热塑性塑料注射成型模具浇口设计

þHOS T E D B Y可在www.sciencedirect.com网站上查阅计算设计与工程学报3（2016）37www.elsevier.com/locate/jcde热塑性塑料注射成型模具浇口的计算设计Muralidhar Lakkannan，G.C. Mohan Kumar，Ravikiran Kadoli印度卡纳塔克邦国家理工学院机械工程系，邮编：575025接收日期：2014年12月10日;接收日期：2015年5月15日;接受日期：2015年6月4日2015年6月27日在线发布摘要对于注塑成型聚合物，模具设计是一项关键任务，涉及到几个关键决策，直接影响到产量质量，生产率和节约。其中一个突出的决定是指定浇口-衬套导管膨胀，因为它显著地提高了整体注塑成型;其设计标准中的深奥痛苦欺骗了直接的决定。直觉的设计师明智地决定它，然后通过优化或操纵工艺参数来激怒它为了克服这种异常现象，本研究旨在为所有聚合物材料整体提出一个理想的设计标准，也倾向于作为一个功能评估指标，以达到完美，即，在模具开发之前，指定浇道尺寸的标准。因此，从普遍存在的经验关系式中定量推导出了先验分析标准，即膨胀率，具体而言，即注入物性质必须确认的唯一膨胀角。 它的计算智能优势被用来增强完美注射到模腔间隙中的功能，同时同步注射器容量和所需的成型特征。为了全面性，它在无限尺度上连续敏感化，作为一个明确的因素，取决于每个聚合物特征的离散斜率和高度的原位时空注入状态困惑。其中表观粘度和剪切变稀指数的聚集范围被认为是大多数热塑性塑料的特征分类。 结果表明，粘粒结壳的孔道扩张性较强，剪切变稀结壳的孔道收缩性较强，其中表观粘度占相对优势。这一重要的基本原理肯定会形成先验设计基础，并诊断导致几个缺陷的填充问题像这样的通用设计标准，简单将极大地有利于模具设计师，除了作为一个廉价的预防陈词滥调，以模具。它的适应性，易于实践，体现了注射成型非常诱人的聚合物的希望因此，我们得出结论，欣赏注射剂的聚合物特性，设计专用浇口套提供了一个明确的先验优势。& 2015 年CAD/CAM 工程师协会。由Elsevier 制作和主持 All rights reserved. 这是一篇基于CC BY-NC-ND 许可 证的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：注塑;浇口套;表观粘度;剪切稀化指数1. 介绍当代人类学家断言，150万年来，原始人类的进化与制造业知识的变革之间存在着绝对的相关性;因此，几乎所有的材料都能永久地应用于广泛的应用领域，从而激发出更大的便利性、紧凑性、便携性等恒星功能。 这种科学进步从根本上推进了对所追求的技术、方法、能力、工具、途径、战略等方面的潜在科学现象的认知，从启用的材料以及设想的应用的角度来看。从安全的角度来看，1塑料n通讯作者。91 8105899334。电子邮件地址：lmurali@nitk.ac.in（M. Lakkanna）。同行评审由CAD/CAM工程师协会负责1联合国卫生组织优先关注的问题。人类的适应性进化是地球未来生活的核心，因为它们仅来自地球4%的开采（天然石油和天然气），而42%用于供暖和45%用于运输。同时代生命周期评估（LCA）2将塑料视为对生态最重要的贡献者，因为它绝对减少了人类对化石燃料的依赖，例如减少了150% 的能源需求。 自从Alexander Parkes（英国）于1855年发明了parkesine（塑料）[97]以替代日益减少的大象和鲸鱼象牙，乌龟壳和角的需求;它们比所有其他材料选择更受欢迎[78]。由于在模棱两可的应用程序中取得了突出的成就，它们最终成为进程迁移的目的地。在过去的十年里，2ISO 14000除其他外，是评估生产、应用材料的环境后果和估计报废方面，包括废物、污染、处置等的工具。[91].http://dx.doi.org/10.1016/j.jcde.2015.06.0062288-4300/2015 CAD/CAM工程师协会。&由Elsevier制作和主持。All rights reserved.这是一篇基于CC BY-NC- ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。38M. Lakkanna等人/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）37合成聚合物在美学、功能性、人体工程学、化妆品等方面的惊人发展。