（机械设计及理论专业论文）振动力场作用下注射充模过程中的能耗研究.pdf

摘要 摘要 振动力场引入注射成型过程中，改善了制品的性能，也影响了注射充模的能 耗，而这个能耗占整机能耗的很大一部分。本文综合运用流变学、以及修正的 m a x w e l l 本构模型，建立了注射熔体在振动力场作用下，从计量室，流经锥形浇 口流道，最后充满圆盘模腔全部过程的物理、数学模型。根据这些模型，得到了 动态注射充模这一过程中各部位的压力分布、功率消耗的解析式。此外，还建立 了螺杆在注射前进过程中所受到的塑料固体颗粒、熔体等的阻力作用而产生的功 率消耗的模型，由此模型而得到了相应的解析式。从而在理论上确定注射过程中 的功率消耗。结合实验条件参数，由确定的解析式，得到了具体的解析值，进而 使得充模理论更为直观化。 通过实验，在稳态和振动力场作用下得到注射充模的功率消耗的实验值，由 这些实验值发现在振动力场作用下比稳态情况下的注射功率消耗的降低；更进一 步地找出不同振动参数( 振动幅值、频率) 而确定的振动强度系数对注射功率消 耗的影响规律；并与由解析式确定的理论值进行比较，分析它们误差存在的原因； 确定振动力场作用下的功率消耗的影响因数。这些研究为电磁动态注射机节能设 计提供了主要的参考价值和理论与实验的依据。 关键词振动力场注射充模能耗振动强度系数 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t c a p a b i l i t i e so ft h ep r o d u c e sh a v eb e e ni m p r o v e da sw e l la st h ep o w e rc o n s u m p t i o n d u r i n gt h ep r o c e s so ft h ei n j e c t i o na n dm o l df i l l i n gw h i c h0 c z u p ym u c hp a r to nt h et o t a l p o w e rc o n s u m p t i o np e r f o r m a n c e d o n e l e c t r o m a g n e t i cd y n a m i ci n j e c t i o nm a c h i n ei s i n f l u e n c e db e c a u s et h ev i b r a t i o nf o r c ef i e l di si n t r o d u c e di n t o m a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a l m o d e l so ft h em e l tw h i c hf l o w e df r o mt h em e l tz o n e ，c r o s s i n gt h r o u g ht h et a p e r e dt u b et o d i s cd i ec a v i t yw h i c hf i n a l l yo v e r f l o w e du n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h ev i b r a t i o nf o r c ef i e l dh a v e b e e ne s t a b l i s h e db yu s i n gs y n t h e t i c a l l yt h et h e o l o g ya n dt h ea m e n d e dt a n n e rc o n s t i t u t i v e e q u a t i o n s b a s e do nt h em o d e l st h ea n a l y t i ce q u a t i o n so ft h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n dp o w e r c o n s u m p t i o no fv e r yp o s i t i o nd u r i n gt h a tp r o c e s sa l s oh a v eb e e ns i m u l a t e d s i m u l t a n e o u s l y t h em o d e l so ft h ep o w e rc o n s u m p t i o ng e n e r a t e db yt h ef r i c t i o nf o r c eb e t w e e nt h ep a r t i c u l a t e s o l i d sa n di na d d i t i o nt h em e l to ft h es c r e ww h i c hw a so nt h es t a t eo fi n j e c t i n ga n dt h eb a r r e l h a v eb e e ns e tu pa n dt h ec o r