评《科学成型方法在注射模成型中的应用》

徐昌煜

2021年10月13日

《模具制造》2018年第3期有一篇文章《科学成型方法在注射模成型中的应用》通过对”科学成型”的介绍，阐述如何确定注射速度、充填时间、注射压力、保压压力和保压时间。  兹摘录讲评(我的批注或点评一般为粗斜体，C. Hsu是我的代号)该文如下：

2 基础知识

(2) 增强比率Ri的计算。

增强比率Ri的计算如图2所示。  Ri =10∶1=10。

图2 增强比率示意图

(3) 剪切速率。  剪切速率为1除以充填时间。

C. Hsu：剪切速率(shear rate)可以下式表示(式中的V是流速)：

剪切速率以充填时间的倒数表示太过简略，在大多情况下，失去了其应有的物理意义，没有甚么参考价值。

(4) 相对粘度(Relative Viscosity)。  相对粘度等于切换位置的压力乘以机器的增强比率乘以充填时间。

C. Hsu：模塑CAE用得最多的粘度(Cross-WLF Polymer Viscosity)可以下式表示，粘度是温度、压力和剪切速率的函数：

这里的T是温度、p是压力、是剪切速率。

作者提议的相对粘度仅为切换位置的压力和充填时间的函数，不知有何物理意义? 匪夷所思!

3 科学成型法

科学成型法分为五步。

3.1 预准备：人、机、料、法、环

(1) 人。  作业人员用正常的思考方法，不要做任何伤害模具或成形机的事情。

(2) 机。  在做试验之前机台和模具应该运转足够长的时间以确保熔融温度和模具温度达到稳定状态，计量时间也要稳定，确定机台增强比率及最大计量。

(3) 料。  塑料粒子熔融温度设定在材料供应商推荐范围的中间，选择合适的背压及回转速度以取得理想的计量时间。

(4) 法。  确保成形模式使用位置切换模式，除非第二段(保压)压力是必需的，以保证塑件不粘模；正常情况下设定保压压力为0，确保第一段的时间限制足够长以保证当射出速度比较低时还能够使达切换位置。

C. Hsu：一般在型腔体积的98%充满时，从速度控制切换到压力控制。 第一段保压压力可取切换时射压的80%，第二段和第三段保压压力可逐段降低，而以保压结束时体积收缩(volumetric shrinkage)均匀为目标得到优化的各段保压压力。 保压时间则应延长到所有浇口都固化封凝为止。

(5) 环。  确保模具和成型机在正常状态。

3.2 制作粘度曲线

(1) 调整切换位置至可以充填塑件的50％~80%，确保缺料样品能够从模具中顶出，确保每腔塑件的重量相差不超过每模塑件重量平均值的5％，浇口浇平衡，通过塑件称重进行比较，如图3所示。  确认第一段的压力限制，确保比实际切换压力大100kgf/cm²以上；缓慢的增加射出速度直到成形机最大能力的90％~100％，在此之期间确保压力限制值比转换压力值大100kgf/cm 以上；调整切换位置使塑件充满到95％~99％。

图3 浇口平衡分析柱图

(2) 为实验确定合适的一系列减少的射出速度值，根据范围选择合适的值共分为12个值；进行第一段(指充填)分析实验，记录相应速度下对应的充填时间和切换压力，通常情况下当变更速度后要等至少3模后再记录下来相应的数值，将充填时间和切换压力的数据填入电子表单以供分析。

C. Hsu：(2)项订定射速和射出时间的做法既不清晰也不科学。 应该以熔胶进入型腔后其前沿以恒速为目标导出优化的多段射速之间的比例，据此以及合理的料温和模温，找出所须射压对射出时间的U型曲线的底点对应的射出时间作为优化的射出时间；多段射速订定后，各段所需的射压就可算出。 整个工作流程可藉模塑CAE快速高效完成。

(3) 在实验结果中选择合适的充填时间，这一充填时间时是模具的规格，而且应当保持不变，无论模具在什么样的机台上生产或模具用几个型腔来生产(C. Hsu：型腔数增加而流道长度增加时，充填时间理应增长。)。  利用选用的充填时间调整切换位置和射出速度使塑件达到95％~99％的状态。

      (4) 粘度曲线。

如图4所示，实验时做12个值，在B、C、D栏分别填入速度；充填时间；切换压力。  在I栏填入粘度增强比和螺杆计量位置(开始位置为55，结束位置为12.5，计量值为42.5)，将自动产生粘度曲线和速度曲线(蓝色的线是设计值；红色是实际值)。  FANUC100t最大计量值是127，注塑机的利用率在25％~65％是最好的，本模具注射量(42.5/127=0.4)(射料量/射胶量=42.5/127=0.335，)即33.5％是比较好的。  曲线如图4所示。

