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热流道喷嘴直径的流变学计算

2020-06-12 11:29:07 admin 6

摘要: 介绍塑料注射模热流道系统的喷嘴直径的流变学计算。举例说明喷嘴直径计算过程。还陈述了流变学计算数据获取方法。


      近年来,模具设计师越来越多地应用热流道技术。喷嘴的选用,有种类的选择和喷嘴流道直径确定的两方面。喷嘴流道的较小传输截面积,会使流道中的压力损失增大。在一定的注射压力下,使注射到型腔的熔料因充模压力过低,而达不到所需的充模速率。会影响注塑件质量,甚至使型腔不能充满。较大的截面面积将会增加浇注系统用料和能量损耗,增加熔体塑料在高温流道和喷嘴中的渡过时间。本文介绍用流变学原理和方法,计算确定喷嘴流道直径。


1. 喷嘴直径 

      以合理的剪切速率,又考虑塑料熔体的黏度,计算确定热流道系统的喷嘴流道直径。计算公式源于塑料流变学,依据各种塑料熔体的非牛顿性能,可获得正确的结果。

1.1  喷嘴直径计算式

      热流道系统的喷嘴内径尺寸,由材料的流动指数 n 、剪切速率以及注射的体积流量共同决定。此流量 qi 为喷嘴注入下游型腔的体积流量,可由该喷嘴射出注射量和注射时间计算

qi=图片关键词(1)

Vi=图片关键词(2)


式中     qi —— 分流道的体积流量,cm3/s;

             t —— 对下游型腔的充模时间,s;

            Vi —— 单个喷嘴的注射量,cm3

            V —— 注塑模型腔的总体积,cm3

            N —— 流道分叉数。

      在浇注系统的圆管流道中,各截面的熔体充模时间 t是相同的。在已知以上数据的情况下,按剪切速率确定喷嘴内流道直径,可由以下流变学公式计算得

图片关键词(3)


式中   n —— 塑料熔体的流动指数;

         图片关键词 —— 塑料熔体的合理剪切速率,1/s。

1.2  应用示例

      图 1 所示贮物箱,箱体面积 540×210mm,高220mm,壁厚 3~4mm 。箱体用 3640cm3 的 ABS 塑料注射成型。本公司设计和制造了此注塑模的热流道系统。有四个 BS32050 型号顶管式的,浇口在模板的喷嘴。喷嘴的总长 102mm,管径 16mm 。图 1 为浇注系统设置为保温的热流道,做的流动分析。6.056s 是塑料熔体总体积充满时的状态。其中热流道中熔体的流动充模时间在 5s 之内。用 Lanxess 公司的 Lustran ABS 1146 物料,熔体温度 260℃ 。

图片关键词


图1  箱体的四喷嘴热流道系统


      每个喷嘴的射出量为 910cm3 。由总注射量 3640cm3,查表 1 得可行的充模时间 t=4.8s 。得流经喷嘴流量 qi=190cm3/s。由分析软件提供的此塑料品种流变曲线,获知塑料熔体的流动指数 n=0.32 。又按表 2,开放式多喷嘴,较大流量下应具有合理的剪切速率图片关键词 =700s-1。代入式(3)得

图片关键词

考虑到注射生产时,还充许调节注射充模和剪切速率。且归整到喷嘴直径的系列尺寸。故用流道直径为 16mm 的多喷嘴。


2. 计算式推导

      上式(3)是由非牛顿流体在圆管道中的流量q计算式推导而得。见徐佩弦编著《高聚物流变学及其应用》(北京:化学工业出版社,2003)中的(4-5)式

图片关键词(4)


 式中,Dp是对于半径 r 圆管,长 L 时的压力降。K 是塑料熔体在某温度和一定剪切速率图片关键词图片关键词下的稠度。n 为流动指数,也称非牛顿流动指数。稠度和黏度的单位相同,常用 Pa•s ;为运算方便,也有用 N•s/cm2。其中,管壁的剪切速率为 

图片关键词(5)

将此式代入(4)式,整理得

图片关键词(6)

