高聚物注射理論和設備 第二章 注塑過程原理ppt課件

1、高聚物注射理論與設備高聚物注射理論與設備（碩士研究生非學位課程）（碩士研究生非學位課程）第二章第二章 注塑過程原理注塑過程原理1 概論2 塑化計量過程3 注射充模過程4 增密與保壓過程5 倒流與冷卻定型過程1 1 概論概論1.1 1.1 預塑計量過程預塑計量過程 高聚物在料筒中進行塑化的過程：高聚物在料筒中進行塑化的過程： 把固體粒料或粉料經(jīng)過加熱、壓實、混合，把固體粒料或粉料經(jīng)過加熱、壓實、混合， 從玻璃態(tài)轉化成均化的粘流態(tài)。從玻璃態(tài)轉化成均化的粘流態(tài)。均化：聚合物熔體溫度均化、粘度均化、密度均化均化：聚合物熔體溫度均化、粘度均化、密度均化 和組份均化。和組份均化。重要特征：聚合物的熱機性能

2、，影響預塑過程的重重要特征：聚合物的熱機性能，影響預塑過程的重要要 因素是熱能輸入和轉化條件。因素是熱能輸入和轉化條件。三種輸入方式：三種輸入方式： 1 1外加熱外加熱 2 2內(nèi)加熱剪切熱和摩擦熱）內(nèi)加熱剪切熱和摩擦熱） 3 3前兩種加熱方式的組合前兩種加熱方式的組合 預塑時的能量平衡條件：預塑時的能量平衡條件：Q Q總熱總熱=Q=Q對流對流+Q+Q傳導傳導+Q+Q剪切剪切+Q+Q摩擦摩擦 1 1 概論概論1.1 1.1 預塑計量過程預塑計量過程預塑時影響聚合物熔體塑化質(zhì)量的因素：預塑時影響聚合物熔體塑化質(zhì)量的因素： 1 1工藝參數(shù)工藝參數(shù)T T機筒、機筒、S S螺桿、螺桿、n n螺桿、螺桿、

3、p p背背壓、壓、s s計量）計量） 2 2聚合物熱物理性能和流變性能有關的參聚合物熱物理性能和流變性能有關的參數(shù)數(shù) 3 3螺桿、機筒的幾何構形及制造質(zhì)量螺桿、機筒的幾何構形及制造質(zhì)量 塑化過程追求的主要指標是：塑化過程追求的主要指標是： 1)1)塑化質(zhì)量塑化質(zhì)量 2)2)計量精度計量精度 3)3)塑化能力塑化能力1 概論概論1.1 預塑計量過程預塑計量過程1 概概論論1.2 1.2 注射充模注射充模注射充模過程：把計量室中預塑好的熔體注入到模具型注射充模過程：把計量室中預塑好的熔體注入到模具型腔中。腔中。兩個階段：兩個階段： 注射階段與保壓階段。注射階段與保壓階段。1.3 1.3 冷卻定型及

4、過程冷卻定型及過程冷卻定型過程：從澆口冷卻定型過程：從澆口“凍封開始至制品脫模為止。凍封開始至制品脫模為止。特點：溫度表現(xiàn)是主要的。特點：溫度表現(xiàn)是主要的。研究注塑過程的目的：研究注塑過程的目的： 1 1根據(jù)物料和制品調(diào)整好注塑工藝參數(shù)；根據(jù)物料和制品調(diào)整好注塑工藝參數(shù)； 2 2控制好注塑制品質(zhì)量?？刂坪米⑺苤破焚|(zhì)量。1 概概論論2 塑化塑化過過程程一、柱塞式塑化：過程與特點一、柱塞式塑化：過程與特點柱塞式塑化裝置柱塞式塑化裝置1-料斗料斗 2-料筒料筒 3-分流梭分流梭 4-柱塞柱塞油馬達或油馬達或二、螺桿式塑化：二、螺桿式塑化：1.1.特點：第一階段：特點：第一階段：1)1)短暫的擠出過程

