（材料加工工程专业论文）自然平衡流道中剪切诱导非平衡流动的cae分析.pdf

原创性声明 i l i i i ii ii ii i ii i iii iiii i i i l y 1 8 3 3 8 5 2 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，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，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作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。 学位论文作者： 住翌牺 日期：勋0 年夕月们。日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 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；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 章 日期：2 0 f 矿年夕月侈日 、 易7 一厂、r 摘要 摘要 为提高生产加工效率，一模多腔模具在注塑加工服务业中应用十分广泛， 其自然平衡布置浇注系统产生的非平衡充模现象以及由此导致的塑料制品的品 质差异早已引起国内外很多学者和业界的关注。本论文在全面深入学习借鉴前 人科研成果的基础上，利用现代计算机c a e 模拟技术( m o l d f l o w ) ，对充模非平 衡程度的动态演变过程进行了模拟： 1 研究了浇注系统的结构对充模非平衡程度的影响。基于国内外有关自然 平衡浇注系统非平衡充模研究的有关结论，利用p r o e 建立3 d 实体模型，导入 m o l d f l o w 模拟分析系统软件，分别考查了圆形流道和梯形流道以及相对应的优 化流道对非平衡充模的影响，研究表明优化流道能显著改善充填非平衡程度， 对于进一步理解非平衡充填形成过程具有指导意义。 2 研究了单一的浇注系统模型和浇注系统+ 制品模型，发现后者充填的非平 衡程度较前者高，表明型腔对充填非平衡程度的影响更大，对于仅仅关注浇注 系统的研究具有较大的启示意义。 3 通过c a e 模拟分析充填过程熔体流动速度、温度和粘度等参数随时间的 变化关系，指出整个充模过程的非平衡程度是一个动态演化过程。 关键词：一模多腔；自然平衡流道；非平衡充填；c a e ；浇注系统 a b s t r a c t _ _ - 一 a bs t r a c t t oi m p r o v et h em a n u f a c t u r ee f f f i c i e n c y , m u l t i c a v i t yi n j e c t i o nm o l d sa r eu s u a l l y e m p l o y e dt op r o d u c et h ep l a s t i cp r o d u c t s h o w e v e r , i th a sa r o u s e d aw o r dw i d e p a s s i o nt os o l v et h eu n b a l a n c e df i l l i n gp h e n o m e n o ni nn a t u r a lb a l a n c e dg a t i n gs y s t e m a n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o b l e m s b a s e do nt h ep r e v i o u sp r o d u c t sa n dm o d e m c o m p u t e rt e c h n o l o g y , c a es i m u l a t i o nt o o l ( m o l d f l o w ) ，s e v e r a l t a s k sh a v eb e e n c a r r i e do u ti nt h i ss t u d y , m a i n l ya r o u n dg a t i n gs y s t e m ： 1 t h em a j o rt a s ki st oe x p l o r et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a t i n gs y s t e ma n d u n b a l a n c e df i l l i n gp h e n o m e n o n b a s e do nr e l a t e dc o n c l u s i o n so nu n b a l a n c e df i l l i n