熔融塑料流动特性对注塑的影响.docx
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熔融塑料流动特性对注塑的影响
熔融塑料流动特性对注塑的影响
熔融塑料流动特性对注塑的影响
一、熔融塑料在模腔中流动的速度
1.各流层的速度
塑料在模腔内的流动可近视的看成层流。
根据流体力学理论，层流流体可视为一层层彼此相邻的液体在剪切应力（引起材料沿平行于作用力的平面产生滑移而变形的力,即切向应力）作用下的相对滑移。
层流流体的这种特性可用两平行板间的液体流动来说明。
如图所示，在两个平行的平板间充满具有一定黏度的液体，若平板A以速度V移动，另一平板B静止不动，则由于液体分子与平板表面的吸附作用，将使贴近板A的液体层以同样的速度v=V随板移动，从而对和它相邻的液体层产生摩擦力（即剪切应力）。
如此传递下去，于是在各层的界面上产生相应的剪切应力，从而形成各液体层间的相对滑移，而紧贴板B的液体，由于液体分子与平板表面的吸附作用，则静止不动（v=0）。
由于塑料熔体在成型过程中流动时，其雷诺准数—般小于10，分散体也不会大于2100，因此其流动均为层流。
塑料从喷嘴中射出到流道中后，由于塑料分子与流道壁（或模具型腔壁）的吸附作用，使得紧贴流道壁（或模具型腔壁）的流层速度为零，从而对和它相邻的液体层产生摩擦阻力。
如此传递下去，于是形成中间流层速度最大，两侧靠近流道壁（或模具型腔壁）的流层速度递减的流动形式，如图所示。
2.流通面积变化时速度的变化
由于塑料熔体在成型过程中的流动是连续的，而且塑料熔体基本上是不可压缩的，所以流体通过每个流通面（管道的横截面）的流量是相等的，所以，当流体从大的流管流入小的流管时，如果流体源头仍以同样的流量持续注入流体（如图所示），则流体进入小管后流速变快了，其流速与流通面积成反比。
但此时由于管径变细流体受到了阻力，所以需要更大的注入压力。
同理当流体从小的流管流入大的流管时流速会放慢。
所以，当注射产品是圆片状产品（如光盘片）且浇口（塑料熔融液体进入模具型腔的入口）在中心时，则随着塑料流体流向各边沿流通面积不断增加（因为随着同心圆的半径增大周长不断增加），此时，要达到塑料熔融液体前缘恒速就要有不断上升的注射速度（如图所示），这可用多段射速来近似模拟。
3.熔体黏度对流速的影响
当流体在外力作用下，各流层间出现相对运动时，随之产生阻碍流体层间相对运动的内摩擦力，流体产生内摩擦力的这种性质称为黏性，用动力黏度（或称黏性系数）来衡量黏性的强度。
如图所示，在一定温度下，施加于相距dτ的液层上的剪切应力（此外力也可以是移动层上面一层有着更快流速的流层对移动层的摩擦力，单位为N/m2）与层流间的剪切速率dυ/dr（又称速度梯度，单位为s-1）的比值，称为液体的动力黏度。
其中剪切速率代表流动时相邻的流层间流速的差异。
流体只有在流动且各流层之间有相对滑动时才会表现出黏性，静止的流体不呈现出黏性。
黏性的作用是阻碍流体内部的相对滑动，从而阻碍流体的流动。
黏性产生的原因，概括来讲是流体分子之间的吸引力以及分子之间不规则运动的动量交换产生的阻力的综合结果。
动力黏度反映了这种阻力的强度，动力黏度越大，要达到同样速度所需要的剪切力越大，也就是说注塑时所需的注射压力越大。
从上面的内容我们知道，流体在流管中流动时，由于流管壁对流体的吸附作用，使得紧贴流管壁的流体速度为零，从而使得流管中的流体产生相对滑动，此时才产生黏性对流体流动的阻碍作用，所以管径越小，管壁越粗糙，黏度对整体流速的阻碍作用越大。
二、熔融塑料在成型过程中流动时的压力变化
