注射成型多模腔充填不平衡现象的产生机理_模具流道系统中熔体温

1、 第18卷第12期2004年12月中国塑料CHINA PLASTICSVol. 18,No. 12Dec. , 2004注射成型多模腔充填不平衡现象的产生机理(模具流道系统中熔体温度分布的研究杨卫民, 谢鹏程, 杨高品(北京化工大学机电工程学院, 北京100029摘要:介绍了注射成型中集成式热电偶在熔体温度测量中的应用, 并分别对流道中温度分布以及多型腔“H ”型流道系统中靠近上下型腔的熔体温度进行了测量。实验结果表明剪切生热对流道中熔体温度分布影响显著, 熔体经过流道分岔口后温度分布形态以及流动方式不再对称于中轴, 最终导致型腔的不均衡充填。温度测量结果同可视化实验结果一起全面揭示了充填不平

2、衡现象的产生机理。关键词:注射成型; 多型腔; 充填不平衡; 集成式热电偶; 温度测量中图分类号:TQ320. 66+2文献标识码:B 文章编号:10019278(2004 12008105The Mechanism of Filling U nbalance Molding in Multi 2(A Study on T emperature of MoldYAN G , YAN G Gao 2pin(College of , Beijing University of Chemical Technology , Beijing 100029, China Abstract :An ther

3、mocouple sensor was employed in measurement of melt temperature in in 2jection molding process. The resin temperature distribution in the runner and the resin temperature at two points in the runner near to the upper and lower cavity in multi 2cavity molds with “H ”pattern run 2ner system were measu

4、red respectively. Results indicated that filling unbalance resulted from dissym 2metrical temperature distribution on the cross 2section of runner , which was strongly influenced by the shear heat. The temperature measurements together with visualization experiments revealed the mecha 2nism of filli

5、ng unbalance.K ey w ords :injection molding ; multi 2cavity ; filling unbalance ; integrated thermocouple sensor ; temper 2ature measurement塑料制品注射成型的高效化和精密化成型过程中的一系列问题已引起人们很大的研究兴趣13。其中, 充填不平衡现象的产生机理与流道内树脂的温度分布关系密切。前文4已通过理论分析、可视化实验研究和CAE 数值分析三条不同的途径对模具流道系统中熔体流动行为进行了研究, 阐述了“H ”型流道系统中不平衡充填现象的形成过程, 揭示了导

6、致不平衡充填的根本原因在于熔体经过分叉后流道截面内不对称的温度分布。本文介绍测量“H ”型流道系统中熔体温收稿日期:20040625度分布的实验方法与结果, 并结合CAE 模拟的温度场分布结果进行分析, 进一步揭示充填不平衡现象的产生机理。目前用于测量模具内树脂温度的方法主要有以下几种:(1 红外线测温法, (2 超声波法, (3 荧光法, (4 热电偶法等5。其中(1 (3 属于非接触测量方式, 无需将检测端插入到模具中, 因而测量结果不受熔体流速和压力的影响。但这三种测量方法在技术应用上还有一定难度, 测量结果也需进行校正。热电偶法在使用时直接接触被测熔体, 受高速流体冲击的影响, 安装时

7、的位置精度较难保证, 对强度也要求较高。 82 注射成型多模腔充填不平衡现象的产生机理(模具流道系统中熔体温度分布的研究树脂温度分布的测量需要满足高精度、高密集度且操作简单的要求, 为此, 东京大学横井研究室特制了一种结构如图1所示的新型集成式热电偶测温传感器6(样品厚度:20m ; 聚酰亚胺薄膜:75100m 。图2为模腔厚度方向树脂温度的测量原理, 由图2可知集成式热电偶传感器(以下简称集成热电偶 垂直模腔壁面方向设置, 可对树脂充模、冷却过程中流道剖面上的温度进行测量。由于集成热电偶将多条热电偶集成排列在同一基块平面内, 因此温度测量结果可满足高密度和高位置精度的要求。而且集成热电偶可承

8、受注射熔体多次冲击, 与强度较低的热电偶相比, 更适用于稳定成型条件下的温度测量 。(a 低速充填(b 高速充填流道壁固化层树脂温度分布树脂流动前锋图3多型腔“H ”型流道内树脂熔体流动模型Fig. 3Flow model for resin in the “H ”pattern runner树脂熔体流经第一个分岔口之前, 温度分布形态对称于流道中心线。低速注射时, 剪切生热的效果不明显, 熔体高温区位于流道中心; 高速注射时, 熔体靠近流道壁部分剪切生热显著, 出现突出的高温区, 而芯部则是盆地形的相对低温区岔口后, 温度分布( 不再对称于流道中心线, , 。, 。由于熔体黏度随, 致使熔体

