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,第十五章塑性成型的理論基礎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,15-1塑料的基本性質,塑料的結構：1．聚合材料1)熱塑性塑料(Thermoplasticplastics)2)熱固性塑料(Thermosetplastics)2、長鏈分子結構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,聚合物的玻璃化溫度是指線型非結晶聚合物由玻璃態(tài)(硬脆狀態(tài))向高彈態(tài)(橡膠彈性態(tài))、或由后者向前者轉變的溫度。當溫度低于玻璃化溫度時，聚合物中的大分子鏈段凝固成堅硬的固態(tài)。當溫度高于玻璃化溫度時，大分子鏈段就擁有了足夠的自由活動能量，但此時還不是整個大分子鏈段在運動，故表現(xiàn)出來的還是高彈性橡膠的性質，此時，聚合物中的自由容積會突然增加。玻璃化溫度主要與聚合物中大分子鍵的柔性有關。另外，大分子的交聯(lián)、結晶取向等都會使升高。,塑料的基本力學性質,固態(tài)塑料的第一個力學特性是蠕變特性。固態(tài)塑料的第二個力學特性是應力松弛。固態(tài)塑料的第三個力學特性是應變速率保持為常數(shù)時的拉伸特性。,塑料的流變性,不同類型流體的流動曲線,不同類型流體粘度與剪切速率的關系,聚合物熔體的粘性,1、冪律粘度模型2、Cross粘度模型,,,,,15-2注射過程及塑料熔體在型腔中的流動,塑料在注塑機料筒內經(jīng)過加熱、塑化達到流動狀態(tài)后，由模具的澆注系統(tǒng)進入模具型腔，其過程可以分為充模、壓實、保壓、倒流和冷卻五個階段。,熔體流經(jīng)流道充模v－螺桿速度p－型腔壓力Ａ－計量室流量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間的變化曲線1－熔體2－模具溫度,當塑料熔體流入型腔時熔體溫度稍有升高。當型腔壓力迅速上升時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,型腔充填過程可以分為三個階段，但為了避免和程序注塑中采用的階段相混淆，習慣上不叫階段，而稱為相。（１）充填相在充填相中，注塑機的柱塞以穩(wěn)定的速度向前運動，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，注塑機柱塞仍繼續(xù)向前運動。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，塑料熔體己將型腔充滿，柱塞向前運動的速度也已下降，但仍要向前移動一段距離，這是因為塑料熔體有很大的可壓縮性，在此相中約有15％的額外材料在壓力作用下進入型腔。（３）補償相塑料由熔態(tài)冷卻至固態(tài)時體積變化約有25％，而在增壓相最多只補充了約15％的材料，故補償相總是必須的。,充填相流動特點,充填相的流動前沿,前沿區(qū)流速分布示意圖,充填時的取向和殘余應力,,補償相流動簡圖,在補償相中，熔體的流動是不穩(wěn)定的，流動形態(tài)與河流三角洲的流道很相似,形成這種流動圖像的原因有以下幾個方面。（１）溫度的變化來自注塑機料筒的熔體其本身溫度就不均勻，可以測出，在特殊情況下，此溫差可以達到約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)熔體溫度進一步升高，進一步促進了該區(qū)域的流動，最后形成了類似河流三角洲的圖像。（２）熔體內部溫度的不穩(wěn)定性若熔體中某一部分較其余部分溫度稍高，則該部分就會因粘度低而流速高，這樣就會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。因為河道外熔體大塊的溫度較河道中熔體的溫度低，因而會先于流道中熔體而凝固并收縮。而河道內熔體不但溫度稍高，取向和收縮率亦大，冷卻凝固時受到已凝固的河道外材料的限制而形成拉伸殘余應力，而河道外材料則形成壓縮殘余應力，這種不均勻收縮而造成的殘余應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,注塑件流動前沿為零級黑，表示流動前沿無取向；從流動前沿出發(fā)．逆流而上，取向級別逐漸升高，至澆口前一定距離處達列最大，之后，取向級別又逐漸降低。,15-4注塑制品中的殘余應力,殘余應力(Residualstress)可以定義為無外力作用下存在于物體內部任意點的局部應力。殘余應力所產(chǎn)生的合力或力矩必須為零。,流動殘余應力流動應力主要出現(xiàn)于型腔充填階段，保壓對流動應力只起到補充作用。注塑時，熔體中的高應變速率引起了剪應力和第一、第二正應力差。,熱殘余應力,15-5塑料熔體的復雜流動現(xiàn)象與缺陷,一、翹曲翹曲(Warp)是塑料制品的一個主要缺陷，大型薄壁精密注塑件的翹曲問題更加突出，造成注塑制品翹曲的原因很多，主要有收縮不均勻，結晶度不均勻，冷卻不均勻，過度充填等四個方面。,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,過度充填,過度充填(Overfilling)是引起制品翹曲的最常見的原因之一。過度充填是由于流動不平衡所引起的。在型腔充填過程中，熔體總是首先流向最容易流動的部位，因此，當型腔中的某一區(qū)域較其余區(qū)域更容易流入時，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，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，這種情況稱為過度充填。遭受過度充填的區(qū)域收縮率升高，使整個制品中各區(qū)域收縮率不同而引起翹曲。,過度充填實例,快車道效應,快車道效應實例,注射速度的影響,截面厚度不同時注射速度對充填性的影響,當制品壁厚有明顯差異時，熔體將首先充填厚壁，同時到達薄壁，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。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,采用多澆口充填型腔時，來自不同澆口的熔體相互匯合，可能造成流動的停滯和轉向。,注塑充填時，理想的流動情況是簡單流動，即具有平直前沿、流動方向和流動速度不變的流動。復雜流動往往會降低制品質量，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單流動圖像。,潛流效應,熔接線與熔合線,（a）熔接線；（b）融合線流動前沿相遇時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前沿是平行運動，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，都可在制品對應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,圖15-26凹陷痕跡圖15-27熱引起的不穩(wěn)定流動,當兩個相同型腔溫度相同時，造成不穩(wěn)定流動的原因可簡述如下，若型腔B后充滿，則因熱量來不及從型腔B表面散失，故溫度稍高于先被充滿的型腔A，下次注塑時熔體就會首先充滿型腔B，后充滿型腔A，這樣又會使得型腔A的溫度稍高于型腔B，再下一次注塑時就首先充滿型腔A，這樣就形成了始終如一的不穩(wěn)定流動。,