（材料加工工程专业论文）注塑件熔接痕的改善措施及数值模拟.pdf

中文摘要 中文摘要 随着科技的发展，塑料以其密度小，比强度高，介电性能、抗电性能优良，耐磨， 抗震，耐化学腐蚀以及加工便易等优点获得了人们的青睐，广泛用于电子仪器仪表、通 信工具、农业，渔业，包装及日用品行业。而注塑成型作为塑料成型最重要的方法之一， 也得到了人们的广泛关注。经过多年的开发研究，其工艺同趋完善，成型出来的制品也 逐渐运用于各行各业。但随着塑料制件应用范围的扩展，对塑料制件的综合性能提出了 更高的要求，特别是在汽车制造和家电行业。 熔接痕作为一种常见的注塑缺陷，不仅影响了制件的外观，而且严重降低了制件的 力学性能，制约了塑件在相关行业的发展。为了解决熔接痕的问题，本文研究探讨了以 下内容： ( 1 ) 分析了塑料熔体在流动过程中的形态，以及熔接痕的形成机理；同时，详细分 析了熔接痕的形态与结构，并阐述了熔接痕性能的评价指标：常用熔接痕系数艮来定量 表征熔接痕对塑料制件的损害程度。 ( 2 ) 通过实验研究了工艺参数对热塑性塑料制品( 以a b s 棒状试样为例) 在有无熔接 痕情况下对其力学性能的影响规律，然后通过t a g u c h i 法设计实验对两种不同热塑性塑料 ( 非结晶型塑料a b s 和结晶型塑料p e ) 进行注射成型，研究了熔接痕对棒状试样力学性能 的影响，从而具体探讨了工艺参数对熔接痕性能的影响程度。实验证明：对非结晶型塑 料a b s ，注射温度对熔接痕的性能影响最大。对结晶型塑料p e ，注射压力对熔接痕影响 最大。在通过优化工艺参数消除熔接痕缺陷时，应先从主要的影响因素入手，才能获得 最佳的效果。 ( 3 ) 介绍了三种减少熔接痕缺陷的工艺方法，特别是顺序阀式浇口技术( s v g ) ，对 熔接痕的改善效果明显。 ( 4 ) 利用m o l d f l o w 软件，对优化工艺参数的实验进行了模拟验证。在模拟冷料井的形 状对熔接痕的影响时，证明在相同面积的不同形状冷料井中，菱形的冷料井对熔接痕的 改善效果最为明显。同时对新工艺s v g 技术进行了模拟，验证了其改善熔接痕的良好效 果。 关键词：注射成型；熔接痕；工艺参数；t a g u c h i 方法；数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，p l a s t i c sh a v eg r a b b e d p e o p l e se y e sb yi t su n i q u ep e r f o r m a n c e s ：l o wd e n s i t y ，h i 曲s p e c i f i cs t r e n g t h ， g o o dd i e l e c t r i cp e r f o r m a n c ea n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y ，a sw e l la sp o s s e s s i n g w e a l r e s i s t a n c e ，s e i s m i cr e s i s t a n c e ，c h e m i c a lr e s i s t a n tp r o p e r t ya n dc o n v e n i e n t p r o c e s s i n g ，w h i c ha r ew i d e l yu s e d i ne l e c t r o n i ci n s t r u m e n t sa n dm e t e r s ， c o m m u n i c a t i o nt o o l s ，t h ea g r i c u l t u r e ，t h ef i s h e r y ，t h ep a c k i n gi n d u s t r ya n dt h e s m a l ld a i l yn e c e s s i t i e s p l a s t i ci n j e c t i o np r o c e s s ，嬲o n eo ft h em o s ti m p o r t a n t m e t h o d s ，a l s oh a sh i 曲l yo b t a i n e dp e o p l e sa t t e n t i o n a f t e ry e a r s d e v e l o p m e n t a n dr e s e a r c h ，t h et e c h n i q u eb e c o m e sg r a d u a lp e r f e c t i o n ，s op l a s t i cp r o d u c t sa r e w i d e l yu s e di ni n d u s t r i e sf r o ma l l w a l k so fl i f e b u tw i t ht h ee x t e n s i o no f a p p l i c a t i o ns c o p e ，t h ed e m a n df o rc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ei sm u c hs t r i c t e r ， e s p e c i a l l yi na u t o m o b i l em a n u f a c t u r ea n d e l e c t r i c a la p p li a n c e si n d u s t r i e s w e l d l i n ei so n eo fc o m m o ni n j e c t i o nm o l d i n gf l a w s i th a sa f f e c t e d a p p e a r a n c e so fw o r k p i e c e ，a n ds e r i o u s l yr e d u c e dt h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ； m o r es e r i o u s l y ，i th a ss l o w e dd o w nt h ed e v e l o p m e n to fr e l a t i v ei n d u s t r y t h e f o l l o w i n ga r et h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e r ： f i r s t l y ，t h i sp a p e re m p h a s i z e so ns t u d y i n gt h em o r p h o l o g yd u r i n gt h e m e l t f l o wp r o c e s s ，a n dm i c r o s c o p i c a l l ye x p l a i n e dh o wt h ew e l d li n ef o r m s a t t h es a m et i m e ，i ta n a l y s e st h ec o n f i g u r a t i o na n ds t r u c t u r eo fw e l d l i n ea n dt h e a p p r a i s a lh a sm a d et h ed e t a i l e de l a b o r a t i o nt ot h ep e r f o r m a n c e s e c o n d l y ，t o f i n do u tt h el a wo fp r o c e s s p a r a m e t e r s i n f l u e n c eo n t h e r m o p l a s t i cp l a s t i c sw i t ho rw i t h o u tw e l d l i n e s ，e x p e r i m e n t sa r e c a r r i e do n t a k i n ga b sd u m b b e l l s h a p e dp l a s t i cs t i c k sa se x a m p l e t h e n ，u s i n gt a g u c h i m e t h o d ，o r t h o g o n a lt e s t sa r ed e s i g n e dt os t u d yt h ei n j e c t i o np r o c e s so ft w o d i f f e r e n tt h e r m o p l a s t i cm a t e r i a l s “d u m b b e l l s h a p e w o r k p i e c e ，o p t i m i z et h e i r p a r a m e t e r sa n df i n dt h ei n f l u e n c ed e g r e eo ft h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r st ow e l d l i n e p e r f o r m a n c e i ti st e s t e db ye x p e r i m e n tt h a tf o rn o n c r y s t a lp l a s t i ca b s ，t h e i i i 注塑件熔接痕的改善措施及数值模拟 b i g g e s t 。n f l u e f a q。一e c t i o n ，w h i l ef o ry s t a 。p l a s t i cpebzggest i n f l u e n c et a c t o ri sm i e c t i o nt e m p e r a t u r ew h i l ei b rc r y s t a lp l a s t i cp ei 。