g i n n a t u r a l g a t i n gs y s t e m ，r o u n d l a d d e rs h a p e d r u n n e r sa n dt h ec o r r e s p o n d i n g o p t i m i z e dr u r m e r sh a v e b e e nm o l d e dw i t hp r o e ，a n ds i m u l a t e dw i t hm o l d f l o w t h e o p t i m i z e dr u n n e r sh e l pr e d u c et h eu n b a l a n c e df i l l i n gp h e n o m e n o n ，a n di sm e a n i n g f u l f o rf u r t h e rs t u d y 2 u n b a l a n c e df i l l i n gp h e n o m e n ah a v eb e e ns t r e n g t h e n e di nt h eg a t i n g 。p r o d u c t m o d e l ，c o m p a r e dt ot h eg a t i n g - o n l ym o d e l i ti sd e l i g h t f u lt op a y m o r ea t t e n t i o nt o c a v i t yr a t h e rt h a nb el i m i t e di ng a t i n gs y s t e m 3 b a s e do nt h ea n a l y s i so ft i m er e l a t e dn o 谢r i gv e l o c i t y , t e m p e r a t u r ea n d v i s c o s i t yt h r o u g hac e r t a i ns e c t i o no fs u b - s u b - r u r m e r , i ti s c o n c l u d e dt h a to p t i m i z e d n l n n e r sc o n t r i b u t et os o l v eu n b a l a n c e df i l l i n gi s s u e ，w h i c hi sad y n a m i ce v o l u t i o n p r o c e d u r e k e yw o r d s ：m u l t i c a v i t y - m o u l d ； n a t u r a lb a l a n c e dr t m n e r ；u n b a l a n c e df i l l i n g ； c a e ； g a t i n gs y s t e m i l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论。1 1 1 一模多腔注射成型浇注系统分类1 1 2国内外对多型腔注塑成型中流动平衡性的研究概况2 1 2 1 非自然平衡浇注系统的平衡性。2 1 2 2 自然平衡浇注系统的平衡性。3 1 3 课题研究的意义和主要内容4 1 3 1 课题研究的目的和意义4 1 3 2 课题的主要工作5 2 聚合物熔体剪切诱导非平衡流动6 2 1 非平衡流动产生机理探讨6 2 1 1 聚合物流变学的相关理论一6 2 1 2 塑料熔体在流动过程中的热传递9 2 1 3 注塑成型中的流动不平衡现象及其机理。1 1 2 2 非平衡充模解决方案。13 2 2 1 熔体旋转技术14 2 2 2 传感器技术14 2 2 3 针阀式浇口解决方案。15 2 2 4 增强版热流道系统解决方案1 5 2 3 本章小结17 3剪切诱导非平衡流动的c a e 模拟技术1 8 i i i 目录 3 1 注塑成型c a e 技术发展概况。1 8 3 2 注塑成型过程的数学模型2 0 3 2 1 聚合物熔体粘度模型2 0 3 2 2 聚合物熔体充填过程的数学模型2 1 3 3 注塑成型m o l d f l o w 软件介绍2 2 3 3 1m o l d f l o w 的发展概况2 2 3 3 2m o l d f l o w 的主要模块和作用2 3 3 4 本章小结2 3 4 剪切诱导非平衡流动的c a e 模拟分析2 5 4 1 注塑成型m o l d f l o w 模拟分析主要流程2 5 4 2 剪切诱导非平衡的m o l d f l o w 模拟分析2 6 4 2 1 浇注系统对非平衡充填的影响2 6 4 2 2 材料对非平衡充填的影响3 2 4 2 3 注射充填速率对非平衡充填的影响3 2 4 2 4 拆分浇注系统追踪非平衡充模过程3 5 4 2 5 三级流道同一横截面充填速度的演变过程3 8 4 3 本章小结4 2 5 总结与展望4 3 5 1总结4 3 5 2 展望4 4 参考文献4 5 致谢4 7 i v 1 绪论 1绪论 在现代制造业中，塑料以其独特的优异性能越来越多地取代了金属和木材， 成为成型加工的主要材料。