除了装饰价值，最令人惊叹的吸引力来自聚合物对应用的惊人特性同样，从功能的角度来看，它们可用于需要抗静电、阻燃、电磁屏蔽、极端导电性到绝缘范围等特性的广泛应用。它们的高度聚合进一步孕育了一系列全新的材料，如复合材料、混合材料、智能材料、功能梯度材料等，临时应用程序。由于与文明密不可分的关键联系，全球塑料经济在顽强的行业中名列前茅[15];伴随着这一点，除了节约之外，还需要不断提高复杂性，质量，性能，耐用性基准，可靠的交货时间[32]。相反，在熟练的商业赞助下，几种聚合物加工技术已经出现;注塑成型恰好是最重要的[45]，就像每三分之一[32%重量[77]]的部件是注塑成型的[81]。尽管在净成形模具制造方面取得了可观的进展;智能设置或智能控制等连贯的工艺进步;探索产品设计期望尚未充分同步和协调，因为模具设计仍然充分诉诸于机械化[6]。这种不利因素经常表现为交货期延长、性能受损、产量差和/或质量受损，因此聚合物加工技术的要求肯定远远超过现有能力。主要注塑属性显着取决于现场因素{温度：压力：速度}、固有树脂特性和注塑模具设计。这些关键因素相互作用，影响整体热机械转换，并确保最终成型产品的性能和质量[26，27]尽管模具设计和材料特性取得了独特的进步，但从全球解决方案的角度来看，成熟度仍然是虚构的。所涉及的严重复杂性导致分析和抑制集体决策的相对抽象性，因此交互式和迭代式的详尽模拟，故意修改和各种各样的线索是不可避免的[85]，显然是由于它们的不确定性[82]。尽管有更高的注塑能力，但其注塑压力梯度很少能满足通过喷嘴、直浇道、流道、浇口和模具型腔间隙进行的渐进式能量转换。浇口套流道几何设计的完善程度决定了模内压头从浇口套内的超高速运动速度中恢复的系数。从模具功能评估的角度来看，这个恢复商成为一个突出的性能指标，以及设计完美的显着因素。认真地在现场浇道管道（进料系统的组成部分）压力恢复的标准是严格的洞察性能炉膛[19]。因此，采用基本的导管内原位注射动量力学似乎是有效的可模塑性的合理方法。2. 文学无论是约束或自由扩展的浇口道总是犹豫注射，消耗更多的能量，最终剥夺模内压力恢复能力[55]。因此，设计一个合适的喂养系统的质量和性能必须作为预期因素进行裁定。造成这种归因的深层次原因是注入剂的特性，1. 沿熔体-导管壁界面的剪切应变[2]2. 流体动力学不稳定性（也称为注入模式扭曲形成螺旋或螺旋，由Wiesenberger数量化[96]）。尽管如此，对引起物理学的严重缺陷、现象性注射剂输送、压力恢复、注射剂相变以及与浇道膨胀的准直相互作用[39]的深入理解仍然是虚构的。这样的显著特征将极大地约束管道区域设计（横截面几何形状和膨胀设计两者）及其性能，1. 在熔体注射速率充分性和剪切拉伸结晶性方面是任意确定的;同时确保固有的均匀性;以及使剪切加热最小化。也许这种类比可能是复杂的，因为当注入剂穿过导管长度时，输送粘度急剧降低（剪切变稀），并且其结晶性在物理上损害树脂特性[12]，即、AQL和APL在设计支点上拉锯。2. 以基本上实现理想的注射。即、注入剂3. 本质上是聚合物注入剂的同时原位行为玻璃化，即，非 牛顿 行为 特征 导 致过 早冻 结 、印 模填 充不 完 整等。，明确限制为理想的浇道膨胀设计极限[1]4. 由于必须是通用的、简单的、廉价的和预防性的;该标准仍然适用于所有注射剂，尽管种类繁多。2.1. 可接受质量水平（AQL）一般而言，注塑成型涉及变形、运输、固化[39]以通过其含水熔融状态设计聚合物注射剂，即，，高于其各自的玻璃化转变水平[99]。然而，这样的状态激发了复杂的非牛顿行为，刺激了各种不稳定的不稳定力学行为[51]。通常，注塑工艺会使聚合物注入剂受到涉及高温、极压和快速剪切速率的严重物理侵蚀[66]。由于大多数粘弹性剪切变稀热塑性熔体容易受到强度为3和持续时间为4的侵蚀[7];原位化学转化最有可能分离相，3喜欢注射长链段嵌段共聚物（如聚氨酯、聚醚酰胺、苯乙烯类SEBS等）。）蠕变水平的层流剪切速率是必需的，而显著不混溶的共混物，如ABS，容易分离，将需要快速的层流剪切速率[86]。4例如，聚缩醛在过度剪切力作用下立即分解，特别是在较高的压力和温度下[94]。M. Lakkanna等人/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）3739相对于端基身份的复杂形态（见第2.3.1）。