第四章注射工艺的基础注射过程是一个周期性循环过程，每个循环内要完成模具关闭， 充填，保压，冷却，模具打开，顶出等操作.其中，注射（熔体填 充），保压和冷却是关系到能否顺利成型的三个关键环节.然而熔体 的流动行为和填充特性又和填充的压力，速度和熔体的温度密切相 关，了解熔体的流动行为等相关特性，对于设计整个注射工艺意义 重大.本章主要讨论注射过程（设计注射，保压和冷却）涉及的有关 概念.第一节注射过程中的压力注射过程中的压力分布注射压力是由注射系统的油压提供的.油缸的压力通过注射机螺 杆传递到塑料熔体上，塑料熔体在压力的推动下，经注射机的喷嘴 进入模具的竖流道（对于部分模具来说也是主流道），主流道，分流 道，并经浇口进入模具型腔，这个过程即为注射过程，或者称之为 填充过程.压力的存在是为了克服熔体流动过程中的阻力，或者反 过来说，流动过程中存在的阻力需要注射机的压力来抵消，以保证 充填过程.既然压力是克服熔体流动阻力的驱动力，那么压力或者说是流动 阻力在整个流动路径上的分布情况究竟为何？什么地方压力损失最大，什么地方压力和大气压相等？假如沿着熔体流动经过的路径， 安装若干个压 力传感器，那 么可以得到沿 着整个流动路 径上熔体压力 的分布情况. 如图所示.图1压力沿着浇注系统和模腔下降气压.如同前面的分析， 压力降随着熔体流动阻力 的增加而增加，熔体的流 动阻力是浇注系统，模具 几何形状和熔体粘度（熔体 流动指数）的函数.随着流 动长度的增加，熔体的入 口压力必须增加，以维持 需要的注射流动率.Melt .iscosityIllr-I.rll.lllI-lLLcrl-wwlll-Volumetric F low R alePart Thicknea|1|-|.|1|1-_|-二lrll_图表1影响射出压力的因素可以看出，塑料熔体自压力高的区域流向压力低的区域，如同水 的特性一样.在注射过程中，注射机喷嘴处的压力最高，以克服熔 体全程中的流动阻力.其后，压力沿着流动长度往熔体最前端波前 处逐步降低，如果模腔内部排气良好则熔提前端最后的压力就是大影响注射压力的因素很多，概括起来说有：浇口位置和浇口数目， 成形品厚度，材料的选择，熔体温度和模壁温度等因素的影响.下面 分别介绍.影响射出压力的因素基本方程根据简化的古典流体力学理论,充填浇道系统(竖浇口，浇道，浇口) 和模腔所需的注射压力与注射材料，制品的设计，注射工艺参数都 有关.图2-3显示射出压力是以上参数的函数.在下列方程式中，P是射出压力而n是材料常数，不同种类的 塑料熔体其值不同，范围为0.15 - 0.36.圆形管道内的流动(例如熔体在直浇口，主浇道，和柱状浇口内 的流动)F土 (mdt viscosity) flow length) (volumeuicflow ratejn (chaamel radius )3n+1矩形管道内的流动(例如熔体在侧胶口，薄膜式浇口内的流动)丁 h (meh(luwlmgih) (口。channel width) (channel thidmess)Zn+L射出压力与浇口位置和浇口数目的关系一般而言，从上面的方程和图形可以形象可看出，流动长度越长, 熔体在流动过程中损失的压力也越大，或者反过来说,熔体到达制品 的末端需要的压力也约稿，从这个意义上讲,流动长度越短越好.对于给定的制品，要想缩短熔体的流动长度，唯一的办法就是增加 浇口的数量,或者调整浇口的位置，使其流动尽可能短的距离而完成 填充.但是，浇口数的增加或者浇口位置的调整需要受到一些条件 的制约，因为调整浇口位置或者增加浇口数量容易使得熔结痕过于明 显或者显现在制品不允许出现的位置上。