摘要: 介紹塑料注射模熱流道系統(tǒng)的噴嘴直徑的流變學(xué)計算。舉例說明噴嘴直徑計算過程。還陳述了流變學(xué)計算數(shù)據(jù)獲取方法。

      近年來，模具設(shè)計師越來越多地應(yīng)用熱流道技術(shù)。噴嘴的選用，有種類的選擇和噴嘴流道直徑確定的兩方面。噴嘴流道的較小傳輸截面積，會使流道中的壓力損失增大。在一定的注射壓力下，使注射到型腔的熔料因充模壓力過低，而達不到所需的充模速率。會影響注塑件質(zhì)量，甚至使型腔不能充滿。較大的截面面積將會增加澆注系統(tǒng)用料和能量損耗，增加熔體塑料在高溫流道和噴嘴中的渡過時間。本文介紹用流變學(xué)原理和方法，計算確定噴嘴流道直徑。

1. 噴嘴直徑 

      以合理的剪切速率，又考慮塑料熔體的黏度，計算確定熱流道系統(tǒng)的噴嘴流道直徑。計算公式源于塑料流變學(xué)，依據(jù)各種塑料熔體的非牛頓性能，可獲得正確的結(jié)果。

1.1  噴嘴直徑計算式

      熱流道系統(tǒng)的噴嘴內(nèi)徑尺寸，由材料的流動指數(shù) n 、剪切速率以及注射的體積流量共同決定。此流量 qi 為噴嘴注入下游型腔的體積流量，可由該噴嘴射出注射量和注射時間計算

式中     q_i —— 分流道的體積流量，cm3/s；

             t —— 對下游型腔的充模時間，s；

            V_i —— 單個噴嘴的注射量，cm3；

            V —— 注塑模型腔的總體積，cm3；

            N —— 流道分叉數(shù)。

      在澆注系統(tǒng)的圓管流道中，各截面的熔體充模時間 t是相同的。在已知以上數(shù)據(jù)的情況下，按剪切速率確定噴嘴內(nèi)流道直徑，可由以下流變學(xué)公式計算得

  （3）

式中   n —— 塑料熔體的流動指數(shù)；

          —— 塑料熔體的合理剪切速率，1/s。

1.2  應(yīng)用示例

      圖 1 所示貯物箱，箱體面積 540×210mm，高220mm，壁厚 3～4mm 。箱體用 3640cm3 的 ABS 塑料注射成型。本公司設(shè)計和制造了此注塑模的熱流道系統(tǒng)。有四個 BS32050 型號頂管式的，澆口在模板的噴嘴。噴嘴的總長 102mm，管徑 16mm 。圖 1 為澆注系統(tǒng)設(shè)置為保溫的熱流道，做的流動分析。6.056s 是塑料熔體總體積充滿時的狀態(tài)。其中熱流道中熔體的流動充模時間在 5s 之內(nèi)。用 Lanxess 公司的 Lustran ABS 1146 物料，熔體溫度 260℃ 。

圖1  箱體的四噴嘴熱流道系統(tǒng)

      每個噴嘴的射出量為 910cm3 。由總注射量 3640cm3，查表 1 得可行的充模時間 t=4.8s 。得流經(jīng)噴嘴流量 q_i=190cm3/s。由分析軟件提供的此塑料品種流變曲線，獲知塑料熔體的流動指數(shù) n=0.32 。又按表 2，開放式多噴嘴，較大流量下應(yīng)具有合理的剪切速率 =700s-1。代入式（3）得

      考慮到注射生產(chǎn)時，還充許調(diào)節(jié)注射充模和剪切速率。且歸整到噴嘴直徑的系列尺寸。故用流道直徑為 16mm 的多噴嘴。

2. 計算式推導(dǎo)

      上式（3）是由非牛頓流體在圓管道中的流量q計算式推導(dǎo)而得。見徐佩弦編著《高聚物流變學(xué)及其應(yīng)用》(北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003)中的(4-5)式