5、短暫的擠出過程 2)2)螺桿旋轉運動后退直線運動螺桿旋轉運動后退直線運動 第二階段：螺桿靜止第二階段：螺桿靜止螺桿式塑化裝置螺桿式塑化裝置2 塑化塑化過過程程2 塑化塑化過過程程二、螺桿式塑化：二、螺桿式塑化：2.物料在螺槽中的變化物料在螺槽中的變化 與擠出機類似：聚合物在料筒中從后部入與擠出機類似：聚合物在料筒中從后部入料口）料口）到前部噴嘴處由于熱歷程不同，也有三種到前部噴嘴處由于熱歷程不同，也有三種狀態(tài)。狀態(tài)。 后部是玻璃態(tài)，前部是粘流態(tài)，中間是高彈態(tài)。后部是玻璃態(tài)，前部是粘流態(tài)，中間是高彈態(tài)。與之對應的標準螺桿也分為三段：與之對應的標準螺桿也分為三段：各段螺槽中物料狀態(tài)不同。各段螺槽中

6、物料狀態(tài)不同。1固體輸送段加料段）固體輸送段加料段）2壓縮段熔融段）壓縮段熔融段）3均化段計量段）均化段計量段）2 塑化塑化過過程程螺槽展開模型螺槽展開模型O1O2a1a2: 固體料區(qū)（固體料區(qū)（區(qū)）區(qū)） b1b2-C1C2: 粘流態(tài)區(qū)（ 區(qū)）a1a2b1b2: 高彈態(tài)過渡區(qū)（高彈態(tài)過渡區(qū)（ 區(qū)）區(qū)）2 塑化塑化過過程程2 塑化塑化過過程程3 3、物料在螺槽中的吸熱過程、物料在螺槽中的吸熱過程影響因素：影響因素：1 1固體料區(qū)固體料區(qū)o1o2a1a2o1o2a1a2）: :（1 1傳熱過程：聚合物的導熱性、熱容量、密度、筒壁與物料傳熱過程：聚合物的導熱性、熱容量、密度、筒壁與物料之間的溫差、料

7、筒溫度起重要作用）。之間的溫差、料筒溫度起重要作用）。（2 2剪切與摩擦過程：螺桿旋轉時部分機械能轉化為熱能粘剪切與摩擦過程：螺桿旋轉時部分機械能轉化為熱能粘度對剪切速率或溫度敏感性以及固體料對筒壁的摩擦系數(shù)），度對剪切速率或溫度敏感性以及固體料對筒壁的摩擦系數(shù)），螺桿轉速起重要作用。螺桿轉速起重要作用。2 2熔體料區(qū)熔體料區(qū)b1b2c1c2b1b2c1c2）：溫升主要靠剪切功。）：溫升主要靠剪切功。hDnW602-剪應力，剪應力， - -剪切速率剪切速率-表觀粘度表觀粘度D-螺桿直徑，螺桿直徑，h-槽深，槽深，n-螺桿轉螺桿轉 速。速。2 塑化塑化過過程程3熔融區(qū)： 由于注射螺桿預塑過程的間

8、歇性和復合運動，使壓縮段的熔融機理與連續(xù)旋轉下的擠出機熔融機理有很大區(qū)別，主要表現(xiàn)在固體床的物理模型上。2 塑化塑化過過程程4注射螺桿的一個螺槽與擠出螺桿的區(qū)別：注射螺桿的一個螺槽與擠出螺桿的區(qū)別： 擠出螺桿：工藝條件穩(wěn)定，固體床的狀態(tài)穩(wěn)擠出螺桿：工藝條件穩(wěn)定，固體床的狀態(tài)穩(wěn)定；定； 注射螺桿：流場、溫度場、密度場、應力場注射螺桿：流場、溫度場、密度場、應力場比擠出有更大比擠出有更大 的不穩(wěn)定性。的不穩(wěn)定性。2 塑化塑化過過程程5注射螺桿塑化時產(chǎn)生較大軸向溫差注射螺桿塑化時產(chǎn)生較大軸向溫差工作不連續(xù)并有軸向移動）：工作不連續(xù)并有軸向移動）：實驗曲線表明：螺桿預塑時，熔體的軸實驗曲線表明：螺桿預

