高聚物注射理论和设备 第二章 注塑过程原理ppt课件

1、高聚物注射理论与设备高聚物注射理论与设备（硕士研究生非学位课程）（硕士研究生非学位课程）第二章第二章 注塑过程原理注塑过程原理1 概论2 塑化计量过程3 注射充模过程4 增密与保压过程5 倒流与冷却定型过程1 1 概论概论1.1 1.1 预塑计量过程预塑计量过程 高聚物在料筒中进行塑化的过程：高聚物在料筒中进行塑化的过程： 把固体粒料或粉料经过加热、压实、混合，把固体粒料或粉料经过加热、压实、混合， 从玻璃态转化成均化的粘流态。从玻璃态转化成均化的粘流态。均化：聚合物熔体温度均化、粘度均化、密度均化均化：聚合物熔体温度均化、粘度均化、密度均化 和组份均化。和组份均化。重要特征：聚合物的热机性能

2、，影响预塑过程的重重要特征：聚合物的热机性能，影响预塑过程的重要要 因素是热能输入和转化条件。因素是热能输入和转化条件。三种输入方式：三种输入方式： 1 1外加热外加热 2 2内加热剪切热和摩擦热）内加热剪切热和摩擦热） 3 3前两种加热方式的组合前两种加热方式的组合 预塑时的能量平衡条件：预塑时的能量平衡条件：Q Q总热总热=Q=Q对流对流+Q+Q传导传导+Q+Q剪切剪切+Q+Q摩擦摩擦 1 1 概论概论1.1 1.1 预塑计量过程预塑计量过程预塑时影响聚合物熔体塑化质量的因素：预塑时影响聚合物熔体塑化质量的因素： 1 1工艺参数工艺参数T T机筒、机筒、S S螺杆、螺杆、n n螺杆、螺杆、

3、p p背背压、压、s s计量）计量） 2 2聚合物热物理性能和流变性能有关的参聚合物热物理性能和流变性能有关的参数数 3 3螺杆、机筒的几何构形及制造质量螺杆、机筒的几何构形及制造质量 塑化过程追求的主要指标是：塑化过程追求的主要指标是： 1)1)塑化质量塑化质量 2)2)计量精度计量精度 3)3)塑化能力塑化能力1 概论概论1.1 预塑计量过程预塑计量过程1 概概论论1.2 1.2 注射充模注射充模注射充模过程：把计量室中预塑好的熔体注入到模具型注射充模过程：把计量室中预塑好的熔体注入到模具型腔中。腔中。两个阶段：两个阶段： 注射阶段与保压阶段。注射阶段与保压阶段。1.3 1.3 冷却定型及

4、过程冷却定型及过程冷却定型过程：从浇口冷却定型过程：从浇口“冻封开始至制品脱模为止。冻封开始至制品脱模为止。特点：温度表现是主要的。特点：温度表现是主要的。研究注塑过程的目的：研究注塑过程的目的： 1 1根据物料和制品调整好注塑工艺参数；根据物料和制品调整好注塑工艺参数； 2 2控制好注塑制品质量。控制好注塑制品质量。1 概概论论2 塑化塑化过过程程一、柱塞式塑化：过程与特点一、柱塞式塑化：过程与特点柱塞式塑化装置柱塞式塑化装置1-料斗料斗 2-料筒料筒 3-分流梭分流梭 4-柱塞柱塞油马达或油马达或二、螺杆式塑化：二、螺杆式塑化：1.1.特点：第一阶段：特点：第一阶段：1)1)短暂的挤出过程