在玻璃化转变温度以上，大多数热塑性材料的特征在于以无定形状态存在并在固化时结晶。如果在玻璃化蒸发的情况下，则无定形度超过5;后结晶也是某些类别的悬浮液仍然来自球形，并且表现为凝胶。注入物状态的这种特征性的非晶-结晶商及其转变多样性确定性地约束了分子运动的程度、局部旋转的程度、振动争吵和平移与短程迁移率相比的固态的长程（链段位移）迁移率。6因此，理化参数极大地影响了注射能力，附带地，它们的确切关系影响了注射能力，仍然是推测性的[38]和模糊的[39]。目前，我们只是认识到这是未来研究的一个潜在方面;也许，预计聚合物合成商将广泛考虑这些因素[26]，[84]。虽然注射梯度压力对注射剂分子施加直接的机械力，但作为响应，它们最初以足够的自由度变形，然后沿着刺激力作用方向缓慢地逐渐位移[86]。原则上，它们在填充间隔期间松弛，在填充间隔期间弹性延伸，并且在冷却间隔期间不可逆地拉伸。一旦刺激注射力，注射剂由于内在弹性而自发地松弛[38]。相对于特征结构、形态、缠结、高度局部化的粘合软化变形（脆性或刚度）、重排容易性（延展性或韧性）以及局部粘合变形幅度和持续时间，可能处于复杂模式（见第2.3.1节）[36]。然而，延长的注射（刺激力作用）不可逆地拉伸和输送注射剂，使其无法恢复所需的位置和形状[86]。特征性的松弛-延伸-拉伸后续谱还取决于注射剂的相变行为和机器的冷却努力的联合交互影响;其多样性定量地指示应力残余和各向异性的程度，这直接影响机械性能、成品部件的收缩和翘曲[1]。出于同样的原因，聚合物材料的行为特征应显著约束塑料注射模具进料设计[12]。为了说明直浇道膨胀在分配应变和减少总熔体破裂方面的重要性，本文综述了剪切速率、压力和温度对直浇道膨胀的影响。特别是通过专门减轻应力场的发生和发展来确定应力场，从而影响管道尺寸设计。因此，从质量和生产率的角度来看，其推论将使各种注塑成型性聚合物熔化。然而，为了确保鲁棒性，我们提出了一个更深入的探索，以揭示物理与总缺陷的启动及其定量相关性沿浇道扩展。我们的假设是，注射剂临界剪切速率下的粘度及其梯度应将浇口管扩张作为一个重要的空间因素，而与组件/型腔和机器/注射工作无关。同样，为了确保注塑一致性，粘度变化行为及其在原位剪切速率（注射速度）下的变化应作为时间因素显著约束浇口导管膨胀。因此，为了实现AQL进料导管设计必须承受所选单独聚合物注射剂的注射成型性。2.2. 可接受性能水平（APL）用经验关系抽象熔体注射问题看起来简单易行，但考虑到时空非牛顿注射剂的特性，它令人惊讶地导致了密集的计算。在设计合适的注塑模具的同时，挑战进一步增加到高复杂性。主要是因为在模具设计模型中直观地表示聚合物特性将非常复杂，并且数学上解决它将是困难的[27]（参见第2.3.2节）。然而，一些以前的研究人员试图从多个角度采用探究性方法;例如施加应力梯度，同时注入和固化。7然而，大多数商业模拟和分析软件包在实践中仍然假定纯剪切应力，并在很大程度上采用经典的胡克剪切应力或牛顿粘度来近似一些令人信服的解决方案。虽然这种怀疑的近似与实验[33]相当相关，但它们大多局限于距离浇口位置非常远的压痕区域，在那里聚合物熔体注射几乎是纯剪切流动。当然，原位聚合物涌流不可能是纯剪切涌流。当粘弹性热塑性熔体通过浇口道注入时，其弹性能量的积累和耗散将在连续的压力梯度下减小，从而改变注入物的过渡状态[13]。因此，一般来说，导管设计恢复模内压力的能力取决于注射剂的弹性和流变行为，因此它们之间一定存在某种关系[56]。然而，热塑性熔体的特殊剪切应变可恢复性对浇道尺寸的影响是微不足道的，通常被忽略[56]。因为尽管热塑性粘度随着各向同性压力呈指数增加[58]，但其缩放强度相当温和;因此在低原位强度下，模具设计者显然忽略了其影响[53]。然而，这种推理是站不住脚的少数5聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为注射剂（熔体）以玻璃化（无定形）状态存在，但其相应的注塑成型部件的特征是以半结晶状态存在[18]。[6]液态或悬浮的非晶状态会像细面条一样爬行，而固态的微晶则会像离散的链一样滑动。7以聚苯乙烯熔体为例，从结晶度发展的角度进行了实验研究，然后在控制方程中采用线性粘弹性Maxwell模型、Keller模型和Janeschitz-Kriegl模型，实现了熔体流在注射模中的原位分布。