s ， i n je c t i o np r e s s u r e s ow h e ns o l v i n gm e l t - l i n ef l a wb yo p t i m i z i n gp r o c e s s p a r a m e t e r s ，w es h o u l ds t a r tc h a n g i n gf r o mt h em a j o rf a c t o r s ，s ot h a tc a ng e t t w i c et h er e s u l tw i t hh a l ft h ee f f o r t t h i r d l y ，t h r e et e c h n o l o g i e sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e rt od e c r e a s et h e i n f l u e n c eo fw e l tl i n e ，e s p e c i a l l yt h em u l t i s p o ts e q u e n c ev a l v eg a t e s ( s v g ) w h i c hi sa l le f f e c t i v em e t h o df o rs o l v i n gt h em e l tl i n ep r o b l e m f o u r t h l y ，w et e s t e d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s b ys o f t w a r e ，m o l d f l o w a c c o r d i n gt h es i m u l a t i o n ，w ef i n dr h o m b i cc o l ds l u gw e l lh a sab e t t e re f f o r tt o i n c r e a s et h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f p l a s t i cp a r t s a tl a s t ，w ea l s os i m u l a t et h e s v gi nm o l d f l o w v a l i d a t e dt h ec o n c l u s i o n k e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ；w e l dl i n e ；p r o c e s sp a r a m e t e r s ；t a g u c h im e t h o d ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：鲎垒笠： 日期： 渺哆、6 - s - 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：盈金鍪 日期： 群：笸：坚 导师签名：l 互薹噍包 日期：沙b 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景 随着各行各业的迅猛发展，塑料制品以其独特的性能广泛地应用于生产、生活的方 方面面。注射成型方法是塑料产品很重要的成型方法之一，其注塑制品在电器、电子工 业和汽车制造业中的地位无可取代。但是注射成型有它自身无法克服的缺点，那就是当 制件较大时，一个浇口满足不了制品力学性能要求时，需要开设多个浇口或者由于存在 嵌件或是型腔壁厚的不均而引起熔体分开再汇合时，不可避免的会产生的熔接痕。熔接 痕的存在不仅影响到制品的外观质量，而且对制品的力学性能影响很大【l 】。由于熔接痕 问题导致产品不合格，更会严重地影响企业的经济效益。 以汽车行业为例，生产大型部件如保险杠、防护板、车轮罩，档位面板、格栅等， 不仅要求制品有良好的力学性能，还对外观提出了更高的要求。而这些零件，整体尺寸 较大，单个浇口充模不仅时间长，更重要的是填充效果差，会出现短流或翘曲变形。因 此，在制备这些零件时，通常，我们采用多个浇口同时进料。但是由不同浇口注入的熔 体前锋在型腔相遇，若相遇时熔体温度偏低，几股熔流很难完全融合，极易产生熔接痕。 熔接痕的存在不仅直接影响了制品的外观，而且会导致应力集中，极大降低制品力学性 能。研究表明：在相同工艺条件下，熔接痕区域的强度是原始材料强度的1 0 - - - , 9 0 1 2 j 。 在汽车行业，塑料制品的不合格直接导致汽车产品质量下降，甚至危及人的生命安全。 因此，研究注塑过程中熔接痕的形成过程、影响因素及改进熔接痕综合性能的方法 具有现实意义。 1 - 2 国内外对熔接痕的研究现状 鉴于熔接痕对制件的力学性能有重要影响，国内外的专家学者长期以来对其形成机 理和组织结构方面作了大量研究，并提出众多解决方案。 1 2 1 熔接痕的形成过程与组织结构的研究 冯良为等【3 】在深入分析熔接痕形成过程之后，建立了熔接痕形成的模型。