5、短暂的挤出过程 2)2)螺杆旋转运动后退直线运动螺杆旋转运动后退直线运动 第二阶段：螺杆静止第二阶段：螺杆静止螺杆式塑化装置螺杆式塑化装置2 塑化塑化过过程程2 塑化塑化过过程程二、螺杆式塑化：二、螺杆式塑化：2.物料在螺槽中的变化物料在螺槽中的变化 与挤出机类似：聚合物在料筒中从后部入与挤出机类似：聚合物在料筒中从后部入料口）料口）到前部喷嘴处由于热历程不同，也有三种到前部喷嘴处由于热历程不同，也有三种状态。状态。 后部是玻璃态，前部是粘流态，中间是高弹态。后部是玻璃态，前部是粘流态，中间是高弹态。与之对应的标准螺杆也分为三段：与之对应的标准螺杆也分为三段：各段螺槽中物料状态不同。各段螺槽中

6、物料状态不同。1固体输送段加料段）固体输送段加料段）2压缩段熔融段）压缩段熔融段）3均化段计量段）均化段计量段）2 塑化塑化过过程程螺槽展开模型螺槽展开模型O1O2a1a2: 固体料区（固体料区（区）区） b1b2-C1C2: 粘流态区（ 区）a1a2b1b2: 高弹态过渡区（高弹态过渡区（ 区）区）2 塑化塑化过过程程2 塑化塑化过过程程3 3、物料在螺槽中的吸热过程、物料在螺槽中的吸热过程影响因素：影响因素：1 1固体料区固体料区o1o2a1a2o1o2a1a2）: :（1 1传热过程：聚合物的导热性、热容量、密度、筒壁与物料传热过程：聚合物的导热性、热容量、密度、筒壁与物料之间的温差、料

7、筒温度起重要作用）。之间的温差、料筒温度起重要作用）。（2 2剪切与摩擦过程：螺杆旋转时部分机械能转化为热能粘剪切与摩擦过程：螺杆旋转时部分机械能转化为热能粘度对剪切速率或温度敏感性以及固体料对筒壁的摩擦系数），度对剪切速率或温度敏感性以及固体料对筒壁的摩擦系数），螺杆转速起重要作用。螺杆转速起重要作用。2 2熔体料区熔体料区b1b2c1c2b1b2c1c2）：温升主要靠剪切功。）：温升主要靠剪切功。hDnW602-剪应力，剪应力， - -剪切速率剪切速率-表观粘度表观粘度D-螺杆直径，螺杆直径，h-槽深，槽深，n-螺杆转螺杆转 速。速。2 塑化塑化过过程程3熔融区： 由于注射螺杆预塑过程的间

8、歇性和复合运动，使压缩段的熔融机理与连续旋转下的挤出机熔融机理有很大区别，主要表现在固体床的物理模型上。2 塑化塑化过过程程4注射螺杆的一个螺槽与挤出螺杆的区别：注射螺杆的一个螺槽与挤出螺杆的区别： 挤出螺杆：工艺条件稳定，固体床的状态稳挤出螺杆：工艺条件稳定，固体床的状态稳定；定； 注射螺杆：流场、温度场、密度场、应力场注射螺杆：流场、温度场、密度场、应力场比挤出有更大比挤出有更大 的不稳定性。的不稳定性。2 塑化塑化过过程程5注射螺杆塑化时产生较大轴向温差注射螺杆塑化时产生较大轴向温差工作不连续并有轴向移动）：工作不连续并有轴向移动）：实验曲线表明：螺杆预塑时，熔体的轴实验曲线表明：螺杆预

9、塑时，熔体的轴向温差与螺杆行程、螺杆转速有关。向温差与螺杆行程、螺杆转速有关。轴向熔体温度与螺杆行程关系图轴向熔体温度与螺杆行程关系图2 塑化塑化过过程程2 塑化塑化过过程程4、固体输送过程：、固体输送过程：1固体输送段的压力分布固体输送段的压力分布 假设加料段的螺槽内被固体假设加料段的螺槽内被固体料充满形成料充满形成均衡而密实的弹性固体塞，取一均衡而密实的弹性固体塞，取一段固体塞段固体塞做分离体，作用在这个固体塞上做分离体，作用在这个固体塞上的外有：的外有：螺棱推力面的法向反力螺棱推力面的法向反力P1）料筒壁沿切线方向作用的摩擦料筒壁沿切线方向作用的摩擦P2）两螺棱侧面作用的摩擦力两螺棱侧面

