摘要 为充分发挥模具效能 提高生产力 降低单件成本 生产中经常使用一模多腔模具。优化分 流道设计对模具来说是非常重要的。流道的主要作用是使熔体从喷嘴快速而顺畅地注入模具型腔 内 微小塑件的注塑成型好坏很大程度上取决于流道的优化设计。笔者对微小塑件注塑成型过程 中熔体流动充填过程进行了研究 一模四个微型型腔 分流道系统对称平衡布局 重点研究了熔融
塑料充填过程中流道尺寸大小与温度、压力、保压时间及充填长度之间的关系。
在光通信、计算机数据存储、医疗技术、生物技术、传感器和传动装置、微光学器件、电子和消费类产品 以及设备制造和机械工程等领域中 微注射成型制品呈现快速增长的需求。微小塑件的应用性特点主要在于它的微小性 其中微型化技术促进了微小型产品的快速发展 [1] 。在过去几十年中 人们已经获得了丰富的普通尺寸注塑件生产工艺和技术经验 但这些经验不能完全直接应用于微小注塑件生产[2] 。拿一个任意几何形状的注塑件来说 微小塑件的S/V比值大 S 为塑件表面积 V 为体积 大塑件的S/V比值小 而S/V比值大小会影响熔体对型腔的充填。S/V比值越大 热量扩散相对快 熔融塑料凝固过快 不利于塑件整体成型。微型塑料模具是生产微小塑件的重要技术基础 因此设计制造微型注塑模具时应对普通模具设计方法进行必要调整以适应尺寸变化。
流道是热塑性注塑模具设计最重要的环节之一。要想注塑出一致性好品质塑件产品 一个最主 要条件是以尽可能小变化的温度和压力通过流道输送熔融塑料并同时充满所有型腔。采用何种流道系统是设计的关键所在[3] 。此外 在熔体充填过程中 流道外层料流较内层料流流速低 容易冷却凝固 凝固层越厚 熔体流动越不畅 而热量损失增加。随着流动性下降 流动阻力可导致流道内熔体流动压力增加 [4]。
设计流道时还应考虑流道尺寸和流道容积的关系 尽可能减小流道容积 包括浇注系统的凝料和 飞边 同时尽可能采用分流道平横式布置 以便塑料熔体均衡进料。对微型塑料模具而言 SVR 值较大 热量消散较快 熔体的流动和充填受模具温度 Tm 和注射速度 Vi 影响很大[5] 设计流道时应综合考虑这些因素。
1流道系统
1.1设计概要
流道优化设计的主要要求是尽可能在相同温度和压力下同时把熔融塑料输送到所有微型腔内 同时尽量避免熔体热量损失过快。
流道有两大类 一类是标准流道 冷流道 如图1所示 另一类是热流道。
对于标准流道 冷流道 模具 熔体由主流道进入分流道 再通过浇口进入型腔。通过量测模具温度可掌握熔融塑料在流道侧壁凝固情况。热流道系统在模具内含加热分流板装置 相当于把高温塑料熔体直接注入型腔 [6] 模具制造成本相对较高。笔者仅研究微型塑料模具的标准流道
冷流道 设计。模具温度对熔体的充模流动能力有直接影响。它的选择取决于塑料材料特性和成型工艺条件等。提高模具温度可以改善熔体在模具型腔内的流动性 减小充模压力和塑件中的应力。对于高黏度塑料 由于其流动性较差 充模能力较弱 可采用较高的模具温度 对于黏度较小、流动性好的塑料可采用较低的模具温度。型腔充满后 继续对模内熔体施加保压压力 可使熔体在压力下固化 并在收缩时进行补缩 从而获得完整塑件。不论高黏度还是低黏度塑料 选择恰当的流道尺寸对微小塑件成型是非常重要的。充填过程第二阶段应有适当长保压时间th 以便熔体在型腔内得到较好凝固。这里的模具设计包括塑件造型、型腔数量和布局、流道系统设计等。
1.2流道横截面
常用的3类流道横截面是 圆截面、U 形截面和梯形截面 如图2
所示。
如何选择分流道横截面类型 除了上述讨论的因素之外 尚需考虑SV R 值和E R 值情况[7]。 SV R =S/V [1]
E R =A/C [2]
式中 S 、V 分别是流道系统的表面积和体积 A 、C 分别是流道横截面的面积和周长; E R 是流道效率 E R 值越大 流道效率就越高。对于1mm~3mm这3种尺寸的圆截面和方形截面流道SV R 值和E R 值比较列于表1中。