在充模阶 段，他利用b a l l m a n 和t o o r 提出的熔体前沿区喷泉涌流理论1 4 】，建立了熔接痕形成的“喷 泉遭遇流模型；在冷却阶段，他利用分子扩散理论，建立了“熔接区弱联接模型， 并提出了熔接痕的三大特点：垂直取向、弱联接和表面v 形槽，指出在充模阶段形成了 垂直取向，而在冷却阶段形成了弱联接和表面v 形槽。t o m a r i 5 j 对含熔接痕的p s 试样 进行了研究，发现在熔接痕部位的试样表面两侧各有0 2 m m - - o 3 m m 的不良结合层。 注塑件熔接痕的改善措施及数值模拟 y s o n 等【6 l 对改性后的p p o p a 混合物的冷、热熔接痕结构分别进行了电子显微研究， 观察到熔接区表面有明显的v 型槽。s e m 图像显示，对于低粘度比混合物 ( m p p 0 2 0 l p a 8 0 ) ，沿熔接痕往塑件内部的熔接层上，拉伸流动使熔体前沿的分散相发 生变形，产生破碎，相粒的尺寸远小于其他部位相粒的尺寸。紧临熔接层靠近v 型槽处， 相粒沿厚度方向变形，离开v 型槽的地方，相粒则没有变形，而靠近试件表面的相粒沿 流动方向变形( 图1 1 a 所示) 。对于高粘度比混合物( p p 0 2 0 p a 8 0 h ) ，相粒仅在试件表面 附近有较轻的变形，在试件内部几乎无变形，呈球状均匀分布( 图1 - 1 b 所示) 。 、- 形橹 律表面、 试件表而 一 冀薹鬻。塞娶搿。 图1 - 1 改性后的低浓度p p o p a 混舍物冷接痕的结构图【6 j f i g 1 - 1c o l dw e l dl i n es t r u c t u r eo f m o d i f i e dp p o p ab l e n d 从图1 1 a ，即低粘度比混合物的试件，大约在表层以下0 3 m m 处可以清楚地看到 呈细小球状的熔接层分散相，紧紧贴着试样表面。随着径向深度加深，相粒沿厚度方向 变形，尺寸也大得多。但对于高粘度比混合物，即图1 1 b ，则看不出细小球状的分散相。 低粘度比混合物的热熔接痕组织结构如图1 2 所示，熔接层由数个不同结构的层所包围。 紧邻熔接层的是一个相粒尺寸较大的层，这一层与试件的次表层相连。接着又是个相 粒较小的层，但该层的相粒尺寸比熔接层的稍大，最后是主体相区，主体相区的相粒较大， 呈球状均匀分布。对多层结构形成机理的深入研究表明，当熔体绕过嵌件分流后刚汇合 时，只有单一熔接层，并未出现多层结构，扭曲状的多层结构是由于熔体汇合后的继续 流动所造成。 2 第一章绪论 注塑件熔接痕的改善措施及数值模拟 熔接痕v 型槽不明显，电子显微镜对纯p s 的观察，未发现熔接缝有明显的v 型槽。但 对试样接缝处断口的观察表明，断口有宽度约0 2m n 的平滑周边，周边内是粗糙的断 裂面，由此判断，断口的平滑周边是熔接不良层，起着v 型槽的作用。而热熔接痕处无 被压缩的空气，一般不会出现v 型槽，也无可以目视的熔接痕。 1 2 2 熔接痕力学性能研究 熔接痕的存在会使得塑料制件的力学性能大大降低，因此在塑件强度设计中，应选 用熔接痕区域材料的力学强度为设计标准。j k k i m 等人【1 2 j 研究了纯p b t 和g f 复 合p b t ( 3 2 g f ) 试件的熔接痕对塑件性能的影响，并将实验所得的流动模式和纤维取 向与数值模拟结果进行对比，结果比较吻合。纯p b t 拉伸强度几乎不受熔接痕的影响， 而复合p b t 的性能则相反，受熔接痕的影响程度很大。l l n a d a 【1 3 】对由两股相向熔体相 遇汇合形成的熔接痕作了仔细研究，研究表明其强度主要受表层区域影响，并且呈现规 律性变化。g a n j iz h o n g 等【1 4 】也证实了这一观点。d f m i e l e w s k i 等【1 5 1 采用冲击试验及 t e m 、x p s 技术，对熔接痕强度下降的原因作了深入研究，发现在p p 中加入的抗氧 化剂不溶于p p ，而是以分散相的形式存在于p p 中，并大量聚集于熔接区。实验证明， 抗氧化剂对熔接缝的强度有严重影响，即使含量极少( 0 1 一- - 0 5 ) ，也会使冲击强度 损失5 0 ；含量达1 时，引起强度损失达7 5 。有、无熔接缝时，试样的屈服强度 几乎相同，但断裂伸长率相差3 倍。当有v 型槽时，试样的冲击强度非常低，将试样 表面打磨0 0 1 0 0 2 m m 后，熔接痕的冲击强度有很大提高，材料打磨对有无熔接痕材 料冲击强度的影响见表1 1 。n m e k h i l e f 等【1 6 1 7 j 用扩散理论和f l o r y h u g i n s 理论对 p c p e 混合物熔接痕的强度进行计算，预测了注射温度对熔接痕强度的影响。 表1 1 材料打磨对有无熔接痕材料冲击强度的影响【1 6 i t a b l e1 - ie f f e c to f s u r f a c em i l l i n go nt h ei m p a c ts t r e n g t ho f m a t e r i a lw i t ho rw i t h o u tw e l d l i n e s k c h o b s l 等用压紧拉伸试验法( c o m p a c tt e n s i o nt e s 0 研究了无v 型槽影响时，熔接痕 的真实强度，并与拉伸试验的结果进行了对比。