40M. Lakkanna等人/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）37.Σ例外情况[21]，如涉及0.5至1 GPa注入压力的非常长的窄间隙压痕。相反，过高的注射压力导致高拉伸速率，并且由于注射剂倾向于以周向表面速度粘附，其流破裂。反复无常的管道内粘度粘附迅速加速破裂的熔体进入离散的注入流[60]，然而，由于临界剪切应力区域中的显著壁滑移，它们最终表现为鲨鱼皮[74]。对于机器的最大注射压力和型腔的可恢复模内压力的特定组合，发散浇道区域内的管道内梯度分散提高了能量交换一致性[64]。因此，浇口-导管膨胀几何形状设计因素包括压力梯度和注入剂的原位流变行为（粘性耗散和剪切应变能优势[61]），直浇道膨胀与型内压力恢复系数之间存在一定关系，且随着毛细比的减小，这种关系更加明显[55]。热塑性溶剂型树脂注射剂的本征性能取决于添加剂的种类及其组成比例.因此，为了实现适当的注入，进料导管应与相关的全包流变学同步8[28]。为了实现快速注射，应加宽浇口扩展，以用于增强填充剂、抗氧化剂、抗老化剂、阻燃剂、着色剂、发泡剂、交联剂、紫外线稳定剂等，相反地，它应该收缩成特性流变促进剂，如润滑剂、软化剂、增塑剂等[5]。同样，注入结晶聚合物的行为流动性和固有相变特性的同时评价仍然是一个挑战[26]，特别是逐渐结晶的聚合物，因为几个以前的同行已经观察到它们的复杂结晶应力分布。也许这就是为什么结晶动力学的2D注射努力模型经常从头开始采用[27]，后来很少有研究人员提出在梯度模型中欣赏特殊的结晶聚合物行为[27]。最近，通过在非线性控制方程中采用幂律模型，该方法被扩展到3D数学公式，其解相对准确和可靠，并且收敛于实验观察结果[84]。因此，提供了巨大的潜力，设计适当的模具系统，甚至复杂的工程应用。代替朴素的线性关系，广义牛顿流体（GNF）本构关系（如在有限元素近似中广泛使用的幂律模型）将是优越的[93]。因为它甚至可以考虑残余相变应力[69]（parti-通常在无定形聚合物中）。因此，为了实现APL，所有符合的模具进料管道设计都应该全面理解固有的8例如，未填充的PBT剪切变薄的速度比其矿物填充的对应物快三倍。因此，为了缩短循环时间（相对于在注射剂固化间隔内注射的印模体积的范围），需要更细的浇口扩张。同样，工程塑料在310 K时可快速喷射，不像商品塑料。非牛顿应力分布模式以及注入剂的热-机械相变行为。2.3. 功能评估真正的进料系统设计旨在同步注射剂的特殊聚合物流变学、粘弹性和热机械相变系统行为;符合设计印模特征;并利用可用注射器的注射力施加和排热能力进行同时变形、输送和固化。2.3.1. 分子量观点分子量是一个突出的形态因素，其实际范围全面涵盖所有聚合物注入剂，包括其共混物或共聚物，除了表征原位行为特征和流变分散体9[22]。因此，在特定的剪切速率下，上粘性末端和下粘性末端的开始仅取决于本构因素，如聚合物类型、浓度、分子量分布等。10[8]。因此，具有更高结晶度水平的重分子量注入剂需要更宽的浇口膨胀，因为即使在升高的玻璃化转变温度下也具有更高的拉伸强度、模量、韧性、硬度、耐化学性。此外，其致密的一级和二级交联使表观粘度变稠并抑制剪切稀化性，这意味着限制了流动性，同时存在降解风险[11]。相比之下，狭窄的扩张将微观结构定向到异常应变强度，甚至可能产生离散屈服或变形[62]。进一步严格平行的注入流在长分子链102至106上施加巨大的压缩剪切注入力[5]，导致笨拙的收缩[52]。因为大多数热塑性塑料在熔融相几乎不能承受1 MPa至10 MPa的范围，而在固态下为10 MPa至4 GPa。此外，具有切断链的低分子量聚合物注入剂需要几乎为零的剪切，因为它们相应的牛顿粘度几乎与聚合物的分子量成正比[22]。但超过一定的临界分子量，链缠结，剪切粘度对分子量的依赖性将变成指数，即。，表现出相当大的粘度变化，9因为它们的化学结构a.k.a重复单元和端基（例如，聚合化学计量、机械规模等。）;分子间力（例如，共价键、离子键、氢键、偶极-偶极、偶极诱导的偶极、与单个分子的相邻表面积成比例的范德华以及粘附到壁上的力）;分子拓扑结构排列（例如，线性、支化、单分散、星形、树枝状、环状、梯形、梳状、超分子等。）;物理形式（例如，更高级的链内和链间构型）和包装（例如，无定形的、结晶的或半结晶的，这取决于分子和/或分子片段排列规则性等。）一起建立其流变学。