表1中显示E R 值对不同几何形状无差异 而对截面尺寸变化很敏感E R 随截面尺寸增大而增大SV R 正好相反 随截面尺寸增大而减小。方形截面流道的材料体积比圆截面的增加20%多。低SV R 值情况下 不同流道截面类型对塑件的热变形并无显著影响。圆截面流道的熔体流动阻力最小 热量不容易散失。但从加工方面来考虑 圆截面流道需在动模和定模两边同时开槽并精确对齐组合而成。而U 形和梯形截面可单开在定模或动模一边。U 形和梯形截面较圆形截面热损失大 且塑料材料损耗多[8] 。因此综合起来考虑圆截面相对来说是理想的截面类型。笔者仅对圆截面流道系统 进行研究。对于多型腔微型塑料模具 要实现在保持较高T b 和T m 温度下的快速同步注塑充填 需选择合理的模具温度和设计合理的分流道横截面尺寸。此外塑料材质参数如黏度 η 、切应力 τ 和剪切速率 γ 也都与模具设计有关。通常采用经验公式来估算分流道直径值。现有文献
[9] 提供的经验公式D=0.2654W0.50.25L
式中 W 为塑件重量 L 为流道长度。
该公式可用于设计普通模具时估算流道截面尺寸 而对于微型注塑模的流道截面尺寸设计 应重新仔细研究。
2实验研究
2.1塑件与模具设计制作
为了研究分流道尺寸对熔体流动和微型腔充填过程的影响 本实验设计了一种弹簧状微塑件 由若干个直线段组成 各段长度不同 总长28.5mm 设计制作了3套模具 每套模具开4个微型腔 对称分布 流道平衡设置且均采用圆截面 直径D 分别是1mm 、2mm 和3mm 有关参数列于表2中。
2.2测量
实验中 运用测量手段对熔体流动及充填过程中有关参数实时监测 以确定塑件成型品质与模具 流道尺寸、塑件材料、注塑工艺等因素之间相互关系。流道内压力测量采用微型压电测量圆杆和微型压力传感器 置于动模板流道中央位置。温度测量采用热电偶。在定模板的流道入口和终点处各钻一个孔放置一个热电偶。
2.3塑件材料
实验采用了两种常用的聚合物材料PP 和ABS 。PP 和ABS 的分子结构、分子量、熔融温度、熔体流动指数均不同。实验用PP 材料的熔点为160℃左右 ABS 材料的熔点为120℃左右。实验前预先对这两种塑料进行烘干处理。
2.4实验
实验重点确定在塑料成型过程中熔体充填阶段。微型腔充填效果相当程度上有赖于注射速度和温度的控制。除流道直径尺寸外 还量测记录T b 、T m 、V i 和t h 的变化。对每种材料和每种流道尺寸的模具均做3次实验。3次实验中 对这两种材料的V i 和t h 控制一样 而把
T b
和T m 分为高、中、低温度三档 如表3和表4所示。
熔体温度T b 控制在合适范围内。实验发现，微型注塑模的塑料熔体凝固速度较普通模具快得多。故需适当升高Tm 温度 以使熔融塑料顺利充填入微型腔中。注射速度V i 快一方面可促进熔体充填入型腔 另一方面也会提高熔体剪切率 从而产生剪切热。3次实验中保压时间t h 设定为0.2s 和4s 。实验中测得熔体在模具内的流动长度、温度和P max 等数据 据此可对这3种流道尺寸进行分析评估。
3结果分析
3.1流动长度
两种材料、三套模具熔体流动长度的实验数据记录统计结果如表5、表6所示。
对于1mm 直径流道模具 PP 充填率达100% ABS 最大充填率79.6%。对于2mm 直径流道模具 PP 充填率达100% ABS 最大达88.8%。对于3mm 直径流道模具 两种材料充填率最高达到90% 其中ABS 的最大和最小平均长度差别较大。
3.2温度
对每一次实验 测量流道内温度变化情况以研究与流道尺寸的关系。对于3mm 直径流道 PP 和 ABS 的流道温度均上升 PP 的温度升幅大 最高达22℃。对于2mm 直径流道 PP 和ABS 的温度均
