工程设计计算期刊3（2016）37-52
热塑性塑料的注塑模具浇口设计计算
Muralidhar Lakkanna,G.C. Mohan Kumar,Ravikiran Kadoli
机械工程部分，卡纳塔克邦国家研究所，surathkal575025，门格洛尔，卡纳塔克邦，印度
在2014年12月10号被接收，在2015年5月15号被受理，在2015年6月4号被承认，在2015年6月27日可在线浏览
摘要
对于注射模具的材料，设计模具是一项关键的任务，其中包括了几个极其重要的决定，这些决定直接影响了产品的质量，生产效率和材料利用率。在这些决定中一个突出的部分是浇口套的浇道膨胀，因为它显著地影响了整套注射模具：它的复杂的设计准则使人十分苦恼并误导了直接的设计。依靠直觉设计者们通常很明智的决定了怎样设计它，但之后优化和操作过程因素往往会被破坏。这篇论文致力于提出一种理想的适用与所有的聚合物物质的整体设计原则来颠覆这种反常现象，同时也倾向于作为一种趋于完美的功能性评估，换而言之，详尽的浇口道尺寸设计应在模具开发之前完成。由于普遍存在用经验主义来推断膨胀率关系，特别是每种材料专门的的膨胀角度和一定形式的注射特性，因此，分析标准应该被先推演。它的智能计算的优点是当注射器容量和想得到的塑件特征相同步时能够缩小在注射过程中出现的缝隙的影响。综合来讲，它在初始条件下的一种明显的依赖时效性的注射物的分散率和离散度被持续的改变。在粘稠度和剪切力调整的范围内将被设想成大多数热塑性塑料所有的典型的配合。研究结果与粘性体外表在流道中的剧烈膨胀，以及因剪切而细化的壳体的剧烈收缩相符合；显而易见粘性在这之间有着一定的优势。这个重要的理论能过作为先行计算的一个基础同时也可以分析填充物造成的一些缺陷。像这种通用的设计原则，经简化后将会让模具设计者得到极大的收益，而且也会是为模具缺陷预防服务的有效方式。这种改变通过实践显示了注射模可以充分利用聚合物的希望。因此，我们得出根据注射的化合物特性来设计特定的浇口套具有明显优势的结论。
copy;2015CAD/CAM社会工程师。ELESEVIER提供产品和管理。接受所有条款。这是一篇开放的文章在CC BY-NC-ND的证书下（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)
关键词：注射模；浇口套；表观粘度；剪切稀释指数
- 介绍
当代的人类学家提出在150万年间人类的进化和制造业知识更新换代息息相关；因此，几乎所有的物质都能一直被广泛的应用激发出更出众的功能，例如更加便利，浓缩，便携等等。这样严谨的过程从根本上发展了对基础科学现象在具象化和理想应用两个方面上对追求科技，方式，能力，工具，方法，战略等方面的认知。比如从安全性上来说，塑料是人类适应进化成这个星球上第四代生物的核心，因为他们只利用地球上4%的矿石提取物（自然界的石油和天然气），而这些提取物的燃烧率和能源转化利用率只有42%和45%。当代生活评估（LCA）将塑料评为对生态最好的贡献者，因为它能明显减少人类对化石燃料的依赖，例如缩减1.5倍的能源需求。自从Alexander Parkes（英国）在1855发明了parkesine（塑料）逐渐减少并取代对象牙和鲸甲及角质的需求；它们同样是其他物质中的最优选择。
得益于在不确定应用中取得的成果，它们最终转变了使用的方向。按时间的前后顺序排列地，前面的十年见证了在合成聚合物中惊人的发展来满足人们对美学，功能性，人类功能学，工效学等的要求。在综合价值之上，大多数惊人的优点在显著上升，且聚合物在应用上的高性能使人惊讶。同样地，从功能性的角度来讲，他们开辟了一片广袤的天地，例如防静电，防火，电磁屏蔽，极宽的导电绝缘范围等领域都有应用，诸如此类的各种性能。他们在很高程度上的综合已经为将来铺垫了一个完全崭新的物质方式，例如复合材料，混合物，高科技材料等等来满足当下的物质应用。
由于无法摆脱的关键因素和全球塑料经济文明相关联，并和如下几个方面紧密联系；伴随着长期的使用而变得游刃有余，塑料的质量，性能，耐久性和坚固性都已经在价格之外被体现。在金融领域的资助下代替集中聚合物生产的技术已经出现了；其中聚合物的注射模是最有前景的。就像三分之一[百分之32的比重]部分是注射模。尽管净成型的模具制造过程是可预见的；相关的过程如智能设置或只能控制具有优势；探索产品设计达到预期的协调性还不够，因为模具设计依旧是启蒙教育的常用方式。这种缺陷经常被视为是时间延长、性能削减、产量下降和质量妥协的证据。因此，聚合物生产过程的技术任务应该被明确的在材料性能存在之前提出。最基本的注射模属性倾向于依靠原有因素的结合{温度：压力：速率}，内在的树脂性能和模具设计设定。这些关键的相互作用的因素影响了整个机械上的热交换继而影响了性能也就是最终的模件生产。