例如，在机器中可用的任何特定体积注射（剪切）速率下，相应的原位表观粘度的最大极限（恒定的较高高度）随着注射剂的平均分子量降低而进一步升高，而其较低高度随着注射剂的分子量分布范围变窄而进一步下降。M. Lakkanna等人/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）3741≈甚至小的分子量变化。因此，原位剪切稀化行为的犹豫也取决于注入剂的聚合物结构[41]。因此，总是涉及复杂的力系统来填充（内在的非牛顿因素的主导），特别是更薄的印象。11因此，注射剂的平均分子量及其相应的分布范围[17]决定性地导致在考虑组件质量（如机械强度（特别是冲击）和耐化学性）时的过渡微观结构形态复杂性。因此，它们也是注射后的潜在因素。因此，在直浇道膨胀设计标准中直接或间接偏差的直观策略将非常值得警惕[99]。2.3.2. 剪切速率透视在整个进料系统中，发散的浇口导管入口孔见证了最大的体积剪切速率以及激波平面上发生的热量和质量能量转换。虽然在浇注道入口前的100倍剪切速率在提高零件的屈服质量方面占[13]（特别是其热特性[70]）;直浇道膨胀也直接决定通过注射冲击面产生和/或吸收的相对热量，而其变化取决于桶注比（BSR），其分布范围约超过10%[28]。因此，激波平面孔口不足诱使加工者在更高的不期望的温度和/或压力下注射熔体，因为填充时间和可见缺陷（如短射、缩痕、波纹等）两者都是不利的。#36825;，迅速作出反应[42]。然而，这种诱惑伴随着风险，如管道或型腔内的空气滞留，导致烧伤痕迹或擦伤或划痕或透明度损失或分型面上的裂纹。此外，像不均匀收缩这样的缺陷是管道内压力梯度变化的直接后果。因此，一个合适的浇道设计将使熔体注射迅速进入型腔，并保持均匀的状态（尽可能[5]），以减轻上述风险。也许在可用的剪切注入速率下，在APL的最大值和AQL的最小值之间进行谨慎的不可避免的判断，以保持材料的最佳特性[46]。因此，为了在某个假定的循环（填充）时间内实现均匀的注射速率，传统智慧努力操纵过渡熔体状态[87];例如，在熔体固化之前填充薄的印模需要快速的注射速率。与界面激波平面两侧的导管收敛和发散相对应，对注射熔体的最大限制发生在喷嘴出口和直浇道入口之间的界面处。因此，为了实现理想的节流作用，激波段将见证最大的剪切速率（声波喷射也许M10-1，即。注射速度U最大）。收缩喷嘴和扩张浇口导管组合在填充阶段期间充当喷嘴-扩散器，以牺牲上游熔体速度为代价增强下游压力，即，膨胀注射剂的排出速率从较高的亚音速11例如，剪切稀化PMMA粘度大约跳跃6倍，以对应连续的剪切速率增量[28]。（Mo10 -3）喷嘴速度到较低的亚音速（Mo 10 -5）浇口填充速度。同样，相同的组合作为扩散器-喷嘴，在填充阶段以压力为代价增加熔体速度，即，注剂从较低的亚音速（Mo10-3）喷嘴速度压缩到较高的亚音速（Mo10-2）浇口补偿速度。因此，注射剂在注射激波平面处的理想马赫数特别取决于其流变和剪切降解特性。这就是为什么在实际的注射成型情况下，很少有注射剂表现出各种特殊的不稳定现象，尽管有争议，但它们广泛地导致几种缺陷和加工缺陷（如壁界面不稳定性、不期望的层分布、注射流偏析、图案分布等）。）;和/或它们的组合。常见的熔体不稳定性通常归因于异常注射应力模式，通常发生在超过其各自的临界剪切速率[29，43，100]，特别是对于工程应用。由于大多数聚合物表现出不同的粘度和极限剪切速率，10 2 如图1[14]所示。注射成型很少涉及低于10-2 s-1的剪切速率，因为在这样的速率下，达到稳态的斜坡时间太长，并且可能到那时，大分子内的结构缺陷对于大多数热塑性塑料来说占主导地位[3]。间接注射成型很少涉及超过106 s-1的剪切速率，因为注射力作用持续时间应至少足够长，以在其通过导管移位时不可逆地拉伸缠结的链足够远[86]。否则，超过粘弹性极限的过度变形幅度将沿着注射方向重新取向和/或重组缠结的分子链，从而破坏熔体的化学结构[1]。事实上，很少有可靠和明确的检查主张，非常温和的剪切速率遇到几乎恒定的高量级粘度;相反，非常强烈的剪切速率遇到几乎恒定的低量级粘度。解释它的上下文最小和最大的注射努力达到相应的较高和较低的粘度阈值无关的剪切强度。适当地，这两个特征极端分别对应于聚合物注入剂的下和上或第一和第二牛顿体系[8]，超过它们，经典的牛顿本构理解不再代表[76]。从深奥的角度解释这一直觉，在几乎为零的注射努力下，热塑性注射剂提供了无限大的粘度，而在非常严重的剪切注射努力下，它们提供了几乎为零的粘度。