构，这种缠结是通过分 子间作用力和几何位相物理节点形成。某一特定链与其它链的许多缠结点之间构 成空穴，该链的运动是通过链段在空穴中的跃迁现实。当加入振动时，一方面， 振动增加了高分子链之间的相互剪切摩擦，产生耗散热，增加了高分子的热运动 能，空穴也增加和膨胀，分子间作用力降低，导致分子链相互位移而流动。另一 方面，振动不断对流场产生挤压和释放，增加了分子取向，分子间空穴增大，分 子链重心偏移，降低了分子间作用力，也促进了高分子的流动。在宏观上表现为 周期性的剪切振动产生大量耗散热，熔体粘度降低，流率增大，弹性减小，制品 的物理机械性能大大提高。 振动施加到聚合物材料，能改变聚合物的流动状态。对于大多数聚合物熔体， 增加振动频率可以降低粘度。在振动力场作用下，温度、压力、频率和振幅都能 改变聚合物材料的流变状态，说明聚合物的粘弹性，除了指定聚合物的温度，还 要指定聚合物所处的频率和振幅等工况。 1 2 2 2 振动对模腔中聚合熔体的作用 喷嘴、浇口等一些截面比较薄的部位的熔体，比模腔内或者流动长度比较长 的部位的熔体的凝固的时间更短。由于熔体周期性地扩展和压缩，增加了熔体( 特 别是截较面薄部位的) 摩擦剪切，所产生的耗散热，延缓了薄截面处的熔体的凝 固时闯，使厚壁部分冷却收缩对能够从浇口处得到充足的补充，从而防止出现缩 孔、疏松、表面沉陷等缺陷。同时，聚合物熔体不断被压缩和膨胀，减小了聚合 物的弹性，扩大了熔体之间的接触面积，一方面降低了成型制品中的残余应力， 防止了翘曲变形，使制品尺寸稳定；另方面又增加了熔和线的强度，减小了熔 接痕。而且，聚合物分子链高度取向，排列规则紧密，消除了制品中的空洞，密 度比未加振动的制品大，使制品的各方面性能的重复性比较好。 从以上综述可以看到，振动在注射成型过程中的引入，极大地提高了注塑制 品的性能。前人通过实验方法来研究振动在注射成型过程中的作用机理的比较多， 但是还没有能够从根本上揭示振动力场对熔体在模腔中的流动行为影响，因此需 要进行进一步的深入的研究。 华南理工大学硕士学位论文 1 2 3 注射熔体充模可视化的研究状况 在聚合物加工的研究工作中，人们常常希望观察到聚合物在加工的各个过程 中的运动或流动的状态，特别是在研究聚合物流动的具体情况时，如果能够观察 到聚合物熔体的流动图，就能够为聚合物的研究工作提供直观而有效的研究手段。 在2 0 世纪5 0 年代，人们开始通过实验手段来研究注射熔体的充模过程。 s p e n c e r 和g i l m o r e 【2 ”使用带有玻璃窗的模具对充模过程进行观察，分析熔体的流 动机理、制品的残余应力分布、分子取向和充模压力损失，推导出确定充模时间 的经验公式，创立了充模过程的可视化的研究方法。h a n 把熔融聚苯乙烯柱入两 个装有玻璃窗的矩形模腔，测出了熔体在充模过程中的应力双折射图形，为充模 过程可视化研究做出了贡献【2 “。 m a n z i o n e 和w e l d t 2 3 1 采用染料示踪法，使用多色染料对环氧树脂的传递模塑 加工( 注射压力 1 0 m p a ) 进行可视化研究，定性地观察到由于温度变化使得熔 体粘度变化而导致层流和柱塞流的形成过程。t h i e n e l 使用视窗直接观察热固性树 脂在矩形模腔中的流动行为1 2 4 。c a s t r o 使用聚碳酸酯视窗观察了聚氨酯的不稳定 流动前沿1 2 5 。 传统的可视化方法的主要不足之处为：( 1 ) 视窗法由于使用的是带透明视窗 的模具，因此只能在1 0 m p a 以下的压力下进行研究，而生产实际中的注塑过程注 射压力往往在几十乃至1 0 0 m p a 以上，因此，这种方法不能解释在实际较高压力 下的熔体在模腔中的流动行为；( 2 ) 采用染料示踪法由于只能看见色母料的流动 轨迹，而不能测出熔体前沿的位置，而且这种方法由于没有考虑时间因素，不能 够确定流动前沿在莱一时刻的所处的位置，所以，染料示踪法只是一种静态的可 视化的方法。 为了克服上述可视化方法的缺点，2 0 世纪9 0 年代初，日本东京大学的y o k o i 等人研制了浇口磁化法装置，并将它成功应用于热固性树脂注射的三维可视化分 析中1 2 6 。 