注塑机的射出压力的作用是克服熔胶流动阻力，推动熔胶进入模腔以进行充填。
现以熔胶在圆管中流动的情况来分析熔胶所受到的作用力。
如图所示，在圆管中的熔胶流体中取一个小微团来分析流体的受力和运动情况。
图中熔胶在水平方向从左向右流动，即图中熔胶微团作于水平方向从左向右运动。
在运动中微团受到4个水平方向的力：
后面的流体对它的推力，即后端的内压力F1；它前面的流体对它的阻力，即前端的内压力F2；两边流体对它的摩擦阻力F3和F4。
如果F1小于F2,那么熔胶流体最终会在摩擦阻力的作用下停止下来。
所以，正是熔胶微团后端面与前端面这种内压差推动液体持续流动。
从整个流体来看，流体的后端面与注塑机的螺杆相连，其内压为注塑机的注射压力，流体的前端面与大气相通，其相对压力为零。
我们知道，静止的液体能大小传递压强（在注塑领域称为压力），但由于注塑机中的熔胶流体在流动，所以压力在传递的过程中需要克服阻力推动流体持续流动而逐渐变小，从而在流体中行程沿流程逐渐变小的压力剃度，如图所示。
从能量的观点看，流体在水平流管中流动时具有2种机械能：
①压力能。
当流体受到阻力时，流体分子之间距离被微量压缩，这时流体就建立起了内压，一旦外力降低时由于分子之间的作用力又能恢复到原来的距离，所以流体像被压缩得弹簧一样具有压力能。
②动能。
流体与固体一样在运动时具有动能，质量一定时速度越大动能越大。
流体不断向前流动时，需要不断克服流层间摩擦阻力做功。
内压沿流程不断下降是因为流体的压力能克服摩擦力做功而导致压力能损失的结果。
熔胶从高压区流向低压区，就如同水从高处往低处流动。
熔胶从高压区流向低压区是压力能转化为动能，以补充因摩擦力对流体作负工而造成的能量损失。
流体在流动中的这种能量损失是由于流体的黏性引起的，是流体在流动过程中克服流体的内部微团或流层间摩擦阻力所做的功，这部分能量转化为热量。
这种阻力分为2类，沿程阻力和局部阻力，流体沿流动路程所受到的阻碍称为沿程阻力。
沿程阻力的影响使途中的流体机械能减少，即动能或压力能减少。
由流程阻力引起的能量损失称为流程损失。
局部阻力指流体流经各种局部障碍（如阀门、弯头时，由于水流变形、方向变化、速度重新分步，质点间剧烈的动量交换而产生的阻力。
模腔入口的压力愈高，如果流体前端不受阻就能导致愈高的压力梯度（单位流动长度之压力降），因而能导致更快的流速。
如图所示，更快的流速需要更陡峭的压力曲线。
图流速与压力降的关系
如果熔胶流动长度加长，就必须提高入口压力以产生相同的压力梯度，从而维持聚合物熔胶速度。
如图所示，流程越长需要的入口压力越大。
因为，在填充过程中，随着流动长度不断增加，如果速度不变，且流体的黏度不变，则单位流动长度对流体的摩擦阻力不变，但总的阻力因各段累加而不断增加，所以需要更大的注塑压力。
由此可知，注塑机在充填过程中，随着熔胶前端不断向模具深处推进，需要的注射压力不断增大。
当然，有时会由于流道中某些特殊位置的散热能力强导致熔体前沿的表面暂时冷却凝固，直到建立起足够的压力推动熔体穿过此位置，则熔胶前沿
通过此位置时的压力会出现峰值。
注射成型最重要的工艺条件是影响塑化流动和冷却的温度、压力及相应的各个工序的时间。
注射成型的关键在于能准确地重复生产过程的各种工艺条件。
否则，产品的品质会一直随条件的变化而变化。
所以应很好地选择和保持工艺条件，以获得高质和高产。
在变动和调整工艺条件时，最好按照压力一时间一温度顺序进行，不要同时变更两个或两个以上条件，这样才能在排除干扰的前提下，分析判断新设的条件的实际作用。
即使是单个工艺条件的转换，也要十分仔细进行，并且尽量避免在短时间内反复变换。
一、料筒温度