跨越两个极端的偶然范围明确地限制了注塑成型性，并且在各种区别性注射剂中非常宽;而对于大多数热塑性塑料，事实上的注塑成型剪切速率范围为10-1至104 s-1。因此浇口套导管应全面设计得足够宽以（a）利用可用机器的额定注射容量;（b）利用热塑性材料的最高熔融注射速率;（c）减轻熔体/气体截留、突然流动、压力/温度变化、涡流、过度湍流、流的不连续飞溅、自42M. Lakkanna等人/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）37Fig. 1. 剪切变稀粘弹性热塑性材料在整个剪切速率谱中的特征现象[22]。与瞬时流变特性相关的翻滚和动态挑战，如熔体运动与管道的不协调。最终使确认模具进料能够连续注入型腔，以完成部件的设计，这些部件（1）完全填充（2）优质表面抛光（3）不变形（4）更致密（最小空隙，孔隙和气泡）（5）可变形（6）优质流网焊接（7）尺寸精确（8）均匀收缩[16]。因此，为了将随后的剪切速率限制在相应的临界降解极限内[7]，流变学的宏观理论表明，聚合物在确定原位净剪切应变方面的特征因素应该是设计浇口导管膨胀的关键决定因素[55，64]。虽然大多数聚合物的真实剪切降解阈值仍在争论中，但我们的建议强调为每种注射剂建立一个临界限值;这对模具设计者和加工者都具有巨大的价值由此，设计者可以明智地指定浇口-导管膨胀角，其中裁定剪切与伸长变形商，并减小熔体破裂的总严重性，如等式（1）中所示。（十）、类似地，加工者也将很好地意识到加工的注入物的注入速率限制，超过该限制可能发生剪切张开。因此，熔体通过其被注射的浇道衬套几何形状的特征尺寸12应当是构成比决定因素（即，，作用于剪切速率和平均注射剂热塑性熔体粘度的乘积的注射力）[21]。因此，运输剪切速率将是稳定的，而与雷诺数或浇口毛细管比无关[71，75]。因此，对于成功的注塑成型，浇口管道几何形状必须通过横向剪切应力与横向剪切应力来精心设计[21]剪切速率比进入无变形区[55]。2.3.3. 温度透视在浇口系统区域内的侵入式探针显示，注入温度在填充期间急剧上升，然后在包装期间逐渐下降，并在冷却期间显著衰减可能同时发生导管内体积注入动力学[34]、绝热压缩和剪切摩擦;危及过渡状态至最大波动性[28]，特别是在填充期间。因此，导管内温度梯度对有效剪切应变的影响[55]也应该是确定直浇道膨胀的关键因素。12即，直浇口导管半径或剪切层厚度。显然，浇口套的导热系数超过注射剂的大约100倍，因此大约90%的浇口系统内机械注射功率漂移将在其界面附近。同样，模具冷却系统在一定程度上占据主导地位，它们完全掩盖了潜在的浇道设计缺陷（即：最可能的热点在头部区域或注射冲击平面或浇口导管口周围或底部区域），这些热点通过过度扩大报复力而使注射模式波动或中断。因此，突出的未实现的，但最迫切的概念是粘性散热或收购，即。沿着静止的发散管道界面传递熵大多数热塑性塑料通常在100° C至500° C的范围内注射，刚好高于它们各自的玻璃化转变温度，即，间歇性牛顿区域;其中注射活化能作为粘度系数可以确定体积膨胀[92]。虽然这种相关性随着注射温度的升高而降低，并且随着粘度较浓的注射剂而增加;但在较低的注射温度下，直浇道膨胀敏感性非常容易受到熔体状态变化的影响[55]。然而，剪切本身的行为在熔融层之间产生足够的热量来抑制其粘度。每单位体积剪切熔体耗散的能量速率将是剪切应力与剪切速率的乘积，粘度与剪切速率平方的乘积。因此，热提取取决于管道横截面尺寸，热对流取决于管道膨胀。因此，熔体注射在很大程度上取决于注射剂的热含量、界面导热和过渡对流特性。因此，为了实现原位均匀性以及快速移动性，管道膨胀设计变得非常关键。在此，同心锥形线性膨胀及其随后的毛细比显然是关键的决定因素，并且基本上以最佳精度设计。直浇道粗糙度和吸气几何形状也会影响由于压力梯度、局部努塞尔数以及沿管道的雷诺数稳定性从光滑内表面到粗糙内表面不同，可能是因为粗糙表面上的湍流强烈地再循环，分离注入液流，除了需要更大的压力梯度外，喘振壁的热吸收小于其相应的印象[101]。因此，为了避免这些问题，管道内表面应设计成光滑的无沟且抛光，M. Lakkanna等人/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）3743γ_yx促进无摩擦的层状熔体脉冲流[101]以及清洁的浇口杆剥离，除了喷嘴尖端断裂外，还具有最小的阻力、粘附、摩擦[16]。