外文翻譯--熱塑性塑料注射模中焊縫形成的流體分析-13頁[英文為PDF]【中英文文獻譯文】,英文為PDF,中英文文獻譯文,外文,翻譯,塑性,塑料,注射,焊縫,形成,構(gòu)成,流體,分析,13,英文,pdf,中英文,文獻,譯文 中南大學學士學位論文 附錄二 相關(guān)英文資料翻譯 熱塑性塑料注射模中焊縫形成的流體分析 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// T. Nguyen-Chung 開姆尼斯科技大學, 09107 開姆尼斯,德國 電子郵件:tham.nguyen.chung@mb.tu-chemnitz.de //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 摘要：模擬鑄型型腔的填充，可以研究流體正面沖突時焊縫的形成。用熱流變學結(jié)論來研究焊縫缺陷形成原因。 通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，相互擴散不足的臨界面和不恰當?shù)姆肿尤∠虬l(fā)生在已完成部分表面附近。焊縫缺陷的主要成因是由于V形槽口的存在。槽口是填充結(jié)束時高分子取向造成極大壓縮，造成與之相關(guān)的表面接觸不良。經(jīng)驗證實，與全局工藝過程條件相比，焊縫對局部流動狀況更為敏感。熔化溫度和注模溫度被認為是影響焊縫強度的最大的兩個因素。 關(guān)鍵詞：聚合體 注塑模 熱塑性塑料 焊縫 模擬 緒論：在鑄型填充的過程中，兩股單獨的熔化流重新結(jié)合而形成焊縫。這是由于通過多重閥門的注射流或者由于障礙周圍的流體影響而產(chǎn)生的。這兩種主要的焊縫通常有很大的區(qū)別。低溫或淤塞型焊縫是由不包括額外流程的兩片熔化區(qū)域正面沖擊后產(chǎn)生的。高溫或流動型焊縫于兩股熔流橫向相融后繼續(xù)流動的過程中。由于焊縫經(jīng)常導致機械強度的下降和（或）注模部分劣質(zhì)的光學表面的出現(xiàn)。現(xiàn)在有許多的調(diào)查研究旨在找出鑄造過程條件對焊縫的影響：首先，Malguarnera和Manisal（1981）測量了幾種類型聚合物的焊縫強度，發(fā)現(xiàn)熔化溫度和鑄模溫度對焊縫強度有驚人的影響。Criens和Mosle （1983）用一個有孔的機械制盤研究了鑄摸設計和處理參量的影響。他們發(fā)現(xiàn)溫度影響因聚合體不同而有所改變。Kim和Suh（1986年）證明不斷上升的溫度可導致焊縫強度的退化。同時他們也研究注射壓力，注射速度，持續(xù)時間和持續(xù)壓力，但這些因素影響并不大。最近，Liu et al.(2000)依據(jù)Taguch的方法設計實驗，再次顯示熔化溫度和鑄造溫度是影響鑄造熱塑性塑料中焊縫的主要因素。同時也應該注意到焊縫的敏感度不僅取決于材料屬性和處理條件，同時也與應用的測驗方法有關(guān)。 盡管在文獻材料上，焊縫的機械缺陷可以通過以下內(nèi)容來說明：（1）聚合分子漫射不足（2）接口處不適宜分子定向（3）鑄模注射部分V形槽口的形成。而這些因素相互關(guān)系卻知之甚少。Kim和Suh（1986年）分別分析了第一和第二因素，并綜合預測了焊縫強度。在他們對漫射過程的研究方法中，忽略了穿越厚度部分的溫度梯度。并弄清楚了V形槽口的結(jié)構(gòu)及它對注射鑄模聚苯乙烯強度的影響。他們測量表面被磨的狗骨頭實驗樣品的張力強度。結(jié)果表明：V形槽口是由于表面附近接觸不良引起的，而非表面上細微壁槽。同樣也應注意到V形槽口也可歸結(jié)于冷卻期間在接口和流體正面間體積收縮的空氣。到目前為止，焊縫模型實驗主要集中在預測焊縫位置和研究熱流變力學對已測焊縫的影響，決大部分的模擬都只是基于壓力下降公式，而不能給出流體的前沿信息。關(guān)于整個流體研究的歷史至今也只有為數(shù)不多的文獻是關(guān)于焊縫形成的。Wei et al，假設這種運動是接近與類似Carreau的稀釋流體，計算出這種壓力是由一種黏彈性熔化物在流過障礙物時表現(xiàn)出來的。這種計算表明這種高度方形的焊接口圍繞是順流的定向分子值。這是用熱力變力學觀察方法得到證實了的。Mavidis et al(1981年)依據(jù)牛頓流體理論，模擬了流體撞擊情況，指出處于“停滯”聚合體方向主要由相撞前的流體決定。最近，Nguyen-Chung et.al(1998年)研究了障礙物后的流體的機械性，弄清了熔化體的熱流時間對焊縫的影響。本篇論文旨在說明兩流體正面撞擊形成焊縫等溫的模擬。用這種方法，依據(jù)流體歷史和熱流變學有關(guān)的焊縫缺陷及相互關(guān)系，整體上有助于我們對焊縫形成有一個更好的理解。 模擬仿真：模擬實驗是用粘滯流體從兩端充滿矩形母模來實現(xiàn)的，如圖1。為考慮對稱性，空洞容器的1/4制成二維幾何體形，忽略重力和表面壓力，即假定自由表面是平的。流體處于靜止狀態(tài)。質(zhì)量，沖量和能量守恒在一個不可壓縮的流體中可表示如下： （1） （2） （3） 此處t，υ，T，p，τ，γ，ρ，cp ，λ表示時間，速度向量，溫度，流水靜力壓，偏壓力張量，張量變形率，密度，比和熱傳導性。 作為廣義牛頓流體理論中的基本量，張量密度彈性率可用于： （4） 考慮到Bird-Carreau模式中的粘滯率，有 （5） Arrhenius模式中溫度作為一個相關(guān)溫度T0 （6） 圖1：矩形母模填充模擬中，原態(tài)（頂部）和邊界條件（底部） 表一： 參數(shù) 值 融化溫度TF 503 °K 鑄溫TW 333 °K 進口速度V0 0.1m/s 下面的限制條件完善了問題的結(jié)論：在入口處，熔液速率和溫暖度是恒定的。