从前面所学知识可知，外界温度对塑料熔体的黏度和流动性影响很大。
为顺利充模，并保证制品的质量，从喷嘴出来的塑料必须熔融均匀，黏度低到一定程度。
为此首先要保证料筒内塑料处于良好的加热状态。
注塑过程中塑料的温度变化情况如图3—1。
A—B：
塑料从料斗进入高温的料筒，受热后温度迅速上升，开始熔化。
图3—1注塑过程中塑料温度的变化
B—C：
塑料在料筒内继续被加热，进而全部熔融塑化，此期间温度会保持一段时间。
C：
塑料到达料筒的前端，准备注射，由于不再受螺杆的剪切和摩擦作用，温度会有所下降。
C—D：
塑料在高压下高速注射入模，强烈的摩擦和剪切造成更高的温升。
D—E：
塑料注射完毕，在模具冷却系统的作用下冷却定型。
E：
塑料制品脱离模具。
从图3—1中可看出，塑料在料筒内的温度开始时是逐渐上升的，直到一定的塑化温度B。
在B这个温度下，料筒继续向塑料供热，通过热传导，使整体塑料熔融均匀。
至于C是料筒锥部及喷嘴的吸热降温点，如果锥部及喷嘴补充热量不足，降温点温度降得太低，前锋料黏度就会增高，形成大的阻力，不利于注满型腔。
C—D无疑是一种额外的温升，但不容忽视。
无论是喷嘴、流道或浇口，之所以尺寸要偏小，是为了增大摩擦作用，提供大的剪切速率，从而使温度进一步升高，黏度降低。
如果这些地方尺寸过大，反而会使制件出现充不满或严重收缩凹陷。
D—E是冷却定型时间，这个时间必须足够长，否则热的制件脱模后会令表面失去光泽，有些塑料制件还会变形。
很显然，所谓注塑温度的控制是指塑料在料筒内如何从颗粒原料被均匀塑化成塑性的黏流体，也就是料筒温度如何配置的问题。
最理想的是根据料筒内熔体的实际情况随时进行无级调温，但这很难办到。
现在所有的注塑机都是分段调温，有两段、三段或更多段。
不同的物料每段的温度配置是不尽相同的，关键是要从实际出发，有针对性地进行配置。
所配置的料筒温度应保证塑料塑化良好，能顺利实现注射又不引起分解。
配置时要注意以下几种影响因素。
（1）塑料的热性能
料筒温度的配置与所加工塑料的热性能有关，料筒末端最高温度应高于塑料的流动温度Tf（对无定型塑料）或熔点温度Tm（对结晶塑料），而低于塑料的分解温度Td，故料筒最合适的温度应在Tf（或Tm）～Td之间。
Tf（或Tm）～Td区间较窄的塑料，料筒温度应偏低些（比Tf稍高）；Tf（或Tm）～Td区间较宽的塑料，料筒温度可适当高些（比Tf高）。
玻璃纤维增强的热塑性塑料，随着玻璃纤维含量的增加，熔体的流动性会降低，因此应相应提高料筒温度。
对于热敏性塑料，如聚氯乙烯、聚甲醛等，除要严格控制料筒温度外，还要控制物料在加热料筒中的停留时间，以免在高温停留时间过长而引起降解。
（2）塑料相对分子质量及其分布
同一种塑料由于来源或牌号不同，其流动温度和分解温度也有所不同，相应的料筒温度也不一定相同。
一般情况，平均相对分子质量高、但分布窄的塑料，其熔体黏度较大，流动性较差，料筒温度应偏高些；平均相对分子质量小、相对分子质量分布宽的塑料，料筒温度可偏低些。
添加剂对成型温度也有影响，经填充改性的塑料，如玻璃纤维增强塑料，由于软化温度提高，流动性变小，料筒温度应高些；而加增塑剂的塑料，由于增塑剂分子在塑料大分子中起到了润滑作用，料筒温度应偏低些。
（3）注塑机的类型
注塑机的类型不同，塑料的料筒中的塑化过程不同，所以料筒温度的配置也不相同。
柱塞式注塑机，塑料完全靠料筒壁和分流梭传热，传热效率低且不均匀，料筒温度应高些；螺杆式注塑机，塑料在螺槽中受到较强的剪切作用，剪切摩擦热较大，而且料筒内料层较薄，传热较容易，料筒温度可低些，一般比柱塞式低10～20℃。
