(翻译)关于热塑性材料在注塑填充过程中熔接痕形成的流.doc

J IANG SU UNIVERSITY 热塑性料材在注塑填充过程中熔接痕形成的流动分析 (英文参考翻译)学院名称： 机械工程学院 专业班级： 模具0502 学生姓名： 朱磊 指导教师姓名： 姜银方 指导教师职称： 教授 2009年 5月热塑性料材在注塑填充过程中熔接痕形成的流动分析摘要: 模腔中注射时由于料流撞击形成熔接痕的过程是可以被模拟的。热流变学的发现用来调查熔接痕弱化的原因。这样，与分界面的关键部分有关的缺少内部扩散和不适当的分子取向就能被发现和替代在表面结合处。熔接痕弱化的主要原因似乎是V型切痕的出现导致连接薄弱区域的出现在靠近表面结合处，由于极端的大分子取向感应在填充的末端。此外，经验知识认为熔接痕对局部流动的敏感度要高于整体加工条件。熔体和模具温度被认为是影响熔接痕强度最重要的因素。关键词: 聚合物 注射模 热塑性塑料 熔接痕 仿真引言: 熔接痕是在注射时两种熔体相结合的过程中形成的。这种现象是注射多浇口或者是围绕障碍物流动时产生的。两种主要的熔接痕通常是有区别的。冷或者是滞流熔接痕的形成是因为两种熔体相遇后没有添料。热或者流动熔接痕产生是由于两种横向相遇后继续流动。 由于熔接痕常常导致机械强度的降低和注塑制品表面光洁度的减少，已经有大量关于加工条件对熔接痕影响的研究。Malguarnera和Manisali(1987)测量了一些聚合物熔接痕的强度并发现与熔体和模具温度有明显的影响。Criens和Mosle(1983)研究了设计和有孔板的工艺参数的影响。他们认识到了熔体和熔体间温度改变的影响。Kim和Suh(1986)发现当熔体温度低于恶化温度时导致熔接痕强度降低。注射压力，注射速度，保压压力和保压时间同样被研究，只发现有微弱的影响。(Piccarolo和Saiu 1988)。最近，Liutal(2000)根据Taguchi的方法设计了实验，再次展示了熔体和模具温度是影响热塑性注射模熔接痕参数的基本因素。这些表明了熔接痕的敏感不仅与材料的属性和加工条件有关，还与应用的测试方法有关。(Selden 1997) 尽管熔接痕的机械性弱点在书面上被解释为: (1).聚合物分子扩散的缺乏。(2).分界面处不利的分子取向。(3).注塑件制品表面V型切槽的产生(Kim和Suh 1986;Fellahi et al.1995)，对于这些因素的内部联系的了解较少。Kim和Suh(1986)分别分析了第一和第二因素，然后整合它们去预测熔接痕的强度。在他们对扩散过程的理论研究的方法中忽略了温度在制件厚度上的变化。Tomari et al.(1990)澄清了V型切槽的结构和对注射普通聚苯乙烯的强度的影响。他们测量了狗骨型可拉伸模型的焊接强度，其表面通过磨制被不完全消除了。他们的研究成果表明了V型切槽的成因是表面的细纹，而不是表面附近薄弱的粘结层。结果还显示V型切槽对分界面中的空气在熔体前端或者冷却过程中体收缩率没有任何影响。 到现在为止，对熔接痕的建模主要集中在预测熔接痕位置和研究热流变位置在熔接痕上测量强度的影响。但是，大多数的仿真模拟是基于压力下降的公式，却没有给出流动的细节信息。只有一些关于熔接痕仿真的论文考虑到了完整的流动过程。Wei et al.(1987)计算了粘弹性熔体在流过一个障碍时显示出来的压力，通过假定运动学接近那些稀薄的液体如Carreau模型。分子取向的计算值显示围绕在熔接痕界面障碍物下游区域为分子的高取向区，这个结论已经通过流变光学的实验方法得到验证。