图1 - 5浇口磁化法简图 f i g 1 - 5 s c h e m a t i cd e s c r i p t i o i lo ft h eg a t e m a g n e t i z a t i o nm e t h o d 6 第一蕈绪论 浇口磁化法的基本原理是：将磁粉预先与塑料颗粒混合，在模具的浇口处外 加一个磁场( 如图l 一5 所示) ，对磁粉颗粒进行磁化，通过磁化检测液检测注塑件 任意截面的磁化形像图，从而分析熔体的三维流动。 由于磁化信号可以在充模的任意时刻产生，因此浇口磁化法可以将时间的因 素考虑进来，通过控制磁化的时间，从而达到动态地分析熔体在模腔中流动状态 的目的。 1 2 4 数值模拟熔体充模阶段的研究进展 二十世纪五十年代末，人们开始进行数值模拟熔体充模进展的研究，它体现 为模拟熔体充模过程的数学模型从一维数学模型发展到二、三维数学模型。 1 2 3 1 模拟聚合物熔体充模过程的一维数学模型 到了七十年代，人们开始把充模过程作为动量和热量传递的问题来分析，主 要的研究对象是简单的一维流动。 所谓一维流体，是指塑料熔体流动过程的速度场可用一个方向的流率来表示。 当时，人们普遍认为，复杂几何形状的模腔可以分解成一系列一维流动路径，而 这些一维流动的基本形式有三种：圆管流、矩形流动、径向流动。一维流体大多 研究的是幂律流体，一般用有限差分的方法进行求解。 b a l l m a n 等人。2 8 1 首次模拟了熔体在薄壁矩形模腔中的非等温成型过程，首 次提出注射成型中喷泉效应的影响。h a r r y 和p a r r o t 2 卅把能量平衡方程用于矩形 模腔内的一维半稳定态流动分析。l o r d 和w i l l i a m s 【3o 分析了一维非等温流动充模 问题，模拟了热塑性塑料在圆管中的径向流动和在宽度变化的平行模腔中的流动。 关于浇口在中心的圆盘式模具的非等温流动的研究方面。k a m a l 和k e n i g ” 用有限差分法研究了中心浇口圆盘形窄缝模腔内径向流非等温注射成型全过程， 并作了实验验证。b e r g e r 和g o g o s 【3 2 。3 1 对p v c 注射填充模腔的过程进行数学模拟， 得到了物料在圆盘型腔中充满之前的一瞬间运动着的物料前沿部分的速度分布和 温度分布，以及各个时刻的压力分布。周惊萍【3 4 1 研究了在振动力场下圆盘型腔充 模流动，理论上采用有限元进行了数学分析，实验上测得了在振动力场作用下充 模压力、温度和熔体前缘的进展。 一维流体的模拟为二、三维流体的模拟的发展打下了必不可少的基础。而流 动路径法 3 5 - 3 6 1 是一种直接将一维流体的数学模型应用到形状复杂的制品成型过 程，进行二、三维流体的数学模拟。它的原理是：在进行二维流体模拟时，把模 具的型腔和流道看成一系列流动单元的组合；而在进行三维流体模拟时，则先将 三维注射制品展平，再按二维的方法处理。这种方法强烈依赖于模具人员的经验， 7 华南理工大学硕士学位论文 由于流动路径的划分不是唯一的，所以模拟的结果也不尽相同。尤其当若干条不 同的路径汇合时，熔接缝的位置会出现不确定性，因此这种方法仅适用于流道的 设计，对复杂形状的模腔不适用。 1 2 。3 。2 模拟聚合物熔体充模过程的二维数学模型 二维流动是目前人们研究充模流动的主要形式。根据充模可视化研究，流动 区域可以分为浇口区、充分发展区和前缘区。在充模开始时，熔体进入浇口区， 作径向流动，直至达到模腔边壁为止；远离浇口区为充分发展区，大量熔体在冷 的模壁间狭窄通道中流动，几乎是充分发展的。这种流动的性质决定着充模时间、 制件芯的取向以及缺料的产生。前缘区在厚度方向中心高速流动的熔体，像喷泉 一样，流向模壁而形成制件的表面，这就是喷泉效应。 t o n d e r 在研究注射充模过程指出 3 7 ：熔体前沿流动是类似“喷泉”形式的一 种反向流动。由于模壁处的前沿料流的速度等于零，而后面的料流还要推进前沿 向前移动，于是料流从前缘中心到模壁产生了径向流动，前缘中心部位的熔体就 要受到稳定流拉伸流动，波前锋在y 方向取向，使得熔体前缘形成圆弧形的铺展 流动( 如图1 - 6 所示) 。 