9、流动速度也相应较快。低速注射时, 上方分流道中树脂温度较高, 流动比下方图1Fig. 1thermocouple sensor分流道中树脂快, 温度分布重心位于流道外侧, 因此熔体首先流动到上部型腔外侧区域; 在高速注射时, 下方分流道中树脂温度较高, 流动比上方分流道中的树脂快, 温度分布重心位于流道内侧, 因此熔体首先流动到下部型腔内侧区域。根据该模型对流道系统中熔体流动行为的推断, 已经在参考文献4中介绍了采用静态、动态可视化方法以及CAE 分析手段予以验证的情况。为了阐明充填不平衡现象与温度分布的内在关系, 本文将通过对熔体温度的测量以及CAE 仿真结果来进一步验证该假想模型。图2模腔

10、厚度方向树脂温度分布测量原理图Fig. 2Measuring method for melt temperature profilesalong the cavity thickness2实验研究2. 1实验原材料PP ,J 700, 日本三井石油化工(株 ; PS 21, GPPS685, 日本A &M公司; PS 22, GPPS679, 日本A &M公司;PS 23,Asahi 2PS Q G 027, 日本Asahi Kasei 公司。2. 2实验仪器和设备1流动平衡假想模型图3是本研究提出的关于“H ”型流道系统充填不4平衡产生机理的假想模型。树脂熔体在流道系统中流动

11、时, 熔体的温度分布由注射机塑化过程生成热量、流动剪切生成热量和沿流道壁热传导散失热量三者所决定, 其中剪切生热对于流道截面上温度分布形态的影响最为明显。以下将简述图3所示的低速和高速两种注射条件下, 多型腔“H ”型流道系统中的树脂熔体流动模型的含义 。集成式热电偶测温传感器, 基板尺寸5mm ×50mm ×0. 2mm , 自行设计制造;可视化实验模具(图4 , 自行设计制造; 2004年12月中国塑料83双料筒共注射成型机, FE80S5ASED , 日精树脂工业(株 ;光纤红外测温传感器, TF14, 日本NA G ANO KEI 2KI CO. L TD 。Flo

12、w 3D 对多型腔“H ”型流道系统进行模拟分析4。采用实验试样模型作为分析对象, 模型尺寸与图4所示模具的型腔尺寸相同。导入模型后使用solid (3D 方式划分网格。材料为PS 23, 设定熔体从主流道截面中心注入。注射成型工艺参数如熔体温度、模具温度、充填时间等如表1所示, 其他参数如注射过程中注射速度和注射压力的切换控制、合模与保压切换控制等都选用系统默认值。表1设定的注射成型工艺参数Tab. 1Parameters for injection molding process 充填时间/s60. 60. 06模具温度/454545熔体温度/210210210图4模具示意图Fig. 4S

13、chematic for the mold2. 3流道截面熔体温度分布的测量3结果与讨论3. 1注射过程中的注射速度、螺杆行程、螺杆转速等成型参数的改变都会影响熔体的温度分布形态。日本东京大学横井秀俊教授利用集成式热电偶测温传感器对喷嘴内流道、实测, 布之间的关系7,8。实验材料为, 。6所76, 剪切生热效果不, 。由于低速, 熔体沿流道壁热传导散失热量较多, 因此与高速注射相比其整体温度值较低。随着注射速度的提高, 熔体流经流道的时间变短, 沿流道壁的热传导散失热量减少且剪切生热量增大, 因此温度分布值整体较高。同时在流道剖面内靠近内壁位置的温度值由于受剪切生热的影响而升高形成波峰形状,

14、而在距离流道中心1. 8mm 位置处出现最低值, 且该点与其他位置的温度差值随注射速度的提高而不断增大。由此可知, 在圆形截面流道内剪切生热对于温度分布的影响同理论分析模型相吻合。3. 2上下型腔熔体温差的测量结果与讨论图79分别记录了实验材料为低黏度树脂PS 22时的低、中、高三种注射速度下的温度测量结果9。图中发现, 注射速度v =2. 04cm 3/s 时, 模具下方分流道树脂温度略低于上方, 二者的温度差值为-4. 1;3v =3. 06cm /s 时, 流进上下两个型腔的树脂温度基本相同; v =30. 6cm 3/s 时, 模具下方分流道树脂温度明显高于上方, 二者温度差值为171

15、3。温度测量结果同理论模型完全吻合。改变实验材料采用高黏度树脂PS 21进行实验时, 测量结果同样符合假想模型。图10为使用不同物料条件下, 模具下方分流道同上方分流道内树脂温差最大值与注射速度关系图。图10显示温差值与注射速度成二次曲线关系, 它随注射速度的提高而不断增大。同时发现高黏度树脂的温差值高于低黏度树脂, 说明黏度变大其剪切生热效果更A 安装集成热电偶位置图5喷嘴流道内温度测量装置剖面图Fig. 5Cross 2section of the temperature measurementapparatus in nozzle2. 4充填时上下型腔熔体温差的测量实验主要利用可视化实验