因此，要通过调整浇口位置 来缩短熔体的流动长度时，必须首先必须考虑制品是否允许浇口位置 的调整，或者说，是否允许设立在要调整到的位置上；要通过增加浇 口的数量来缩短熔体的流动长度时，则要考虑制品是否允许增加多余 的浇口、增加的浇口类型、增加浇口后产生的熔结痕位置，熔结痕是 否明显等等。判断的方式是使用流动分析工具或者经验。通过增加浇口的数量莱缩短流动长度还有一个问题是，多点系统 除了易造成明显的熔结痕外，还会使得模具的制造难度增加，模具的 制作成本提高，如果是热流到的话，流道贺交口系统还要复杂.计算机仿真可以用来解决这些问题.MOLDflow分析可以预测熔 结痕和包风的位置.在允许的情况下，通过不断地调整浇口的位置和 数量，来优化填充过程和制品上的压力分布，选择最佳浇口位置和最 优浇口数量来适当地缩短熔体的流动长度，适当地放置熔结痕.也可 以借着顺序地打开和关闭阀浇口，以去除熔结痕.明确地说，若一阀浇口位于下游，应当在熔体到达此阀浇口后开启，以继续推进熔 体。射出压力与制品厚度的关系成品厚度明显地影响所需之射出压力.成品的厚度越小，则熔体 在流动时越容易冷却，流动也越受到限制，因此所需之压力越高.一 般来说，对于一定的高分子材料，在许可的注射压力下，具有特定的 流长比（流动长度/制品的最小厚度），一般来说，许可的流动长度 和制品壁厚设计要大于等于改种材料的流长比。如某种材料的流长比 M60mm/0.6mm，意味着即熔体的流动长度越长，则制品的许可厚度越 小，但是不能无限小（有一个许可的最小厚度）；或者说，对于某种 材料而言，在一定的注射压力下，许可的制品厚度越小，则的可以通 过查阅经验数值、使用流动模拟分析工具或者根据设计者的经验确定 制品的合理璧厚。浇口的设计射出压力与充填时间关系方程式（2.1）和（2.2）反映了注射压力与体积流动速率的关系。一般而言，充填时间愈短，熔体的体积流动速率愈高，所需的射出压 力也愈高.对于一个固定的模腔体积而言，充填时间反比于体积流 动速率.然而高速填充产生的摩擦热（黏滞热）使得材料温度升高. 综合高温和高剪切率（由于高流动速率）的效应会使得熔体粘度降低, 因此弥补了压力需求.因此，在填充过程中，这几个影响因素是互相 矛盾的。另一方面充填时间也同时取决于模壁来的模具的冷却效果.如果 冷却时间较长，则熔体在冷却过程中将产生较厚的凝固（固化）层，从 而使流动管道较窄，因此需要较高的射出压力.111l.rll.rl111.u_匚 一+-0|1|一 _藉计算机仿真之助，可以检测因改变充填时间而产生上述的互相 矛盾因素间之的净效应.如此可以决定最佳充填时间.MinimumI njectiorQpti 叩 alPressure Fill Time/Range/ 二I i i i I IFill Time定性的分析表明，充填时间对射出压力所作的图显示两者之关系呈现一 U字型的曲线.最佳充填时间位于曲线中射出压力的最低点.射出压力与材料的关系 I】不同材料显示的流动行为不同，导致所需射出压力亦不同.熔体 粘度是流动性质中影响射出压力最显著的，如上面的方程式所显示 得那样.大体而言，熔体粘度是温度，剪切率和注射压力的函数. 这意味着，相同的塑料熔体由于成型工艺的不同可能有不同的粘度. 不同材料可能有更宽广的粘度范围.材料选择时，除了根据制品使用的要求、物理环境以及制品的成本 外，成型压力一般小一些为好。一般而言，材料选择是根据制品的使 用要求而定的，确定了制品材料和制品的形状和结构后，就只能通过 调整浇口数量和位置来降低制品成型时的压力，或者通过提高熔体的 温度来降低熔体粘度，进而达到降低成型压力的目的。当调整它们都 不能满足压力要求时，根据要求，可以更换材料，或者修改制品的结 构以满足压力要求。射出压力与熔胶及模壁温度的关系熔体及模具温度不仅对成型过程有影响，而且对制品的最终成型 结果有直接的影响.