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）螺杆底面作用的摩擦力螺杆底面作用的摩擦力P5）阻止固体塞运动的反压力阻止固体塞运动的反压力P6）PsPsP3P3P4P4P5 , PzP5 , Pz P2 , PnP2 , Pn P1 , PpP1 , Pp P6P6PzPz P2P22 塑化塑化过过程程根据平衡条件根据平衡条件: Pz+Pn+Ps+Pp=0微分形式：微分形式： dPz+dPn+dPs+dPp=0固体输送段的轴向压力分布函数：固体输送段的轴向压力分布函数：0cos(2sin )expsinbsblWff Wh WfPPlWhsinWDW4、

11、固体输送过程：、固体输送过程：1固体输送段的压力分布固体输送段的压力分布2 塑化塑化过过程程4、固体输送过程：、固体输送过程：1固体输送段的压力分布固体输送段的压力分布2 塑化塑化过过程程4、固体输送过程：、固体输送过程：2固体输送段的输送能力从固体料塞在螺固体输送段的输送能力从固体料塞在螺槽的运槽的运 动分析中得到）动分析中得到）* *合成速度：合成速度：sbwVVVsinsinsinsin)sin(DnVbVwVVwe* *轴向合成速度：轴向合成速度：* *固体输送段的输送能力：固体输送段的输送能力：)cottan1 (cossin11DWhnWhVGeLsinsinsinsin)sin(

12、DnVbVwVVwe* *轴向合成速度：轴向合成速度：=时，时，GL1=0GL1=0，Vs=0Vs=0；最大输送效率时，螺旋角最大输送效率时，螺旋角 和输送角和输送角应满足下式：应满足下式：1940175.025.01)90(2sincoscot2sin5.0cosmaxmax2则，常见之间的关系如右图，与时，达到最大等于当fsffffWhWfsbbss2 塑化塑化过过程程4、固体输送过程：、固体输送过程：2固体输送段的输送能力固体输送段的输送能力1940175.025.01)90(2sincoscot2sin5.0cosmaxmax2则，常见之间的关系如右图，与时，达到最大等于当fsffff

13、WhWfsbbss2 塑化塑化过过程程4、固体输送过程：、固体输送过程：2固体输送段的输送能力固体输送段的输送能力 5 5、熔体的输送过程、熔体的输送过程 1 1速度分布：速度分布： NavierStokesNavierStokes运动方程可简化为：运动方程可简化为：上式进行上式进行2 2次积分并对次积分并对y y采用边界条件后采用边界条件后得得Vz:Vz:)()()(tftpnGtMdZdPdyVdz122zpzdzVVdZdPyhyhyVV2202 塑化塑化过过程程2 塑化塑化过过程程5 5、熔体的输送过程、熔体的输送过程2 塑化塑化过过程程5 5、熔体的输送过程、熔体的输送过程 Vzd

14、Vzd与与Vzp Vzp 沿沿z z方向的速方向的速度分布：度分布： 当当Vzd/Vzp=aVzd/Vzp=a不同时，速度分不同时，速度分布不同。布不同。2) 2) 输送能力：当不考虑螺棱漏流时，计量段的熔体输送率输送能力：当不考虑螺棱漏流时，计量段的熔体输送率GL3GL3由正向流由正向流GsGs和反向压力流决定，即：和反向压力流决定，即：sincoscossincos)tan(1220303dldZDnVeDeDWdZdPWhWhVGbL式中：2 塑化塑化过过程程2 2 塑化过程塑化过程计量段熔体的总流率为：计量段熔体的总流率为：计量段最高输送能力要比固体输送段的最高输送能力低计量段最高输送

