材料成型原理第15章.ppt

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第四篇塑性成型及粉末成形的理論基礎(chǔ),第十五章塑性成型的理論基礎(chǔ)第十六章粉末材料成形原理,第十五章塑性成型的理論基礎(chǔ),15-1塑料的基本性質(zhì),塑料的結(jié)構(gòu)：1．聚合材料1)熱塑性塑料(Thermoplasticplastics)2)熱固性塑料(Thermosetplastics)2、長(zhǎng)鏈分子結(jié)構(gòu)3、分子鏈的排列,,乙烯單體與聚乙烯分子（a）單體；（b）聚乙烯分子,,聚乙烯中的支鏈,聚乙烯模型,塑料的基本物理性質(zhì),聚合物的玻璃化溫度是指線型非結(jié)晶聚合物由玻璃態(tài)(硬脆狀態(tài))向高彈態(tài)(橡膠彈性態(tài))、或由后者向前者轉(zhuǎn)變的溫度。當(dāng)溫度低于玻璃化溫度時(shí)，聚合物中的大分子鏈段凝固成堅(jiān)硬的固態(tài)。當(dāng)溫度高于玻璃化溫度時(shí)，大分子鏈段就擁有了足夠的自由活動(dòng)能量，但此時(shí)還不是整個(gè)大分子鏈段在運(yùn)動(dòng)，故表現(xiàn)出來(lái)的還是高彈性橡膠的性質(zhì)，此時(shí)，聚合物中的自由容積會(huì)突然增加。玻璃化溫度主要與聚合物中大分子鍵的柔性有關(guān)。另外，大分子的交聯(lián)、結(jié)晶取向等都會(huì)使升高。,塑料的基本力學(xué)性質(zhì),固態(tài)塑料的第一個(gè)力學(xué)特性是蠕變特性。固態(tài)塑料的第二個(gè)力學(xué)特性是應(yīng)力松弛。固態(tài)塑料的第三個(gè)力學(xué)特性是應(yīng)變速率保持為常數(shù)時(shí)的拉伸特性。,塑料的流變性,不同類型流體的流動(dòng)曲線,不同類型流體粘度與剪切速率的關(guān)系,聚合物熔體的粘性,1、冪律粘度模型2、Cross粘度模型,,,,,15-2注射過(guò)程及塑料熔體在型腔中的流動(dòng),塑料在注塑機(jī)料筒內(nèi)經(jīng)過(guò)加熱、塑化達(dá)到流動(dòng)狀態(tài)后，由模具的澆注系統(tǒng)進(jìn)入模具型腔，其過(guò)程可以分為充模、壓實(shí)、保壓、倒流和冷卻五個(gè)階段。,熔體流經(jīng)流道充模v－螺桿速度p－型腔壓力Ａ－計(jì)量室流量Ｂ－噴嘴流量Ｃ－主流道Ｄ－分流道Ｅ－澆口Ｆ－型腔,,,,,注塑周期中塑料熔體和模具溫度隨時(shí)間的變化曲線1－熔體2－模具溫度,當(dāng)塑料熔體流入型腔時(shí)熔體溫度稍有升高。當(dāng)型腔壓力迅速上升時(shí)熔體溫度也上升到最高值。隨著保壓階段的開始，熔體逐漸冷卻，溫度下降。,塑料熔體在型腔中的流動(dòng),型腔充填過(guò)程可以分為三個(gè)階段，但為了避免和程序注塑中采用的階段相混淆，習(xí)慣上不叫階段，而稱為相。（１）充填相在充填相中，注塑機(jī)的柱塞以穩(wěn)定的速度向前運(yùn)動(dòng)，將塑料熔體注入型腔。充填相一直繼續(xù)到型腔恰好充滿為止。（２）增壓相(或稱壓縮相)在增壓相，注塑機(jī)柱塞仍繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。塑料熔體仍不斷注入型腔，一直到模具承受到一定壓力為止。在增壓相開始時(shí)，塑料熔體己將型腔充滿，柱塞向前運(yùn)動(dòng)的速度也已下降，但仍要向前移動(dòng)一段距離，這是因?yàn)樗芰先垠w有很大的可壓縮性，在此相中約有15％的額外材料在壓力作用下進(jìn)入型腔。（３）補(bǔ)償相塑料由熔態(tài)冷卻至固態(tài)時(shí)體積變化約有25％，而在增壓相最多只補(bǔ)充了約15％的材料，故補(bǔ)償相總是必須的。,充填相流動(dòng)特點(diǎn),充填相的流動(dòng)前沿,前沿區(qū)流速分布示意圖,充填時(shí)的取向和殘余應(yīng)力,,補(bǔ)償相流動(dòng)簡(jiǎn)圖,在補(bǔ)償相中，熔體的流動(dòng)是不穩(wěn)定的，流動(dòng)形態(tài)與河流三角洲的流道很相似,形成這種流動(dòng)圖像的原因有以下幾個(gè)方面。（１）溫度的變化來(lái)自注塑機(jī)料筒的熔體其本身溫度就不均勻，可以測(cè)出，在特殊情況下，此溫差可以達(dá)到約40℃。溫度高的熔體粘度低，流速快，使得更多的熔體流入此高溫區(qū)，造成此區(qū)熔體溫度進(jìn)一步升高，進(jìn)一步促進(jìn)了該區(qū)域的流動(dòng)，最后形成了類似河流三角洲的圖像。（２）熔體內(nèi)部溫度的不穩(wěn)定性若熔體中某一部分較其余部分溫度稍高，則該部分就會(huì)因粘度低而流速高，這樣就會(huì)將更多的熔體帶入該區(qū)，使該區(qū)得以維持較高的溫度、較低的粘度和較快的流速。