升高，PP 的温度升幅大。最高达36℃。对于1mm 直径流道 PP 的温度略有上升 0~4℃ 。而ABS 的温度略有下降。由此可见，2mm 直径流道最理想。
3.3压力
对每一次实验 测量流道中压力Pmax 与流道尺寸的关系。对于3mm 流道，ABS 的压力Pmax 较PP 大，对于2mm 流，PP 的压力较ABS 大。两种材料的Pmax 随流道直径变小而增大。尤其对PP 流道尺寸从3mm 减到2mm Pmax 增大一倍多。对于1mm 流道 两种材料的Pmax 较前两种尺寸流道均大。从压力角度来看 若要延长模具工作寿命 可增大流道尺寸 因为流道直径增大 压力Pmax 随之降低。而前面流动长度数据中 1mm 和2mm 的流速低但充填率高于3mm 的原因也可能正是在于它们的Pmax 较高一些得缘故。
应表3中的前四阶固有频率 其所对应的竖直位移非常大 钢板弹簧很容易发生断裂 应尽量避免钢板弹簧在其附近工作。
3结束语
基于曲线梁理论提出了一种分析汽车多片钢板弹簧静动态特性的半数值、半解析法 通过考虑片间 摩擦 钢板弹簧计算模型的精度得到了提高。在实际工作过程中 钢板弹簧还将产生大变形 笔者将另文讨论。本文方法不受频率高低的限制 可解决钢板弹簧的高频振动问题 理论严密 计算简便 编程容易 求解精度高 其分析流程及结果可以为钢板弹簧的设计提供重要的理论参考。 4结论
1 PP 和ABS 的流动长度测量结果显示 2mm 流道所具有的S/V比值和剪切热平衡优点对熔体充填较有利。
2 2mm 流道的温度上升幅度最大。对PP 材料 流道内温度变化对熔体充填的影响不明显。1mm 和2mm 流道微型腔充填率可达100% 而3mm 流道不管熔体温度升高多少均达不到100%。另外 PP 材料低粘度特性对温度升降不很敏感。
3 对于微型腔注塑模 塑料材质特性对于流道尺寸选择影响较大。
摘要 为充分发挥模具效能 提高生产力 降低单件成本 生产中经常使用一模多腔模具。优化分 流道设计对模具来说是非常重要的。流道的主要作用是使熔体从喷嘴快速而顺畅地注入模具型腔 内 微小塑件的注塑成型好坏很大程度上取决于流道的优化设计。笔者对微小塑件注塑成型过程 中熔体流动充填过程进行了研究 一模四个微型型腔 分流道系统对称平衡布局 重点研究了熔融
塑料充填过程中流道尺寸大小与温度、压力、保压时间及充填长度之间的关系。
在光通信、计算机数据存储、医疗技术、生物技术、传感器和传动装置、微光学器件、电子和消费类产品 以及设备制造和机械工程等领域中 微注射成型制品呈现快速增长的需求。微小塑件的应用性特点主要在于它的微小性 其中微型化技术促进了微小型产品的快速发展 [1] 。在过去几十年中 人们已经获得了丰富的普通尺寸注塑件生产工艺和技术经验 但这些经验不能完全直接应用于微小注塑件生产[2] 。拿一个任意几何形状的注塑件来说 微小塑件的S/V比值大 S 为塑件表面积 V 为体积 大塑件的S/V比值小 而S/V比值大小会影响熔体对型腔的充填。S/V比值越大 热量扩散相对快 熔融塑料凝固过快 不利于塑件整体成型。微型塑料模具是生产微小塑件的重要技术基础 因此设计制造微型注塑模具时应对普通模具设计方法进行必要调整以适应尺寸变化。
流道是热塑性注塑模具设计最重要的环节之一。要想注塑出一致性好品质塑件产品 一个最主 要条件是以尽可能小变化的温度和压力通过流道输送熔融塑料并同时充满所有型腔。采用何种流道系统是设计的关键所在[3] 。此外 在熔体充填过程中 流道外层料流较内层料流流速低 容易冷却凝固 凝固层越厚 熔体流动越不畅 而热量损失增加。随着流动性下降 流动阻力可导致流道内熔体流动压力增加 [4]。