15、能力要比固体输送段的最高输送能力低50左右。左右。最大输送能力与最大背压之比：最大输送能力与最大背压之比：bhpsLPLDhhnDGGG32322312sin2cossin，2max1max3cos21LLGG时，当5 .464217DsSmax1max3LLGG流通系数。计量段阻力系数；KRKRhKLDhPGhbL112sin323maxmax3计量段槽深对输送率和背压的影响：计量段槽深对输送率和背压的影响：（1 1PbPb0 0，GsGsfs(h)fs(h)；（2 2Pb=fb(1/h2);Pb=fb(1/h2);（3 3Gp=fp(h3)Gp=fp(h3)2 塑化塑化过过程程3 3 注射

16、充模过程注射充模过程一、注射充模周期一、注射充模周期三个阶段：三个阶段： 特点：特点：（1 1注射充模流动阶段；注射充模流动阶段； 压力随时间变化的非线性函数压力随时间变化的非线性函数（2 2保压补缩流动阶段；保压补缩流动阶段；（3 3保压切换倒流阶段。保压切换倒流阶段。3 注射充模过程注射充模过程二、熔体在喷嘴中的流动：二、熔体在喷嘴中的流动：1、喷嘴流道形式、喷嘴流道形式 2、喷嘴压力、喷嘴压力温度关系温度关系3 3 注射充模过程注射充模过程*喷嘴直径、注射压力与温度关系表：喷嘴直径、注射压力与温度关系表： *不同剪切速率下的压力-温度：3 3 注射充模过程注射充模过程*压力压力温度关系温

17、度关系 3 3 注射充模过程注射充模过程*喷嘴压力分布喷嘴压力分布 熔体在喷嘴的进口处熔体在喷嘴的进口处要产生很大的压力降：要产生很大的压力降： P =Pe+Pc+Pw 式中：式中： Pe 进口压力降进口压力降 Pc 粘性效应压力降粘性效应压力降 Pw 剩余压力剩余压力3 3 注射充模过程注射充模过程*HDPE在不同剪切速率下喷嘴进口处的压力：在不同剪切速率下喷嘴进口处的压力：3 3 注射充模过程注射充模过程*锥形流道喷嘴入口角与速度分布：锥形流道喷嘴入口角与速度分布：dDDDDDLPzPPDD3n121)1(21121*压力降：dDDDDDLPPPDDzn3112112121)(3 3 注射

18、充模过程注射充模过程*直孔喷嘴：直孔喷嘴：D1=D2=D P1 P2 = Pzl L3 3 注射充模过程注射充模过程*喷嘴流率及速度分布：喷嘴流率及速度分布：由于由于v、f 、P影响，影响， 提高料温，降低粘度；提高料温，降低粘度； 提高速度，减少温降；提高速度，减少温降； 补缩效果及质量。补缩效果及质量。 3 3 注射充模过程注射充模过程三、熔体在模腔中的流动三、熔体在模腔中的流动1、充模机理、充模机理充模时间：充模时间：tAtC； 充模过程：充模过程：3 3 注射充模过程注射充模过程充模过程中的扩展流与射流充模过程中的扩展流与射流3 3 注射充模过程注射充模过程熔体充模中的速度分布：熔体充

19、模中的速度分布：3 3 注射充模过程注射充模过程充模时大分子的转向和拉伸取向：充模时大分子的转向和拉伸取向：3 3 注射充模过程注射充模过程2 2、熔体在典型模腔中的流动、熔体在典型模腔中的流动 1 1在圆形模腔中的流动在圆形模腔中的流动 充模时的压力损失：充模时的压力损失：LPLPLPPLPdZdP01213 3 注射充模过程注射充模过程2 2在扁形模腔的流动在扁形模腔的流动 充模时的压力损失：充模时的压力损失： 1)()(2212211121 nxHHHHnLHPPPP3 3 注射充模过程注射充模过程3 3在矩形模腔中流动在矩形模腔中流动 流率表达式：流率表达式：pFLPWHQ1233 3