r e s p o n d i n ge q u a t i o n sh a v eb e e ng i v e n t h e r e f o r et h ep o w e r c o n s u m p t i o nf o rt h ep r o c e s so ft h ei 坷e c t i o na n df i l l i n gh a sb e e ne s t a b l i s h e dt h e o r e t i c a l l y t h ea c t u a lv a l u ec a nb e e nt a k e no u tg r o u n d e do nt h a t e q u a t i o n sc o m b i n e d 丽t l lt h e p a r a m e t e r sa p p l i e df r o mt h e l a bc o n d i t i o n s d a t ao nt h ep o w e rc o n s u m p t i o nf o rt h ep r o c e s so ft h ei n j e c t i o na n df i l l i n gc o m ef r o m t h ee x p e r i m e n tu n d e re i t h e rs t a t i o n a r ys t a t eo rv i b r a t i o ns t a t ed e m o n s t r a t e st h a tt h ep o w e r c o n s u m p t i o nu n d e rt h ev i b r a t i o ns t a t ei sm u c hs m a l l e rt h a nt h a tu n d e rt h es t a t i o n a r yo n e r u l e sf o rt h ec o n t r i b u t i o nt ot h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h a tp r o c e s sm a d eb yt h ec o e f f i c i e n t o ft h ev i b r a t i o ni n t e n s i t yd e f i n e db yt h ed i f f e r e n tv i b r a t i o np a r a m e t e r ss u c h 弱a m p l i t u d ea n d f r e q u e n c yh a v eb e e nf u r t h e rf o u n d e d c o m p a r i n gt h ed a t aa n dt h et h e o r e t i c a lv a l u ed e c i d e d b yt h ea n a l y t i ce q u a t i o nw ef i n dt h er e a s o n sw h y t h e r ei sa ni n a c c u r a c y t h e nw ec o n f i r mt h e e l e m e n t st h a th a v eo ne f f e c to nt h ep o w e ro ft h a tp r o c e s s a l lo ft h er e s e a r c h e so f f e rt h e m a i n l yr e f e r e n c ea n dt h ec o n s u l t a t i o n so nb o t ht h et h e o r ya n dt h ee x p e r i m e n tt ot h e e n e r g y s a v i n gd e s i g n i n g o nt h ee l e c t r o m a g n e t i cd y n a m i ci n j e c t i o nm a c h i n e k e y w o r d s v i b r a t i o nf o r c ef i e l d i n j e c t i o na n dm o l df i l l i n g p o w e rc o n s u m p t i o n c o e f f i c i e n to fv i b r a t i o ni n t e n s i t y 物理鼍名称及符号表 a ( f ) a c 、厶 口 6 c d e 、e l 、e 2 f b f ( z ，t ) l f h 、f t 疋 h k l 、1 2 、1 3 m n 、n nz n 广n h 、nr n s 、n m 玎 p l 、p p a p 、卸 a p p ( ，) p o ， r 、尺2 物理量名称及符号表 式( 2 61 ) 中分离函数 轴向振动强度系数、振动幅值 式( 2 4 7 ) 中的指代参数 式( 2 - 4 7 ) 中的指代参数 积分常数 螺杆直径、料筒内径 