16、模具对注射速度改变时上下型腔熔体温度的变化情况进行研究。理论模型虽由圆形截面流道推论得到, 但同样适用于梯形截面流道系统的可视化实验模具。实验材料为PS 21和PS 22, 使用双料筒共注射成型机进行实验, 注射时树脂熔体温度均设定为220, 模具温度为60。从低速到高速设置多种注射速度进行实验, 并在靠近上下型腔的位置分别安装光纤红外测温感应器对树脂温度进行测量。2. 5Moldflow 模拟分析利用Moldflow 的三维充填和保压分析模块MPI/ 84 注射成型多模腔充填不平衡现象的产生机理(模具流道系统中熔体温度分布的研究(a 注射速度2. 6cm 3/s , 注射时间18. 2s ,

17、 测量时间5s 10s 15s 后(b 注射速度6. 6cm 3/s , 注射时间7. 5s ,测量时间2. 0s 4. 0s 6. 0s 后(c 注射速度13. 2cm 3/s , 注射时间3. 8s , 测量时间1. 0s 2. 0s 3. 0s 后(d 注射速度26. 4cm 3/s , 注射时间2. 0s , 测量时间0. 5s 1. 0s 1. 5s 2. 0s 后图6喷嘴流道内温度分布形态与注射速度的关系Fig. 6Temperature profile against injection rate inside runner of nozzle下部型腔上部型腔下部型腔图7注射速度

18、v =2. 04cm 3Fig. 7Resin temperature 2. cm 3/ s上部型腔图10型腔间最大温差值同注射速度之间的关系Fig. 10Temperature difference of cavity against injection rate为明显。实验结果表明, 剪切生热过程对流道中温度分布的影响很大。由剪切生热所导致的流道截面内熔体温度分布形态的变化以及熔体温度经过流道分岔口后的不对称现象, 是造成多型腔不均衡充填的根本原因。3. 3CAE 模拟结果与讨论下部型腔上部型腔图11为三种充填时间下(保证每次充填量基本相同 流道内熔体高温部分分布图。图11(a 为低速注射

19、时(t =6s 的温度场分布, 图中充填时刻t =1. 210s , 充模体积为20. 070%, 所示温度值为184. 8, 该时刻的温度最大值为250。图11(b 为高速注射时(t =0. 6s 温度场分布, 图中充填时刻t =0. 1251s , 充图8注射速度v =3. 06cm 3/s 时的温度测量结果Fig. 8Resin temperature while the injection rate was 3. 06cm 3/ s模体积为20. 917%, 所示温度值为217. 4, 该时刻的温度最大值为238. 1。图11(c 为更高速度注射时(t =0. 06s 的温度场分布,

20、图中充填时刻t =010121s , 所示温度值为223. 9, 该时刻的温度最大值为250。从中可以发现:低速充填时, 熔体高温部分主要分布在靠近上部型腔位置; 高速充填时, 熔体高温下部型腔上部型腔部分主要分布在靠近下部型腔位置。因此流向上下型腔的熔体温度并不一致, 使得熔体出现流动快慢的差异, 最终产生各型腔中不平衡的充填结果。Moldflow图9注射速度v =30. 6cm 3/s 时的温度测量结果Fig. 9Resin temperature while the injection rate was 30. 6cm 3/ s 2004年12月中国塑料85充填时间t /s :(a 6(

21、b 0. 6(c 0. 06图11三种充填时间下的模拟温度场分布图Fig. 11Temperature fields simulated at different time模拟结果同实验结果基本一致, 流动基本规律符合假想理论模型。3Y ang Weimin , Hidetoshi Y okoi. Visual Analysis of the FlowBehavior of Core Material in a Fork Portion of Plastic Sand 2wich Injection Molding J.Polymer Testing , 2003, 22(1 :3743.4杨

22、卫民, 谢鹏程, 杨高品. 4结论(1 利用集成式热电偶对喷嘴流道内熔体温度的测量结果表明, 剪切生热对于熔体温度分布影响显著。随着注射速度的提高, 在流道内靠近内壁位置的熔体温度值因受剪切生热的影响而不断升高, 使温度分布出现波峰形状。(2 对多型腔“H ”, , 测量结果显示, 响更明显。利用Moldflow 进行模拟的温度场结果同实验结果基本一致。(3 温度测量结果、可视化实验结果以及CAE 模拟结果全面地验证了理论分析模型, 深入揭示了注射成型多模腔充填不平衡现象的产生机理。参考文献:1Y ang Weimin ,Hidetoshi Y okoi. A Study on Filling

23、 Balance inMulti 2cavity MoldsC.J SPP. J SPP 02Tech. Papers , 东京:(I .Y O KOI. Temperature Mea 2for Injection Molding C .Hidetoshi O KOI. 生产研究. 东京:东京大学国际产学共同研究所, 2000. 1726.6H idetoshi Y OK OI , Y asuhiko MURAT A ,H iroshi TSU K AK OSHI.Measurement of Melt Temperature Distribution along the Cavity Thickness Direction by Using Integrated Thermocou 2ple SensorC.Hidetoshi Y O KOI. 生产研究. 东京:东京大学国际产学共同研究所,2000. 353360.7Y asuhiko MURA TA , Hidetoshi Y O KOI , Yukiharu U EDA.Measurement of Melt Temperature Profile inside t