矩形壁上滑度為零且鑄模溫度恒定（表格1）。在對稱線上，采用相應的條件在液面上，牽引力為零且穿過液面熱量忽略不計。 運用FIDAP編碼（Flent 1998年），Galerkin有限元方法可以解釋連貫性，動力，能量守恒，而這些是被標準程序所離散的，即用一種固定公式，在這公式中，壓力內(nèi)插在比速率和溫度更弱的次序。這些自由表面可用VOF方法跟蹤固定網(wǎng)孔。（Hirt and Hichols 1981年）。另外一個方程式可以用這個控制流動的方程式解釋。 （7） 由此，F(xiàn)是確定物質(zhì)密度的函數(shù)。在流體領(lǐng)域的加載部位F有單一值，流體外面為0。在自由表面本身這個函數(shù)值介于0和1之間。聚苯乙烯165H（由BASF提供，德國路德維希港）作為原料被使用，熱變流物性和粘性模型系數(shù)如表格2所示： 表2，聚苯乙烯的物性： 物性 值 熔點 503 °K 熱量 1968 J/kgK 導熱性系數(shù) 0.14 W/mK 零切口速率 3760 Pas 時間常量 0.15 s 能量定律系數(shù) 0.23 圖2：流體正面情況 如圖2所示，不同時候的流體正面情況表明焊縫是產(chǎn)生在與壁相連的空穴中，而這種結(jié)果與料想的相同。在圖3中，可以觀察到特殊物質(zhì)所決定的軌跡處于流體的正面。最初的流動面和焊縫位置之間的距離足夠大以至流體正面在焊縫形成之前已充分形成和發(fā)展?？梢?，焊縫是由來自空穴中央的物質(zhì)成分構(gòu)成的。在空穴中央，這些物質(zhì)最初沒有形成大的變形。只有在平流變成流體面的過程中，變形才產(chǎn)生，然而那時一個特例。總的來說，焊縫變形主要歸因于局部流體的狀態(tài)。 圖3：特殊物質(zhì)所決定的軌跡處于流體的正面 在接口處，物質(zhì)成分改變了流向，同時朝著厚度方向移動。此時，內(nèi)部彌漫產(chǎn)生。在凸模中，凝固溫度以上的接觸時間比外部區(qū)域時間要長，以致更長的內(nèi)部彌散可以發(fā)生。相比之下，在靠近壁的流體層上接觸時間很短。因為物質(zhì)成分一到壁面就被凝固而沒有與其配對物接觸的機會。這些由于焊接不良導致的結(jié)果是Tomari et al 于1990年發(fā)現(xiàn)的。 圖4：圓形體積元素的毀壞 人們通常用跟蹤很多物質(zhì)（均被置于同一直線）的方法來研究分子取向(Coyle et al. 1987)。然而，這種方法并不能區(qū)分取決于觀察時間的絕對變形和作為分子取向測量手段的相對變形。在實際實驗中，要跟蹤幾組物質(zhì)要素，每組形成一個環(huán)流并最初位于平流前面，如圖4。通過比較不同時候的環(huán)流的變形和熔體的相對變形，可以看到因分子取向而形成流體變化的發(fā)展。這又一次表明焊縫的方向性是沿著接口處的局部變形，而不是流體前部的整體變形。以前，Mavridis et al(1988年)也認識到在流體前端表面有極為明顯的張力變形。而這種變形會導致對壁的流體垂直。作者們也依此類推出撞擊流至平面停滯流（即被成為“流體”）。然而，在同一文獻中，Mavridis et al(1988年)比較了流體前頭物質(zhì)束的張力和焊縫中的張力，并且認識到這是大的流體而導致了擊流。而這很大程度上形成了焊縫注射模部分的方向異性。這個假定是不正確的。由于不同跟蹤時間是相對性的，也即物質(zhì)要求相對流中被跟蹤的時間要長。事實表明，如圖4中表明的，在鑄壁中高度變形產(chǎn)生了明顯偏離焊縫的分子取向。當這兩股流相遇時，沿著焊縫的張力被認為是引起沿壁分子垂直取向的主要原因。而且，最大的張伸率發(fā)生在靠近母模表面的地方，就在型腔被完全填滿前，如圖5；在凸模上張伸率一直都處于較低的水平，象一個穩(wěn)定的平面張伸流體。 圖5 型腔充滿前最大張伸率沿焊縫方向 朝向壁面形成的不斷增加的張伸率是由于不斷增加的速率，這是由于當初均量流速恒定時，小的有效空穴仍是最后被填充的部分，如圖6。由于局部的流體狀態(tài)，在空穴表面附件可形成高度垂直面的分子取向，而這空穴表面因此成為了焊縫區(qū)最敏感部位 圖6小的有效空穴仍是最后被填充的部分 ………… 結(jié)論：關(guān)于焊縫缺陷的經(jīng)驗知識被模擬結(jié)果證實?？梢?，焊縫接口的臨界面存在于表面附近的完成部分。焊縫缺陷來源似乎是由于V形槽口的存在。首先，這是接觸不良的結(jié)果，因為沒有足夠的時間使聚合體憤怒子擴散。其次，高分子定向在槽壁周圍產(chǎn)生極大收縮，大部分在焊縫處排列成線。這也是產(chǎn)生V形槽口的另一個因素?？傊?，焊縫缺陷的產(chǎn)生，與整體條件相比，對局部條件更為敏感。因此，正如所預料的，熔化和鑄造溫度可視為影響焊縫強度的兩個重要因素。而且，象局部加熱諸如“推—拉”的插切口的機械技術(shù)，這兩種可能性也直接影響局部狀況，而這對焊縫強度的增加是有效的。 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 致謝： 研究過程中得到DFG(Deutsche Forschungsgemeinschaft)的大力經(jīng)濟援助，作者對此深表感謝。 