9、塑時，熔體的軸向溫差與螺桿行程、螺桿轉速有關。向溫差與螺桿行程、螺桿轉速有關。軸向熔體溫度與螺桿行程關系圖軸向熔體溫度與螺桿行程關系圖2 塑化塑化過過程程2 塑化塑化過過程程4、固體輸送過程：、固體輸送過程：1固體輸送段的壓力分布固體輸送段的壓力分布 假設加料段的螺槽內(nèi)被固體假設加料段的螺槽內(nèi)被固體料充滿形成料充滿形成均衡而密實的彈性固體塞，取一均衡而密實的彈性固體塞，取一段固體塞段固體塞做分離體，作用在這個固體塞上做分離體，作用在這個固體塞上的外有：的外有：螺棱推力面的法向反力螺棱推力面的法向反力P1）料筒壁沿切線方向作用的摩擦料筒壁沿切線方向作用的摩擦P2）兩螺棱側面作用的摩擦力兩螺棱側面

10、作用的摩擦力P3）在螺棱推力面法向分力引起的在螺棱推力面法向分力引起的摩擦力摩擦力P4）螺桿底面作用的摩擦力螺桿底面作用的摩擦力P5）阻止固體塞運動的反壓力阻止固體塞運動的反壓力P6）PsPsP3P3P4P4P5 , PzP5 , Pz P2 , PnP2 , Pn P1 , PpP1 , Pp P6P6PzPz P2P22 塑化塑化過過程程根據(jù)平衡條件根據(jù)平衡條件: Pz+Pn+Ps+Pp=0微分形式：微分形式： dPz+dPn+dPs+dPp=0固體輸送段的軸向壓力分布函數(shù)：固體輸送段的軸向壓力分布函數(shù)：0cos(2sin )expsinbsblWff Wh WfPPlWhsinWDW4、

11、固體輸送過程：、固體輸送過程：1固體輸送段的壓力分布固體輸送段的壓力分布2 塑化塑化過過程程4、固體輸送過程：、固體輸送過程：1固體輸送段的壓力分布固體輸送段的壓力分布2 塑化塑化過過程程4、固體輸送過程：、固體輸送過程：2固體輸送段的輸送能力從固體料塞在螺固體輸送段的輸送能力從固體料塞在螺槽的運槽的運 動分析中得到）動分析中得到）* *合成速度：合成速度：sbwVVVsinsinsinsin)sin(DnVbVwVVwe* *軸向合成速度：軸向合成速度：* *固體輸送段的輸送能力：固體輸送段的輸送能力：)cottan1 (cossin11DWhnWhVGeLsinsinsinsin)sin(

12、DnVbVwVVwe* *軸向合成速度：軸向合成速度：=時，時，GL1=0GL1=0，Vs=0Vs=0；最大輸送效率時，螺旋角最大輸送效率時，螺旋角 和輸送角和輸送角應滿足下式：應滿足下式：1940175.025.01)90(2sincoscot2sin5.0cosmaxmax2則，常見之間的關系如右圖，與時，達到最大等于當fsffffWhWfsbbss2 塑化塑化過過程程4、固體輸送過程：、固體輸送過程：2固體輸送段的輸送能力固體輸送段的輸送能力1940175.025.01)90(2sincoscot2sin5.0cosmaxmax2則，常見之間的關系如右圖，與時，達到最大等于當fsffff

13、WhWfsbbss2 塑化塑化過過程程4、固體輸送過程：、固體輸送過程：2固體輸送段的輸送能力固體輸送段的輸送能力 5 5、熔體的輸送過程、熔體的輸送過程 1 1速度分布：速度分布： NavierStokesNavierStokes運動方程可簡化為：運動方程可簡化為：上式進行上式進行2 2次積分并對次積分并對y y采用邊界條件后采用邊界條件后得得Vz:Vz:)()()(tftpnGtMdZdPdyVdz122zpzdzVVdZdPyhyhyVV2202 塑化塑化過過程程2 塑化塑化過過程程5 5、熔體的輸送過程、熔體的輸送過程2 塑化塑化過過程程5 5、熔體的輸送過程、熔體的輸送過程 Vzd

14、Vzd與與Vzp Vzp 沿沿z z方向的速方向的速度分布：度分布： 當當Vzd/Vzp=aVzd/Vzp=a不同時，速度分不同時，速度分布不同。布不同。2) 2) 輸送能力：當不考慮螺棱漏流時，計量段的熔體輸送率輸送能力：當不考慮螺棱漏流時，計量段的熔體輸送率GL3GL3由正向流由正向流GsGs和反向壓力流決定，即：和反向壓力流決定，即：sincoscossincos)tan(1220303dldZDnVeDeDWdZdPWhWhVGbL式中：2 塑化塑化過過程程2 2 塑化過程塑化過程計量段熔體的總流率為：計量段熔體的總流率為：計量段最高輸送能力要比固體輸送段的最高輸送能力低計量段最高輸送

