双层齿轮注塑模具设计-文献中文.doc

织物IMD注塑过程中通过螺旋模具的聚合物粘性反应特征A. Martinez , J. Castany 1, D. MercadoTIIP - Zaragoza University (CSIC), C/Maria de Luna 3, Edif Torres Quevedo, 50018 Zaragoza, SpainReceived 14 December 2010 Received in revised form 9 September 2011Accepted 16 September 2011Available online 22 September 2011摘要：注塑成型是将塑料转变成复杂零件的这么一个过程，有效的装饰零件的方法就是在成型周期时嵌入塑料，主要介绍到的是模具里装饰的薄膜、织物。优化注塑周期的一个最重要的工具就是仿真，但是，现有的软件不能仿真IMD（模内装饰）的过程，因为，聚合物流经织物的性能是不清楚的。本文从宏观的角度重点研究表征聚合物的流变行为的方法，目的是用来估量一个有用的CAE粘性模型，它通过内置的螺旋模具和压力传感器来实现，而不是流变仪。可是，在用螺旋模具进行测试的时候，聚合物的测试温度是在变化的，所以有必要进行修正。 对于学者，此研究是个创新，已经有学者采用织物螺旋模具来表征聚合物的流变性能，这个公开的方法论能够帮助他们有效的调整电脑程序中的IMD压降。关键字： 螺旋模具 IMD过程 凝固层 粘性 压力传感器1.引言注塑成型是最受欢迎的将塑料转变成复杂零件的过程，因为一个模子能够塑造不同的形状，也由于其经济优势和高产效率。其中一个最有效的最经济的方法就是在成型周期内装修部分，型内装饰（IMD）可以提供一些比其他的装饰方法更突出的优点，IMD成型不是很不同于普通的成型工艺，这是一项相对较新的注塑技术，熔融的聚合物引入的型腔上装修过后的薄膜或者织物，处于型腔壁，通常在型腔的表面（如图1）。由于对生产的审美零件、或者涂薄膜作为装饰的零件、以及柔软的触感材料或纺织物，使得IMD的过程变得十分重要，表面光洁度只有一种审美功能、保护功能，还可以降低汽车里的噪声，也能够隐藏表面缺陷或修改表面性质。主要体现在汽车工业，汽车内部零件的美学层面是非常重要的，如今公司的目标就是生产具有美学的部件，并且降低成本。1-8许多学者9，10描述IMD技术的基本原理，提出一些基于经验上的建议，在IMD件的制作过程中结果是明显的，但是他们不去参考物质和科学的原因，导致在织物IMD注塑成型周期里产生更高的注射压力、织物翘曲等等问题。命名： 粘度（Pa s） ap 表观剪切速率 (s -1) 温度（） 流量(m3/s) 剪切速率（s -1） 宽度（m） A，B，C，D，E，F MOLDFLOW模型数据 厚度（m） 剪切强度（Nw/m2） ap 表观粘度（Pa s） 实验粘度模型数据 压降（Pa） 实验粘度模型指数 长度（m） 好的设计及高效制造块的其中一个最重要的工具就是仿真软件，它适用于预测铸造塑件在模具里的流向，以及体积温度的分布和压降。该仿真软件用来优化注塑成型周期是非常有益的，但如今，软件还没有模拟IMD过程的潜力。 图1 IMD方案 传统的注塑模拟过程不能验证织物IMD过程，因为当聚合物被注射在织物上的时候，注塑机屏幕显示，注射压力高于传统的同类型织物的15%左右。也就是说，注射压力不是取决于织物的存在与否，所以，设计一个块，其相应的模具设计，以及循环优化，如果他们是基于传统工艺的仿真结果的话，很可能会远离最好的一个。 要想正确的模拟注射部分，就有必要表征聚合物的流变行为，当熔融塑料流入模具的时候，几个代表粘性曲线的模型就用来计算压力降。通常这些模型被引入到程序里来计算，如：C-MOLD，TM Concept，MOLDFLOW。 塑料材料的流变曲线是流经一个金属表面的，由原料生产厂家提供，这些曲线可以使用不同类型的粘度仪获取，但是塑料流经织物的性能是不清楚的，因为不能用粘度仪、流变仪来测织物。然而，考虑到存在的纺织品，得到一个有用的粘度曲线图来表征性能是很有必要的。一种方法就是使用螺旋模具来获得，因为在这种情况之下，可以引进织物到模具里。 在过去的40年里，一些学者利用螺旋模具对粘度、预测流长度、压力降进行研究。