20、 注射充模过程注射充模过程4 4在圆盘形模腔中的流动在圆盘形模腔中的流动熔体沿径向压力损失：熔体沿径向压力损失：式中：式中：H H 模腔深度；模腔深度； pp压力损失系数；压力损失系数； 平均剪切应力；平均剪切应力； PrPr径向压力损失径向压力损失 HddPprP3 3 注射充模过程注射充模过程4 4、熔体实际流动长度的表示、熔体实际流动长度的表示 1 1在矩形模腔中的流动长度在矩形模腔中的流动长度 2 2在圆柱形模腔的流动长度在圆柱形模腔的流动长度 3 3在圆盘形模腔的流动长度在圆盘形模腔的流动长度3 3 注射充模过程注射充模过程流动长度实验：流动长度实验：实验条件：实验条件： 模腔宽度模

21、腔宽度20mm 厚度厚度1、2、3mm 模具温度模具温度803 3 注射充模过程注射充模过程3 3 注射充模过程注射充模过程4 4 增密与保压过程增密与保压过程一、增密过程压实过程）一、增密过程压实过程） B点点C点，点， 压实最大压力：压实最大压力：)(1 /11KpeiKTtPP压实至保压切换：压实至保压切换：4 4 增密与保压过程增密与保压过程二、保压过程二、保压过程 C点点D点：点： 压力起主导作用，压力起主导作用， 流动起次要作用。流动起次要作用。保压阶段对模腔压力的影保压阶段对模腔压力的影响因素：响因素：1保压压力及时间对模保压压力及时间对模腔压力的影响；腔压力的影响；2模腔压力与

22、熔体温度模腔压力与熔体温度之间的关系；之间的关系；3模腔压力与模腔温度模腔压力与模腔温度之间的关系；之间的关系；4模腔压力与聚合物结模腔压力与聚合物结果之间的关系；果之间的关系；5模腔压力与浇道系统模腔压力与浇道系统之间的关系。之间的关系。4 4 增密与保压过程增密与保压过程1 1保压压力及时间对模腔压力的影响保压压力及时间对模腔压力的影响 C C点点DD点：点：4 4 增密与保压过程增密与保压过程保压时间对模腔压力的影响：保压时间对模腔压力的影响：4 4 增密与保压过程增密与保压过程 2模腔压力与熔体温度之间的关系：模腔压力与熔体温度之间的关系：4 4 增密与保压过程增密与保压过程3 3模腔

23、压力与模腔温度之间的关系：模腔压力与模腔温度之间的关系：4 4 增密与保压过程增密与保压过程4 4模腔压力与聚合物结果之间的关系：模腔压力与聚合物结果之间的关系：4 4 增密与保压过程增密与保压过程5 5模腔压力与浇道系统之间的关系模腔压力与浇道系统之间的关系 （1 1浇口形式与位置对模腔压力的浇口形式与位置对模腔压力的影响：影响：4 4 增密与保压过程增密与保压过程（2 2浇道长度对模腔压力的影响：浇道长度对模腔压力的影响：4 4 增密与保压过程增密与保压过程（3 3浇口面积对模腔压力的影响：浇口面积对模腔压力的影响：4 4 增密与保压过程增密与保压过程（4 4浇口长度对模腔压力的影响：浇口长度对模腔压力的影响：4 4 增密与保压过程增密与保压过程5 5模腔压力与熔体预压缩间的关系模腔压力与熔体预压缩间的关系4 4 增密与保压过程增密与保压过程5 5 倒流与冷却定型过程倒流与冷却定型过程一、熔体的倒流一、熔体的倒流 保压结束，螺杆后退，模腔中的熔体要发生倒流保压结束，螺杆后退，模腔中的熔体要发生倒流tDtE）。）。 倒流过程压力曲线由倒流时间倒流过程压力曲线由倒流时间t