设计流道时还应考虑流道尺寸和流道容积的关系 尽可能减小流道容积 包括浇注系统的凝料和 飞边 同时尽可能采用分流道平横式布置 以便塑料熔体均衡进料。对微型塑料模具而言 SVR 值较大 热量消散较快 熔体的流动和充填受模具温度 Tm 和注射速度 Vi 影响很大[5] 设计流道时应综合考虑这些因素。
1流道系统
1.1设计概要
流道优化设计的主要要求是尽可能在相同温度和压力下同时把熔融塑料输送到所有微型腔内 同时尽量避免熔体热量损失过快。
流道有两大类 一类是标准流道 冷流道 如图1所示 另一类是热流道。
对于标准流道 冷流道 模具 熔体由主流道进入分流道 再通过浇口进入型腔。通过量测模具温度可掌握熔融塑料在流道侧壁凝固情况。热流道系统在模具内含加热分流板装置 相当于把高温塑料熔体直接注入型腔 [6] 模具制造成本相对较高。笔者仅研究微型塑料模具的标准流道
冷流道 设计。模具温度对熔体的充模流动能力有直接影响。它的选择取决于塑料材料特性和成型工艺条件等。提高模具温度可以改善熔体在模具型腔内的流动性 减小充模压力和塑件中的应力。对于高黏度塑料 由于其流动性较差 充模能力较弱 可采用较高的模具温度 对于黏度较小、流动性好的塑料可采用较低的模具温度。型腔充满后 继续对模内熔体施加保压压力 可使熔体在压力下固化 并在收缩时进行补缩 从而获得完整塑件。不论高黏度还是低黏度塑料 选择恰当的流道尺寸对微小塑件成型是非常重要的。充填过程第二阶段应有适当长保压时间th 以便熔体在型腔内得到较好凝固。这里的模具设计包括塑件造型、型腔数量和布局、流道系统设计等。
1.2流道横截面
常用的3类流道横截面是 圆截面、U 形截面和梯形截面 如图2
所示。
如何选择分流道横截面类型 除了上述讨论的因素之外 尚需考虑SV R 值和E R 值情况[7]。 SV R =S/V [1]
E R =A/C [2]
式中 S 、V 分别是流道系统的表面积和体积 A 、C 分别是流道横截面的面积和周长; E R 是流道效率 E R 值越大 流道效率就越高。对于1mm~3mm这3种尺寸的圆截面和方形截面流道SV R 值和E R 值比较列于表1中。
表1中显示E R 值对不同几何形状无差异 而对截面尺寸变化很敏感E R 随截面尺寸增大而增大SV R 正好相反 随截面尺寸增大而减小。方形截面流道的材料体积比圆截面的增加20%多。低SV R 值情况下 不同流道截面类型对塑件的热变形并无显著影响。圆截面流道的熔体流动阻力最小 热量不容易散失。但从加工方面来考虑 圆截面流道需在动模和定模两边同时开槽并精确对齐组合而成。而U 形和梯形截面可单开在定模或动模一边。U 形和梯形截面较圆形截面热损失大 且塑料材料损耗多[8] 。因此综合起来考虑圆截面相对来说是理想的截面类型。笔者仅对圆截面流道系统 进行研究。对于多型腔微型塑料模具 要实现在保持较高T b 和T m 温度下的快速同步注塑充填 需选择合理的模具温度和设计合理的分流道横截面尺寸。此外塑料材质参数如黏度 η 、切应力 τ 和剪切速率 γ 也都与模具设计有关。通常采用经验公式来估算分流道直径值。现有文献
[9] 提供的经验公式D=0.2654W0.50.25L
式中 W 为塑件重量 L 为流道长度。
该公式可用于设计普通模具时估算流道截面尺寸 而对于微型注塑模的流道截面尺寸设计 应重新仔细研究。
2实验研究
2.1塑件与模具设计制作
为了研究分流道尺寸对熔体流动和微型腔充填过程的影响 本实验设计了一种弹簧状微塑件 由若干个直线段组成 各段长度不同 总长28.5mm 设计制作了3套模具 每套模具开4个微型腔 对称分布 流道平衡设置且均采用圆截面 直径D 分别是1mm 、2mm 和3mm 有关参数列于表2中。
2.2测量
实验中 运用测量手段对熔体流动及充填过程中有关参数实时监测 以确定塑件成型品质与模具 流道尺寸、塑件材料、注塑工艺等因素之间相互关系。流道内压力测量采用微型压电测量圆杆和微型压力传感器 置于动模板流道中央位置。温度测量采用热电偶。在定模板的流道入口和终点处各钻一个孔放置一个热电偶。