直径d=2r,此式为

图片关键词(7)

可得喷嘴直径的流变学计算式

图片关键词(8)

式中图片关键词,可换算成式(3)。


3. 计算参数

3.1  充模时间的确定

      热流道喷嘴是热流道系统的终端,它将熔料输送到模具型腔或附加的冷流道。在喷嘴直径的计算过程中,模具型腔总体积 V 通过以下注射量和时间的关系确定注射时间 t。该注射时间t是根据注射机螺杆的常规推进速率。即注射机具有中等注射速率时,相对应的注射充模时间。表 1 是注塑机常规注塑速率下,对应的充模时间和公称注射量关系。大量工程计算证明,此方法能正确确定浇注系统流道中熔料的充模流量。也能适应注射机操作对充模速率的调节。

图片关键词

图片关键词


      V ——注射量,cm3

      t ——注射时间,s。

      计算机程序运行中,充许对此默认时间值进行修改。


3.2  合理的剪切速率

      大量的注射成型的实验和计算机模拟数据证明,浇注系统各流程,从主流道、各分流道到喷嘴内径,存在合理的剪切速率的范围,见表 2 所示。塑料熔体有较高的黏度,较高温度下黏度较低些。塑料熔体另一个特性是非牛顿性,有“剪切变稀”的现象。在圆管中剪切流动时,剪切速率愈高,熔体的黏度下降明显。而剪切速率主要与流道截面内的体积流量有关。因此,热流道系统上游的主流道喷嘴、中游的各分流道,下游的分喷嘴,有不同的合理的剪切速率范围。有利于降低黏度,减小沿程的压力损失,保证对成型型腔成功充填。

图片关键词

 3.3  塑料熔体流变数据稠度 K 和指数 n 获知方法      

      这里,用 Lanxess 公司的 Lustran ABS 1146 物料,介绍获知塑料熔体流变参量稠度K和指数 n 方法和步骤。1) 对于 260℃ 的黏度图片关键词剪切速率图片关键词图片关键词流变曲线 

图片关键词

 2) 读剪切速率图片关键词图片关键词对应的黏度图片关键词图片关键词值 

 对图片关键词图片关键词,实际黏度点的线段长(mm)/黏度坐标点间间距(mm)=图片关键词 图片关键词  

 lg100= 2    指数运算   2+0.974026=2.974026

获             图片关键词=102.974026=942Pa•s

图片关键词,线段长(mm)/坐标长(mm)=图片关键词 

lg100= 2     指数运算   2+0.292208=2.292208

反对数获             图片关键词= 102.292208=196Pa•s 



3) 由两点的联立方程求解 K 和 n 

图片关键词

图片关键词

代入后得        图片关键词

解此方程得     n = 0.318= 0.32

代入方程得      图片关键词Pa•s

4) 校核后取平均值

图片关键词Pa•s

取 n = 0.32   K =2.15×104 Pa•s


      在《热流道注射模塑》(见参考文献1)书中表 3-2,“一些国外生产塑料的表观稠度 K' 和流动指数 n”,有 76 种常用塑料的 K' 和 n,是用上述方法计算所得。表观 K' 和真实稠度 K 之间的偏差很小,在工程计算时可以忽略。


4. 结束语

      以上计算方法及相关数据,与注射充模流动分析软件相互配合操作,科学地确定喷嘴流道直径。保证设计和生产的热流道系统的流道板和喷嘴的质量。


参考文献

1. 徐佩弦 张占波 王利军. 热流道注射模塑. 北京: 机械工业出版社, 2016.

2. [德]彼得•翁格尔著. 热流道技术. 杨卫民、丁玉梅等译.北京:化学工业出版社, 2008.

3. [瑞典]丹尼尔•弗伦克勒. [波兰]亨里克•扎维斯托夫斯基著. 注射模具的热流道. [英国]罗伯特•沃克登英译. 徐佩弦译. 北京:化学工业出版社, 2005.

4. 王刚、单岩编著. Moldfiow分析实例. 北京:清华大学出版社,2005.

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