无论在模具设计中独特的优点还是材料的特性，从全球的分析方面看完备的注塑模体系依旧是未达到的。困难的严峻性包括深奥难懂的信息处理和集体果断性受到的抑制，所以详尽的模拟，慎重的修改和多方面的看法最终会不可避免的相碰撞影响，显然，因为它们，不确定性就随之发生。虽然更高容量的注塑机能被使用，但是它的注射压力梯度很少能进行表面能量的转化，在喷嘴，注入口，流道，浇口和模具间隙。矫正模具中压力在浇口套的流入动力速度将很大程度上决定流道几何学设计的完美程度。从模具功能评估的角度来看，这个模具的矫正将成为一个长久的性能公制也会成为影响设计完美的显著影响因素。也就是说，原位注入口流道（一种注入系统的组成）压力恢复准则虽然谨小细微，但它将会影响成型内腔。因此包括了基本的内流道原位注射动量力学看起来是一种对模具性能合理高效的处理方式。
- 文献
受限的或是不受限的扩大流道在注射中都是不可见的，更多的能量或是在模具内部的恢复能力最终将消失，所以为了设计一款恰当的兼顾质量和性能的注入系统一定要合理的考虑各方面因素，所以将对如下注射模特性的描述作为深层次的理由。
1.沿着熔体管道壁交界口剪切修整
2不稳定水动力（又名注射样板旋转成螺旋状或是被威森伯格数量化的螺旋结构）
尽管如此，一个深层次的理解联系到了物理引发的全部问题；注入剂运送的现象；压力恢复现象；注入剂相位转换；和浇道流道扩展的相互性校准依然是可望而不可即的。这种现象上的流道区域的设计特点（不光是交叉几何学还有扩展的设计）和它的表现应该被彻底的限制。
- 为了主观确定流经熔液的注射率充足和剪切拉伸的极大值；同时保证内在统一性；以及减少剪切热。也许这个分析可能是十分复杂的，因为能量转化过程中会降低熔体粘度（剪切力变小），作为注入剂穿越管道的长度和流道的截面形状可能损害树脂的性能，即AQL和APL参数在设计时往往上下移动。
- 为了建立完整理想的注射系统。即注入剂的特点：浇道变形程度、浇注时间和浇注速度。
- 从本质上来讲，聚合物的注入剂当时的表现方式为一种特性，即非牛顿力学流动，从而导致了过早的冷却导致明显的填充不完整等等，所以应该明确理想的浇口设计来限制导管扩张。
- 综上将成为被规定的，简单，价格低廉，预见性措施一类；尽管种类繁多，这个标准将适用于所有的注射物。
2.1验收质量标准（AQL）
在一般情况下，注射成型涉及变形，传递，冷却成塑件，通过它们从熔融的液态转化为固态的过程中，在其各自的玻璃化转变水平以上。这样的状态总是让复杂的非牛顿行为产生，从而激发各种不稳定的力学行为。通常情况下，注射成型过程中聚合物注入的物理缺陷涉及高温，极端压力和快速剪切速率。由于大多数热塑性塑料熔体的粘弹性剪切力极大的影响了塑件的耐久度，原位化学变化将被取代最有可能的阶段，并根据最后的聚合物类型形成最终复杂的形态。
玻璃化转变温度以上，大多数热塑性材料在结晶温度以上的特点是以无定形状态存在，如果情况发生然后注入剂维持在非晶态；后一类悬浮结晶也将表现为凝胶状态。这种特性的结晶剂的无定形状态及其转换的多样性和确定性约束了分子运动离散性的程度，因此理化参数很大程度上影响了注塑性能，换而言之，他们确切的注射能力关系依然是不确定的和值得思考的。那一刻，我们才认识到，作为未来的一个很有潜力的研究方向，聚合物的注射模具将会起到很大的作用。
而注射压力梯度对注入剂分子会产生直接的机械力作用，对此他们从最初的变形后充分自由并逐渐取代沿力作用方向上的力。主要是力的释放期间，弹性扩展和不可逆地的伸展在冷却过程中发生。高强度的注射将使熔体自然释放它们的弹力势能。在一个复杂的（见第2.3.1节）的结构特征、形态互相影响，高层次的分子变形（硬度或刚度），分子排布（延性或韧性）以及各个部位的形变和持续时间的模式。然而，长期的注射（激励作用）会造成不可逆的熔体的流道延伸，并不会塑造出所需要型腔的形状和位置。特征关系–延伸–拉伸的幅度还取决于注入剂的相变行为和模具的降温冷却作用相互的影响。以其多变的环境应力残留和各向异性的程度，这直接导致成品零件的力学性能减退、收缩和翘曲，因为同样的原因聚合材料的行为特征明显限制了塑料注射模的设计。