y 凝固层 流动区域 图1 - 6 熔体速度分布 f i g 1 - 6 p r o f i l eo fm e l tv e l o c i t y m a v r i d i s 等人3 8 1 认为，前沿区的喷泉流动对高聚物的分子取向和靠近制品表 面的填充剂取向，特别是熔接痕处的分子取向有很重要的影响。喷泉流动对反应 注射成型更加重要，因为它影响熔体的局部粘度和化学反应的范围。s p e n c e r 和 g i l m o r e 实验观察了喷泉流体，他们看到流体追踪粒子赶超过速度更慢的熔体前 沿，滞留在模壁上2 1 1 。t a d m o r 和s c h m i d t 也认为，充模过程的喷泉流动对制品的 微观结构影响很大”一。 从熔体在三段的流动，可以看到，二维流动有两种模拟方式比较重要，其一 l 。 第一章绪论 是模拟主流动方向( 上图x y 平面) 上的二维流动，其二是模拟熔体前沿在平行 于x z 平面的各平面内的二维喷泉流动。本论文主要研究的是第一类型的流动。 上述的“三区域模型”存在着明显的不足，它不能解释以下问题：如果当熔体已 经达到所谓的“充分发展区”，浇口区是否依然存在? 如果存在，它的形状是否和 前一时刻相同? 熔体微团在浇口区的运动速度的大小和方向是否变化? 而且这种 模型是针对矩形模腔提出的，它只适用于形状简单的模腔，不能用来模拟三维空 间的熔体流动。 在注塑的流动和分析方面，不但建立了多种数学模型，而且发展了多种数值 计算方法。t a d m o r ，b r o y e r 和g u t f i n g e r 等人提出了流动分析网络法( f a n ) ，把矩 形模腔中h e l e s h a w 流体模型应用到更复杂的、更接近于实际的模腔【3 ”4 。 h i e b e r 4 1 1 和s h e n 4 2 1 也采用f a n 法预测充模时间、压力及速度。对x y 平面二维 流动分析是：将流动区域分解成一系列相同的方格单元，假设每个单元的流体集 中在方格的中心或其结点处，相邻的方格用线条相互连接，模腔内的总流动可以 用连线和接点所组成的网络表示，f a n 法不能模拟厚度方向的速度场；仅限于爬 流流动分析，此外，一般仅用于矩形规则边界模腔的分析。 h i e b e r 和s h e n 先采用有限差分法( f d m ) 模拟非牛顿流体的二维不等温充 模过程，并应用预测一校正方法推进熔体前沿，继而又提出了混合有限元有限差 分方法( h y b r i df e f d ) 。有限元法的解题思想是“分块逼近”，用来描绘平面坐 标内的变化，有限差分法的理论依据是泰勒级数公式，用来描绘厚度方向和时间 上的变化。这其中还应用了两步法( 预测和校正) ，提高了数值模拟的稳定性和准 确性。 r y a n 和c h u n g t 4 3 1 应用保角映射法求热塑性塑料填充薄壁矩形模腔的二维模 型。这种方法通过坐标变化可直接求出压力分布、扩展模式、填充时间等变量， 也大大地简化了温度场的求解。这种方法比较注重数学推导，在推导过程中，必 须作许多假设，使问题简化，否则难以求解。但是，经过简化后，其物理模型不 能真实反映熔体流动的特征。 以上模型模拟的聚合物熔体都简化为纯粘性，以避免方程过于复杂，而实际 生产过程中的聚合物的粘弹性是非常重要的。p a p a t h a n s a i o u 和k a m a l 【4 4 】模拟了符 合w h i t e - - m e t z e n e r 模型的粘弹性热塑性塑料非等温填充复杂形状的模腔的 过程，建立的二维模型由于边界条件复杂及障碍物的存在而导致的收敛和发散的 流动模式，采用的有限差分法中，用符合边界条件的曲线坐标映射流动场。 1 2 3 3 熔体流动前沿的数学分析 在塑料注射成型中，熔体前沿的流动状况对纤维取向和翘曲变形具有重要的 影响，是注射成型流动过程模拟中的一个重要问题。由于熔体前沿会产生喷泉效 9 华南理工大学硕士学位论文 应，即流质减速并向周边流动的现象，因此熔体前沿的流动与后面的熔体流动不 同，需要作专r j 的分析。 国内外许多学者在这方面作了大量的研究。