固体输送段和固体压缩段螺棱的宽、熔体输送 主螺棱宽、副螺棱宽 塑料固体颗粒与料筒的摩擦系数 式( 2 5 4 ) 的速度函数 振动频率 料筒受螺槽部位、螺棱部位的阻力 料筒受塑料固体颗粒的阻力 料筒与螺槽的距离、圆盘厚度的参数 熔体稠度系数 长度的中间变量、螺杆三段的展开螺旋线长度 径轴向的压力比 注射总功率、螺槽固体、锥形流道功率消耗 螺棱熔体、螺槽熔体、螺杆中总熔体的功率消耗 流道中熔体功率消耗的中间变量、模腔中的能耗 熔体的流动指数 计量室、喷嘴处的压力 各阶段的压力降 流道中的平均压力降 圆盘模腔中压力的分布函数 常态下的大气压强 锥型浇口流道、圆盘模腔内任意处的半径 锥型浇口流道入口、出口半径 n l 华南理工大学t 学硕士学位论文 r 、民 q ( f ) 、q w x 、 y 、 ，、口、 r y 匕 ， v 圆盘模腔入口半径、半径 任意时刻的体积流量、平均体积流量 平均螺槽宽度 笛卡尔直角坐标变量 柱坐标的中间变量 时间变量 螺杆注射速度 螺杆注射速度在螺槽z 方向的分量 轴向速度的振动分量部分 轴向速度函数 z 、，方向的剪切应力 圆盘模腔中，方向的速度 体积流量的脉动幅值系数 剪切速率 熔体做纯剪切流动的表观粘度 振动的角频率 松弛时间 熔体密度 i = 1 、2 、3 、4 振动条件下的相位差 二阶不变应变张量 螺棱与料筒之间的距离 i v 0 、 t q p 矿 缈 力 p 唬扣万 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，均己在文中以明 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。 作者硌刁和 h 期：3 怕4 年6 月弓日 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。 保密留，在支年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 却。帮文 导师签名：l h 期：口雄年多月岁日 h 期：j ，够年占月弓日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 塑料与混凝土、钢铁、木材并称为四大工业材料。由于其有很多优良的特 性，如质地轻巧，耐水，耐化学腐蚀，易加工成型，且制品外形美观，还有电气 特性，及化学稳定性，能很好的和金属、玻璃、木材以及其他的材料胶合的特点， 广泛应用于制造业、电器工业、化学工业等各个领域中。正是由于企业生产和人 们日常生活对塑料制品的强烈需求，以及塑料制品及其原料来源的丰富、廉价、 极大的促进了塑料工业和塑料机械工业的进步和发展，也促进了塑料加工技术和 工艺的不断完善。 注射成型是塑料成型加工的主要方法之一，它用于成型外形复杂，尺寸精确， 带嵌件的塑料制品。注射成型用塑料量约占整个塑料产量的3 0 ，这些成型用 塑料包括通用塑料，工程塑料，热塑性弹性体及部分热固性塑料。其中工程塑料 的8 0 都是用于注塑成型【1 1 。近年来，随着汽车、家电、通讯机器、日用品、建 筑以及精密机械等工业部门的迅速发展，传统的注射成型技术难以满足生产的要 求，人们不断的开发研制新的注射成型技术，使得注射成型技术在发展速度和水 平上都得到迅猛发展。注射成型技术的发展方向越来越集中在：低压注射成型， 高压注射成型、复合注射成型和超小精密注射成型【2 1 。由此可见注射成型在塑料 工业中有着特殊的地位，而用于成型的设备主要是螺杆注射成型机，它是塑料加 工机械的典型代表。以此为研究对象，研究注射机的加工工艺，改进加工手段， 提高塑料制品的质量，推动塑料工业的发展，都非常重要。 对于一台注射成型机而言。常关注其技术性能，例如：注射重量、锁模力、 注射速率、注射压力。特别是注射过程中的功率消耗，它能直接地影响注射设备 的能耗；同时也反映了注射设备整机性能水平。注射过程中的能耗降低，最直接 的效果是在低能耗的情况下，能得到性能更好的注射成品。对企业、厂家而言， 使用底能耗的注射设备，能在较低的经济成本情况下，获得较大的经济效益，这 无疑是一个惊喜。 在当今能源日益紧缺的情况下，研发者在开发新型注射机的同时，不得不考 虑其能耗状况，很多学者研究整机的能量平衡和分配情况；为注射机的开发和研 究提供了理论依据。注射功率在能量消耗中又占有很大的比例，也是研究的热点。 因此有必要对这一过程中的功率消耗做出更进一步的理论研究，解释影响其能耗 的真正原因。 华南理丁大学工学硕七学位论文 1 2 文献综述 1 2 1 传统注射技术和注射机的发展简况 注射成型包括物料的塑化和制品成型两大过程，都在注射机上完成。下图为 液压式注射机，它一般由塑化注射系统，开合模系统，液压传动系统以及电器控 制系统组成，这种装置是由传统的单螺杆挤出机改造完成的。它的工作过程可以 简述如下：螺杆被驱动而旋转，物料从料斗中加入，依靠外加热和螺杆的旋转而 被塑化，熔融的塑料不断的被推向料筒的前端靠者喷嘴处形成熔池。并产生压力， 这个压力对螺杆起反作用，使螺杆在不断旋转的同时不断地后退，这个动作一直 持续到螺杆到达计量行程为止【3 1 。