当代的塑料成型加工工艺主要有注塑、挤出、吹塑、 吸塑和压铸等，其中注塑成型是热塑性材料的主要成型方法之一。激烈的市场 竞争要求产品更新换代的周期越来越短，高效化和精密化成为塑料制品注射成 型发展的必然趋势。对于中小型制品，一模多腔的成型方法可以有效地提高生 产效率，应用多型腔模具注塑过程中要求熔体平衡流动的公认原则是，设计注 射浇点到每一个模腔中的距离都相同。这样朴实的设计原理使得“本身就平衡” 的多腔模具容易出现非平衡充模的倾向，从而导致部分型腔加工出完好的制品， 部分型腔则得到存在短射、飞边、过充模等缺陷的制品。随着注塑制品企业越 来越多地使用复杂、多型腔模具从事制品加工业服务，进而使上述问题越发显 得重要1 1 。 1 1 一模多腔注射成型浇注系统分类 面对经济全球化带来的激烈竞争，塑料加工企业在保证产品质量的同时， 尽可能去提高注塑效率、降低生产成本，而采用一模多腔的成型方法被认为是 提高效率和降低成本的优先选择。根据多型腔浇注系统的几何布置，可分为自 然平衡布置的浇注系统和非自然平衡布置的浇注系统两类。 自然平衡式布置的浇注系统是指主流道、分流道、浇口以及型腔各部分的 几何参数、模具的冷却条件都完全相同，常见的就是图1 1 a 所示的八型腔h 型 型腔布置和图1 1 b 所示的六型腔圆形布置叫。非自然平衡式布置的浇注系统如 图1 2 所示。除了由于主流道到各个型腔的分流道长度各不相同( 图1 2 a 所示的 八型腔鱼骨型型腔布置) 而形成的非平衡浇注系统外，如果各型腔形状不同( 图 1 2 b 所示的家族式模具) 或单型腔多浇口模具要控制熔接线位置时，都会形成非 自然平衡浇注系统1 1 。 l绪论 a 图1 1自然平衡式布置浇注系统 a 图1 2 非自然平衡式布置浇注系统 b b 1 2国内外对多型腔注塑成型中流动平衡性的研究概况 随着注塑制品企业越来越多地使用一模多腔从事制品加工业务，多型腔模 具充填不平衡问题越发显得重要，引起人们很大的研究兴趣。 1 2 1 非自然平衡浇注系统的平衡性 对于非自然平衡布置的浇注系统，设计者通常是根据经验通过反复试模、 修模调整流道和浇口尺寸来实现的，费时费力。w 撕g 【4 】等人假定聚合物熔体是 幂律流体，其在浇注系统中的流动是等温流动，对浇注系统进行优化设计，提 出了解决具有完全一致型腔的多型腔模具的流道不平衡的办法。j o n g 和w a n g 【5 j 将充填阶段结束后所有型腔的入口压力差之和做为目标函数，提出了一种优化 方法，该法可以到最佳的流道系统以使所有的型腔同时充满。郑州大学陈静波【6 】、 2 l绪论 余晓容【7 】等在多型腔注塑模的流动平衡计算与分析方面都提出了相关有益的理 论和算法，给出一种基于流动模拟的多型腔注塑模流动平衡计算方法，在流道 和型腔布置确定以后，根据流动模拟的结果，通过迭代调整流道和浇口尺寸， 自动实现非平衡布置多型腔注塑模的流动平衡。陆建军【8 】等在前人研究的基础上 导出了新的流道系统优化设计模型，并在m o l d f l o w 软件模拟中得到验证。叶显 高等人从幂律流体的基本方程出发，推导了一模八腔注射模具浇注系统为自然 平衡和非自然平衡两种方式时，分流道和浇口尺寸的计算公式。k i m 和 r a m e s h 9 - 1 0 利用流动模拟结果，对流道和浇口的尺寸反复进行调整，从而达到流 动平衡。林旭东等【ll 】将解析法和c a e 分析结合，推导了流道截面尺寸优化设计 计算公式和计算步骤。以上的研究都是为了合理设计流道以使熔体能同时充满 所有型腔，这虽然可以避免出现缺料和过保压现象但是并不能保证得到均匀质 量的制品，因为即使熔体同时充满型腔，仍需继续补料以弥补体积收缩，补料 阶段仍会影响塑件的质量。因此，l e e 和k i m t 9 】将流动平衡研究与保压模拟结合 起来，从而得到既满足流道平衡又可使型腔内压力分布均匀一致的最佳流道设 计。r k i r a n i 等纠基于常压力梯度和各分支流道压力降相等的假设，运用分支 流动法开发了自动模具设计系统a m d s ，在流道布置确定后，可自动给出流道 尺寸，但由于未考虑流动过程的非稳态性，此方法难以给出真正最优的流道尺 寸。w r j o n g 1 3 】等将优化理论和流动模拟技术结合起来，把流道半径当作设 计变量，充填结束时各个型腔入口处的压力差的总和作为目标函数，流道总体 积和最大注塑压力作为约束函数，发展了一种浇注系统自动优化设计方法，但 该方法存在的主要问题是在接近最优解时步长无法确定，使迭代收敛变慢甚至 出现振荡。 