热塑性塑料注塑模浇口的计算设计外文翻译资料

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热塑性塑料注塑模浇口的计算设计

Muralidhar Lakkannaⁿ, G.C. Mohan Kumar, Ravikiran Kadoli

卡纳塔克邦国家科技学院机械工程系，Surathkal 575025，印度卡纳塔克邦Mangaluru 2014年12月10日收到， 2015年5月15日修订; 于2015年6月4日接收， 2015年6月27日可在线查阅

摘要

对于注射模具聚合物，设计模具时的一个重要任务涉及到几个关键性决定 ，直接影响产量和质量，生产率和经济性。其中一个突出的问题是确定浇口套的膨胀情况，因为它对整个注塑成形过程影响很大。过分强调尺寸标准的精确会误导直接的决定。 一般直观设计师会明智的通过优化或操纵处理参数，然后会发现异常问题。为了解决问题，本研究旨在为所有聚合材料全面提出理想的设计标准，也可以作为完美的功能评估指标，即在模具开发之前规定浇口套尺寸的标准。因此，先验性的分析标准可以从数学上推导出，因为膨胀比可以从经验关系中具体出注射成形的扩展角度。其计算智能优势被用于增加完美注入到印模间隙中的功能，同时使注射器容量和所需的成型特征同步。为了能够全面，它不断地在无限大的范围内作为一种具体的因素进行感知，依赖于每个 聚合物的离散斜率和高度原位空间 - 时间注入状态的情况。其中考虑了表观粘度和剪切稀化指数的聚集范围，以特征来分类大多数热塑性塑料。其结果是因为粘性堵塞的侵蚀性流道膨胀扩大，从而因为剪切明显变薄;其中表观粘度相对来说起主要的作用。这个重要的因素肯定会形成一个先验的设计基础，同时也是解决填补问题造成的几个缺陷。像这样，提出的简单通用设计标准， 将极大地有益于模具设计师 。其应用易于在实践过程中表现出注塑成形的没好前景，尤其那些好的聚合物。 因此，我们可以说，对于不同的注射物特点来设计浇口道可以提供一个很明确的先验优势。

＆2015年CAD / CAM工程师学会。 生产和托管由Elsevier。 版权所有。 这是根据CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）开放获取的文章.

关键词：注塑成形; 浇口道; 表观粘度; 剪切稀化指数

1. 介绍

当代人类学家断言人类进化与制造知识改革之间有150万年的绝对相关性; 因此，几乎所有的材料都可以永久地应用到广泛的应用领域，产生诸如更大的便利性，精简性，可携带性等等的功能。从能使用的材料到设想的能使用的角度，这种严谨的进步已经从根本上提高了所追求的技术，方法，能力，工具， 方法，策略等，从安全角度来看，塑料表征了人类在地球上生活的核心地位的适应性演变，因为它们只占地球开采物（天然气和天然气)的4%，而采暖为42％，交通运输为45％。 Coeval生命周期评估（LCA）称赞塑料是生态系统的最高贡献者，因为它在很大程度上减少人类对化石燃料的依赖，例如减少150％的能源需求[91] 。 自从亚历山大·帕克斯（Alexander Parkes）（英国）于1855年[97]发明出了 parkesine（塑料），以代替对象牙，鲸鱼牙以及玳瑁和觡的需求，他们在选择使用上优于其他材料[78]。 由于这种应用程序的突出能力，最终成为过程和结果的指向。最近的十年，合成聚合物已经取得了长足的发展，具有美学，功能，人体工程学，化妆品等的吸引力。除了重要的价值，大多数的诱惑都来自于一系列精湛的聚合物，有助于塑料的应用。 同样，从功能的角度来看，它们可应用到需要抗静电，阻燃，电磁屏蔽，绝缘导电性极高等特性的领域。 他们非常高的聚结程度，进一步衍生出现代应用中的全新新材料，如复合材料，混合动力材料，智能化材料，功能材料等等。