再由液压油缸柱塞传递的高压作用使螺杆前进 充当柱塞，将积存在料筒前端的熔融物经喷嘴以高速注射到温度较低的闭合模具 内，经过一段时间冷却定型，开启模具就可以得到制品，图1 - 1 为其示意图。 图1 - 1 传统注射机塑化注射装置示意图1 3 1 f i g 卜1t h es c h e m a t i co ft h ep l a s t i c a t i o n a n di n j e c t i o no ft h et r a d i t i o n a li n j e c t i o nm a c h i n e 这种塑化注射装置有较良好的使用性能，得到了广泛的使用。注射成型设备 的塑化装置的性能特别是螺杆的性能不但对注射制品的质量有着直接的影响，而 且还直接关系到注射成型的效率、注射生产成本以及生产环境等系列的问题。 长期以来人们对注射机塑化装置的结构和工作原理进行了深入地研究。一方 面研究集中在研制新型的螺杆和料筒以改进和提高塑化、混炼效果和计量的精 度；另一方面的工作是注射和保压阶段进入操声波振动，以实现振动注射和振动 保压，以改善注射特性和提高制品的质量【4 1 。虽然注射机不断地朝着高速、高效、 低噪音、低能耗方面发展；现代计算机控制技术、液压比例技术对温度和注射量 的精确控制等被广泛采用，但是没有从根本上改变注射机的工作原理，机械结构 和传动系统。因而没有改变传统注射机中的诸多问题，例如：机械结构复杂、体 积重量庞大等，也不能克服其在塑化注射中带来的缺陷：1 由于螺杆的有效长度 短引起的塑化、混练效果不均匀；计量熔体的径向和轴向温度分布不均匀；这些 都严重地影响了注射制品的质量。2 塑化物料所需的温度较高，塑化的时间较长， 造成注射温度高，成型制品的冷却时间长，功率消耗大【副。 2 第一章绪论 1 2 2 电磁动态注射机的工作原理和结构 为从根本上解决传统注射技术与注射机存在的一系列问题，同时使我国在 注射机生产、研究及注射成型加工领域跨入国际领先水平，华南理工大学的瞿金 平教授创造性地运用能量转化原理，在世界上首次将电磁场引起的机械振动场引 入到聚合物塑化注射成型的全过程，提出了聚合物动态塑化注射成型、直接电磁 换能、机电磁一体化等全新概念和原理。于1 9 9 5 年开发研制出一种完全摈弃液 压传动系统、结构简单、性能稳定、能耗低的全新注射机一双模板、无拉杆、全 电动的电磁动态塑化注射成型机1 。聚合物电磁动态塑化注射成型新概念主要包 含如下两个方面的内容： a 集机电磁于一体、直接电磁换能 新设备利用新的机械结构方式，将电机、减速箱、螺杆、料筒、注射装置和 合模锁模装置等机构巧妙地结合在一起，省去了传统的电机驱动、齿轮传动系统 和液压系统，高度地集机电磁于一体。这样，一方面使整机的结构紧凑，体积重 量减少4 5 以上；另一方面省掉了中间传递环节，能量直接转换，能耗可降低4 5 以上，噪音为7 5 d b 。更重要的是新设备通过改变电机的绕组布置和参数以及转子 的材料和结构，让与转子相连的螺杆在电机谐波磁场的作用下，在转动的同时还 分别沿轴向和圆周方向振动，从而将电磁场引起的机械振动力场引入聚合物塑化 注射成型的全过程口1 ，图1 - 2 为其示意图。 1 电磁动态塑化注射装置 注射成型设备中最关键的部分是塑化注射装置。塑化注射装置的性能不但对 注射制品质量有直接影响，而且还直接关系到注射成型效率、注射生产成本以及 生产环境等一系列问题。普通往复螺杆式塑化注射装置存在许多缺陷：一是物料 塑化、混炼效果不均匀，而且被计量的熔体存在径向与轴向温度分布不均匀，这 罗 图卜2 电磁式动态塑化注射成型装置的示意图 1 。 f i g 卜2t h es c h e m a t i co ft h ep l a s t i c a t i o n a n di n j e c t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cd y n a m i c i n j e c t i o nm a c h i n e 严重影响注射后制品的质量；二是塑化物料所需的温度较高，塑化时间较长，造 3 华南理工大学丁学硕士学位论文 成注射温度高，成型制品所需冷却时间长，生产效率低。新设备是在已研制成功 的塑料电磁动态塑化挤出机上改造而成阴1 。 新设备的塑化注射装置( 除电磁式直线脉动驱动装置外) 被全部置入驱动电 机转子的内腔，电机转子直接参与聚合物的塑化注射过程，并利用转子的转动、 谐波振动和强制振动，直接将电磁功率转换为热能、压力能及动能，完成物料的 输送、塑化和注射。由于螺杆分别在圆周方向和轴线方向脉动，使被计量的熔体 的径向和轴向温度得到了均化，温差减小，熔体的粘度及弹性也减小，剪切应力 场也得到均化。另外熔体在振动力场作用下可继续塑化和混炼，很好地解决了由 于螺杆有效长度缩短而造成的塑化混炼不均匀而影响注射制品质量的问题阳1 。 2 电磁动态合模锁模装置 电磁动态合模锁模装置是塑料电磁动态塑化注射成型机的重要组成部分。该 部分采用电磁直线运动装置直接驱动进行合模，即电磁直线运动装置推动模板 在轴线方向上进行往复式直线运动，将电磁能直接转换成开合模具所需的动能； 而锁模则采用电磁与机械结构力放大和自锁体系，即应用杠杆原理，将电磁力进 行放大后施加到安装模具的模板上，同时利用特殊的结构实现自锁。 