b h a t t a c h a r j i 和s a v i c t 4 5 1 最先尝试 通过解n a v i e r s t o k e s 方程来求解熔体前沿喷泉效应的流场。d o m i n e 和g o g o s t 4 6 4 7 1 用“标志器和单元”技术( m a r k e r a n d c e l l ) 对熔体前沿的复杂流场进行了研究， 计算出熔体的前沿进展。c a s t r o 和m a c o s k o 4 8 1 提出了平面流动前沿的简化模型， 此外在采用有限元或边界元方法求解方面也有许多新的进展。李德群1 等对模拟 精度要求不高的流动前沿喷泉效应采用平砸流前假设法，它是根据质量守恒定律， 把喷泉效应区域以熔体前沿平均流动速度“向前运动的平面，如图1 7 所示。对 模拟精度较高时，采用数值分析方法，并且采用有限元法求解出熔体喷泉效应区 域内较为精确的流场。 0 b 图l 一7 熔体前沿分析示意图 f i g 1 - 7 s c h e m a t i co fm e l tf r o n t 注射充模的数学模型、计算方法也存在着许多不足。首先，它只能做大量的 假设来建立数学模型，然后选择某些适合的数学方法来鳃决问题，因此往往偏离 塑料注射成型加工的工程实际。目前用于塑料模具的商品化的c a e 软件有很多， 其中以澳大利亚m o l d f l o w 公司的m o l d f l o w 系列软件最为著名。但是，这 些软件价格昂贵，而且使用时要做一定的修改，并不能解决千差万别的工程实际 问题。 1 3 研究的目的和意义 从国内外研究的综述可以看到： 】) 振动对聚合物成型制件的性能的影响，主要是通过对聚合物的凝聚态转变 和结晶动力学过程起作用的，而结晶与取向过程主要由注射充模过程决定的，因 此研究振动力场下的注射充模过程具有非常重要的理论价值和实际的意义。 2 ) 目前关于注射充模模拟的研究已经比较充分，但是对振动场下的充模过程 第一苹绪论 的模拟还很少很不完善，需要作进一步的研究； 3 ) 注射充模可视化研究是一种直观而有效的实验研究方法，能够观察到熔体 的流动图。传统的可视化方法都存在着许多是限制和不足，因此开发新的动态磁 化测量与表征的方法具有重要的意义，它将为今后进一步利用磁性手段来对注射 充模流动进行可视化研究奠定坚实的基础。 振动在注射成型中的作用机理的研究目前还处在基础阶段，有待进一步的深 入研究。通过全新的浇口磁化法对振动力场作用下流动前沿的速度分布进行可视 化分析，可以赢观地理解振动场对注射制品的影响，对于指导振动注射机的生产、 推广注射成型方法的应用都具有重要的意义。 1 4 本文的主要研究内容 本文拟研究的主要内容有以下几点： l 、在基本假设的基础上，通过对熔体充模流动的基本方程的推导建立数学模 型； 2 、运用数学模拟软件对稳态下二维数学模型进行模拟，通过分析稳态下各个 方向在各个时刻的流动前沿的位置，从而可以与实验获得的稳态下的注射充模流 动图进行对照，由此验证实验方法的普遍性。 3 、研制出浇口磁化装置，在电磁动态注射机上进行实验，对得到的注塑制品， 采用磁性检测仪器进行检测，并且通过数学处理，获得动态磁化图像。 总之，用理论结合实验的手段研究振动注射充模过程的流动前沿的分布，振 动参数对注射充模流动机理的影响，这是本文研究的主要内容。 1 5 本章小结 本章综述了对振动注射方法的研究、振动对注射充模机理的影响，注射充模 的可视化实验研究，以及注射充模数学模拟的研究进展。 华南理工大学硕士学位论文 第二章理论研究 2 1 物理模型的建立 2 1 1研究对象 本文研究的对象是聚苯乙烯熔体填充放在振动注射机上的、中心浇口、圆盘 型腔的模具的过程，通过动态磁化实验和数值模拟来分析圆盘型腔内的流动前沿 的流动状况，以及振动参数对注射充模过程的影响。 2 1 2 物理模型的建立 圆盘模腔中的径向流是一种最基本的流动，它构成了其它复杂的流动。而且， 圆盘模腔在信息产业也有着重要的应用，比如光盘。图2 - l 所示是圆盘的物理模 型。 卜一2 1 1 0 一 图2 - 1中心浇口圆盘物理模型 f i g 2 1p h y s i c a lm o d e l o f c e n t e r g a t e dd i s k 由于圆盘的对称性，没有环流的存在，只有径向速度和轴向速度，可以假设 聚合物熔体在模腔内的流动为二维流动。