摩擦损失的相应系数（C摩擦损失）也可计算为：2.4.2. 剪切稀化前景强化注射通过加速单个大分子链的流动性同时降低粘度和弹性[57]，这种原位现象必须是设计进料管道的重要因素。CFric tionLoss.1-U型浇口出口U型喷嘴ð1Þ相应地，实践中的同行也认为窄导管设计适合注入含水注入剂，而宽导管尺寸适合注入冻状注入剂。14其中，U形浇口出口和U形喷嘴是贯穿浇口导管出口孔和注射喷嘴尖端出口孔横截面的注射速率。2.4. 潜在设计因素据报道，当代研究人员已经在实验[83，40]和理论上进行了广泛的研究，以确定最有利的原位状态，以便以合理的置信度进行注射;这当然取决于表观粘度和剪切稀化行为。同样地，适当地理解这些关键因素以设计管道或修复不确定的管道尺寸也可能实现精确的复杂性。最近对发散非牛顿热塑性熔体注射的研究考虑了它们与复杂性和形式中的导管尺寸的相关性[48];临界膨胀流动不稳定性异常[72];以及其他几种范例。其中一些是彻底的经典曲线拟合尝试，将剪切应力与对数尺度上的剪切速率联系起来，而另一些则通过将动力学理论或速率过程理论应用于含水状态注入剂流动性来接受统计力学理论[44]虽然这里的重点是一个先验的浇道设计，以免疫不必要的缺陷开始，它的分歧应该同步前因素[7]。然而，从剪切稀化指数和表观粘度确定浇口膨胀仍然是一个潜在的新的前景，并已在这里追求。2.4.1. 表观粘度观点为了实现所需的导管内拉伸应变（如第2.3.2节所述），应根据注入液的特性表观粘度确定导管发散度13[55]。表面缺陷和尴尬的扭曲突然出现奇怪的原因[25]，即使建立他们不可避免地坚持[89]，无论他们的根本原因机制。它们非常狡猾地固定[39]或不可能根除[21];典型的原位表观粘度是导致其发作的一个突出设计因素。显著影响原位热塑性塑料稳态表观粘度的潜在因素是剪切速率（机器的注射压力能力）;温度和压力（热塑性塑料熔体状态特征）[3];时间间隔（组分体积）;和配对{AQL：APL}[44]。因此，通过在实际感兴趣的范围内对其进行扰动，可以理解其对剪切速率深度（或管道尺寸）的影响，以承受理想的浇口-管道膨胀设计[4]。13例如，高粘度聚碳酸酯熔体需要比粘度相对较低的聚酰胺熔体更宽的导管膨胀虽然也有报道称，通过非常标称的导管膨胀注入肉冻注入剂的实验证据很少，但可能AQL和/或APL已被妥协。强烈的剪切力在连续的连续膨胀中（聚合物熔体从机筒的喷嘴尖端进入浇道区域）以几乎恒定的轴向速度或几乎恒定的体积注射速率[37]。显然，初始熔体流线是高度线性的，然而，随着注射模式从任何施加的剪切速率（可用机器的注射压力）获得动量，注射剂的行为粘度、弹性和剪切稀化特征在横跨和沿着进料系统方面具有特征性[14]。这种协同现象对于每种聚合物都是独特的，并且与其聚合物链支化类型、分子链结构、共存的粘度和弹性商、组成构成比（如第2.3.1节中所解释的）非常密切相关。因此，有效剪切稀化系数本质上应该是决定浇口-流道膨胀角的一个潜在因素，也许弹性计算理论和熔体力学结合在一起可以适当地推导出这种全面的类比。对于绝大多数热塑性塑料，具有恢复剪切速率特征的显著的与时间无关的表观粘度下降通常被归因于“剪切稀化“。与其他类似的术语一样，如暂时粘度损失和假塑性[14]，即在注射剪切速率下，单位粘度降低。瞬态原位剪切稀化行为显著地克服了由组合集合{机器、材料、模制}引起的非线性，并且在运输（填充）期间占主导地位。然而，在注塑模具设计中，为了克服聚合物注射剂的特征剪切稀化行为的广泛挑战，大多数以前的研究人员经常通过广泛采用幂律或Ostwald de Waele模型来量化它。如图3所示，通过在实际注塑范围内近似线性，将剪切应力与剪切速率以对数-对数相关性联系起来[53]。对此的适用表达式为，表观粘度;μ<$yx <$kεγ_n-1×2μm其中例如，具有相对高折射率的适度剪切稀化的聚碳酸酯熔体比具有低折射率的快速剪切稀化的HIPS熔体需要更大的导管膨胀，所述HIPS熔体需要很少的导管膨胀。Σ44M. Lakkanna等人/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）37ðÞ图二. 聚合物（热塑性）注入剂剪切稀化行为的说明性分类。对应参考牛顿模型。尽管所有聚合物注射剂的假塑性行为的完整谱将是相当详尽和难以列出的，但图2试图代表流行的热塑性塑料的实际剪切稀化指数范围在0：1到1之间。