由于与文明的重要联系，全球塑性经济处于顽强的一面 [15]。 同时，他们一直坚持不懈地追求功能复杂，高质量，高绩效，高耐用性，不仅仅是在经济性方面[32]，都要保持领先地位[45]。 代替几种聚合物加工技术，在商业赞助下得到了发展; 注塑成型恰好处于最重要的位置， 每三分之一[32％重量[77] ]的东西被注塑成型[81]。 尽管网状模具制作近期取得了显着进步; 一致性过程的处理进步，如智能设置或智能控制; 寻求产品设计的预期还没有达到一致，因为模具设计仍然仅适用于初步探索[6] 。 这种缺陷常常是延长 了交货时间，低性能，低产量 或质量受损，因此聚合物成形技术的任务要求肯定远远超过现有能力。大部分注塑成形结果显着取决于实际因素{温度：压力：速度}，所选用塑料的性能和具有的模具设计的综合作用。 这些关键因素交叉影响了整个成型过程和随后的性能以及最终注塑产品的质量[26,27]。

无论模具设计的特有进步以及材料特性，从全球一般的角度来看，这些方面的成熟性仍然是很遥远的。所涉及到严重的复杂性需要分析和抑制集体决定因素的相对精确度，所以详尽的模拟，刻意的修改和多重的跟踪是不可避免交互式和迭代[85]，很明显的是因为他们的不确定性下降[82]。尽管注射能力较高的注射机可供使用，但其注射压力梯度很少能够通过喷嘴，浇口套道，流道，浇口和凸凹模间隙进行逐步的能量转换。浇注套筒内流入动力学的模内压头的回复商大大取决于管道几何设计的完美性。从模具功能评估的角度来看，这种回复值成为结构设计完美性的突出性能指标以及显着因素。老实说浇口道（饲料系统组成部分）压力恢复标准的细致性在于性能方面需要批判的眼光。因此，接受基本的流道内注入动力学似乎是有效模塑的合理方法。

2、资料

收缩或扩张的浇口套总是延后注射，消耗更多的能量或最终妨碍模内压力的可恢复性[55]。 因此，为了设计一个适当的浇注系统，质量和性能都必须按照预期因素来确定。注射塑料的特征归因于一下原因：

1. 沿着熔融 - 流道壁界面的剪切应变[2]。
2. 流体力学不稳定性（a.k.a注射模式扭曲以形成由Wiesenberger数量量化的螺旋）[96]。

然而，深入的理解性问题引起了明显的物理缺陷;高速熔融塑料的注入， 压力恢复; 塑料相变; 同时与浇口流道扩张的相互作用仍然很难认识清楚[39]。 这种显著特征会很大程度上限制流道部分的设计（横截面几何形状和膨胀设计）及其性能。

1. 为了确定熔体注射速率充足性和剪切拉伸强度; 同时保证内在一致性; 以及最小化剪切加热量。 也许这种类比分析可能是复杂的，因为当注射剂穿过流道时，运动粘度会大大降低（剪切变小），并且会极大的损害了树脂的性能[12]，即AQL和APL在设计支点上上下波动。
2. 基本完成预想中的注射过程。 即注射熔体流道内变形程度，速度和持续时间[9]。
3. .注入聚合物熔体相遇时的情况，非牛顿行为特征引起提前冷却凝固，模腔填充不充分等，明确地限制理想的浇口流道的膨胀设计[1]。
4. 以一般，简单，廉价和预防为由， 尽管品种繁多，但所有注射剂的标准仍然适用。