一般来说，熔体及模具温度影响注射压力，制品 的表面品质，成品的收缩和变形，成形周期等等.例如，增加熔体及 模具温度将降低熔体的粘度，进而降低成型时所需的注射压力.经验 分析表明，在特定材料的成型温度范围之内，熔体温度每增加10C, 将导致熔体黏稠度降低而引起的注射压力约降低10%.C-MOLD分析提供一较准确测量射出压力方法：射出压力为熔体及模壁温度的函数，如表2-1.No.熔月蓼温度( C)模壁温度( C)射出厘力 (MPa)12155048.622054057.232154051.842254048.252153054.8注射压力与注射速度的分布关系降低射出压力是使用可变化的射出速度分布的唯一好处.最佳射 出速度分布使熔体以较缓慢的流动速率通过浇口区域，以避免喷射 流和过高的剪应力.然后增加流动速率使熔体充填大部分的模穴. 在熔体完全填满模穴之前，射出速度会再度降低，以避免压力突增 及因超过夹模力，使模具被撑开而造成溢料现象.可变化的射出速 度与典型的固定射出速度分布，如图2-13.第二节制品的填充模式MFV 和 MFA熔体流动过程中，其前沿部分的流动速度称之为熔体波前速度(Melt Front Speed，MFV)，而前沿部分流过的面积定义为熔体波前 面积(Melt Front Area，MFA)，它等于波前的宽度乘以制品的厚度，或者等于浇口的横截面积，当熔体同时流过浇口和制品时，它等于二Melt-front velocity (MFV J =Volumettic inj ection flow rate.M dt-front area(MFA)者的和，如图所示。二者的关系是，在熔体流动过程中，他们之间的 乘积始终等于体积流量。见下面的方程式制品的充填模式为熔体波前在浇注系统以及模具型腔内随时间不 断变化的过程，它在决定成品的品质占重要的角色.理想的充填模式 为在整个成型过程中中，熔体皆以一固定的熔胶波前速度(MFV)前进, 并能够同时到达模具型强的每一角落.否则，熔体在不同时刻到达制 品的末端，为了保证制品能够完全充满，必须增大填充的压力，造成 制成品内部部分区域出现过渡填充的现象.同时，一可变化的熔胶波 前速度，将导致分子或纤维趋向的改变.变化的熔体波前速度但是实际的填充过程中，模具型腔各个部分的几何形状和填充模 式是不断变化的，由于体积流量是恒定，并且熔体波前速度和熔体波 前面积存在的固定关系，所以熔体波前速度一般是变化的。变化的 MFV可能引起材料收缩的不同以及材料分子的纤维趋向差异。上面的图形显示了当熔体流过带有镶件的模具周围时，MFV会增 加。这是因为，恒定不变的螺杆速度（或者恒定不变的体积流量）不 能保证一致的熔体波前速度。当模具型腔的横截面积变化时，熔体将 首先填充大而空的区域，这也可以理解为熔体首先填充阻力小的区 域。于是在镶件的周围会产生很高的应力并导致验证的纤维趋向，这 一结果最终会形成制品的不同收缩进而产生翘曲。上述结论是在填充过程中的体积流量恒定的前提下得到的，为了 使得熔体的波前速度尽可能相同，则需要根据制品的形状，即已知的 熔体波前面积来调整注射过程的体积流量来达到，而对于特定的注射 机而言，螺杆的直径或者说截面积是恒定的，于是只能通过调整螺杆 的速度来达此目的，这就是注射过程中，要在不同阶段设定不同的螺 杆速度的原因。因为即通过调整螺杆填充过程中只能通过调整体积流量来进行How flow dynamics affect orientationDuring the filling stage of the injection molding process, the polymer molecules and