在1963年，Baumann 、 Steingiser 14 和 Pezzin 15，通过注射的螺旋形得到了聚碳酸酯和聚苯乙烯的粘度值，最后把它们和用流变仪测的结果进行比较。在1997年，Buchmann et al. 16把聚苯乙烯和聚丙烯注射到螺旋模具里来分析流长，设计了一个预测流长的数值方法。在1998年，Fox 和 Polinski17，比较了注射到螺旋模具和四分之一的磁盘模具的流长。他们的结论是，旋流通倾向于未知的聚合物流长，在他们的分析中，采用径向流和沟流的结合可以降低螺旋的流长。 在过去的5年里，一些学者专注于这一领域的研究，例如，Rao et al. 18描绘了使用无量纲参数，不同的注射条件下的螺旋线精度变化。另一方面，Bank et al. 19利用螺旋模具分析了模具材料（钢、铝）在螺旋长度、周期时间方面的影响。在他的文章中，铝的导热系数是钢材的5倍，如果在每个模具里注射螺旋，注射、模温是相同的，那么注射时间需要以一个螺旋3400长，相当于12.3秒的铝模具和21.8秒的钢模具。 本文的重点是从宏观的角度设计一种方法来反映聚合物的流变行为，目的是为了估量在CAE软件中的可用的粘性模型，在螺旋模具不工作后，它比流变仪更强调计算粘度曲线的合理性。这中方法将在生产前非常有助于设计者和制造装饰塑料商，以提高分离设计及相应的模具，优化注射IMD周期。 调查最重要的就是测量，该测量系统由模具内的两个压力传感器组成，传感器通过一个放大器和一个转换装置连接到计算机，这个装置的传感器捕获的信号将会由计算机转换成数字数据。 当熔融塑料到达一个传感器，这一开始注入的压力值和压力降可以通过两者测量点的不同来评估，更多有关测量的过程将在第2.2.2节解释。 另一方面，其他重要的方面就是了解条状填充物和凝固层的表征，粘度描述了流动的内阻力，可以被认为是衡量流体摩擦的方法。这种材料的功能取决于温度、压力、流量，对于流变特性，牛顿流体是一种流体，它的压力和应变率曲线是线性的，也是起源。比例常数称为粘度（1）当流体是非牛顿原料，流变特性表达式是（2） 当n=T不流动 表达式（5）将被用估塑料的流变行为，不论是在传统的没有纺织的注射还是有织物的IMD注射都适用。2.材料和方法2.1设备要求 材料必须满足上述目标，包括一个有两个压力传感器的螺旋模、一个记录压力的系统，一个织物框架，一些织物组织，以及原材料和注塑机。 螺旋模具是用螺旋图模型表示。螺旋是136CM长，202mm的矩形部分，由于很长的流长，该模具被认为是“开放”的，因为注塑机不需要足够的压力就能够完全充满，这种模具通过不断的流量充满，在达到注射压力极限的时候结束。 两个压力传感器在螺旋模具里60mm和144mm处，远离螺旋模具门，间距84mm，这些传感器是KISTLER 6157BBSP0石英传感器。它的主要特点是模具温度范围高达300，在传感器前面的熔融材料的范围高达450，压力范围2000bar，灵敏度4pc/bar，固有频率100赫兹。 为了完成测量系统，传感器通过放大器和变频装置被连接到一个计算机上，该装置捕获的传感器信号将会由计算机转换成数字数据。当熔融塑料碰到传感器的时候，就开始记录压力值。 介绍模具里的织物时，织物框架是很有必要的，它依附于螺旋模具型腔，用来装纺织物。这个张量是完全适合模具的，有四个镊子来夹织物，然后，织物总是以相同的方式装进去，织物和模具表面永远不会有间隙。 为了注射出螺旋形，所用的注塑机是Mateu & Sole液压夹紧机，适用于螺旋模具尺寸。它的主要特点是55T的锁模力，50g/s的塑化能力，120300mm的模厚，以及1735bar的最大注射压力。 所有的螺旋注射的都是由SABIC提供的聚丙烯Stamylan PHC 31. 本研究所采用的是三层CANDIDE面料，第一层给予美学这一块，第二中级层是由5mm厚的多孔渗水泡沫RECTICEL SF 646 D组成，第三层称为保护膜，密度是150g/m2，超模塑料就被锚定在这里。 检查胶线的厚度和织物螺旋必须要一个超声测试仪。 2.2实验过程和方法 像前面说的那样，这个研究主题是计算粘度曲线模拟程序，目的是为了计算塑料注射在织物上的时候的压力降。为了达到这个目的，了解塑料在模具内怎样流动，以及认识塑料流经金属表面和塑料流经纺织物的主要不同点，是十分重要的。