超声外场对聚合物注塑充型流动速度场分布影响的物理可视化表征与分析.pdf

第 5 1 卷第 1 4期 2 0 1 5 年7 月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG Vl01 5 1 J u 1 NO 1 4 2 0 1 5 DoI l O 39 01 J M E 201 5 1 4 0 2 3 超声外场对聚合物注塑充型流动速度场分布 影响的物理可视化表征与分析木 姜开宇 吉 智 李 豪 王敏杰 于同敏 大连理工大学模塑制品教育部工程研究中心 大连 1 1 6 0 2 4 摘要 以物理可视化技术为基础 开发一种用于观测超声外场作用下注射成型过程的新型可视化试验分析平台 分析超声振 动对聚丙烯 P o l y e t h y l e n e P P 注射成型流动过程速度场分布的影响 并结合示踪粒子标记法和 K r i n g ri n g插值提出一种充型 流动速度场的表征分析方法 研究结果表明 注射成型过程中P P熔体速度分布呈中间高 两边低 近浇口高 远浇口低的 变化趋势 施加超声振动后 P P熔体流动速度显著提高 沿流动方向 熔体流动速度变化梯度减小 超声振动有助于降低 熔体黏度 但黏度的降低不利于剪切热的生成 因此并非超声功率越大 对内部熔体速度的提升越大 同时 超声功率的提 升还会导致聚合物材料性能的改变 影响制件的最终质量 对于本研究条件下的 P P材料而言 超声功率在 2 0 0 4 0 0 W 时 对成型效果的改善比较明显 关键词 超声振动 注射成型 可视化 流变特性 速度场分布 中图分类号 T Q3 2 0 Re p r e s e n切 t i 0 n a n d An a l ys i s o f Po l y m e r Fl o wi n g Ve l o c i t y Di s t r i b u t i o n Ba s e d o n Ph y s i c a l Vi s ua l i z e d Te c hn o l o g y i n Ul t r a s o n i c As s i s t e d I n j e c t i o n Mo l d i n g J I A NG Ka i y u J I Z h i L I Ha o WA NG Mi n j i e YU T o n g mi n Mo l d e d P r o d u c t s E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n Da l i a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Da l i a n 1 1 6 0 2 4 Ab s t r a c t Ba s e d o n p h y s i c a l v i s u a l i z e d t e c h n o l o g y a n e w v i s u a l i z a t i o n d e v i c e i s d e v e l o p e d t o u n d e r s t a n d p o l y me r me l t s fl o wi n g b e h a v i o r i n u l t r a s o n i c v i b r a t i o n a s s i s t e d i n j e c t i o n mo l d i n g T h e i mp a c t o f u l t r a s o n i c v i b r a t i o n o n p o l y e t h y l e n e P P me l t s fl o wi n g v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n i s s t u d i e d Co mb i n e d wi t h tra c e r p a r t i c l e s ma r k i n g a n d Kr i n g i n g i n t e r p o l a t i o n me t h o d a n e w me t h o d i s p r o p o s e d t o a n a l y z e me l t s fl o wi n g v e l o c i t y fi e l d d u r i n g i n j e c t i o n mo l d i n g p r o c e s s a s we l 1 T h e r e s u l t s s h o w t h a t the d i s tr i b u t i o n o f P P me l t s fl o w v e l o c i ty t e n d s t o b e h i g h i n t h e mi d d l e a n d n e a r t h e e n tra n c e o f t h e c a v i t y wh i l e l o w o n b o t h s i d e s a n d t h e e n d o f c a v i ty Th e r mo p l a s t i c me l t s flo w i s p r o mo t e d b y u l tr a s o n i c v i b r a t i o n i n mo l d c a v i ty a n d t h e g r a d i e n t o f me l t s fl o w v e l o c i ty i s d e c r e a s e d a l o n g me l t s flo w d i r e c t i o n a s we l 1 Me a n wh i l e u l tra s o n i c v i b r a t i o n h a s a b e n e fi t o n r e d u c i n g me l t s v i s c o s i ty Bu t t h e r e d u c t i o n o f me l t s v i s c o s i ty g o e s a g a i n s t t o t h e g e n e r a t i o n o f s