15、能力要比固體輸送段的最高輸送能力低50左右。左右。最大輸送能力與最大背壓之比：最大輸送能力與最大背壓之比：bhpsLPLDhhnDGGG32322312sin2cossin，2max1max3cos21LLGG時，當5 .464217DsSmax1max3LLGG流通系數(shù)。計量段阻力系數(shù)；KRKRhKLDhPGhbL112sin323maxmax3計量段槽深對輸送率和背壓的影響：計量段槽深對輸送率和背壓的影響：（1 1PbPb0 0，GsGsfs(h)fs(h)；（2 2Pb=fb(1/h2);Pb=fb(1/h2);（3 3Gp=fp(h3)Gp=fp(h3)2 塑化塑化過過程程3 3 注射

16、充模過程注射充模過程一、注射充模周期一、注射充模周期三個階段：三個階段： 特點：特點：（1 1注射充模流動階段；注射充模流動階段； 壓力隨時間變化的非線性函數(shù)壓力隨時間變化的非線性函數(shù)（2 2保壓補縮流動階段；保壓補縮流動階段；（3 3保壓切換倒流階段。保壓切換倒流階段。3 注射充模過程注射充模過程二、熔體在噴嘴中的流動：二、熔體在噴嘴中的流動：1、噴嘴流道形式、噴嘴流道形式 2、噴嘴壓力、噴嘴壓力溫度關系溫度關系3 3 注射充模過程注射充模過程*噴嘴直徑、注射壓力與溫度關系表：噴嘴直徑、注射壓力與溫度關系表： *不同剪切速率下的壓力-溫度：3 3 注射充模過程注射充模過程*壓力壓力溫度關系溫

17、度關系 3 3 注射充模過程注射充模過程*噴嘴壓力分布噴嘴壓力分布 熔體在噴嘴的進口處熔體在噴嘴的進口處要產(chǎn)生很大的壓力降：要產(chǎn)生很大的壓力降： P =Pe+Pc+Pw 式中：式中： Pe 進口壓力降進口壓力降 Pc 粘性效應壓力降粘性效應壓力降 Pw 剩余壓力剩余壓力3 3 注射充模過程注射充模過程*HDPE在不同剪切速率下噴嘴進口處的壓力：在不同剪切速率下噴嘴進口處的壓力：3 3 注射充模過程注射充模過程*錐形流道噴嘴入口角與速度分布：錐形流道噴嘴入口角與速度分布：dDDDDDLPzPPDD3n121)1(21121*壓力降：dDDDDDLPPPDDzn3112112121)(3 3 注射

18、充模過程注射充模過程*直孔噴嘴：直孔噴嘴：D1=D2=D P1 P2 = Pzl L3 3 注射充模過程注射充模過程*噴嘴流率及速度分布：噴嘴流率及速度分布：由于由于v、f 、P影響，影響， 提高料溫，降低粘度；提高料溫，降低粘度； 提高速度，減少溫降；提高速度，減少溫降； 補縮效果及質(zhì)量。補縮效果及質(zhì)量。 3 3 注射充模過程注射充模過程三、熔體在模腔中的流動三、熔體在模腔中的流動1、充模機理、充模機理充模時間：充模時間：tAtC； 充模過程：充模過程：3 3 注射充模過程注射充模過程充模過程中的擴展流與射流充模過程中的擴展流與射流3 3 注射充模過程注射充模過程熔體充模中的速度分布：熔體充

19、模中的速度分布：3 3 注射充模過程注射充模過程充模時大分子的轉向和拉伸取向：充模時大分子的轉向和拉伸取向：3 3 注射充模過程注射充模過程2 2、熔體在典型模腔中的流動、熔體在典型模腔中的流動 1 1在圓形模腔中的流動在圓形模腔中的流動 充模時的壓力損失：充模時的壓力損失：LPLPLPPLPdZdP01213 3 注射充模過程注射充模過程2 2在扁形模腔的流動在扁形模腔的流動 充模時的壓力損失：充模時的壓力損失： 1)()(2212211121 nxHHHHnLHPPPP3 3 注射充模過程注射充模過程3 3在矩形模腔中流動在矩形模腔中流動 流率表達式：流率表達式：pFLPWHQ1233 3