在此描述的应变分配和减少总熔体破裂，导管扩张的程度主要受浇口剪切速率、温度和压力的影响。特别是采取浇注系统固化应力来控制注塑，来完成注塑过程中影响管道的尺寸设计的转化。所以从质量和生产力的角度推理会使各种聚合物熔体注射成型性增加。然而，为了保证坚固性，我们揭示了总缺陷发生的原因及其定量相关性沿流道扩张的观点中有关于力学分析更深层次的探索。我们的假设是，粘度和注入剂的临界剪切速率梯度偏置了浇口导管扩张，这作为一个很重要的影响因素，不论是熔体成分还是注射机性能和注塑的的功。同样，为了保证注塑黏度，在参考其方差的剪切速率（射出速度）时，应限制浇口导管扩张等因素。因此，为了实现验收质量标准，管道设计必须严格按照选择聚合剂的注射成型性能要求来执行。
2.2可接受的性能水平（APL）
熔体注射问题与经验的关系，看起来简单易行，但当把时空非牛顿特性考虑在内时，它出人意料的包含了十分复杂的计算过程。在设计适当的注射模过程中必须进行必要的管理预期，从而这种计算的复杂度将进一步提高。主要是因为聚合物性能综合各有不同，所以在模具设计模型时将是极其复杂并要进行大量的数学计算（见第2.3.2）。然而，一些研究者过去采用探究方法从多个角度尝试：喜欢通过施加应力梯度，同时进行注射和固化而得出结论。然而，大多数商业模拟和分析软件中，因为需要结合实际，所以认为纯剪切力现在主要采用经典虎克剪切应力或牛顿粘度相近的一些令人信服的解决方案来解决问题。虽然这种近似实验模拟非常相关，但他们大都集中在注射口的位置开始分析，从而聚合物熔体注射的流动力几乎是纯剪切。
当然，原位聚合潮从来就不是一个纯剪切力的作用结果。
在注入粘弹热塑性熔体通过浇口流道中，其弹性能量的积聚与耗散会减少压力梯度，从而改变熔体的流动状态。所以一般管道设计时这些因素都必须考虑，而且模具的压力恢复取决于注入的弹性和流变行为，因此一些关系计算必须存在。然而，热塑性熔体的剪切应变的可恢复性特质的浇道尺寸的微弱改变通常是被忽视的。因为虽然热塑性粘度随均质压力扩展，强度指数是适中的；在低强度的模具中设计师一般都忽视它的作用。然而，几个特殊情况下这样的推理是不成立的，例如在很长的窄间隙涉及0.5到1 GPa时注射压力的情况下。相反，过高的注射压力会导致高拉伸速率和注入剂与周围的表面速度互相作用，造成流道断裂。随后内导管粘度粘加速融入离散裂缝注流，但是由于在临界现象的壁面滑移剪切应力区的影响，它们最终出现裂纹。对于一个特定的组合机的最大注射压力和影响可利用模内压力、管道内浇口区域发散梯度分散一致性特征来判断。所以直浇道扩张几何设计因素的共同压力梯度和熔体的原位流变性能（粘性耗散和剪切应变能）与流道扩张和浇口模具压力的关系相比相对更明显。
注射模活动的范围及其组成部分会影响热塑性树脂熔体的内在特性。因此，要完成适当的注入供给浇道的熔体。要实现快速注入扩张应拓宽加固浇道时，应采用抗氧剂、抗老化剂、阻燃剂、着色剂、发泡剂、交联剂、紫外线稳定系统等，相反应该收缩特性时应采用促进剂如润滑剂、软化剂、增塑剂等。同样，将结晶聚合物的流动性和内在的相变特征的持续化作为一个重要的分析，特别是被以往科学家观察到的逐渐结晶聚合物复杂的结晶应力分布情况。也许这就是为什么结晶动力学模型是常用的二维注射力方式来表达结晶聚合物特性的梯度模型。最近通过采用幂律模型在非线性控制方程中的应用，该方法被扩展到三维数学公式中使用，其解决方案是相对准确可靠的，但实验观测中收敛往往不在其中。因此，该技术提供巨大的潜力，为设计适当的模具系统和先进的工程所应用。该方法广泛应用于有限元近似会上，而不是简单的线性关系和广义牛顿流体（GNF）本构关系的幂律模型，因为它甚至可以考虑残余相变应力（第一部分-特别是在无定形聚合物）。
因此，要完成所有模具符合APL的浇道设计除了全面了解内在非牛顿流体的应力分布外还应该了解熔体热力学相变行为特征。
References
[1] J., Aho, Rheological Characterisation of Polymer Melts in Shear and Extension: Measurement Reliability and Data for Practical Processing, Tampere, 2011.
[2] Bagley EB, Schreiber HP. Effect of die entry geometry on polymer melt fracture and extrudate distortion. J. Rheol. 1961;5(1)341–53.
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