1 2 2自然平衡浇注系统的平衡性 由于自然平衡式布置的浇注系统几何参数完全相同，人们一直认为熔体能 以相同的充填工艺参数( 注射压力、熔体温度等) 同时充满所有型腔，得到几 何尺寸一致、机械性能相同的制品，然而实际情况并非如此。 浇注系统在注塑成型塑料制品过程中是重要因素之一，然而流道却是容易 被忽视的因素。在多型腔模具中尤为突出，因为在多型腔模具中希望将熔料均 匀地传送到各型腔中去。流道的设计能够决定制品是否能完全成型，它也同时 影响到制品的大小、形状、力学性能等。尽管它十分重要，但流道经常被简单 3 1绪论 地看作是“把熔料从注射机传递到型腔的通道”。 缺乏对流道重要性的认识还包括这样的事实：流道中剪切力引起的流动不 平衡直到19 9 7 年j b e a u m o n t 1 4 j 之前没有人提及，或者是没有详细说明过。早在 1 9 9 2 年，日本东京大学的横井秀俊【1 5 】就开始致力于彻底弄清其产生的机理，并 进行了大量实验研究，但始终没能联系到剪切生热的根源上来。v w w a n g 等【4 j 较早尝试从理论上解决流动平衡问题，他们基于等温流动假设，把浇注系统设 计分两个阶段，首先调节流道尺寸使熔体前沿同时到达流道末端，然后通过调 节浇口尺寸，重新分配流量使各型腔同时充满。由于各流道流动阻力的不同及 熔体流动的非等温性，该方法并不能保证所有型腔同时充满。 l o u i sg 1 1 6 1 用标准的h 型流道实验研究了不同注射速率和不同材料( a b s 和p p ) 对非平衡充填的影响，得到了一些有益的结论。 国内业界对该问题的探索鲜有触及根源，但在流道的优化设计方面做了不 少有益的尝试，并取得了较为理想的效果。郑州大学橡塑模具国家工程研究中 心的陈静波教授等基于国内外有关自然平衡浇注系统非平衡充模研究的相关 结论，设计了可更换流道的实验模具，考查流道尺寸和浇口形式的不同对非平 衡充模的影响，实验表明，改变流道几何参数和浇口形式对改善非平衡充模有 利，并指出整个充模过程的非平衡充模是一个动态演化过程。 北京化工大学杨卫民训等利用一模多腔标准h 型流道系统，分别在低速和 高速两种注射条件下，研究一模多腔充填非平衡产生的机理。同时还使用c a e 软件m o l d f l o w 对实验过程和结果进行分析对比，为更好的使用c a e 软件提供 指导。 对于注射成型加工界长期以来的这一未解之谜，直到1 9 9 7 年，j b e a u m o n t 才从剪切生热的根源上找到了问题的答案，它通过分析计算得出高速注射时上 部填充较快的较好解释并提出了剪切生热作用的影响问题。 1 3 课题研究的意义和主要内容 1 3 1 课题研究的目的和意义 从目前的研究状况来看，国内以及本实验室对于自然平衡式浇注系统的研 究已经开展了一些有益的探索。与国外相比还有一定的差距，国外已经开发出 能较好解决不平衡问题的技术产品，但是国内目前还没能很好的解决该问题。 4 1绪论 随着国内模具工业的发展以及社会对高精密产品需求的进一步扩大，解决自然 平衡式布置浇注系统模具的不平衡问题就显得尤为重要和紧迫，能够借助于计 算机c a e 模拟技术对该问题作进一步探讨，对于进一步弄清不平衡产生的机理 和动态过程，并找到解决该问题有效方法非常有意义。 1 3 2 课题的主要工作 本课题是在本实验室对一模多腔流动不平衡问题已经开展工作【1 6 1 的基础 上，在全面总结、吸收前人研究成果基础上，分别从注塑模c a e 模拟系统软件 本身的数学物理模型和聚合物流变学理论的角度详尽阐述了非平衡充填问题产 生的机理。 本文主要完成的内容如下： 第一章主要介绍了国内外关于一模多腔浇注系统不平衡性研究的进展、取 得的一些成果以及尚待进一步解决的问题。 第二章详尽介绍了聚合物熔体剪切诱导非平衡流动产生的机理和国内外针 对该问题所采取的有效措施，并举例说明了j o l u lb e a u m o n t 的专利产品 m e l t f l i p p e r 【1 叭。 第三章重点介绍了聚合物熔体注塑模c a e 模拟系统技术软件，主要分析了 c a e 的粘度模型和充填、保压及冷却的数学物理模型。 第四章针对一模多腔流动非平衡问题，建立一系列的3 d 模型，分别从流道 系统、注塑成型工艺和材料几个因素着手，来考察其对非平衡充填的影响。 第五章是对全文工作的总结和对下一步工作的展望。 5 2 聚合物熔体剪切诱导非平衡流动 2 聚合物熔体剪切诱导非平衡流动 2 1 非平衡流动产生机理探讨 2 1 1 聚合物流变学的相关理论口0 2 4 1 流变学是研究液体流动和变形的科学。聚合物流体的流变行为比较复杂， 不仅取决于温度和剪切或拉伸速率，而且与聚合物的分子链结构、分子量、分 子量分布和添加剂的浓度等相关，它具有非牛顿黏度、弹性回复和分子定向作 用等一般简单流体不具有的特点。聚合物流变学的任务就是根据应力、应变和 时间等参数探索聚合物流动、变形和发展的规律。 聚合物的剪切变稀行为如图2 1 所示 剪 应 力 剪切速 图2 1 不同类型流体的流动曲线 在讨论加工过程中聚合物的性质时，黏度是用的最广的材料参数。