对脆性材料如p m m a 和s a n ，采用压 紧拉伸法测得p m m a 的f k l 系数为0 8 3 0 9 3 ，s a n 的约为0 7 ，而拉伸试验测得p m m a 的f k l 系数为0 6 0 7 ，s a n 的约为0 4 。两种方法所得结果的差异就在于v 型槽的影 响。打磨熔接痕表面的实验也证明，随着v 型槽的被打磨，拉伸强度逐渐提高，从2 5 m p a 提高到3 8 m p a 。这说明拉伸试验由于受v 型槽的影响巨大，所得结果并不能代表熔接 4 第章绪论 痕本身的强度，而压紧拉伸试验不受v 型槽的影响，更适用于预测溶接痕的强度。 1 2 3 消除熔接痕的参数优化及数值模拟研究 在注塑过程中，几乎不可能完全避免熔接痕，但是我们可以通过采取措施，将其影 响降至最低，通常采用模拟预测法和试错实验法。前者使用数字模型，预测工艺参数和 塑件几何形状尺寸对熔接痕形成的影响，通过改进塑件结构和调整工艺参数使熔接痕的 影响降至最低。后者是通过工艺参数的变化和模具设计的改变，不断试制直至得到满意 的结果。k c h o 等【1 8 1 用实验验证了提高熔体温度，有助于减小表面v 型槽的深度。熔体 温度从2 2 0 提高到2 5 0 时，v 型槽的深度从7i lm 线性下降至3um ，塑件( 尤其是 脆性材料塑件) 的熔接痕强度会有较大提高。c h u n g 和k w o n t l 9 1 开发了一个可对试件各 位置的纤维取向进行数值模拟的模型，该模型还可对应力张量、压力、速度和温度场进 行数值模拟。 张克惠从原料的选取、模具的设计、产品的设计、工艺参数的调节以及制件后处 理等方面提出了避免熔接痕产生和改进熔接痕强度的方法。申长雨【2 u 将消除熔接痕对产 品质量影响的方法归纳为以下几个方面： 1 成型工艺方面： ( 1 ) 提高模具和注射熔体的温度； ( 2 ) 提高注射压力和注射速度： ( 3 ) 降低两股熔体汇合时的温度差，尽可能使其前沿的温差小于l o 。 2 模具设计方面： ( 1 ) 增大浇口和流道尺寸； ( 2 ) 在熔接痕附近设置排气槽或排气孔； ( 3 ) 尽可能使熔接痕在靠近浇口附近形成。 3 制品设计方面： ( 1 ) 适当增加壁厚，以利压力传递； ( 2 ) 保持较高的熔体温度。 s j l i u 等2 2 1 采用t a g u c h i 2 3 1 实验参数设计了一个实验矩阵，用注塑加工中的六个参 数( 嵌件尺寸、注塑压力、熔体温度、保压压力、模腔温度和注射速度) 的不同值，进行 十八种组合，对p s 的注塑过程进行实验。用代表信号响应强度( s ) 与信号变化( 噪声) 强 度( n ) 之l i 二( s n ) 来表示性能受噪声影响的程度，s n 值越大，性能受影响程度越小。 i s d a i r a n i e h 等【2 4 1 用m o l d f l o w 软件( 第8 、9 版) 对熔接痕的形成及加工参数的变化对熔 注塑件熔接痕的改善措施及数值模拟 接痕强度的影响进行了计算机模拟预测与实验验证，成功地预测了注塑时间对熔接痕强 度的影响，即增加注塑时间，熔接痕强度增加。实验证实，注塑时间增加1 6 ，熔接痕 强度增加4 。m o l df l o w 还能正确预测材料性能( 粘度、密度和p v t 关系曲线) 对熔接 痕强度的影响。 冯良为等在分析注塑周期熔接缝形成过程的基础上，在充模阶段，利用前沿区喷泉 流动的概念，建立“喷泉遭遇流的物理模型和数学模型，并运用m a c 的数值差分方法模 拟了“喷泉遭遇流”的流场，为深入了解注塑充模阶段熔接缝的形成机理提供了理论基 础。鲁晓梅【2 6 1 则提出了一个预测熔接痕形成位置的数值计算方法并用实例对该算法的可 靠性进行了实验验证，结果表明算法的计算值与实验值较吻合，熔接痕位置j 下确，形状 较符合。 1 3 本论文的研究内容 鉴于选题背景，本文主要在以下几个方面进行探讨研究： 1 探讨熔接痕区的组织结构特点，以及如何针对不同材料和制品来评价熔接痕的性 能。 2 针对结晶型塑料( p e ) 和无定型塑料( a b s ) ，研究工艺参数对熔接痕的影响以及熔 接痕对材料力学性能的影响。 3 利用t a g u c h i 方法，寻找最佳工艺参数的组合，从工艺参数设置方面减小熔接痕 的产生，以及减轻熔接痕对制件力学性能的危害。 4 采用模流分析软件m o l d f l o w 进行数值流动模拟分析，并通过实验验证理论分析 结果。 5 研究新的注塑成型工艺对熔接痕的改善。 1 4 本章小结 本章主要介绍了选题背景，综述了近些年来国内外的试验研究结果，对熔接痕的 形成过程，组织结构，力学性能和数值模拟几方面全面介绍了熔接痕的研究进展。分析 了选题的意义和目的，并简要介绍了本文的主要研究内容。 