（4）制品的结构特点
薄壁制品、复杂制品、带金属嵌件的制品，或熔体充模流程长或曲折的制品，由于流动阻力大，充模时间长，冷却快，料筒温度应高些；相反，注射厚壁制品、简单制品时，由于熔体的流动阻力小，冷却时间长，塑料在料筒内受热时间长，料筒温度可适当低些，避免塑料在料筒内因停留时间过长而造成热分解。
料筒温度的分布，一般为从料斗到喷嘴逐步升高，使物料在料筒内逐步塑化。
当原料含湿量偏高时，可适当提高进料段温度，以利于水汽提前排出。
对于剪切敏感的塑料，采用螺杆式注塑机时，料筒出料段温度可适当低于中段，防止熔料的过热分解和制件颜色的变化。
有时料筒出料段的塑化会显得不足，影响
注塑参数的设定
1.锁模参数
锁模参数有：
①4段锁模速度。
②4段锁模压力。
③各锁模阶段的位置。
④各锁模阶段的时间。
如前所述，锁模过程分4段，首先动模板以快的速度锁模，直到设定的快速锁模位置值结束，即转换为中速锁模阶段，此时锁模动作得到缓冲，便于保护模具且运动平稳，当锁模到达低压锁模位置值，就进入了低压锁模状态，此时锁模力立即下降到低压，如果模具间没有障碍物，可以顺利进入到高压锁模状态，如果模具间夹有异物或模具导柱导套配合不好，则因压力过低，锁模运动会停止。
当低压锁模保护时间到达模板还不能进入到高压锁模状态，则警报系统启动，机器自动报警且开模。
这样可以达到保护模具目的。
锁模过程如图所示。
高压锁模至锁模终止过程中有一高压检测时间,如果机器在规定时间内未能锁模至终止确认,则发出报警.这样就需重新调模或者检查高压监控时间是否太小。
在安装模具的调模过程中设置锁模动作的参数，要设置的参数有4段的速度和压力，以及控制锁模过程的位置和时间，现举例如表所示。
快速阶段
中速阶段
低压阶段
高压阶段
控制方式
本阶段以速度为主要控制目标，
通过调整压力来达到目标速度，以
位置控制速度的转换点
本阶段以压力为主要控制目标，
速度可大可小，以时间控制压力
的转换点
位置（mm）
50
25
3.2
时间（s）
无需设定时间
5
2
压力（kg/cm2）
60
50
10
100
速度（%）
50
40
10
无需设定速度
在快速和中速阶段主要以达到所设定的速度为目标，所设压力为最高工作压力，只有当速度未达到设定值时机器才会输出此压力，当速度达到速设定值后，锁模压力通常小于所设置的压力。
快速转中速是用位置来控制的，即当模具达到相应位置后，锁模动作就由快速转为中速，中速转低压也同样是用位置来控制的。
在低压和高压阶段以压力达到设定值为主要控制目标，速度可大可小。
低压转高压是通过时间来控制的，即正常情况下达到时间后就自动由高压阶段转入高压阶段，如果模具间夹有异物或模具导柱导套配合不好，则锁模运动会停止，此时输出压力锁定为零，所以即使时间达到也不能由低压转入高压阶段。
高压锁模至锁模终止的转换也是由时间来控制的，如果机器在规定时间内未能锁模至终止确认,则发出报警.这样就需重新调模或者检查高压监控时间是否太小。
2.开模参数
开模参数有：
①4段锁模速度。
②4段锁模压力。
③各锁模阶段的位置。
当熔熔胶料注入模腔内及至冷却完成后，接着便是开模动作。
开模过程分4段：
前慢——快速——中速——后慢。
前段慢速开模，避免拉裂塑件表面，消除开模时噪音。
第二段快速开模有利于缩短生产周期时间，提高生产效率，第三段中速开模有利于动模板平滑过渡到慢速开模，消除机器震动，使机器动作更平稳。
第四段慢速开模，可以使机器准确的停留在开模终止位置。
从而保证顶针动作的正常输出。
开模过程如图所示。
开模参数也在调模过程中设置，要设置的参数有4段的速度和行程，应根据机台大小，以机台动作平稳为原则进行调整。