20、 注射充模過程注射充模過程4 4在圓盤形模腔中的流動在圓盤形模腔中的流動熔體沿徑向壓力損失：熔體沿徑向壓力損失：式中：式中：H H 模腔深度；模腔深度； pp壓力損失系數(shù)；壓力損失系數(shù)； 平均剪切應力；平均剪切應力； PrPr徑向壓力損失徑向壓力損失 HddPprP3 3 注射充模過程注射充模過程4 4、熔體實際流動長度的表示、熔體實際流動長度的表示 1 1在矩形模腔中的流動長度在矩形模腔中的流動長度 2 2在圓柱形模腔的流動長度在圓柱形模腔的流動長度 3 3在圓盤形模腔的流動長度在圓盤形模腔的流動長度3 3 注射充模過程注射充模過程流動長度實驗：流動長度實驗：實驗條件：實驗條件： 模腔寬度模

21、腔寬度20mm 厚度厚度1、2、3mm 模具溫度模具溫度803 3 注射充模過程注射充模過程3 3 注射充模過程注射充模過程4 4 增密與保壓過程增密與保壓過程一、增密過程壓實過程）一、增密過程壓實過程） B點點C點，點， 壓實最大壓力：壓實最大壓力：)(1 /11KpeiKTtPP壓實至保壓切換：壓實至保壓切換：4 4 增密與保壓過程增密與保壓過程二、保壓過程二、保壓過程 C點點D點：點： 壓力起主導作用，壓力起主導作用， 流動起次要作用。流動起次要作用。保壓階段對模腔壓力的影保壓階段對模腔壓力的影響因素：響因素：1保壓壓力及時間對模保壓壓力及時間對模腔壓力的影響；腔壓力的影響；2模腔壓力與

22、熔體溫度模腔壓力與熔體溫度之間的關系；之間的關系；3模腔壓力與模腔溫度模腔壓力與模腔溫度之間的關系；之間的關系；4模腔壓力與聚合物結模腔壓力與聚合物結果之間的關系；果之間的關系；5模腔壓力與澆道系統(tǒng)模腔壓力與澆道系統(tǒng)之間的關系。之間的關系。4 4 增密與保壓過程增密與保壓過程1 1保壓壓力及時間對模腔壓力的影響保壓壓力及時間對模腔壓力的影響 C C點點DD點：點：4 4 增密與保壓過程增密與保壓過程保壓時間對模腔壓力的影響：保壓時間對模腔壓力的影響：4 4 增密與保壓過程增密與保壓過程 2模腔壓力與熔體溫度之間的關系：模腔壓力與熔體溫度之間的關系：4 4 增密與保壓過程增密與保壓過程3 3模腔

23、壓力與模腔溫度之間的關系：模腔壓力與模腔溫度之間的關系：4 4 增密與保壓過程增密與保壓過程4 4模腔壓力與聚合物結果之間的關系：模腔壓力與聚合物結果之間的關系：4 4 增密與保壓過程增密與保壓過程5 5模腔壓力與澆道系統(tǒng)之間的關系模腔壓力與澆道系統(tǒng)之間的關系 （1 1澆口形式與位置對模腔壓力的澆口形式與位置對模腔壓力的影響：影響：4 4 增密與保壓過程增密與保壓過程（2 2澆道長度對模腔壓力的影響：澆道長度對模腔壓力的影響：4 4 增密與保壓過程增密與保壓過程（3 3澆口面積對模腔壓力的影響：澆口面積對模腔壓力的影響：4 4 增密與保壓過程增密與保壓過程（4 4澆口長度對模腔壓力的影響：澆口長度對模腔壓力的影響：4 4 增密與保壓過程增密與保壓過程5 5模腔壓力與熔體預壓縮間的關系模腔壓力與熔體預壓縮間的關系4 4 增密與保壓過程增密與保壓過程5 5 倒流與冷卻定型過程倒流與冷卻定型過程一、熔體的倒流一、熔體的倒流 保壓結束，螺桿后退，模腔中的熔體要發(fā)生倒流保壓結束，螺桿后退，模腔中的熔體要發(fā)生倒流tDtE）。）。 倒流過程壓力曲線由倒流時間倒流過程壓力曲線由倒流時間t