从另一方面来说，在这个实验中，最重要的是注意到这些曲线不能表征聚丙烯的粘度，但是当聚丙烯注入的时候，能够表征模具里的压力降，从宏观的角度来说，有没有织物都是一样的。方法如下： -确定温度范围、注射速度、注射压力、注塑螺旋极限压力。这些条件应该确保常数和等温流，等温流至少要到达第二个传感器。 -在先前的一步，确定螺旋注射温度和速度值结合起来。 -分析传感器得到的压力数据。 -计算值与表观粘度如上面的表达式（3）（4）所示，运用数学软件VisDat取6个二阶Moldflow模型（5）常数。 -用新的流变模型验证实验值和理论值压降的关系。 -应用计算模型修正。 -使用新的修正流变模型，重新验证实验值和理论值压降的关系。2.2.1选择注塑温度、注塑速度 螺旋注塑的注射温度选择在200，220，240，260，这是聚丙烯供应商推荐的，但是注射到织物时温度要较低，目的是使聚合物流动变慢，避免渗入到纺织物里。注塑在CANDIDE上的聚丙烯的适当温度是190，210，230，预计的注塑速率是这个机器所提供的最大速率的20%，40%，60%，80%，100%。 检查如果说等温流的假设是可以接受的，用塑料螺旋注塑模拟进行演示，为了证明这一点，不同的注射温度数值会结合不同的模具温度，最终，当流到第一个传感器和第二个之间的时候，如果塑性流动温度发生变化，就会被检测出来。 当低模温遇到高熔体时，温差相差仅2.5，螺旋长度就要达到300mm。因此，维持等温假说的传感器位值是有保证的。2.2.2压降和流量的计算方法 在同一瞬间，熔融塑料流体到达第二个传感器，传感器开始测量，第一个传感器探测到的压力值进行分析，这个数值就是两个传感器之间的压力降，这个数字将被待入到表达式（4）计算表观粘度。注意，在拍摄时压力曲线保持平行。（如图3） 模具里的流量必须要代入到剪切速率和表观粘度的理论表达式中，为了计算这个流量，就有必要得到这些数据，首先是熔融塑料从第一到第二个传感器之间所需的时间，其次是传感器之间的体积，时间用来分析传感器图表，传感器之间的螺旋体积相当于带状体积（传感器距离、宽度、厚度）。2.2.3厚度、宽度计算 为了计算两个传感器之间的螺旋体积，就有必要知道螺旋的正确宽度和厚度，这两个参数是变化的，取决于织物的存在。 注射塑料螺旋形，预设不同的注射温度，用数字厚度测试仪测厚度。同样，厚度是在CANDIDE螺旋上测得的。（如表1）表格1温度（）注射速率（%）厚度（mm）温度（）注射速率（%）厚度（mm）温度（）注射速率（%）厚度（mm）塑料螺旋200401.93220401.94240401.93CANDIDE螺旋200401.93220401.93240401.92601.94601.93601.92801.94801.90801.94平均1.94平均1.92平均1.93表格2 螺旋宽度分析方法一方法二测量1（mm）测量2（mm）测量1（mm）测量2（mm）塑料螺旋19.4719.4419.5319.5419.4619.4419.5419.4919.4719.4319.5319.48CANDIDE螺旋19.2119.1419.2619.1219.2319.1519.2019.1219.2219.1519.2119.18图3 压力实验表 当塑料螺旋厚度和经过布置的螺旋厚度比较起来，重要的是注意到，在所有的情况下，厚度都是相似的。在织物螺旋中，厚度应该减小，因为纺织物填充了模具的一部分，但事实并非如此。基于分区界限内的织物厚度和合模是相匹配的，所以，模具比没有织物的时候要宽，用来补偿型腔内充满纺织物的厚度。因此，为了计算，要增加2mm的螺旋厚度。 此外呢，还有必要来研究一下织物对螺旋宽度的影响。因为，这个参数也是用来计算流变模型常数的。 为了检查它们的重复性，做了一些测试。（如表2） 在那之后，织物对塑料的收缩产生一定的影响，这就被认为是宽度变化，这个变化参数由CANDIDE测得。塑料螺旋宽度和织物螺旋宽度的不同在于宽度的变化，因为织物螺旋有织物存在。CANDIDE螺旋宽度变化百分比在1.35%到1.8%之间。 如果两个一样的螺旋压降测量值差值被侧得的话，那么这个值大约是12%。压力降和螺旋宽度对表观粘度的计算有直接的影响，所以，织物的存在对粘度计算是没有影响的。由于错误的考虑了螺旋宽度，总的宽度就比两个探头之间的压力降离散宽度小。 不过，必须要考虑到聚合物的流动是慢慢的到达对角线的。 螺旋最后的对角线已经被测得，最终，22mm的宽度可以作为正确的参考。