2．1．可接受的质量水平

一般情况下，注射成形过程包括熔融，进料，凝固[39]，以其熔融状态即高于其相应的玻璃态转变水平来制造熔融塑料[99]。 这种状态总是激发复杂的非牛顿行为，刺激各种不稳定的机械运动[51]。 通常，注射成型工艺会使聚合物注射剂严重受到高温，高压和快速剪切速率的物理侵蚀[66]。 由于大多数粘弹性剪切稀化热塑性熔体易受冲击强度和持续时间的影响[7]。 化学转化分离最可能的阶段，最终以相关的复杂形态来结束组织成分。（见第2.3.1节）

在高于玻璃态转变温度的情况下，大多数热塑性材料在冷凝时以非晶态形式存在。如果玻璃态发生，则非晶态形式会存在;之后结晶的以晶核为基底，并表现为凝胶。熔融塑料这种特征非晶态 - 结晶度和其转变多样性很大程度地限制了分子运动的程度，局部旋转的程度，振动波动频率和位移（节段位移）移动性相比 性。因此，物化参数极大地影响了注射性，同时，它们的确切关系影响注射性仍然是推测性的[38]和模糊的[39]。目前作为未来研究的潜在方面，我们只是认识到这点;也许，预期聚合物合成在在不久的将来能够广泛地表征上述因素[26],[84]。

有时注射梯度压力对聚合物分子直接施加机械力，此时，它们首先以足够的自由度变形，然后沿受力作用方向逐渐位移[86]。主要是在填充间隔放松，在包装间隔弹性延伸，并在冷却间隔不可逆地拉伸。一旦刺激注射力，注射剂就会因内在弹性而自发放松[38]。涉及到特征结构，形态，缠结，高度局部化的粘结变形（脆性或刚度），重排难易程度（延展性或韧性）以及局部粘结变形的大小和持续时间[36]，一般会处于复杂的状况（见第2.3.1节)。但是，长时间注射（刺激力作用）不可逆地延伸和传输熔融塑料足够远，从而会使得它将不会获得所需的位置和形状[86]。这种延伸续流光谱还会受到熔融塑料的相变和注射机的冷却系统的综合影响;其多样性又会影响应力残余和各向异性的程度，从而决定成品的机械性能，例如收缩和翘曲[1]。类似的，聚合物材料的行为特征应很大程度的限制注塑模具浇口系统的结构设计[12]。

据此表征浇道 - 管道膨胀在应变分配和减少总熔体断裂，剪切速率，压力和温度效应的重要性。特殊地通过设置压力场来专门减少这些因素的发生和演变对管道尺寸设计的影响。因此，从生产质量和生产率的角度来看，其推算的结果将使各种聚合物熔体的注塑成形成为可能。然而，为了确保稳定性，我们提出一个更深入的研究，来表现与总体缺陷开始相关的物理联系和沿流道膨胀的相对性。我们的假设是，粘度及其在熔融塑料的临界剪切速率下的粘度梯度应该作为浇口套膨胀一个很重要的因素，而不考虑其他因素。类似的，为了保证注塑一致性粘度变化行为及其在剪切速率（注射速度）下的变化应显著影响浇口套膨胀作。因此，为实现AQL进料浇口的设计就必须确保所选择的单独聚合物注射剂的注塑成形性。

2.2。 可接受的性能水平（APL）

与经验关系相关的塑料熔体注射问题看起来简单可行，但考虑到在时空上非牛顿形位注入特征，高强度计算就会使人感到很惊讶。制造商在设计适当的注塑模具时强制性的管理预期，挑战将进一步升级为高复杂性。这主要是因为在模具设计中全面体现聚合物性能将非常复杂，并且使用数学分析的方法也会很令人困惑[27]（见2.3.2节）。然而，此前一些研究人员尝试从多个角度采用新颖的方法;例如施加应力梯度，同时注射和冷凝。但是，从事生产的大多数商业模拟和分析包仍然假设纯剪切流动，并且很大程度上采用经典的胡克剪切应力或牛顿粘度来近似模拟一些可行的解决方案。虽然这种怀疑的近似模拟与实验[33]联系起来，但它们主要局限在于聚合物熔体注射的位置几乎是纯剪切流的浇口位置的极远的型腔区域。当然，聚合物的流动永远不是纯剪切流动。