因为绝 大多数聚合物加工过程中剪切流动占绝对优势，因此熔体黏度通常用剪切变形 测量装置进行测量。如毛细血管流变仪、旋转式流变仪等。其产生的简单剪切 流动形成一种剪切应力，定义为 f = r ( t ，r ) r ( 2 1 ) 6 2 聚合物熔体剪切诱导非平衡流动 式中，r ( t ，y ) 为黏度；y 为剪切速率，由v h 定义。 大多数聚合物熔体属于剪切变稀型流体。所谓剪切变稀效应是指高形变速 率下液体黏度下降，该现象的根源在于低剪切速率时大分子相互缠结，而在高 剪切速率下分子链取向而发生解缠结。解缠结的分子相互之间容易滑动，因此 使熔体黏度下降。对应于黏度形变速率曲线中剪切变稀区域，可以用o s t w a l d 和d e w a a l e 提出的简单幂律方程来描述，而在低形变速率区，流动遵循牛顿定律。 幂律方程的形式为 r 2m ( t ) r ”1 ( 2 2 ) 式中，m 称为稠度因子；n 为指数律因子。稠度因子中包含着温度对黏度的影响， 可以表示为 m ( t 户m oe - a ( t - t o ( 2 3 ) 以下常见热塑性塑料的各幂律因子的值见表1 。 表l常见热塑性塑料的各幂律因子的值 注塑成型中常见的简单流动 许多聚合物加工操作可以采用简单的几何模型和材料模型来描述。下面是简 单几何流场中的等温流动模型。 简单剪切流动 图2 2 给出一种简单剪切流动，在聚合物加工中经常发生，例如在挤出机 内或者在注塑成型机的塑化装置内都有这类流动。简单剪切流场内整个流体流 动状态是相同的，可以用下式描述 v 岸v o 、 ( 2 4 )，、一， 刀 q = _ v o h - w ( 2 5 ) 7 2 聚合物熔体剪切诱导非平衡流动 图2 2 简单剪切流动示意 一砂o 通过狭缝的压力流 图2 3 给出一种通过狭缝的压力流动，它发生在挤出机口型区或在注塑模 具内。若是牛顿流体，流场可以用下式描述 v z ( y ) = ( 、h 8 2 a 三p ) ， r r r h 3 a p q = ：1 2 p z i 。 p 、p 2 图2 3 通过狭缝的压力流动示意图 ( 2 6 ) ( 2 7 ) a p = - p l 。_ 。p 2 若是幂律流体，黏度用式( 2 2 ) 计算，则流场用下式描述 v ：( y ) = 丽h ( 却h 2 a 三p ，) 一( 等) 州) q 2 蒜c 糍，。 式中，s = l n 。 8 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 2 聚合物熔体剪切诱导非平衡流动 通过圆管的压力流- 1 1 a g e n - p o i s e u i l l e 流动 图2 4 给出一种通过圆管的压力流动，在注塑模具流道系统内，以及在某些 挤出口模和毛细管内，都有此类流动存在。若是牛顿流体，流场可用下式描述 一上一一一一 _ 一一一一 p 2 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) p = p l p 2 图2 4 通过圆管的压力流 若是幂律流体，则用下式描述 v ：( y ) = 再r j ( 、2 r 砒a p ，) j 【1 一( 云广1 】 ( 2 1 2 ) q = 骞( 器) 5 ( 2 1 3 ) 式( 2 1 0 ) ( 2 1 3 ) 可用在多型腔注塑模具的平衡流道计算中。 2 1 2 塑料熔体在流动过程中的热传递 非牛顿流体的热传递特性是流道设计时应考虑的重要因素之一。但非牛顿 流体传热特性的研究现在还多处于理论推导，严重缺乏实验研究。这样就使得 理论的结论不能建立在牢固的基础上，因而影响了它的应用。 今考虑流体在圆管内作稳定层流流动时的传热情况。设流体在圆管进口的 温度保持常温，记为王。管壁温度在整个加热( 或冷却) 段也保持不变，记为t 0 。 任何其他点上的温度用t 表示，最后再设流体的物性与温度无关。作了上述假设 之后便可以考查如图2 5 所示介于厂与y + 影之间长为亿的一个单元流体的热 平衡问题。 9 2 聚合物熔体剪切诱导非平衡流动 t l 此热平衡如果忽略纵向传导可以得出下式： 2 枷t 2 雩( 彬肋 ( 2 1 4 ) j 上 。 t lt 飞砸 一 r上 ) ) 一， c l r ，牟 一仃z 飞、7 一 - l 图2 5 热平衡示意图 式中q 为径向传导的热流，即 q = 一允娑 ( 2 1 5 ) 置换q 后则可得 c p v瓦ot=歹1万0驴20勿tjp瓦2 歹万妒勿j 或者将其写成 y 塑：口( 罂+ ! 望) ( 2 1 6 ) y 瓦卸【矿+ 7 石) 忆 8 z、新2 ra r 。 式中，a = p c p 为导热系数，v 为流速，z 为流动方向，p 为流体密度，c p 为定压比热。