b 物料塑化注射成型的全过程 在塑料电磁动态塑化注射机中，由电磁场产生的机械振动力场被引入物料的 输送、塑化、注射、保压全过程，实现了动态固体输送、动态塑化混炼计量、动 态注射、动态保压，即聚合物塑化注射成型全过程处于周期性振动状态。这种过 程完全不同于传统的螺杆式塑化注射过程，将其称之为电磁式聚合物动态塑化注 射过程，也即振动力场强化聚合物塑化注射成型概念。 1 动态固体输送 物料在螺旋输送的同时被周期性地压缩、释放。瞬时压力促使物料快速压实， 松散物料带入的空气以及各种低分子挥发物将借助于动态压实过程快速排出。另 一方面，振动使物料易于排气和快速压实，固体塞的压力将迅速提高1 。同时 图卜3 动态固体输送示意图1 1 1 f i g 1 3t h es c h e m a t i co ft h ed y n a m i cs o l i dc o n v e y i n g ( 1 b a r r e l ；2 s c r e w ；3 s o l i dp l a s t i c ) 粒料之间的反复挤压产生了耗散热能，为塑料的熔融塑化提供了积极的准备，使 4 第一章绪论 固体的输送段明显缩短n 0 1 。 2 动态熔融塑化混炼 如图卜4 ，物料在熔融段受压振动，瞬时变化的剪切速率和压力将产生耗散热量。 同时，在振动状态下，分子解缠、取向容易，分子间容易滑移，从而使物料的混 合和熔融作用被加快和加强，且有利于熔体排气，图卜4 所示。 。j ! ：。坤 一 图卜4 动态塑化混烁不意图 f i g 1 4t h es c h e m a t i co ft h ed y n a m i cp l a s t i c a t i o n ( 1 b a r r e l ；2 s c r e w ；3 s o l i dp l a s t i c ；4 m e l t ) 3 动态熔体输送 周期性的振动使熔体的粘性和弹性降低，螺旋输送时熔体流动阻力相应减少， 同时熔体在振动力场作用下继续塑化和混炼，这样一方面很好地解决了由于螺杆 图卜5 动态烙体输送不葸图 f i g 1 5t h es c h e m a t i co ft h ed y n a m i cm e l tc o n v e y i n g 有效长度缩短而造成的塑化混炼不均匀的问题n 引。另一方面可缩短加热时间和 物料在机筒内的停留时间，这对加工热稳定性差的物料是非常有利的。 4 动态注射 螺杆的振动装置( 即电磁式直线脉动驱动装置) 对螺杆施加了一个高频交变振 图卜6 动态熔体注射示意图 f i g 1 6t h es c h e m a t i co ft h ed y n a m i ci n je c t i o nm o l d i n g 5 华南理工大学工学硕士学位论文 动力。物料动态塑化计量完成后，螺杆在电磁式直线脉动驱动装置的作用下向前 作带脉动的直线位移，将熔体注入模腔，熔体的压力将随螺杆的脉动而周期性变 化。这种作用同样使熔体的粘度及弹性降低，流动阻力减小，使螺杆头前面的塑 料熔体以一种低压动态的方式注入模具，加速了充模过程n 引。 5 动态保压 模腔充满熔体后，螺杆继续作轴向脉动，保持模腔中物料压力周期性变化，使 物料的温度、内应力得到降低和均化，同时冷却缩孔能得到熔料的快速补充，则 保压时间可以缩短，制品质量可以提高。这样即解决了传统注射成型技术中注射 图卜7 动态保压示意图 f i g 1 7t h es c h e m a t i co ft h ed y n a m i cp a c k i n gi ni n j e c t i o nm o l d i n g 温度高、成型制品所需冷却时间长的问题n4 1 ， 1 3 振动技术对注射成型过程的影响 1 3 1 振动技术在注射成型中的优点 和传统的注射成型技术相比，振动注射成型技术具有更多的优点n 5 。2 们： ( 1 ) 振动技术可以降低高聚物的熔体的粘度，改善了高聚物的流动性能，这将 更有利于高粘度聚合物的加工和薄壁制件的成型。 ( 2 ) 通过降低高聚物熔体的粘度可以降低加工的温度和压力，这将有利于易 分解聚合物的加工，降低了能耗。 ( 3 ) 降低了加工温度，可以减少冷却时间，加快了成型周期。 瞿金平，吴宏武等通过使用塑料电磁动态注射机，发现注射过程中熔体温度 可降低2 7 ，注射压力可降低1 2 ，循环周期可缩短2 5 ，每小时总机的能耗可减少 5 5 5 ( 4 ) 通过振动可控制塑料制品的凝聚态结构，主要是控制高聚物的结晶和取 向，进而控制和改善制品的各种性能，包括物理性能，光学性能，热性能等。 瞿金平、吴宏武 1 等验证了在注射过程中引入振动场进行动态注射，可以使 充模流动变得更加均匀，从而使制品中的不同组份分布更均匀，其力学性能比用 传统注射机成型的制品高。 6 第一章绪论 a 普通注射成型b 动态注射成型 豳l 一8 用不同注射饵型方法加上得到的放人镜( m n + o1 色母糊”1 f i g1 - 8m a g n i f y i n gl e n s ( p m m a + o1 c o l o rc o n c e n t r a t e ) m o l d e d b yd y n a m i ci n j e c t i o na n dc o m m o ni n j e c t i o n 图卜8 为p m m a + o 1 色母料进行注射成型得到的放大镜的照片。