当通过浇口套注入粘流态热塑性熔体时，其弹性能量聚集和损耗将减少流入流出压力梯度，从而改变熔体塑料的流动状态[13]。所以，大体上，流道设计时注射剂的弹性和流变性为决定了恢复模内压力的能力，因此它们之间一定有一些关系[56]。但是，热塑性熔体对浇口套尺寸微小的特殊剪切应变可恢复性影响在通常情况下被忽略了[56]。由于即使热塑性粘度随各向压力呈指数增长[58]，但是其强度依旧不大;所以在低强度下，模具设计师们明显忽略了它的特殊情况[21]，就像在很长的窄间隙中，存在0.5到1 GPa的注射压力。反过来，过高的注射压力导致高拉伸速率，并且由于熔体塑料会依附于周边表面速度，就会导致流动断裂。流道内粘度的增加将断裂熔体加速成分离成多股流体[60]，但是由于在临界剪切应力区域出现了显著的沿壁滑动，它们最终表现为如流过鲨鱼皮肤时的状态[74]。对于注射机最大注射压力和型腔压力的可恢复性，分流道区域内梯度色散表现为能量交换一致性[64]。因此，浇道 - 流道膨胀尺寸设计因素加上压力梯度和注射剂的原位流变行为（粘性耗散和剪切应变能量优势[61]），浇口 - 流道膨胀和模内压力恢复值都有一定关系，由于流道的比例缩小了相对性变为更为明显[55]。

添加剂范围及其在热塑性塑料中的占比决定了熔融塑料的固有性质。所以，为了实现合适的成形过程，浇口管道应与相关的流变学相一致[28]。为了实现快速注射浇口的膨胀，应加宽以利于填料，抗氧化剂，抗老化剂，阻燃剂，着色剂，发泡剂，交联剂，紫外线稳定剂等的注入，反过来，它应当收缩以利于流变促进剂如润滑剂，软化剂，增塑剂等[5]。同样，为了注入结晶聚合物，同时实现行为迁移率和内在相变特征仍然是一个挑战[26]，尤其是逐渐结晶的聚合物，因为复杂的结晶应力分布已经被几个以前的同事观察到了。这也许就是导致只有二维结晶注射力动力学模拟模型经常从头开始的原因[27]，之后有些研究者提出了在梯度模型中实现观察特殊结晶聚合物行为[27]。最近通过在非线性控制方程中采用幂律模型，将三维数学公式延伸到此方法中，除了还没有与实际相融合之外，其解决方案相对准确可靠[84]。所以，在面对复杂的工程应用时，也提供了合适的模具设计系统的巨大能力。通常情况下将牛顿流体（GNF）本构关系加以应用会很有优势，如广义地应用于有限元近似的幂律模型，而不是简单的线性关系[93]。因为它甚至可以考虑到残留相变应力[69]（特别是在无定形聚合物中）。

因此，除了注射熔体的热力学相变行为外，为了完成APL，所有符合要求的模具浇口流道的设计应全面了解内在非牛顿应力分布模式。

2.3。 功能评估

同步特殊的聚合物流变学，粘弹性和注射剂的热力学相变行为是真正浇口系统的设计目的; 创造凹模特征; 并利用可用的注射机的注射力的消耗和热量计算能力进行同时塑化，流动和冷凝。

2.3.1。 分子量角度

分子量作为主要的形态因子，事实上在范围上它全面地分配所有聚合物注射剂，包括注射剂的混合物或共聚物，不仅仅是表征行为特征和流变体[22]。 因此，在一定的剪切速率下，上下粘性值的上限仅取决于聚合物类型，浓度，分子量分布等组成因素[8]。 因此，即使在玻璃化转变温度升高的情况下，具有更高结晶度水平

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