引入无因次温度系数0 以化简其解，此处 0 = ( z 一) ( i 一瓦) ( 2 1 7 ) 将其带入式( 2 1 6 ) 时给出 y 一0 0 ：口( 宴+ 三塑) ( 一1 8 ) 2y = 口1 1 + 一ll a z、却zr 却。 这就是一个基本方程，求解时必须结合边界条件 r = a 时对所有的z 0 值o = 0 z = 0 时对所有的r 臼值日= 1 其解与v ，亦即速度分布有关。 2 聚合物熔体剪切诱导非平衡流动 2 1 3 注塑成型中的流动不平衡现象及其机理 根据多型腔模具的几何布局，其浇注系统分为平衡布置和非平衡布置两类， 见图2 6 。对于平衡布置的浇注系统，熔体到各型腔的流动距离是相等的，如果 忽略制造误差，则流动过程是自然平衡的，即不论成型条件如何变化，各型腔 均会在相同的压力下同时充满。 图2 6 多型腔浇注系统布局 由于剪切速率，温度以及材料黏性在流道长度和截面上的变化，使流道中 的流动相当复杂。所有流动速率下，流道内接近管壁的剪切速率最大，中间区 域为零，见图2 7 1 。可以预料模具内流道和浇口处的剪切速率最大，同样熔料 速率也最大。 图2 7圆形流到熔体剪切速率分布图 靠近外壁的高剪切速度区域对黏性有多重影响。这个区域的黏性是下降的， 因为：材料的非牛顿特性；由此引起的摩擦热。摩擦热使流道外层熔体的 温度比内层高。尽管一些热量可通过导热散发到较冷的模具壁上，但外层的高 2 聚合物熔体剪切诱导非平衡流动 温度将一直存在。在热流道中，特别是热固性材料注射或传递模塑中，外层摩 擦热将叠加在由模具外壁加热所得到的热量上。 由流道截面上不均匀的剪切分布产生的流动和材料不平衡。 流道系统中当有两个以上的分支流道时，型腔之间的不平衡是公认的。当 高分子熔体沿主流道向下流动时，在流道外周边形成较高的剪切区域。当料流 沿分支流道分流后，主流道一侧( 见图2 8 所示) 的高剪切( 较热) 外层将会沿 第二左分流道的左边流动。主流道的低剪切( 较冷) 的中心层流( 见图2 8 所示) 将会流到该流道中的相反一侧。在第二右分流道的情形与此相似。结果在第二 分流道中一侧料流的特性与另一侧料流不同。假如经过第二右分流道的熔料在 进入第三分流道时，由这些流道进行填充的各型腔间就产生了不平衡( 见图2 9 所示) 。这些流道中的材料的黏性，温度和流动速度不同，填充模具的区域也不 同。 图2 8 塑料熔体进入第二阶流道后的性质分布 1 2 2 聚合物熔体剪切诱导非平衡流动 图2 9 塑料熔体进入第三阶流道后的性质分布 2 2 非平衡充模解决方案 采用一模多腔提高生产效率的同时，即使设计平衡的流道也出现非平衡充 模，导致制品品质出现差异。在这个问题上国内外都进行了大量的研究和探索， 并得到一些有益的成果，甚至生产出工业化产品，为企业提供了非平衡充模的 解决方案。 针对一模多腔平衡流道中充模不平衡解决方案的探讨也存在较大的分歧， 探讨的内容主要包括新的分析方法和新的控制方式。以b e a u m o n t 教授为代表的 分析流派认为，聚合物高速流动过程的剪切热是导致非平衡充模的根源，并开 发出基于熔体旋转技术的m e l t f l i p p e r 专利产品，在全球已经获得上千个成功应 用的例子。另外的解决方法是通过控制每一个型腔的注射压力、充填量、温度 等参数实现平衡充模。还有的就是使用针阀式浇口，控制流道的打开和闭合， 或者通过部分关闭部分打开流道到达调节的目的。也可以在型腔内安装温度、 压力传感器，将充模的实时参数信号反馈至针阀式浇口、注射螺杆、或者注嘴 加热器等，实现相关动作的自动调节，达到平衡充模的目的。 1 3 2 聚合物熔体剪切诱导非平衡流动 2 2 1 熔体旋转技术n 9 l 平衡充填的基本理论是需确保聚合物熔体在等同的压力和温度条件下进入 每个型腔。b e a u m o n t 教授认为，设计相当均衡的模具却会出现大面积的不平衡 充模现象，究其原因是聚合物熔体流动的基本特性所致。基于这一观点，他提 出熔体旋转技术，开发出专利性m e l t f l i p p e r 插件产品，如图2 1 0 所示。熔体旋 转技术就是在标准的h 型流道中的主流道和第二级流道的交叉点上，安装上 m e l t f l i p p e r 插件，将二级流道的聚合物熔体旋转约9 0 。，实现聚合物熔体横截 面上剪切引起的变化的重新分布，从而达到以相同的压力、温度、粘度等物理 性质一致的聚合物熔体充填各个型腔，实现的平衡充模，使各个型腔的制品品 质相同。 上述方法只是简单地解决了一模多腔充填过程模腔之间的非平衡，但型腔 内部不同空间处的聚合物熔体性质差异依然存在，从而造成制品内部应力问题、 表面的收缩率差异而引起翘曲或是表面质量问题。多轴旋转技术 ( m e l t f l i p p e r m a x ) 的出现有效解决了这些问题，这一技术通过再次组合已经 旋转的不对称聚合物熔体，重新得到完全对称的聚合物熔体，使得型腔内部聚 合物熔体的差异大为较小，实现真正的平衡充填。多轴旋转技术如图2 1 l 所示。 霄。 