6 第二章注塑件熔接痕的形成机理和影响因素 第二章注塑件熔接痕的形成机理和影响因素 2 1 注射成型工艺流程及工艺条件 注射成型的特点是成型周期短、生产效益高，能一次成型外形复杂，带有嵌件的制 品，而且易于实现全自动化生产。注射过程包括加料、塑化、注射充模、冷却固化和脱 模等几个工序。从注射成型原理来看，实质上只有塑化，流动与冷却定型三个过程。 塑化是是注射成型的准备过程，是指物料在料筒内受热达到熔融状态并具有良好的 可塑性的全过程，也是注射成型过程中最重要和最关键的一步。生产工艺对塑化过程的 要求是：物料在进入型腔之前必须达到规定的成型温度，并能在规定时间内提供足够数 量的熔融塑料，塑料尽可能避免发生热分解现象，以保证生产的持续进行。塑化质量主 要由塑料的受热情况和所受的剪切作用所决定的，一定的温度是使塑料得以变形、熔融 和塑化的必要条件，通过料筒对塑料的加热，是聚合物由固态向液态转变，而剪切作用 则是以机械力的方式强化了混合和塑化过程，使得熔体温度分布均匀，物料的组成和高 分子形态也发生改变，趋于一致。同时，剪切作用能在塑料中产生更多的摩擦热，也加 速了塑料的塑化。 注射流动过程是指用柱塞或螺杆的推动将具有流动性和温度均匀的塑料熔体注入 模具，充满整个型腔，这一过程是注射成型中最复杂的阶段。熔体注入型腔后要克服熔 体与料筒、喷嘴、浇注系统和型腔壁之间的摩擦以及熔体内之间的摩擦。于此同时，还 需要对熔料进行压实，所需注射压力极高。因此，这一过程物料的流动特点是压力随时 间的变化为非线性函数。 当模具浇口冻结后，就进入了冷却定型阶段。浇口冻结后再没有熔体进出模腔，而 封闭在模腔内的熔体的压力随冷却时间的延长进- 一步下降直至开模。在这一阶段，当聚 合物比容( 或密度) 一定时，模腔中物料的压力与其温度呈线性函数关系。注射成型工艺 的核心问题是要求得到塑化良好的塑料熔体并把它顺利注射到模具中去，在控制条件下 冷却定型，最终得到合乎质量要求的制品。因此，注射最重要的工艺条件是影响塑化流 动和冷却的温度、压力和相应的各个作用时间。 1 温度：注射成型过程需要控制的温度包括料筒温度、喷嘴温度、和模具温度。前 两者关系到塑料的塑化和流动，后者关系到塑料的充模流动和固化成型。 2 压力：注射过程中的压力包括塑化压力( 背压) 和注射压力，是影响塑料塑化、充 模和成型的重要因素。塑化压力影响预塑化效果，提高背压，物料受到剪切作用增加， 熔体温度升高，塑化均匀性好，但塑化量减低。一般来说，背压为注射压力的5 - - - - 2 0 。 7 注塑十 熔接痕的改善措施及数值模 f 3 时问( 成型周期1 ：完成一次注射成型所需要的全部时间称为注射成型周期t 包括 注射( 充模、保压) 时问、固化时间、塑化时间及其他辅助( 开模。脱模，嵌件安放，闭模) 时问。其中，以注射和固化时间最重要，对制品质量有决定性的影响。 2 2 注塑件熔接痕形成机理 熔接痕是塑件表面的一种线状痕迹，是由注射或挤出中两股或两股以上流 料在模具中分流汇合，熔料在界面处未完全熔合，彼此不能熔接为一体，在熔 体汇合处的制品表面上造成熔合印迹。熔接痕区域的力学性能远低于塑料件的 其他区域，是整个塑料件中薄弱的环节。熔接痕的强度通常就是塑料制品的强 度1 2 ”。 注射模塑制品的几何形状复杂，模具型腔内塑料熔体分离成多股是不可避 免的。熔接痕形成的常见原因有以下几种：模腔内型芯或安放的嵌件使熔 体分流；同一型腔有几个浇口：塑料件的壁厚变化；熔体喷射和蛇形 的射流。 2 2 1 熔接痕的分类 根据交汇角的不同我们把熔接痕分为对接痕( w e l d 1 i n e ) 和并合痕( m e l d - l i n e ) 。其界面 如图2 - 1 所示( 的熔体绕过嵌件汇合后形成对接痕和并台痕的过程，( b ) 和( c ) 为对接痕 和并合痕的表面示意图。 谚f + 焙体自岩接止 r 一r 一 焙悼惦* 3 * 台痕的肜戚 囤2 1 袁观 意图1 2 8 1 f i g2 1a p p a r e n tn c t u m 酮矧 湖 习审 第二章 注塑件熔接痕的形成机理和影响冈素 根据制品壁厚截面形貌，依熔接痕的影响程度可分为：仅在外表面上，深入表层( 带 有不同程度的v 型沟痕) ，以及贯穿整个壁厚截面。如图2 2 所示。 一一一 ( a ) 一表层( b ) 一深入表层( c ) 贯通截面 图2 2 熔接痕截面示意刚2 8 2 9 1 f i g 2 - 2v e r t i c a ls 仃u c t u r eo fw e l d l i n e 根据熔体充模流动时两股料流前锋相熔接的形式，可分为冷熔接和热熔接。当成型薄 壁大型制件时，通常采用多浇口注入的方式，当两股熔体以相对方向流动，最终迎头汇合 形成的熔接痕称为冷熔接缝( 图2 3 a ) ；当熔体在流动中碰到障碍物( 如嵌件) 后，分成两 股熔流，绕过障碍物，而后分开的熔流又重新汇合，在汇合时所形成的熔接痕称为热熔 接缝( 图2 - 3 b ) 。冷熔接是导致熔接痕力学性能降低的主要原因。 熔接疽熔接痕 a 。 