Mavridis et al.(1998)模拟了撞击流遇上牛顿流，显示聚合物在 ”滞”熔接痕的取向主要取决于发生碰撞之前的喷流。近年来，Nguyen-Chung et al.研究了障碍物之后的流动机理，表明了热流变学历史对熔接痕性能的影响。这份论文表明了由于两种流体碰撞而形成熔接痕的非等温模拟。这样，上述形成熔接痕弱化的根源和他们内在联系结合流动历史和热流变学的情况被研究，以便于更好的理解熔接痕的形成机理。仿真模拟:仿真模拟完成了一个黏性流体从两端填充一个矩形型腔的过程。(图1)。考虑到对称性，型腔的一角被假设成二维空间。忽略掉重力和表面张力意味着自由表面被看作是绝对平坦，其他看作流动的。对于一个不可压缩的流体，质量，动量和能量守恒的等式可以如下列出:其中t，T，p，Cp，分别表示时间，速度向量，温度，流体静力学的压力，偏应力张量，变形张率，密度，比热和热传导率。广义牛顿流体的本构方程如下：结合Bird-Carreau模型给出的粘度得出(Bird et al 1977)：由于温度的依赖性， Arrhenius模型适用于参考T0下的粘度: 流动方向熔接痕 熔接痕对称性: 内部: 料流前沿: 对称性: 内壁:图1.原始状态(上)和边界条件(下)为矩形填充模拟。表1.过程参数参数 值熔体温度 TF 503°K模具温度 TW 333°K入口处速度 V0 0。1m/s 下列的条件完善了问题的情况: 假设在入口处熔体是等温等速的; 没有滑动的情况和一个不变的模具温度加于内壁(如表1); 在对称轴两边对称; 在流体前沿表面引力为零并且该表面的热交换被忽略不计。商业号码 FIDAP ， alerkin有限元方法被应用于去解决连续性，动量和能量守恒在标准生产过程中是离散的用一个混合公式，在该公式中。压力是被低一次序的低于粘度和温度。 用VOF方法来追踪自由表面的固定的网孔( Hirt和Nichols 1981)。 另外的一个方程可同时解决控制流程的方程： 其中F被定义为材料密度的函数。它的价值是统一在一个充满区段流域并且没有溢出的流体。 在自由表面这个函数的值介于0和1。作为原料，聚苯乙烯 165H (BASF，Ludwigshafen，德国)已被使用。这个热流变属性和系数的粘度模型如表2所示。 表2. 聚苯乙烯 165H 的材料属性 参数 值融化密度 892kg/m3 特定温度Cp 1968J/kgk热传导率 0.14W/mk参考温度T0 503°k零剪切速率粘度 3760Pas时间常数 0.15sPower law index n 0.23阿伦尼乌斯系数 10，842 结果: 结果如下所示，表示与空间性变化无关: 给定长度0=0.004m，给定速率v0=0.1m/s，零剪切速率粘度0 (T0)=3760 Pas。 图2。料流前表面的变化在不同时刻（如图2）显示出熔接痕形成如所预想由型腔的中间向壁扩展。图3中，定物质因素的轨迹线可观察到原始的位置位于流体前沿。初的流体前沿和熔接痕之间的距离足够大以至于流体前沿在熔接痕形成前能充分的发展。可见，物质要素的熔接痕组成来自于型腔的中心区域，因为那里没有经历大的变形(Nguyen-Chung和Mennig 2001)。只有在由水平的向充分发展的流体前沿转变过程中变形才会发生，但更准确地说那是由于具体题目定义造成的例外。整体来说，熔接痕处的变形大多数情况下须以局部的情况为条件。在分界面材料改变它们的流动方向，并且沿着增厚的方向继续移动。此时，扩散可能会发生。 在中心部分，在凝固温度之上的的接触时间明显高于外部区域，因此在该区域可认为会有一个更大的相互渗透度。 