a 是在没施加 振动的条件下得到的试样，明显可以看到存在有流动不均匀的区域。在普通注射 成型牛产中，当更换不同颜色的原料或添加的色母料数蹙较少时，在某些拐角处， 由于流动不均匀以及不同组份的粘度不同，经常可以看到这种局部色块聚集的相 象；b 是在施加振动的情况下得到的试样，很明显，其上面并没有非局部色块的现 象示踪色母料的分布很均匀。 132 振动技术影响聚合物粘度的一些规律 严正、申开智”1 等对振动技术中聚合物熔体的流变行为进行了研究，找出了 一些振动参数对聚合物熔体粘度影响的些规律。实验以h d p e 、p s 为原料；作用 的振动压力按正弦振动曲线变化；且振动压力的平均值和恒压压力值相等。振动 试验过程中聚合物熔体的表观粘度是按平均值测定的。 在压力为7 m p a ，口模直径为l f i l e ，振幅为2 m m 的情况下，分别给出了h d p e 、p s 的不 同溢度表观粘度一频率曲线图1 9 所示，可以知道： ( 1 ) 振动对聚合物熔体流变性有影响，材料不同影响的强弱不同；聚合物熔体 表观粘度随振动场频率的增加而下降，有一个下降的敏感区；振动场对聚合物熔 体表观粘度的作用强弱因温度的不同而异，温度低时振动场的作用大，反之亦然。 振动频率在0 5 h z 区间时，随着振动频率的增加，i i d p e 熔体的粘度急剧下降， 大约到5 h z 以后，虽然振动频率增加但h d p e 熔体的表观牯度已没有多少变化。从 试验结果还可以发现，由于温度不同，h d p e 熔体表观粘度随振动频率下降的速率 和f 降的幅值也不同n ”。 华南理t 大学工学硕士学位论文 囊s m l - 2 1 0 2 2 2 0 蛩3 2 2 5 h d p e 不同温度表观粘度一频率曲线 1 毫酌 o 曩搴，i k l 叫黝21 粥 3q c4 2 1 0 5 2 2 0 p s 不同温度的表观粘度一频率曲线 图卜9 不同材料在振动条件下的不同温度表观粘度一频率曲线 f i g 1 9t h ep r o f i l e so ft h ea p p a r e n tv i s c o s i t y f r e q u e n c yo f d i f f e r e n tm a t e r i a l sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n sw i t hv i b r a t i o nf o r c ef i e l d 在不同的温度条件下，p s 熔体粘度随振动频率的增加而降低，也有一个表观 粘度下降速率最大。亦即对振动频率最敏感的区间，温度为1 8 0 时，这个区间在 o 5 h z ，其余几个温度的区间是o 4 h z 。在敏感区间内，熔体粘度一频率曲线从没 有振动的最大值降低到最低值。在敏感区外，从粘度最低点开始，粘度上升，然后 变化趋于缓慢，整个曲线在最低点处形成一个波谷 压力为7 m p a ，口模直径为l m m ，振幅为2 m m 的情况下，h d p e 、p s 不同压力的表观 粘度一频率曲线，如图1 - 1 0 所示。 ， 芷 、 毯 霉 一事，l _ b l 3 ，5m 锄2 毒。5 硝昀3 。sm h h d p e 不同压力的表观粘度一频率曲线 3 嚣d 3 d o - z s o 正锎嚼 、 嬲1 5 0 善l 5 0 o 辕睾，椒 l 叩m 2 _ m p l 39m p l4t 0 猫尹! 5l lm h p s 不同压力的表观熔体粘度频率曲线 图卜1 0 不同材料在振动条件下的不同压力表观粘度一频率曲线 f i g 1 1 0t h ep r o f i l e so ft h ea p p a r e n tv i s c o s i t y - f r e q u e n c yo f d i f f e r e n tm a t e r i a l su n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r ec o n d i t i o n sw i t hv i b r a t i o nf o r c ef i e l d ( 2 ) 振动场对聚合物熔体表观粘度的作用强弱因压力的不同而异，压力低时 振动场的作用大，反之亦然。 8 蝴 嘲 啪 i 1 |是鬈馨 i盂杂饕譬幂 第一章绪论 h d p e 熔体振动粘度的变化与所施加的振动平均压力有关。在不同的平均振动 压力下，在0 5 h z 范围内熔体粘度随振动频率的增加下降较快，直至达到最低值， 随后熔体粘度随振动频率的增加而增加，然后粘度的变化趋于缓慢，熔体粘度一 频率曲线形成一个波谷，波谷的深度随振动平均压力的增加而减小。 不同平均压力p s 熔体振动的表观粘度一频率曲线变化规律与h d p e 熔体变化 规律类似，但其波谷深度较小心3 1 。 ( 3 ) 聚合物表观粘度随振动场振幅的增加而下降。 ， 玉 、 斟 臀 徭 搿 麓囊，i h 1 幢一0 ，4 蝴2 咄一l 龇 掇废2 2 3o ；羔薤力4m p a ；默後斑经i 融m 图卜1 1p s 不l 司振幅的表观粘度一频率曲线 f i g 1 11t h ep r o f i l e so ft h ea p p a r e n tv i s c o s i t y f r e q u e n c yo f p sw i t hd i f f e r e n ta m p l i t u d e s 如图1 1 1 所示，振幅对粘度频率一曲线有较大的影响，并且p s 熔体粘度对振 动频率也有一个敏感区，在其它条件相同时，振幅越大曲线在敏感区内的变化越大， 曲线也越陡。 王喜顺等建立了模腔中振动剪切流动的理论模型，振动力场作用下模腔中熔 体流动产生了振动剪切应力，振动的剪切应力有如下变化规律： 1 其振幅的大小随聚合物熔体的剪切粘度、振动频率、应变振幅的增加而增 加，但随着熔体的温度的增加而减小。 2 在同一振动剪切速率振幅下，振动剪切应力的振幅随振动频率的增加而减 小，随应变振幅的增加而增加 2 4 - 2 7 】。 1 3 3 数值模拟熔体充模阶段的研究进展 上个世纪五十年代末，人们开始进行数值模拟熔体充模过程的研究，它体现 在模拟熔体充模过程的数学模型从一维数学模型到二、三维数学模型。 所谓一维流体，是指塑料熔体流动过程中的速度场可以用一个方向的流率来 表示。因为人们认为，复杂几何形状的模腔可以分解成一系列的一维流动路径。 而这些一维流动的基本形式有三种：径向流动、矩形流动和圆管流动。一维流体 9 华南理工大学工学硕十学位论文 大多是幂律流体，一般用有限差分的方法求解。 b a l l m a n 等人【2 争2 9 l 首次模拟了熔体在薄壁矩形模腔中的非等温流动，首次提 出了注射成型的喷泉效应的影响。h a r r y 和p a r r o t1 3 0 】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 等【3 1 1 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径向流动和在宽度变化的平行模腔中流动。k a m a l 和 k e n i g t 3 2 l 用有限差分法研究了中心浇口圆盘形窄缝模腔内径向非等温注射成型 全过程，并做了实验研究。 一维流体模拟是二、三维流体模拟的的基础。在进行二维模拟时，把模具的 型腔和流道看成一系列的流动单元的组合；在进行三维流体模拟的时候，则先将 三维注射制品展开，在按二维的方法处理。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流道路径汇合的时候，熔缝的位 置会出现不确定性，因此这种方法仅适用于流道的设计。 二维流动是目前人们研究充模流动的重要形式。流动的区域可以分为浇口 区、充分发展区和前缘区。在充模开始时，熔体进入浇口区，做径向流动，直至 达到模腔边缘为止；离浇口的区域为充分发展区，大量的熔体在冷的模壁间狭窄 流道中流动，几乎都是充分发展的；这种流动的性质决定了充模时间、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，就像喷泉一样， 流向模壁而形成制品的表面，这就是喷泉效应f 3 3 1 。 二维流动有两种模拟方式比较重要，一种是模拟主流方向上的二维流动，另 一种是模拟熔体前沿在各个平面内的二维喷泉流动。在注塑流动和分析方面，不 但建立了很多数学模型，而且发展了很多种数值计算方法。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的网络法( 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、更接近与实际的模型【3 4 3 5 1 。但f a n 不能模拟厚度方向的 速度场；仅限于爬流流动分析。 h i e b e r 和s h e n 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，并应用预测一校正法推进熔体前沿，继而又提出了混合有限元有限差分方法。 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很重要的。p a p a t h a n s a i o u 和k a m a l 6 1 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的非等温填充复杂形状模腔的过 程，建立的二维模型由于边界条件的复杂及障碍物的存在而导致收敛和发散的流 动模型，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。 注射充模的数学模拟，计算方法同样也存在很多不足，首先，它只能做大量 的假设来建立数学模型，然后选择某些适当的数学方法来解决问题，因此往往偏 离注射成型加工的工程实际。目前用于塑料模具的商品化c a e 软件也有很多，其 中以美国m o l d f l o w 公司的m o l d f l o w 系列最为著名。