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 參考文獻 Bird RB, Armstrong RC, Hassager O (1977) Dynamics of polymeric liquids,vol 1. Wiley, New York Coyle DJ, Blake JW, Macosko CW (1987) The kinematics of fountain flow in mold filling. AIChE J 33:1168–1177 Criens RM, Mosle′ HG (1983) The influence of knit-lines on the tensile properties of injection molded parts. Polym Eng Sci 23:591–598 Fellahi S, Meddad A, Fisa B, Favis BD (1995) Weldlines in injection-molded parts: a review. Adv Polym Technol 14(3):169–195 Fluent, Inc. (1998) FIDAP 8 theory manual Hagerman EM (1973) Weld-line fracture in molded parts. Plast Eng 29(10):67–69 Haufe A, Ku¨ hnert I, Mennig G (1999) Zum Einflu? stro¨ mungsinduzierter Fehlerstellen auf das Versagensverhalten in spritzgegossenen Kunststoffbauteilen. Gummi Fasern Kunststoffe 52(5):354–357 Hirt CW, Nichols BD (1981) Volume of fluid (VOF) method for the dynamics offree boundaries. J Comput Phys 39:201–225 Kim S-G, Suh NP (1986) Performance prediction of weldline structure in amorphous polymers. Polym Eng Sci 26(17):1200–1206 Liu S-J, Wu J-Y, Chang J-H (2000) An experimental matrix design to optimize the weldline strength in injection molded parts. Polym Eng Sci 40(5):1256–1262 Malguarnera SC, Manisali A (1981) The effects of processing parameters on the tensile properties of weld lines in injection molded thermoplastics. Polym Eng Sci 21(10):586–593 Mavridis H, Hrymak AN, Vlachopolos J (1988) Transient free-surface flows in injection mold filling. AIChE J 34(3):403–410 Nguyen-Chung T, Mennig G (2001) Nonisothermal transient flow and molecular orientation during injection mold filling. Rheol Acta 40(1):67–73 Nguyen-Chung T, Plichta C, Mennig G (1998) Flow disturbance in polymer melt behind an obstacle. Rheol Acta 37(3):299–305 Piccarolo S, Saiu M (1988) Knit-line structure in the injection molding of polystyrene. Plast Rubber Proc Appl 10:11–16 Selde′ n R (1997) Effect of processing on weld line strength in five thermoplastics. Polym Eng Sci 37(1):205–217 Tadmor Z (1974) Molecular orientation in injection molding. J Appl Polym Sci 18:1753–1772 Tomari K, Tonogai S, Harada T, Hamada H, Lee K, Morii T, Maekawa Z (1990) The V-notch at weld lines in polystyrene injection moldings. Polym Eng Sci 30(15):931 Wei KH, Nordberg ME III, Winter HH (1987) Simulation of planar welding flows: part 2. Strain history, stress calculation, and experimental comparison. Polym Eng Sci 27(18):1390–139