高光無痕注塑收縮率數值模擬方法的工程化研究

   以線性粘彈本構關系來分析高聚物的非線性粘彈行為雖然會帶來理論誤差,不過在注塑材料性能數據充足的前提下,其計算精度能夠滿足工程上的需要,問題在于實際應用中往往不具備數值模擬方法所需要的各種材料常數,從而限制了數值模擬方法的使用。

    四川大學在測量國產注塑材料性能數據方面做了許多工作,建成我國個注塑材料性能數據庫,數據庫中包括102 中常用塑料的冪律參數、不流動溫度、導熱系數、比熱、熱擴散系數、比容等性能數據。

    但即使是同一廠家生產的同一種塑料,當批號不同時,其性能也會有很大差異。由于注塑材料的各種材料常數的獲得需要昂貴的實驗設備、長時間的數據測量與大量的技術處理工作,所以要求塑料生產廠家對不同種塑料的不同批量都建立這些基礎數據庫是不現實的。目前我國注塑模具行業急需的是具有工程實用性的收縮率計算方法,要求能較簡便地求得與給定的實際問題精度相適應的解。

    對注塑制品收縮率有影響的諸多因素可以劃分為三類: 注塑材料特性、注塑工藝條件和模具成型結構。注塑材料特性表現為粘度、導熱系數、比熱、比容、松弛模量、彈性模量、泊松比等物理性能數據;注塑工藝條件指注射機操作者能夠控制的料筒溫度、注射速度、成型壓力以及成型時間;

    模具成型結構包括模腔的形狀與尺寸、澆注系統的位置與尺寸、冷卻回路的位置與尺寸。模具成型結構從根本上決定了注塑制品的收縮率分布趨勢,注塑材料特性與注塑工藝條件則是在此基礎上影響注塑制品各點收縮率的具體數值。

    塑料生產廠家提供的某種塑料在某批量的收縮率平均值,在一定程度上代表了注塑材料的特性,所以在根據模具成型結構得出制品收縮率分布趨勢后,可以結合塑料生產廠家提供的注塑材料收縮平均值來確定制品各點的收縮率。

    從而免去對注塑材料各種材料常數的測量求解工作。如果對注塑制品收縮率分布趨勢的預測符合實際,那么通過調整注塑成型工藝參數使注塑制品實際收縮率值向預測收縮率值靠攏,就能夠得到合格的塑料制品。

    由模具成型結構預測制品收縮率分布趨勢,必須采取數學模擬的方法。注塑制品的收縮是通過比容縮小實現的,而影響高聚物比容值的根本因素是高聚物的溫度與壓力。為了獲得制品各點的溫度變化歷程與壓力變化歷程,則需要進行流動、保壓、冷卻分析。

    求解每一時刻注塑制品的溫度場與壓力場,涉及到粘度等物性參數的計算問題。既然數學模擬的目的是得到收縮率分布趨勢,要的是定性結論而非定量結論,因此可以選擇兩種已經測得材料性能數據的塑料(例如文獻[ 11 ]提供的聚苯乙烯與聚丙烯) 分別代表非晶型塑料與結晶性塑料,以解決材料性能數據的輸入問題。

    出于同樣原因,模壁溫度場的定量求解可以被定性求解所代替,通過疊加流道、型腔內各點熱源與冷卻系統內各點冷源對模壁的影響,獲得模壁溫度的分布趨勢,這與以往通過迭代計算模具溫度場與制品溫度場來定量求解模具成型表面溫度的方法相比,節約了大量的計算時間。

    通常在獲得塑料比容的欲縮小程度后,都將其轉化為等效的節點載荷,求解塑料制品在載荷與變形約束作用下的形變。如果能將比容的欲縮小程度直接轉化為注塑制品的收縮位移,會大大簡化計算過程。為此需要先明確注塑制品的收縮方向,建立能夠對實際收縮情況進行合理解釋的收縮規則。

    曾通過理論分析與實驗驗證,根據注塑成型過程中高分子的運動特點,提出注塑制品是以澆口為收縮中心,注塑制品上的各點均受到來自其所屬流動區域澆口的收縮力,并在收縮過程中沿其流動路徑向澆口進行收縮 。

    比容的欲縮小程度反映為收縮路徑上網格步長的縮短程度。在模內收縮過程中,制品各點沿流動路徑向澆口的收縮在受到模具成型表面約束的情況下,收縮位移中受阻礙的部分不能發生;脫模以后,制品各點的收縮不再受到阻礙。通過與實測的注塑制品收縮率相比較,驗證了所計算出的制品收縮率分布趨勢符合實際情況 。為使收縮率分布趨勢與塑料的收縮率平均值Sa 聯系起來,可以把計算得到的制品各點(模內收縮過程受到阻礙的節點除外) 相對于澆口的收縮率求和平均,其平均值以Sc 表示,然后將所有節點的計算收縮率乘以( Sa/ Sc) ,作為預測的收縮率值。

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