a 两浇口形成的熔接痕 b b 嵌件形成的熔接痕 图2 - 3 注塑件中常见的两种熔接痕【2 9 l f i g 2 - 3w e l dl i n e sa n dm e l tl i n e s 2 2 2 熔接痕的形成过程 宏观上，冷熔接形成的过程如图2 - 4 ： ( 1 ) 两股熔体前沿尚未汇合之前( 如图2 - 4 a ) ，根据冯良为的前沿区喷泉流动理论， 熔体前沿的压力为零，而前沿的泉涌流动使熔体前沿的分子受到拉伸作用使前沿分子链 的取向平行于流动方向。同时，由于冷的模壁而形成的冷凝层中，取向被冻结而形成了 各向异性结构。 ( 2 ) 两相对而行的熔流一旦汇合( 如图2 - 4b ) ，熔体前沿处的压力增加，熔体停止流 动，两个自由表面相互接触并发生非线性的粘弹性变形。 ( 3 ) 在扩散作用下，分子运动，接触表面的分子链开始松弛、缠结和迁移。熔接处 的取向由于受挤压作用而垂直于流动方向( 如图2 4 c ) 。 9 注塑什熔接痕的改善措施及数值模拟 ( 4 ) 由于滞留在型腔中的空气或在充模过程中产生的挥发物来不及排出而往往会产 生了v 形缺口诎咽2 - 4 c 1 ) 。 一 一、 一一 f r f 固莓 王瞳i 谨 i - j p 熔体流动前沿的泉涌流动 三丢善 嘴体流动前 【 的相遇 r lm l 熔接痕区域的分子取向d 熔接痕区域的v 形缺口 图2 4 熔接痕的形成过程【圳 f i g2 4 t h e f o r m a t i o n p r o c e s s o f w e m l i n e 冯良为等i 也对于热熔接的物理过程进行了研究，如图2 - 5 所示。 图2 - 5 熔接痕形成的物理过程l ”j f i 9 2 5p h y s i c a l f o r m a t i o np r o c e s so f w e l d l i n e 叠 第二章注塑件熔接痕的形成机理和影响冈素 ( 1 ) 分离的两股熔体绕过型芯，即将重新汇合( 如图2 5a ) 。 ( 2 ) 根据前沿区喷泉流动理论，前沿的锋面熔流已经汇合，沿流动方向继续向前流 动，而在最初汇合点以下的熔体，由于空气阻力等原因，两股熔流前锋免无法接触，形 成了v 形空洞( 如图2 5b ) 。 ( 3 ) 在最初接触的区域，两股熔体相互挤压，在相互作用力下，发生剪切流动( 如图 2 5c ) 。 ( 4 ) 在相互作用力下，填充了最初的v 形空洞( 如图2 5d ) 。 2 3 注塑件熔接痕的形态和对性能的影响 熔接痕是塑料制品的一个区域，它是彼此分离的塑料熔体相遇后熔合固化而形成 的。它的形态与基体不同：其宽度小，但却延伸至整个制件的厚度。它的宽度有几个毫 米，延伸到整个制件厚度，这取决于材料和熔接过程，当两股熔体前沿尚未汇合以前， 熔体前沿的压力为零，而前沿的泉涌流动使熔体前沿的分子受到拉伸，前沿的分子链取 向平行于流动方向。对于前沿的弧形表面，流动方向和分子取向沿自由表面的法向，它 将会影响到界面融合后分子的扩散。 熔接痕的存在严重影响了制品的性能，主要原因在于： 1 在两股熔流相互接触时，分子链没有足够的时间相互缠结。特别是有些聚合物松 弛时间较长，在凝固前还没有完全松弛，那么在相接处时分子链的缠结程度远远不如本 体，致使制品在熔接处的强度变弱。 2 在接缝处，聚合物分子链、填料和增强剂粒子由于熔体流动时的喷泉流动模式， 沿着流动前锋表面方向取向，两前锋汇合时又产生挤压使填料和增强剂粒子完全沿平行 于接缝方向取向，熔体前锋的温降又使熔体熔合不良，夹入空气或其它夹杂物也妨碍熔 体充分熔合，使接缝处产生缺陷。 3 在两熔体接触时，受挤压作用，高分子链发生了拉伸取向作用。拉伸取向是指高 分子化合物的分子链、链段在受拉伸力作用下沿受力方向排列。我们知道，沿取向方向， 原子之间以化学键连接，而垂直于取向方向，原子间以范德华力连接，打开c c 键需要 3 3 4k c a l m o l 的能量( 若为芳香族c c 键，能量为5 1 8k c a l m 0 1 ) ，而范德华力只需4 - 1 3 k c a l m o l 。很明显，在取向作用下，垂直于取向方向的强度( 模量) 远远小于取向方向的 强度，故而，当熔接痕区域受到与熔痕垂直的力时，制品易被破坏。 4 冷对接时，在v 形缺1 ：3 处产生的应力集中使制品力学性能下降。 注塑件熔接痕的改善措施及数值模拟 2 4 熔接痕的性能评价 熔接痕是注塑件力学性能最薄弱的区域，它使整个制件总体强度下降。在实际生产 中，我们常用熔接痕系数f k l 来定量表征熔接痕对塑料制件的损害程度，其定义如下： 。 含熔接痕试样的性能值 甩 无熔接痕试样的性能值 f k l 值愈小，熔接缝对塑件的损害愈大。人们主要以带熔接缝试样的拉伸强度、断 裂伸长率挤缝系数来表征熔接缝性能。在理想的工艺条件和标准的试验模具下，表2 - 1 列出了一些常用塑料的f k l 值。 表2 - 1 一些常用塑料的f l ( l 值 2 7 1 f i g 2 1t h ev a l u eo ff i ( lo f w e l dl i n eo ni n j e c t i o nm o l d i n gp a r t s 从表2 1 我们可以得出以下结论： 1 对比p s 和p p ，两者均为无定型材料，但拉伸强度却有很大区别。我们将其细分 为无定型脆性材料和无定型韧性材料。