h e a r h e at S o i t i s n o t t r ue t h at t h e h i g h e r t h e u l tra s o n i c p o we r i s t h e g r e ate r the s p e e d o f me l t s v e l o c i ty i s At t h e s a me t i me t h e p e r f o rm an c e o f p o l y me r ma t e ri a l i s c h an g e d b y the a s c e n t o f u l t r a s o n i c p o we r wh i c h i n fl u e n c e s t h e fi n a l q u a l i ty o f p a r t s On the c o n d i t i o n o f t h i s r e s e a r c h t h e r e i s a n o t i c e a b l e e ffe c t o n P P me l t s s h a p i n g wh e n u l tra s o n i c p o we ri sb e t we e n2 0 0W an d4 0 0W Ke y wo r d s u l t r a s o n i c v i b r a t i o n i n j e c t i o n mo l d i n g v i s u a l i z a t i o n r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s v e l o c i ty d i s t r i b u t i o n 0 前言 近年来 为改善注射 成型塑料 制品 的充填 效 国家 自然科学基金 5 1 1 7 5 0 6 0 1J 家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 2 0 1 2 C B 0 2 5 9 0 5 资助项 目 2 0 1 4 0 7 2 9收到初稿 2 0 1 5 0 1 2 7收到修改稿 果 提升成型质量 很多研究者将超声振动引入到 注射成型过程 中 开展 了大量的相关试验研究 并 取得了一定成果 S T A O等 将超声振动 引入到微 注塑成型中 发现超声振动作用下 塑件微结构复 制率最高可达 9 5 比无超声时微结构复制率提高 8 在其对透镜的注塑试验 中发现 超声振动后 塑件表面粗糙度 由 1 6 1 降低为 1 2 m 透镜焦距 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 8 机械工程学报 第 5 1 卷第 1 4期 4 结论 超声外场 下注射成 型流动过程 的物 理可视化 试验分析表明 超声振动对注射成型过程聚合物充 型流动行为有很好的改善作用 具体结论如下 1 P P聚合物熔体在型腔内流动的流场速度分 布呈 中间高 两边低 近浇 口高 远浇 口低 的变化 趋势 2 超声外场下注射成型 内部流场速度高于传 统注射成型 且超声振动能促进 内部熔体流动 使 熔体在流动方向上速度变化梯度变小 超声振动能 显著提高两侧壁处熔体流动速度 3 超声振动有助于降低熔体黏度 但黏度 的 降低不利于剪切热的生成 因此并非超声功率越大 对 内部熔体速度 的提升越大 同时 超声功率的提 升还会导致聚合物材料性能的改变 影响制件的最 终质量 对于本研究条件下的 P P材料而言 超声 功率 在 2 0 0 4 0 0 W 时 对成型效果的改善比较 明 显 参考文献 1 S T A O A AK AGU C HI H I I l0 H e t a 1 E v a l u a t i o n o f r e p l ie a t io n p r o p e r t ie s o n mo u l d e d s u r f a ce b y u l t r a s o n ic i n j e ct i o n mo u l d i n g s y s t e m J P l a s t i cs R u b b e r a n d C o mp o s i t e s 2 0 1 0 3 9 7 3 1 5 3 2 0 2 S T A O A I T O H KO Y AMA K S t u d y o f a p p l i ca t i o n o f u l t r a s o n ic w a v e t o i n j e ct i o n mo l d in g J P o l y me r E n g i n e e rin g a n d S cie n ce 2 0 0 9 4 9 4 7 6 8 7 7 3 3 WE N L AI F I S A YE V A I I n s itu u l t r a s o n ic co mp a t i b il i z a t io n o f u n v u l ca n iz e d a n d d y n a mi ca l l y v u l cani z e d P P E P D M b l e n d s J P o l y me r E n g in e e ri n g a n d S cie n ce 2 0 0 4 4 4 1 1 1 2 0 1 9 2 0 2 8 4 L U C h a n g Y U X ia o f e n g GU O S h a o y u n U l tr a s o n i c i mp r o v e me n t o f we l d l i n e s tr e n g t h o f i n j e ct i o n mo l d e d p o l y s t y r e n e a n d p o l y s t y r e n e p o l y e t h y l e n e b l e n d p a r t s J P o l y me r E n g i n e e rin g a n d S ci e n ce 2 0 0 5 4 5 1 2 1 6 6 6 1 6 7 2 5 L U C h ang Y U Xi a o f e n g G UO S h a o y u n T h e me