因?yàn)楹拥劳馊垠w大塊的溫度較河道中熔體的溫度低，因而會(huì)先于流道中熔體而凝固并收縮。而河道內(nèi)熔體不但溫度稍高，取向和收縮率亦大，冷卻凝固時(shí)受到已凝固的河道外材料的限制而形成拉伸殘余應(yīng)力，而河道外材料則形成壓縮殘余應(yīng)力，這種不均勻收縮而造成的殘余應(yīng)力也是造成制品翹曲的重要原因之一。,15-3注塑制品中的取向,注塑件厚度取向變化情況,等溫條件下剪應(yīng)力沿厚向的變化非等溫條件下厚向取向分布,松弛前后取向沿厚向的分布,注塑件流動(dòng)前沿為零級(jí)黑，表示流動(dòng)前沿?zé)o取向；從流動(dòng)前沿出發(fā)．逆流而上，取向級(jí)別逐漸升高，至澆口前一定距離處達(dá)列最大，之后，取向級(jí)別又逐漸降低。,15-4注塑制品中的殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力(Residualstress)可以定義為無(wú)外力作用下存在于物體內(nèi)部任意點(diǎn)的局部應(yīng)力。殘余應(yīng)力所產(chǎn)生的合力或力矩必須為零。,流動(dòng)殘余應(yīng)力流動(dòng)應(yīng)力主要出現(xiàn)于型腔充填階段，保壓對(duì)流動(dòng)應(yīng)力只起到補(bǔ)充作用。注塑時(shí)，熔體中的高應(yīng)變速率引起了剪應(yīng)力和第一、第二正應(yīng)力差。,熱殘余應(yīng)力,15-5塑料熔體的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象與缺陷,一、翹曲翹曲(Warp)是塑料制品的一個(gè)主要缺陷，大型薄壁精密注塑件的翹曲問(wèn)題更加突出，造成注塑制品翹曲的原因很多，主要有收縮不均勻，結(jié)晶度不均勻，冷卻不均勻，過(guò)度充填等四個(gè)方面。,矩形注塑板的翹曲注塑制品厚度不同引起的不均勻收縮,冷卻不均引起的翹曲,過(guò)度充填,過(guò)度充填(Overfilling)是引起制品翹曲的最常見的原因之一。過(guò)度充填是由于流動(dòng)不平衡所引起的。在型腔充填過(guò)程中，熔體總是首先流向最容易流動(dòng)的部位，因此，當(dāng)型腔中的某一區(qū)域較其余區(qū)域更容易流入時(shí)，熔體將首先充滿此區(qū)域。由于塑料熔體是高度可壓縮的，故在熔體充填其余區(qū)域的同時(shí)，將以逐漸降低的流速繼續(xù)充填易流入?yún)^(qū)，使此區(qū)域密度加大，取向水平提高，這種情況稱為過(guò)度充填。遭受過(guò)度充填的區(qū)域收縮率升高，使整個(gè)制品中各區(qū)域收縮率不同而引起翹曲。,過(guò)度充填實(shí)例,快車道效應(yīng),快車道效應(yīng)實(shí)例,注射速度的影響,截面厚度不同時(shí)注射速度對(duì)充填性的影響,當(dāng)制品壁厚有明顯差異時(shí)，熔體將首先充填厚壁，同時(shí)到達(dá)薄壁，并可能在薄壁處滯留、損失熱量并凝固。厚壁充滿后，全部壓力作用于充填薄壁。然而，由于薄壁處已經(jīng)凝固，故仍有充填不滿的危險(xiǎn)。改變注射速度或提高熔體和模具溫度可以改善這種情況。,潛流效應(yīng),采用多澆口充填型腔時(shí)，來(lái)自不同澆口的熔體相互匯合，可能造成流動(dòng)的停滯和轉(zhuǎn)向。,注塑充填時(shí)，理想的流動(dòng)情況是簡(jiǎn)單流動(dòng)，即具有平直前沿、流動(dòng)方向和流動(dòng)速度不變的流動(dòng)。復(fù)雜流動(dòng)往往會(huì)降低制品質(zhì)量，故澆口數(shù)量的選擇和布置以及確定澆注系統(tǒng)截面尺小等，目的都是希望得到簡(jiǎn)單流動(dòng)圖像。,潛流效應(yīng),熔接線與熔合線,（a）熔接線；（b）融合線流動(dòng)前沿相遇時(shí)形成的熔接線和融合線,熔合線與熔接線類似，只是相互熔合的流動(dòng)前沿是平行運(yùn)動(dòng)，而不是迎頭相遇,凹痕制品截面若有明顯的局部變化，如存在肋骨、凸條或凸出部等，都可在制品對(duì)應(yīng)的表面見到凹陷痕跡。凹陷痕跡是熱收縮所造成的，并且在材料愈多的部位愈明顯。采用高保壓壓力并不能消除凹陷痕跡，與此相反，采用低保壓壓力卻能獲得較好效果。,熱引起的不穩(wěn)定流動(dòng),圖15-26凹陷痕跡圖15-27熱引起的不穩(wěn)定流動(dòng),當(dāng)兩個(gè)相同型腔溫度相同時(shí)，造成不穩(wěn)定流動(dòng)的原因可簡(jiǎn)述如下，若型腔B后充滿，則因熱量來(lái)不及從型腔B表面散失，故溫度稍高于先被充滿的型腔A，下次注塑時(shí)熔體就會(huì)首先充滿型腔B，后充滿型腔A，這樣又會(huì)使得型腔A的溫度稍高于型腔B，再下一次注塑時(shí)就首先充滿型腔A，這樣就形成了始終如一的不穩(wěn)定流動(dòng)。,