但是这些软件价格比较昂贵， 1 0 第一章绪论 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 4 本论文的研究目的、意义 把振动力场引入到注射充模过程能改进成型制品的性能，易于加工成型， 缩短了成型周期，降低了注射温度和压力，从而降低了能耗。因此有必要在理论 上从高分子流变学面研究把振动力场作用下注射过程中特性情况，找去其能耗降 低的真真原因所在。 注射充模过程中的模拟研究已经比较充分，但是对振动力场作用下的注射 充模的能耗模拟研究还是很少，也很不完善，需要做进一步的研究。 模腔中熔体的流动、压力分布是影响成型制品的主要因素，也是影响其能 耗的主要因素。振动力场作用下，模腔中熔体的流动和压力分布的研究还比较少， 还需要做更多的理论研究。 1 5 本论文的研究内容 本论文主要的研究内容如下： 1 在基本假设的基础下，通过熔体充模流动基本方程，推导了在振动力场作 用下的熔体经锥形浇口流道、充满圆盘模腔的数学模型，确定了这些部件的能耗 的理论消耗。 2 在充模注射过程中，固体颗粒以及螺槽、螺棱中的熔体对螺杆阻力的作用 所需功耗的数学模型和理论值。 3 通过实验，确定在不同的振动强度系数作用下，注射过程的功率消耗，确 定其振动强度系数和功率消耗的关系。 总之，用理论结合实验的方法，确定振动力场作用下，注射充模过程中的能 耗情况，确定振动参数对充模能耗的影响，找去其能耗降低的原因。 1 6 本章小结 本章从全电磁动态注射机着手，介绍了把振动力场引入到注射成型技术过程 的影响，揭示了在注射成型过程中，振动力场的重要性，从而使更有必要对振动 过程中的能量消耗做出一些基础的研究；同时也介绍了作为这一研究的数学方 法，这些方法也是本论文理论研究的基础。 华南理工大学工学硕士学位论文 第二章理论研究 2 1 注射充模的能耗数学建模 2 1 1 注射充模的能耗构成 注射机在注射过程中，其能耗由以下几部分构成： 1 注射机的螺杆在做充模前移动时，相当于活塞向前移动，这样受到了固体输送段 和压缩段的塑料固体颗粒的摩擦力的作用而消耗能量。 2 注射螺杆在做活塞移动过程时，受到了压缩段和熔体输送段的熔体粘弹性作用而 产生的阻力作用而消耗的能量。 3 熔体在流经锥型浇口流道由于压力降而消耗的能量。 4 熔体在模腔流动过程中的能量消耗。 对于总的注射功率消耗，可以有如下表达式： = 只q + 0 + l ( 2 1 ) 式( 2 - 1 ) 中：注射充模过程中的总的功率消耗 只一注射时计量室熔体的压力、虿一表示单位体积流量 ，一螺杆中熔体对料筒阻力而消耗的功率 ，一螺杆中固体颗粒对料筒阻力而消耗的功率 而： p f q 一：+ 。 ( 2 2 ) 式( 2 - 2 ) 中：锥型流道中的功率消耗 熔体在模腔中流动过程中的功率消耗 另外，忽略了螺棱上固体颗粒与料筒之间的摩擦力消耗的功率、注射充模时熔体在 计量室流动与料筒之间的粘滞阻力而消耗的功率。因此，以下的内容将从上述方面入手， 分别建立相应的数学模型，确定其能量消耗的情况。 2 1 2 螺槽固体区域的能耗分析 假设螺杆静止不动，料筒以速度y 水平运动，还做微小的水平方向的轴向振动。平 面展开图把通常分为三段的螺杆分为了两部分，一部分是压实的固体，一部分是被塑化 后的熔体，并假设分界线是线性的，且是熔体压缩段展开平面的对角线，其展开图如图 2 - 1 所示。 受力分析是：螺杆在注射熔体时，必然受到摩擦力的作用，在固体段的表现是由于 料筒与固体颗粒之间的摩擦，其大小e 可以这么确定： 第二章理论研究 界线 图2 1 螺槽展开示意图 f i g 2 - 1t h es c h e m a t i co ft h eu n r o l l e ds c r e wc h a n n e l 沿螺槽方向的压力为只，径向压力和轴向压力的比是常数m ，与位置无关。则固 体部分的摩擦系数为厶，固体颗粒部位螺杆螺旋线的长为z ，摩擦力的大小： e a m p 。w i ( 2 - 3 ) 螺旋线长度的大小z 的确定：它是固体输送段螺旋线的长度厶与固体压缩段螺旋线 z ，的一半的和。 由于螺棱部位的整体面积相对螺槽的整体面积比较小，固体颗粒与料筒的摩擦力功 率消耗也比较小，把螺棱这一部分由摩擦力而消耗的功率加以忽略。这样由固体颗粒与 料筒之间的摩擦力消耗的功率表示为： n c 一疋v ( 2 4 ) 2 1 3 螺杆螺槽中熔体区域的能耗分析 熔体段对料筒的作用力可以用下列方法求得： 了 x h 图2 - 2 螺槽展开运动示意图 f i g 2 2t h es c h e m a t i co ft h e m o v i n go ft h eu n r o l l e ds c r e wc h a n n e l 华南理工大学工学硕十学位论文 料筒的速度如上图2 - 2 所示，在振动条件下，假设料筒的振幅为a 轴向振动的位移表达 方式是： at 厶s i n c o t( 2 5 ) 轴向速度的振动部分的表达方式可以为： 1 ，a 哦c o s o ) t v a , c o s a ) t ( 2 - 6 ) 带有振动的轴向速度可以表示为：1 ，i v 0 + a c c o s 研) a 。为轴向振动强度系数，其表示方法由上式得： a c = 等( 2 - 7 ) 料筒与螺槽底部之间的距离为h ，在螺棱部位，螺棱顶部与料筒之间的