聚合物熔体充模过程为非等温过程。在 振动场的作用下，熔体的流速、压力、温度随着时间而变化。聚合物熔体填充中 心浇口圆盘模腔的过程中，速度、压力、温度是r 、z 两空间方向和时间t 三个物 理量的函数。 为研究和计算方便，取二分之一模腔作为研究的对象。 第二章理论研究 2 2 数学模型的建立 2 2 1 坐标轴的选取 中心浇口圆盘型腔平面方向关于中心轴对称，厚度方向关于半高面对称，所 以把z 轴取在中心轴线上，r 轴设在半高面上。如图2 1 所示。 2 2 2 基本假设 为了明确被研究对象的特征，并且为了使问题得到合理的简化。本文作如下 假设： 1 ) 忽视重力作用和熔体的惯性力； 2 ) 在熔体前沿喷泉区域内假设熔体为不可压缩的流体，p = c o n s t a n t ，即 v v = 0 ： 3 ) 由于是薄壁圆盘，假设熔体前沿位置在厚度方向不变； 4 ) 忽略熔体流动过程中的热传递和热对流； 5 ) 忽略v 9 ，有v ，= v ，( r ，z ，t ) ，v ：- - - - v ：( r ，z ，t ) ； 6 ) 注射压力振动，假设流率q = q ( 1d - a s i n 0 3 t ) 。其中，q 为注射时平均流率， a 为振幅，为振动圆频率。 7 ) 熔体的流动主要是径向流动和轴向流动，忽略周向流动。 2 2 3 熔体充模基本方程 2 2 3 1连续性方程 圆柱坐标系的连续性方程的形式为： 警+ 杀c ，+ 未c ：，+ 未c ：，= 。 c 2 一a ， 22 3 2n a y ier s t o k e s 运动方程 1 - 方向的运动方程为： p c 等等+ 等等一孚誓，= 一警+ c 吾未c ，+ 吾鲁一等+ 鲁，+ 船， ( 2 一l b ) 兰空翌三奎兰蔓圭兰垒鲨苎 z 方向的运动方程为： p 崇+ 鲁+ 孚斋批普卜篆+ c ；杀c p 吾等+ 鲁，+ 脂： r 2 一l c ) 2 2 3 3 能量守恒方程 在注塑成型中，塑料由固态经加热变为液态，又从液态经冷却转化为固态， 这个过程始终伴随着能量的交换。根据能量守恒定律推出流场中普遍能量守恒方 程： 肛，i d t = 勰2 t - t ( 印- v ) + ( f ：v v ) ( 2 - 1 d ) 式中：p c ，竺竽反映了单位时间内流动场某一点因温度变化而弓【起的热量变化 量；k v 2 t 表示随空间位置变化而引起的温度变化以及相应能量的变化； r ( 芸) ，( v y ) 是由于随温度变化而引起的膨胀或压缩能量的变化，由于假设聚合 0 物熔体是不可压缩，故该项可忽略不计；( f ：v y ) 表示机械应力作用于流体时 温度的变化及相应的摩擦粘热效应。 2 3 二维流体方程 由于本论文的圆盘模具的z 型拉勾具有较大的非对称性，为了使物理模型更 贴近制件实际，应当考虑z 向尺寸，因而本文对二维数学模型进行推导，并且利 用c a e 软件进行数值模拟，以便与实验结果进行对照分析。 当考虑z 向尺寸，保留速度惯性项，并且考虑速度与时间有关的情况下，二 维流动有v ，v 一，t ，p 四个未知数，需四个方程联立求解，可以由( 2 - l a ) 、( 2 - 1 b ) 、 ( 2 一l c ) 、( 2 一l d ) 四个基本方程进行简化推导，可以德到： 连续性方程： ! 芸( 他) + 誓：0 ( 2 2 a ) ，o ro z r 方向的运动方程： p 鲁+ 警c 未。卜鲁瑚 陋2 b ， j 4 第二章理论研究 z 方向的运动方程： 户鲁+ 芸一c 吾扣扩鲁剐 弘2 c ， 能量方程： 躬c 等+ v r 誓m 誓，= k 矿0 2 t 州r ，等。等+ 气等，螺c 等+ 等， ( 2 - 2 d ) 2 4 边界条件和初始条件 2 4 1 温度、速度、压力边界条件 1 ) 速度边界条件 z - - + h 处，边界无滑移条件， v ，= v ，( r ，+ h ，t ) = o v 。= v ：( r ，h ，t ) = o ( 2 3 ) z = 0 处，对称条件