前者分子链松弛所需时间长，分子链段不容易发 生扩散。故而，熔接痕区域分子取向高，形成v 形槽区域大而明显，这样导致了应力集 中，制件力学性能下降。相反的，后者分子链所需的松弛时间短，在熔体完全固化前， 很容易发生解取向，加之分子链段的自由扩散，缠结程度较高。在制件表面v 形槽不是 很明显，而且制件底部一般未受影响，熔接痕对此类材料的整体性能影响不大。 2 对结晶型聚合物p o m ，熔接痕对制件性能的影响介于无定型脆性材料和韧性材 料之间。因为虽然结晶型聚合物的链段自由度在熔融状态下较高，但是伴随着结晶的开 始，分子链仍将有一部分要沿着垂直厚度方向取向，晶粒也将沿着这一取向，降低了制 1 2 第二章注塑什熔接痕的形成机理和影响因素 件的力学性能。 3 对纤维增强材料的影响：由于增强填料粒子的存在，阻碍了分子链段的自由扩散， 而且增强填料也会沿着垂直制件厚度方向取向，最终导致两股料流在冷凝后形成弱连 接。随着纤维含量的增加，熔接痕系数f k l 显著减小。 2 5 熔接痕的主要影响因素 前一节已经分析了熔接痕的形成机理，那么凡是影响分子链段缠结，松弛、取向和 结晶程度、分子自由扩散的因素都会影响含熔接痕制品的力学强度。这些因素都与注射 过程中熔体高分子的活性有关，依赖于塑料材料特性和加工工艺条件。其中材料的特性 主要是：熔体黏度、松弛时间，结晶程度；工艺条件则主要包括，温度( 模具温度，熔 体温度) ，压力( 注射压力，保压压力) 和时间( 注射时间，保压时间，冷却时间) 等。这些 因素相互作用，相互渗透，对不同的材料，起决定重要的因素不一而同。 总体来说，影响熔接痕的因素与熔接痕的形成过程密不可分，从其形成过程，我们 总结了影响熔接痕( 冷对接) 的因素，如图2 - 6 所示： 图2 - 6 熔接痕形成的微观解释1 3 2 】 f i g 2 - 6m i c r o s c o p i cf a c t o r sa f f e c t i n gw e l dl i n ep r o p e r t i e s 1 注射成型时，高分子化合物处于在熔融状态，具有一定的流动性。熔体黏度是表 征流动性的基本物理量。分子流动性决定了黏性剪切、高分子的扩散和熔合以及局部应 力。 2 结晶度影响了熔体的黏性剪切，松弛时间决定了在熔体固化之前，分子链段缠结 是否充分。 3 黏性剪切决定了分子的定向转向，导致了取向的产生。加之，分子链段没有充分 注塑件熔接痕的改善措施及数值模拟 融合、缠结和扩散，导致了v 形槽和熔接痕的产生。 上述因素均与材料特性有关，在注射过程中，分子的流动性能的改变又依赖于塑料 材料与成形工艺参数等宏观因素，制品性能的好坏主要取决于工艺参数设置是否合理。 从宏观上，主要受制品材料，模具结构，以及成型工艺的影响。 2 5 1 制品的材料 塑料是一种高分子材料，只有通过加工成型才能获得所需的形状、结构与性能。而 高分子材料的化学结构，即构成元素的种类及其连接方式、端基、支化与交联、结构与 缺陷、基团的空间位置等是决定其性能的主要化学因素。材料的性能首先是由其化学结 构决定的。因此，在选择材料时，必须首先考虑化学因素。此外，材料的化学因素同样 影响着加工工艺及加工方法。 高分子化合物主要由碳和氢元素构成，这些元素之间以共价键的形式连接。由于注 射过程中，塑料分子发生氧化、水解等反应，分子之间还会产生范德华力和氢键。两者 均是高分子化合物分子间的作用力，虽然不大，但是对制品的影响极大。高分子的空间 结构，即等规立构、间规立构和无规立构，对化合物的性能也有不同影响。一般来说， 等规立构的性能要强于间规立构和无规立构。支链也是影响高分子化合物性能的一个因 素，随着支链的增加，分子堆积的紧密程度下降，分子链段柔韧性增强，密度降低，拉 伸强度、球化硬度下降，而断裂伸长率和透气率增加。 另方面，影响高分子性能的物理因素也不容小觑。高分子化合物的相对分子量及 其分布和形态结构不仅影响材料的成型加工性能，还将改变其使用性能。随着相对分子 量增加，熔体黏度增加，加工流动性下降，成型困难。平均相对分子质量相同，相对分 子质量分散性愈小，力学性能愈好【3 0 l 。以热塑性塑料为例，其物理状态与温度关系如图 2 7 所示。由图2 7 可看出，成型过程中温度越高，其流动状态越好，充模速度越快， 单位时间罩熔体流动时的温度降低越少。 影响熔接痕的内在因素是大分子链的结构以及聚集形态。如果材料的分子链结构刚 性强，而且相对分子量大，则其塑料熔体黏度较高，流动性较差，在流动过程中，容易 使熔体温度下降的快。若两股料流前锋汇合时，前锋面的熔体温度低于黏流温度t f ，则 前锋面的熔体就不能充分地熔合，必导致熔接痕的生成。另外，材料的结晶结构也影响 熔接痕形成。对于结晶性材料，因料流前锋面上熔体温度的下降，汇合处不能形成完全 结晶，已结晶的大分子因冷却产生的体积收缩是向着各料流前锋面内侧进行的，若结晶 收缩引起的体积减小得不到充分的补充，则收缩产生的应力有使两前锋面产生相互分离 的趋势。通常，无定型的韧性材料( 如p p ) 、半结晶型的聚合物( p p ) 的f k l 值较大，相反 1 4 第二章注塑件熔接痕的形成机理和影响因素 地，无定型脆