ch ani s m o f u l tr a s o n ic imp r o v e me n t o f we l d l i n e s t r e n gth o f i n j e ct io n mo l d e d p o l y s t y r e n e and p o l y s t y rr e n e p o l y e t h y l e n e b l e n d p a r t s J J o u r n a l o f P o l y me r S ci e n ce P a r t B p o l y me r P h y s ics 2 0 0 6 4 4 1 0 1 5 2 0 1 5 3 0 6 L E E J M N P r e d ict i o n o f ch a r g i n g r a t e i n u l t r a s o n ic v i b r a t io n o f in j e ct i o n mo l d i n g J J o u rna l o f Ma t e ri a l s P r o ce s s i n g T e ch n o l o g y 2 0 0 8 2 0 1 3 7 1 0 7 1 5 7 仇中军 郑辉 房丰洲 等 纵向超声波辅助微注塑方 法 J 纳米技术与精密工程 2 0 1 2 l 0 2 1 7 0 1 7 6 Q I U Z h o n g j u n Z HE NG Hu i F ANG F e n g z h o u e t a 1 L o n g i tud in a l u l t r a s o u n d a s s i s t e d mi cr o i n j e ct io n mo u l d in g me t h o d J Nano t e chno l o g y a n d P r e ci s i o n E n g i n e e r i n g 2 0 1 2 1 0 2 1 7 0 1 7 6 8 T K E DO U X L S A T OH I I n v e s t ig a t io n o f wa v e l ik e fl o w ma r k s in i n j e ct i o n mo l d in g F l o w v is u a l iz a t i o n and micr o g e o me t r y J P o l y me r E n g i n e e ri n g a n d S ci e n ce 1 9 9 9 3 9 1 1 1 2 2 3 3 2 2 4 1 9 T R E DO UX L S A T OH I I n v e s t ig a t io n o f wa v e l i k e f l o w ma r k s i n in j e ct io n mo l d i n g A n e w h y p o t h e s is f o r t h e g e n e r a t io n me ch a n is m J P o l ym e r E n g i n e e rin g and S ci e n ce 2 0 0 0 4 0 1 0 2 2 6 1 2 2 7 4 1 0 WH I T E J L D E E H B F l o w v is u a l iz a t io n for i n j e ct io n mo l d i n g o f p o l y e t h y l e h e and p o l y s tyr e n e me l t s J P o l y me r E n g i n e e ri n g a n d S ci e n ce 1 9 7 4 1 4 3 2 1 2 2 2 2 1 1 YO KO I H HA Y AS H I T HI R A OK AH V is u a l a n a l y s i s o f the p r o ce s s o f p l a s t ic fl o w in s i d e a l l in j e ct i o n mo l d J P r o d u ct io n R e s e a r ch 1 9 8 7 3 9 7 2 0 2 3 1 2 O Z DE MI R A UL U E R O GU L D AS A F l o w fr o n t a d v a n ce me n t o f mo l t e n t h e r mo p l a s t ic ma t e ri a l s d u r in g fi l l i n g s t a g e o f a mo l d ca v ity J P o l ym e r T e s t i n g 2 0 0 4 2 3 8 9 5 7 9 6 6 1 3 姜开宇 横井秀俊 注射成型过程熔体前沿充填不平衡 现象 的试验研 究 J 机械工程学报 2 0 0 9 4 5 2 2 9 4 3 0 0 J ANG Ka iy u YOKOI H Ex p e ri me n t s tud y o n fi l l in g imb a l a n ce p h e n o me n o n o f me l t fr o n t d u r in g in j e ct io n mo l d i n g p r o ce s s J J o u r n a l o f Me ch a n i ca l E n g i n e e ri n g 2 0 0 9 4 5 2 2 9 4 3 0 0 1 4 姜开宇 田净娜 马家家 等 尺寸效应对多型腔注射 成型过程影响的可视化研究 J 高分子材料科学与工 程 2 0 1 1 2 7 1 1 1 1 2 2 1 2 5 BA NG Ka i y u T I A N J i n g n a MA J i a j i a e t a 1 Vis ua l iz a t io n e x p e r im e n t for t h e imp a ct o f s ca l e e ff e ct o n fi l l i n g i mb a l ance o f i n j e ct io n mo l d in g J P o l y me r Ma t e ri a