在此，其强度降低描绘了对水性的剪切稀化攻击性。幂律模型是一种最简单的表示法，它有几个不足之处，比如，1. 对于特定的聚合物，其拟合值仅在其上、下牛顿粘度（如第2.3.2节所述）和剪切稀化强度的特征范围内相关，该特征范围主要包括事实上的注射成型范围（如图2所示）。①的人。2. 它不适合代表假设的零和无限粘度极限（如前一段所述）。3. 由于n是k的相关函数，因此它不能在不扰动k的情况下被任意灵敏化，尽管它可以独立地作为单位剪切速率幅度的剪切稀化指数2.5. 设计范围之前的审查清楚地表明，假定所有聚合物在同等条件下设计模具将是一个最粗略的辨别，因为每种聚合物的行为非常独特，并表现出特定的行为。因此，即使所有其他因素都是不变的，每种注射剂也会特别犹豫;使熔体流多样化或不均匀化;导致不同的死流例如，PP剪切立即变稀，并且即使通过狭窄的管道膨胀也能快速注射，而与熔体到模具的温度梯度无关，不幸的是，注射PC需要大的荒谬膨胀，具有极低的温度梯度和几乎均匀的熔体状态（即，粘度和剪切稀化），其中熔体稳定性显著依赖于印模的外观特征。图三.剪切速率对典型剪切稀化热塑性熔体表观粘度的影响的图示[8]。区域;明显消耗额外的能量;并且在它们各自的茎区域内离散地剥夺模内压力可恢复性[55]。类似地，浇口导管膨胀设计加速熔体延伸应变能，并通过激发涡流来分配额外的能量[61]。实际上，太宽的膨胀导管会使注入流迅速发散，积聚过多的熔体，从而延迟凝固，并在低热提取区域恶化，从而使熔体破裂提前。此外，沿导管壁积聚的熔体间歇性地分离，并被随后的注射动作拖走[30]。主要是因为浇道膨胀使沿注射方向的拉伸应力分量[24]和相对于其界面区域[59]的横截面[98]上的剪切应力分量相等。此外，它们的共存通常会导致流变复杂性[24];有时甚至惯性也会使其进一步复杂化[4]。M. Lakkanna等人/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）3745þ24L2.6. 设计综合基于对以往实现前桩的尝试的同期回顾，这份手稿系统地通过欣赏伴随的熔体注射力学[87]以及原始的扩展、无可挑剔的讨论以及务实的论证来实现我们的永久尝试[49，50]在此，通过将注入剂的聚合物特性作为潜在的设计因素（见第2.4节），推导出类似于锥形流力学的膨胀设计准则。它作为确定专有扩张角的基础，而不操纵操作条件或印象特征，相信该标准可能会增加整体信心（即，锚固机和模制）。2.7. 设计目标功能性浇口套将冷模接合到热料筒，用于以最小的机械和热能支出[79]将撞击的熔融熔体从喷嘴尖端输送到浇口，使其完全越过分型面[20];其导管特征精心确保达到可接受的压印设计水平[90]。因此，其设计的完善对注射、分配熔体和射出成型件至关重要从本质上确保连续性以填充印模，平衡注入速率;平衡能量交易以快速固化以排出[63]。显然，对于理想的设计，浇口导管拓扑结构设计标准应维持几乎均匀的熔融状态;适度的剪切加热;实现几乎均匀的过渡模式;以及所需的均匀度，尽管离散分散的周期性阶段波动[48]。所以它应该，a. 与注入剂的流变性汇合以利用最高的原位剪切速率[47]（即，最大剪切注射速率与最小填充时间的倒数可提高模具效率;b. 在注入力的作用下，允许管内过渡相变;c. 并包含剪切加热，以获得所需的压痕（分型面以下的体积和深度）和界面面积，从而实现组装配置[23]。这些都是从未考虑过的，也是这项研究工作的主要重点。如图4所示，外部头部、柄部和基部部分整合以形成内部管道几何形状，其膨胀设计显然能够从注入物的特性中实现[47]，1. 浇口：浇口是一个积极的特点，具有消极的用于强制印模体积的范围的轴对称区域（a.k.a.分型面下方所需的部件特征以及界面区域）以及模具组件配置[73]，而其轴向长度（L）必须与（腔体底部）板厚度重叠。因此，在部件级提供多余的金属储备（zIT12）可以补偿最终组装后的精磨。长的浇口套受热膨胀，导致足够的“增长”超过分型面，最终导致浇口灰。另外的喷嘴接触力将这种突出部施加在模具的移动侧因此，对于无浇口的模具，即使在最高的工作温度下，设计人员也应该将浇口套的长度限制在分型面以内或刚好离开分型面。3. 底座：带有出口孔区域的直浇道底座可将熔体输送到直浇道中，使进料系统沿分型面保持连续。它的设计从来没有得到应有的考虑，虽然它值得很多（如第2.4.2节所解释的）。3. 设计标准由于守恒方程、状态方程和本构方程的复杂非线性，非平凡粘弹性剪