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微注塑成型充模流动中对流换热的实验研究

徐华  
【摘要】: 微注塑成型中由于成型的塑件结构尺寸或体积微小,进入模具的熔体热量少,以及微模具型腔表面积与体积比较大等因素,使得充模流动时熔体与微型腔壁面间的对流换热速度加快,从而导致熔体温度急速下降,粘度和流动阻力增大,造成微模具型腔的填充困难,进而影响微塑件的成型质量。 本文在全面分析了微注塑成型理论及其模具技术研究现状的基础上,提出采用理论分析与实验测量相结合的方法,针对微注塑成型过程中聚合物熔体与流动通道壁面间的对流换热行为进行了研究。 首先,通过对粘性流体力学基本方程的合理假设与简化,研究了微注塑成型充模流动中对流换热行为的基本方程及对流换热系数模型。 其次,通过对聚合物熔体在不同厚度微型腔中的填充长度进行实验,研究了对流换热行为对微注塑充模流动的影响。结果表明,微尺度下的对流换热行为对熔体充模流动具有显著影响。然后,在与填充长度实验相同的条件下,使用目前国内外许多研究者普遍采用的以不同常数对流换热系数和所建的理论对流换热系数模型,进行填充长度数值模拟,结果发现数值模拟与实验值相差很大。分析认为,造成两者产生较大误差的主要原因是数值模拟中没有考虑壁面滑移、表面张力等微尺度因素的影响,从而不能准确地反映微注塑成型中的对流换热行为。 为此,利用自,行设计制造的微模具及温度传感器等组成的对流换热系数实验测量系统,对不同聚合物材料填充不同厚度和不同表面粗糙度微型腔时,模具型腔温度分布的实际测量,求得了熔体与型腔壁面间的对流换热系数,研究了注射速度、微型腔厚度、表面粗糙度和聚合物热物性参数等因素,对微尺度对流换热系数的影响关系。实验结果表明,微注塑过程中对流换热系数随注射速度和型腔表面粗糙度的增加以及型腔厚度尺寸的减小呈明显增大趋势;但在热边界层未充分发展阶段,对流换热系数随测量截面位置与型腔入口间距离的增大而减小。同时,对流换热系数还与聚合物的热物理性质密切相关,热物性数值高的材料,其对流换热系数较大。 在此基础上,依据牛顿流体对流换热的研究方法,利用Matlab软件对实验数据进行曲线拟合,建立了适合微注塑成型充模流动中对流换热Nu数的实验关联式。与实验结果对比发现,采用拟合的Nu数关联式计算的结果与实验值吻合较好,表明本文建立的对流换热Nu数关联式,能够较好的表征微注塑成型中的对流换热行为。


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