 （4）

式中，Dp是對于半徑 r 圓管，長 L 時的壓力降。K 是塑料熔體在某溫度和一定剪切速率下的稠度。n 為流動指數(shù)，也稱非牛頓流動指數(shù)。稠度和黏度的單位相同，常用 Pa?s ；為運算方便，也有用 N?s/cm2。

其中，管壁的剪切速率為

 （5）

將此式代入（4）式，整理得

 （6）

直徑d=2r，此式為

 （7）

可得噴嘴直徑的流變學(xué)計算式

 （8）

式中 ，可換算成式（3）。

3. 計算參數(shù)

3.1  充模時間的確定

      熱流道噴嘴是熱流道系統(tǒng)的終端，它將熔料輸送到模具型腔或附加的冷流道。在噴嘴直徑的計算過程中，模具型腔總體積 V 通過以[敏感詞]射量和時間的關(guān)系確定注射時間 t。該注射時間t是根據(jù)注射機螺桿的常規(guī)推進速率。即注射機具有中等注射速率時，相對應(yīng)的注射充模時間。表 1 是注塑機常規(guī)注塑速率下，對應(yīng)的充模時間和公稱注射量關(guān)系。大量工程計算證明，此方法能正確確定澆注系統(tǒng)流道中熔料的充模流量。也能適應(yīng)注射機操作對充模速率的調(diào)節(jié)。

      V ——注射量，cm3；

      t ——注射時間，s。

      計算機程序運行中，充許對此默認時間值進行修改。

3.2  合理的剪切速率

      大量的注射成型的實驗和計算機模擬數(shù)據(jù)證明，澆注系統(tǒng)各流程，從主流道、各分流道到噴嘴內(nèi)徑，存在合理的剪切速率的范圍，見表 2 所示。塑料熔體有較高的黏度，較高溫度下黏度較低些。塑料熔體另一個特性是非牛頓性，有“剪切變稀”的現(xiàn)象。在圓管中剪切流動時，剪切速率愈高，熔體的黏度下降明顯。而剪切速率主要與流道截面內(nèi)的體積流量有關(guān)。因此，熱流道系統(tǒng)上游的主流道噴嘴、中游的各分流道，下游的分噴嘴，有不同的合理的剪切速率范圍。有利于降低黏度，減小沿程的壓力損失，保證對成型型腔成功充填。

3.3  塑料熔體流變數(shù)據(jù)稠度 K 和指數(shù) n 獲知方法

      這里，用 Lanxess 公司的 Lustran ABS 1146 物料，介紹獲知塑料熔體流變參量稠度K和指數(shù) n 方法和步驟。

1) 對于 260℃ 的黏度剪切速率流變曲線

2) 讀剪切速率對應(yīng)的黏度值

對，實際黏度點的線段長（mm）/黏度坐標(biāo)點間間距(mm)= 

  lg100= 2    指數(shù)運算   2+0.974026=2.974026

獲             =102.974026=942Pa?s

對，線段長（mm）/坐標(biāo)長(mm)= 

 lg100= 2     指數(shù)運算   2+0.292208=2.292208

反對數(shù)獲             = 102.292208=196Pa?s

3) 由兩點的聯(lián)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《熱流道注射模塑》(見參考文獻1)書中表 3-2，“一些國外生產(chǎn)塑料的表觀稠度 K' 和流動指數(shù) n”，有 76 種常用塑料的 K' 和 n，是用上述方法計算所得。表觀 K' 和真實稠度 K 之間的偏差很小，在工程計算時可以忽略。

4. 結(jié)束語

      以上計算方法及相關(guān)數(shù)據(jù)，與注射充模流動分析軟件相互配合操作，科學(xué)地確定噴嘴流道直徑。保證設(shè)計和生產(chǎn)的熱流道系統(tǒng)的流道板和噴嘴的質(zhì)量。