图2 10m e l t f l i p p e 熔体旋转技术图2 11 m e l t f l i p p e m a x 多轴旋转技术 2 2 2 传感器技术 熔体旋转技术是基于造成非平衡充模的根本原因而提出的解决方案，而不 少热流道制造商则认为在制造模具时切削模具钢稍微发生误差，或者加工环境 有所变化，均会引起非平衡充模现象。为此，热流道供应商们提供了各种各样 消除聚合物熔体流动波动性的解决方案，而不关心伺题产生的原因所在，只求 1 4 2 聚合物熔体剪切诱导非平衡流动 达到最终结果。为了实现平衡充模这一目的，对模腔压力实施监测和控制是一 种通用的解决方法。r j g 公司推出了e d a r t 2 5 1 模腔压力监测和控制系统，瑞士 k i s t l e r 公司最新推出了模腔压力监测单机系统c o m oi n j e c t i o n 2 6 1 ，用于评估制品 质量是否合格。m g ve n t e r p r i s e s 公司推出的i n t e l l i m o l d t 2 7 】系统使用的是另外一 种检测方法，对熔体压力进行检测。它是在注塑机喷嘴和模腔内最后充满的末 端位置安装2 个压力传感器，对流道和模腔内的压力实施监测，根据熔体压力 反馈的信息实现连续控制螺杆的速度，并对整个成型周期进行实时监控，以实 现充模过程中聚合物熔体流的最后充填部分保持恒定的压力。p r i a m u s 技术公司 提出了另外一种非平衡充模的解决方法。在靠近聚合物熔体流道的末端安装模 腔温度监测元件，可以更好的知道聚合物熔体是如何充模的以及熔体粘度的变 化情况。该公司推出的f i l l 系统1 2 5 1 是设计用于一模多腔模具、家族式模具以及 顺序针阀浇口模具。该系统对每一个模腔都进行充模过程分析，通过一个模腔 温度传感器对聚合物熔体流末端的状况进行监测，同时对各个模腔间的充模时 间差异进行对比分析。通过与热流道的温度控制仪相连接，f i l l 系统自动地记录 下喷嘴的温度，由此实现各个模腔同时均衡充填。 2 2 3 针阀式浇口解决方案 热流道针阀式浇口是解决一模多腔非平衡充填问题的另一方案。o s c o 公司 开发的f c s 叫( f l o w c o n t r o ls y s t e m ) 是一种比针阀式浇口更简便更廉价的解决 方法。通过安装一个蜗杆齿轮来调节流动控制阀，即调节每一个分流板喷嘴的 聚合物熔体流动状况。s y n v e n t i v em o u l d i n gs o l u s t i o n s 公司推出的d y n a m i cf e e d 系统p ，是一种全闭环回路的熔体流动实时监控系统。它通过对针阀式浇口的 阀针位置定位，调整影响熔体流动的压力，均匀地分配熔体压力到整个流道内。 d y n a m i cf e e d 系统含有一个控制台、一个热流道和一个液压驱动装置。可利用 控制台对每一个浇口设置注射参数和保压等参数，即设置成型工艺标准曲线。 成型过程中，控制台读取压力下降处的压力值信号后，反馈给液压驱动装置， 利用液压缸来调节聚合物熔体流动控制针的位置，把压力下降信号与标准成型 工艺曲线进行匹配对比。由于采用的是全闭环回路控制系统，每一个阀针都是 独立的动作，从而实现平衡注射的目的。 2 2 4 增强版热流道系统解决方案 1 5 2 聚合物熔体剪切诱导非平衡流动 国外很多热流道生产商已在设计、加工制造方面对热流道元件和控制系统 进行进一步改进，把原本平衡的多腔模具可能变为非平衡的倾向减小到最小程 度。他们设计出的具有阶梯式流道系统的x 型分流板，一层加热流道叠加在另 一层流道之上。这种多层次的分流板，与标准的h 型流道相比，具有同样的温 度和压力下降幅度，但是较h 型流道能更好的分配聚合物熔体的流动距离。如 图2 1 2 所示。 图2 1 2x 型多层次分流板 h u s k y 公司推出的u l t r a f l o w 混合技术，能更加有效的解决一模多腔充模非 平衡问题。它是在喷嘴和分流板中均设置了可混炼聚合物熔体的分瓣式通道， 使聚合物熔体能以更加均匀一致的物理性质充模，得到更加理想的制品。如图 2 1 3 所示。 图2 1 3u l t r a f l o w 混合技术 1 6 2 聚合物熔体剪切诱导非平衡流动 2 3 本章小结 深入研究一模多腔非平衡充填的形成机理是更好地解决该问题的重要前 提，也是开展实验研究的理论基础。依据应力、应变和时间等物理参数建立起 来的函数关系是深入研究高分子材料流动、形变、发展和固化收缩规律的有力 工具。由于高分子材料的流变行为非常复杂，在进行一些必要的假定之后建立 起来的各种简化模型，是研究不同类型流变行为的有效手段，也是进一步研究 更复杂流变行为的理论基础。本章在此基础上探讨了一模多腔非平衡充模的形 成机理。同时也较为详细的介绍了目前国内外的最新研究成果和企业界解决非 平衡充模问题所采取的工程技术手段。 