2.3塑件材料
实验采用了两种常用的聚合物材料PP 和ABS 。PP 和ABS 的分子结构、分子量、熔融温度、熔体流动指数均不同。实验用PP 材料的熔点为160℃左右 ABS 材料的熔点为120℃左右。实验前预先对这两种塑料进行烘干处理。
2.4实验
实验重点确定在塑料成型过程中熔体充填阶段。微型腔充填效果相当程度上有赖于注射速度和温度的控制。除流道直径尺寸外 还量测记录T b 、T m 、V i 和t h 的变化。对每种材料和每种流道尺寸的模具均做3次实验。3次实验中 对这两种材料的V i 和t h 控制一样 而把
T b
和T m 分为高、中、低温度三档 如表3和表4所示。
熔体温度T b 控制在合适范围内。实验发现，微型注塑模的塑料熔体凝固速度较普通模具快得多。故需适当升高Tm 温度 以使熔融塑料顺利充填入微型腔中。注射速度V i 快一方面可促进熔体充填入型腔 另一方面也会提高熔体剪切率 从而产生剪切热。3次实验中保压时间t h 设定为0.2s 和4s 。实验中测得熔体在模具内的流动长度、温度和P max 等数据 据此可对这3种流道尺寸进行分析评估。
3结果分析
3.1流动长度
两种材料、三套模具熔体流动长度的实验数据记录统计结果如表5、表6所示。
对于1mm 直径流道模具 PP 充填率达100% ABS 最大充填率79.6%。对于2mm 直径流道模具 PP 充填率达100% ABS 最大达88.8%。对于3mm 直径流道模具 两种材料充填率最高达到90% 其中ABS 的最大和最小平均长度差别较大。
3.2温度
对每一次实验 测量流道内温度变化情况以研究与流道尺寸的关系。对于3mm 直径流道 PP 和 ABS 的流道温度均上升 PP 的温度升幅大 最高达22℃。对于2mm 直径流道 PP 和ABS 的温度均
升高，PP 的温度升幅大。最高达36℃。对于1mm 直径流道 PP 的温度略有上升 0~4℃ 。而ABS 的温度略有下降。由此可见，2mm 直径流道最理想。
3.3压力
对每一次实验 测量流道中压力Pmax 与流道尺寸的关系。对于3mm 流道，ABS 的压力Pmax 较PP 大，对于2mm 流，PP 的压力较ABS 大。两种材料的Pmax 随流道直径变小而增大。尤其对PP 流道尺寸从3mm 减到2mm Pmax 增大一倍多。对于1mm 流道 两种材料的Pmax 较前两种尺寸流道均大。从压力角度来看 若要延长模具工作寿命 可增大流道尺寸 因为流道直径增大 压力Pmax 随之降低。而前面流动长度数据中 1mm 和2mm 的流速低但充填率高于3mm 的原因也可能正是在于它们的Pmax 较高一些得缘故。
应表3中的前四阶固有频率 其所对应的竖直位移非常大 钢板弹簧很容易发生断裂 应尽量避免钢板弹簧在其附近工作。
3结束语
基于曲线梁理论提出了一种分析汽车多片钢板弹簧静动态特性的半数值、半解析法 通过考虑片间 摩擦 钢板弹簧计算模型的精度得到了提高。在实际工作过程中 钢板弹簧还将产生大变形 笔者将另文讨论。本文方法不受频率高低的限制 可解决钢板弹簧的高频振动问题 理论严密 计算简便 编程容易 求解精度高 其分析流程及结果可以为钢板弹簧的设计提供重要的理论参考。 4结论
1 PP 和ABS 的流动长度测量结果显示 2mm 流道所具有的S/V比值和剪切热平衡优点对熔体充填较有利。
2 2mm 流道的温度上升幅度最大。对PP 材料 流道内温度变化对熔体充填的影响不明显。1mm 和2mm 流道微型腔充填率可达100% 而3mm 流道不管熔体温度升高多少均达不到100%。另外 PP 材料低粘度特性对温度升降不很敏感。
3 对于微型腔注塑模 塑料材质特性对于流道尺寸选择影响较大。