3.实验结果，计算和讨论聚丙烯粘度曲线3.1二阶Moldflow常数估算（只针对聚丙烯）使用表达式（3）和（4）得到剪切速率和表观粘度数值，以及前面修正的部分，结果显示在表格4。表格3 表观剪切速率和表观粘度值（不考虑凝固层影响）有了这些结果和VisDat的帮助，以及对聚丙烯的二阶Moldflow流变模型分析数据，就得到了相应的粘度曲线。（如表4）表4 粘度模型拟合常数ABCDEF8.1253-0.132552.30e-3-3.43e-2-1.01e-34.34e-73.2实验和压力降仿真的验证关系（只针对聚丙烯） 把前面的数据输入到MOLDFLOW里，就能得到各次实验，传感器之间的压力降仿真值。图4 实验和仿真压降比较（没有凝固层修正）图5 凝固层厚度计算 MOLDFLOW运行时，当设置低的注射速度，压降值高于实验值；相反，当设定高的注射速度，仿真值均低于实验值（如图4）。压降计算误差大约在14，有些情况下会达到17.7或是16.4，这些偏差是不能接受的，这就是为什么必须要引进凝固层修正。3.3凝固层修正根据质量守恒，能量守恒定律，以及边界条件，得到基于有限差分计算集成温度剖面的应用，当流体流动的时候能够计算出温度曲线19，10。当材料温度低于凝固温度时，凝固层就产生了，这个应用代表凝固层的部分图表，并用来计算其厚度。有了这个应用程序，就能计算出凝固层的厚度，不管是有没有织物。（如图5）表5显示的是每次实验的厚度和真实的螺旋厚度。用新的厚度数据（见表6），重新计算流量、剪切速率、表观粘度、以及流变模型数据。（见表7）表5 凝固层厚度和真实螺旋厚度温度注射速率（%）凝固层含量（%）实际厚度（mm）温度注射速率（%）凝固层含量（%）实际厚度（mm）20020141.7224020111.784011.51.774081.84608.51.83605.51.898061.888031.941001.51.971000.51.992202012.51.75260209.51.81409.51.81406.51.876071.86604.51.918041.928021.9610011.9810002表6 考虑了凝固层的影响后的表观剪切速率及表观粘度值表7 考虑了凝固层影响后的粘度模型拟合常数当设定低的注射速率时（低剪切速率），实验中得到的表观粘度值比修正的高，这是依赖于凝固层的发展，它使得聚合物更小。当设定最大注射速度时，靠不考虑凝固层的表观粘度值都是一样的。所以，对于高的剪切率，表观粘度值可以通过二阶MOLDFLOW模型VISDAT软件来获得。所有的这些意味着，没有凝固层修正的和有凝固层修正的是息息相关的。如果剪切率很低，没有修正的曲线和修正过的曲线就有很大的区别，因为，注射压力越低，凝固层就越厚，修正过的影响就更加的明显。另一方面，注射温度越高，凝固层就越薄，所以，注射温度越高，修正后的影响就越低。模型里校正值一般是7。3.4再次验证压降的实验值和模拟值之间的关系新的粘性曲线输入到MOLDFLOW里，用来计算传感器之间的压降，图6显示了实验和计算结果之间的比较，现在，这两个结果很相似，并且遵循同样的趋势，有个25的偏差，达到10的只有是低的速度和低温的情况。图6 实验和仿真的压降对比（有凝固层）4.实验结果，计算和讨论聚丙烯在CANDIDE中的粘性曲线4.1计算二阶MOLDFLOW的常数（织物上的聚丙烯）以同样的方式来计算聚丙烯，CANDIDE（见表8），二阶MOLDFLOW数据（见表9）。凝固层厚度和实际的螺旋厚度也计算出来了。（见表10）值得注意的是织物上的凝固层，这种注射少于常规的注射，因此，在织物上注射聚丙烯的时候，厚度就比没有在织物上注射的时候要厚，原因在于，织物的传导性比模具要低的多。表11显示的是织物上流经的聚丙烯的剪切速率和表观粘度值，新的二阶MOLDFLOW数值，包括在表12中。表8 CANDIDE表观剪切率及表观粘度值（没有凝固层影响）表9 CANDIDE粘度模型拟合常数表10 CANDIDE真实螺旋厚度表11 CANDIDE表观剪切率及表观粘度值（有凝固层影响）表12 CANDIDE粘度模型拟合常数（有凝固层影响）ABCDEF18.493-1.62-4.23e-24.55e-22.43e-48.47e-54.2验证实验和仿真压降数据的关系（织物上的聚丙烯） 图7显