1 7 3 剪切诱导非平衡流动的c a e 模拟技术 3 剪切诱导非平衡流动的c a e 模拟技术 注塑模c a e 技术是根据聚合物加工流变学和传热学的基本理论，构建塑料 熔体在型腔流动、传热的数学物理模型，利用数值计算理论建立其求解方法， 借助计算机图形学技术在计算机屏幕上直观地模拟出实际注塑成型中聚合物熔 体的动态充填演变和冷却过程，通过定量地给出注塑成型过程的工艺参数，实 现成型过程的动态仿真分析，为优化模具设计与制造和控制产品成型过程以获 得目标产品提供依据。c a e 技术的应用为注塑加工成型带来的直接好处是省时 省力、减少试模修模的次数和模具报废率，大大缩短模具设计制造周期，降低 成本，提高企业生产效益。 3 1注塑成型c a e 技术发展概况 上个世纪伴随着计算机技术、数值算法、基础理论研究和实际生产经验的 积累，注塑成型c a e 技术逐步从理论阶段迈进实用阶段。 国外开展注塑模c a e 技术研究起步较早。上个世纪6 0 年代，b a l l m a n 、t o o r 和c o p p e r 最先使用数值算法计算了聚合物熔体的充模过程p ，之后许多研究者 对一维流动进行了大量研究，k e i n g 、k a u r a l 和d i e t c 等学者对一维流动冷却进 行了探索。t a d m o r 、b o y e r 和g u t f i n g e r 利用流动网格分析法对二维等温流动进 行了有益的探索。s h e n 和h i e h e r 将h e l e s h a w p 刮流动推广到非牛顿流体的非等 温流动，探索出了描述二维充模流动的数学模型，并分别采用了有限元差分法 和有限元与有限差分混合法求解。8 0 年代中后期，三维流动和冷却模拟研究进 入人们的视野，三维流动模拟主要采用控制体积法、有限元与有限差分混合法 来追踪熔体流动前沿位置。目前，三维实体的流动充填、保压、冷却和翘曲的 集成分析正在进一步完善。国际上注射成型c a e 软件比较知名的有美国 a c t e c h 公司的m o l d f l o w ，意大利和美国p & c 公司的t m c f a ，德国i k v 公 司的m o u l d c a d 。 注塑模c a e 研究在国内起步较晚，但通过对国外软件开发经验和技术的大 力学习、积极吸收和研究，也取得了较快的发展并取得了一定的成果。郑州大 学国家橡塑模具工程研究中心自主研发的z m o l d ，华中科技大学的h s c a e ， 1 8 3 剪切诱导非平衡流动的c a e 模拟技术 台湾科盛公司的m o l d e x 等。其他一些高校和科研院所也在这方面做了不少研 究工作，如浙江大学、上海交通大学、大连理工大学、四川大学等。 经过几十年的发展，聚合物注塑成型c a e 模拟技术已经较为成熟，在实际 应用都取得了一些的成绩，但是，随着计算机网络技术、数值计算、人工智能 等学科的进一步发展和工程实际应用水平的不断提高，c a e 模拟技术还需要进 一步的完善和发展p 卜1 。 ( 1 ) 进一步提高c a e 软件系统的集成化程度 注塑模c a e 软件目前的集成化程度还不高，还不能准确反映聚合物注塑充 填的实际情况。充填、保压、冷却和应力分析等模块均是独立开发的，尚未实 现数学物理模型和数据结构的统一，信息交换还仅仅局限于一定层面的数据共 享。而实际成型过程中，在这些看似独立的过程是相互耦合、相互联系的。所 以，只有寻求建立统一的数学物理模型来描述整个成型过程，对聚合物熔体在 充填、保压和冷却过程的流变学特性和热传递进行综合分析，才能更为准确的 反映注塑成型整个过程的实际。当然，进一步完善数值算法，提高分析的速度 和精度是提高c a e 软件系统集成化的必要前提。 ( 2 ) 进一步提高c a e 软件智能化程度 目前的c a e 模拟软件，其模拟的精度和有效性还很大程度上依赖使用者的 专业知识结构和模具设计制造经验，其本质还是依赖于人的实际经验。所以， 应将人工智能应用于c a e 软件系统，把模具设计与制造的知识和经验，以及在 此基础上进行的推理、判断和决策嵌入软件分析系统，辅助用户对使用过程给 予引导，对模拟结果的灵敏度、可靠性进行分析，这样智能化的模拟软件更能 满足实际需求。 ( 3 ) 拓宽c a e 模拟软件在塑料成型领域的应用 随着国家经济的快速发展，塑料工业企业也取得了巨大的发展，更多的塑 料加工成型新技术也不断涌现，如水辅注射成型、气辅注射成型、共注射成型 和吹塑等等，应加强c a e 技术在这些领域的广泛应用。目前，在发达国家c a e 模拟技术已经得到普及，中国香港和台湾地区也得到了较为普遍的应用，大陆 还有待于进一步普及p 。 1 9 3 剪切诱导非平衡流动的c a e 模拟技术 3 2注塑成型过程的数学模型 3 2 1 聚合物熔体粘度模型p 弘4 2 1 模拟聚合物熔体流动必须首先解决的问题是建立其聚合物熔体剪切粘度与 温度、剪切速率、压力等因素的关系，即建立材料的粘度模型。