对比来说，在靠近型腔壁的那一层，由于接触时间相当短。 刚到该区在他们相互接触并产生相混物之前就被冻结了(例如8号材料)。 Tomari等人于1990年发现这种情况导致一层弱键组织的产生。分子取向被频繁的研究通过放在一条直线上的大量的材料（Coyle et al.1987）。但是，这种方法不能确定非常依赖于观测时间的绝对变形和作为测量分子取向的相对变形。在这项研究中，很多组材料被跟踪研究。每个小组都形成了一个圆环和直流道上的取向（图4）。通过比较熔体不同时间的圆环的变形，料流分子的取向能被可视化。它再次表明了熔接痕的高取向是由于沿着分界面的变形而不是料流前沿的一般变形。在过去，Mavridis et al.(1988)也意识到在料流前沿有重要的延伸变形，会导致垂直取向到内壁。作者指出了平面滞流的相似之处，这个很早被Tadmor（1974）作为一个描述喷泉流的模型。可是，在同一篇论文中，Mavridis et al.将料流前沿和熔接痕的材料拉伸带做了比较，发现喷泉流可能是导致注塑制件各向异性的最重要的原因。这个假设是不正确的，因为是在不同的时间做的比较，喷泉流时的材料带被研究的时间比料流撞击时的长。实际上，图4表明了喷泉流导致了很大的变形在模具内壁，产生了明显的平行于内壁的分子取向，只影响了远离于熔接痕的区域。当两种料流相遇时，熔接痕的主要延伸方向可以被认为垂直于内壁的方向。此外，发现最大的延伸率发生在型腔填充满之前的腔表面附近（图5）。在核心处延伸速率是很低的，就像处于稳态下的平面流的延伸。图3：图4：图5.填充结束前沿着熔接痕的延伸速率。图6. 由于中心处影响的降低导致最后区域填充速率的增加相对于内壁的延伸速率增加的原因是填充速率的增加，填充速率增加的原因是由于当平均流速保持不变的时候，料流中心滞留在了最后填充的区域（图6）。在垂直于内壁型腔中心面附近能预计出很高的分子取向，这个区域被假设为熔接痕中最敏感的区域。此外，还可以做出一个假设，不只是在薄弱的连接处，而且在很高的分子取向出也能导致V型凹槽的产生，因为取向的放宽导致了不均匀的收缩，这种现象在熔接痕表面更加明显。这个假设可以通过试验验证，使用两组不同颜色的相同的熔体注射进行测试。退火至玻璃化转变温度，测试样品在熔接面有较大的收缩指出了分子高取向的区域（图7）。由于型腔中心的影响降低，内壁区域附近的压力下降也较快（图8），以至于增加最后填充区域的压力来补偿收缩的效果是微弱的。需要指出的是，不适当加工条件下不完全的注射也会直接产生V型凹槽，可能是气泡或者是杂物。可是导致连接薄弱的不均匀收缩是不可避免的，这也是导致V型凹槽的重要原因之一（Haufe et al.1999）。图7.样品比较 图8.注射结束前分界面的压力分布结论: 关于熔接痕弱化原因的经验知识已经被仿真结果证实。它可以用来证明熔接痕分界面的关键部分被附近的完成面所代替。熔接痕弱化的主要原因是V型凹槽。首先，因为高聚物分子沿分界面扩散的时间不够，导致连接的薄弱。其次，是因为料流表面起初平行于内壁最后平行于熔接痕的分子取向。这些对机械强度的影响是不适宜的。此外，在内壁附近高取向产生了大的收缩率，特别是在平行于熔接痕的方向，可能因此产生了V型凹槽。就整体而言，熔接痕弱化的原因，局部的流动情况比整体流动情况更加敏感，和假设的一样，熔体和模具温度可以用作影响熔接痕强度最重要的工艺参数。另外，众所周知的原因，像局部加热或者机械技术，直接影响了局部流动的情况是改善熔接痕强度有效的方法。