前段慢速开模是为了避免拉裂塑件表面，所以此行程不必太长；第二段快速开模的行程应长；第三段中速开模与第四段慢速开模也不必太长。
现举例如图所示。
前慢
快速
中速
后慢
位置（mm）
5
60
5
5
压力（kg/cm2）
速度（%）
10
60
30
10
在开模过程中主要以达到所设定的速度为目标，所设压力为最高工作压力，只有当速度未达到设定值时机器才会输出此压力，当速度达到速设定值后，开模压力通常小于所设置的压力。
3.射台动作参数
射台动作参数有：
①射台快进、慢进、快退、慢退的速度②射台快进、慢进、快退、慢退的压力。
③射台慢进到位的位置。
④射台快进、快退、慢退的时间。
在手动操作时，可设定射台射台前进及后退的位置和时间，这两个动作的速度及压力均是在广内设定，操作者是不能任意调节的。
在射胶动作之前，射台会前进，使射嘴紧贴模具浇口，在射胶进行时，射台亦继续前进，使射嘴紧贴模具浇口，以防止漏胶。
射台进动作分为快进与慢进2个阶段。
在溶胶及倒索后，可选择令射台后退，以增加工模冷却效率及用以拉断浇口。
射台退动作分为慢退与快退2个阶段。
射台快进、快退、慢退三个动作都是由工作时间来控制的，即用时间来决定该动作的开始与结束。
慢进由射台到位吉制控制，即由位置来控制慢进的结束。
4.射胶参数
射胶参数包括3部分：
填充参数、保压参数、冷却参数。
（1）填充参数
填充参数有：
①各段射胶的注射压力。
②各段射胶的注射速度。
③多段射速的转化控制位置。
当座台前进到位吉制被压下，电脑收到此信号随即发出射胶动作信号。
目前很多机型可进行多段射速射胶，操作者可根据具体的产品形状、大小、结构、壁厚等因素来确定实行几段射胶，并确定相应的压力、速度等参数。
1）注射速度和注射压力。
从本书第四章第三节可知，注塑制品的表面光洁度和质地均匀程度，主要取决于在填充过程中熔胶前沿的流动速度。
所以，注塑机在注射过程中主要是比较精确的控制注射速度，注射压力只需控制在一个范围内，通常需根据不同的射速段设置该段的最大注射压力和最小注射压力。
只有当速度未达到设定值或遇到阻力大于所设定的压力时机器才会输出此所设定的最大注射压力，此时如果注射速度仍不能达到所设定的速度注射压力不再增加。
所以，在填充阶段注射压力主要是通过影响注塑速度来间接影响注塑制品的质量，只有在填充完成前熔胶基本不流动时，熔胶受到的阻力急剧上升，此时注射压力也跟着上升到所设置的该段的最大输出值，起到压实熔胶并克服熔胶在填充模具边角时由于熔胶接触模具面积大而快速冷却造成的填充不足。
2）位置控制。
多段射速的转换是用位置来控制的，即当螺杆达到一段射速的位置后，注射速度自动由一速转换为二速。
3）报警时间。
有些机器还需设定各注射段的控制时间，若未能在时间内完成各阶段的速度转换，则系统产生射出监控失败警报，此时除了调整切换位置也可以延长射出计时。
（2）保压参数
保压参数有：
①各段的压力。
②各段的注射速度。
③各段的保压时间。
当射胶螺杆前进终止，驱动射胶的液压缸仍继续输出向前推动的压力及速度，用以补偿制品的冷却收缩，起到补缩增密的作用，此时的注射压力叫做保压压力。
影响制品尺寸公差的最重要的变量是保压压力和温度，而与充模压力无关，一般保压压力是塑料充模时最高压力的50％～60％。
注塑机上的注射压力和保压压力都是通过调节注射系统油路压力来实现的。
因此在充模阶段和保压阶段任何影响油路系统压力稳定的因素都会引起注射压力和保压压力的波动，最终影响
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