热流道喷嘴直径的流变学计算
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=(1)
Vi=(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
(3)
式中 n —— 塑料熔体的流动指数;
—— 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℃ 。
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 =700s-1。代入式(3)得
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
(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
(5)
将此式代入(4)式,整理得
(6)
直径d=2r,此式为
(7)
可得喷嘴直径的流变学计算式
(8)
式中,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。
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。
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℃ 的黏度剪切速率流变曲线
对,实际黏度点的线段长(mm)/黏度坐标点间间距(mm)=
lg100= 2 指数运算 2+0.974026=2.974026
获 =102.974026=942Pa•s
对,线段长(mm)/坐标长(mm)=
lg100= 2 指数运算 2+0.292208=2.292208
反对数获 = 102.292208=196Pa•s
3) 由两点的联立方程求解 K 和 n
代入后得
解此方程得 n = 0.318= 0.32
代入方程得 Pa•s
4) 校核后取平均值
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.