剪切速率的影响：随着剪切速率的加大，塑料的粘度一般降低。  但在剪切速率很低和很高的情况下，粘度几乎不随剪切速率变化而变化。  在温度和压力一定前提下，不同塑料粘度降低程度不相同。  或者说，尽管大多数塑料熔体的粘度是随着剪切速率的增加而下降的，但是不同的塑料对剪切速率(切应力)的敏感程度是不一样的。  这一点对使用的启示是：在一定的剪切速率范围内，提高剪切速率会显着降低塑料的粘度，改善其流动性能。  所以宁可选择在熔体粘度对剪切速率不太敏感的范围进行工艺调整，否则因为剪切速率的波动，会造成加工不稳定和塑件质量上的缺陷，所以选择填充时间0.5s，速度为90mm/s。

C. Hsu：1. 本文中之剪切速率和粘度的定义并不具足反应事实的物理意义，下表中的剪切速率和相对粘度自然没有甚么参考价值；2. 一般注射机(包括FANUC 100t)的增强比率Ri约为10，图4表列之增强比率1.0不实。

图4 粘度和速度曲线图

C. Hsu：从图4的相对粘度曲线找出平坦区并非显而易见。

3.3 保压压力的确定

在图4的A7行显示中速度为90mm/s，填充时间0.5s，对应的峰压值是1,542bar，定义最大压力为1,600bar，分别按最大压力5％、10％、15％，……，60％共分为12个值进行测试，由于塑件只有10g左右定义保压时间定义8.0s(保证塑件有充分的时间浇口封闭)，变更压力后要等至少3模后再记录下来相应的重量数据填入电子表单以供分析；当压力达到640bar时(见图5)，塑件重量变化比较小(C. Hsu：难言!)，所以保压压力定义为650bar(C. Hsu：按图5中的Δy/Δx看来，斜率最小值0.52对应的保压压力应该是880bar，而非650bar)。

图5 保压压力变化曲线图

3.4 保压时间(浇口封闭时间)和冷却时间的确定

(1) 保压时间：通常确定保压压力后，通过延长保压时间。  保压时间必须对塑件提供合适的充填和维持合理的残量，通常选择切换压力的40％~50％作为保压压力。  增加一定的保压时间就减少相应的冷却时间，因为周期时间没有改变。  一但工艺稳定后，收集一模样品，注意相应的保压时间，减少保压时间一到两秒，增加相应的时间到冷却时间。总体周期时间必需保持不变，重复10次直至保压时间只有0.3~0.5s，称量不同保压条件下对应塑件的重量，确定塑件重量只有轻微(不)变化的时间区间，在轻微(不)变化点之前的那一时间即为浇口封闭时间。如果对于塑件来说浇口封闭是必需的，那么设定的保压时间必需比浇口封闭时间长以确保当在正常工艺下温度在变差范围内变化时浇口仍能够被封闭。

(2)冷却时间：保证模具内熔化的塑料充分地固化，塑件便不会在顶出时变形。  影响冷却时间的因素：塑料在模具内固化或硬化所需要的时间取决于许多因素，如塑件的外形、壁厚、塑料的类型、模具的冷却流程以及塑件的质量要求等。  冷却时间因素(是)在注射周期中是最长的部分，但却是可能显着节省的部分。  虽然可以计算，但通常是凭经验确定的，例如逐渐地降低冷却时间直至不变形的塑件边(连)续地生产出来为止。  在冷却阶段，需要足够的时间退回螺杆(即计量时间比冷却时间至少短两秒种以上)，以重新在射料缸内填充塑料(将注射物再次放置于模具内)，否则注射过程将不能进行。

通过上面2组实验结果，确定了填入速度；切换压力；保压压力，下面通过减少保压时间来称重塑件(见图6)。  变更保压时间后要等至少3模后再记录下来相应的重量数据填入电子表单以供分析；当保压时间达到2.4s时，塑件重量变化比较小，所以保压时间定义为2.4s(C. Hsu：按图6中的Δy/Δx看来，斜率最小值0.10对应的保压时间应该是2.7s，而非2.4s)。

图6 塑件称重图表变化图

3.5 压力损失如何计算

压力损失用以衡量压力在成形机的射嘴及模具流道系统中的损失情况。这样做我们可以收集数据对模具进行改善(见表1)。  需要测量以下数据：①经过喷嘴的压力；②经过喷嘴的压力+注入口及流道；③经过喷嘴的压力+注入口及流道+浇口；④包括a+b+c(①+②+③)+塑件充填99％饱时所需的总压力。

改善方法：

(1)缩短注入口的长度(流动长度越长，熔体在流动过程中损失的压力也越大)。

(2)流道和浇口的表面抛光，减少流动阻力提供较快的充模速度。

(3)浇口截面积通常小于流道，是流道系统中最小的部分，长度宜短。  排气口可设在型腔内熔料流动的尽头或在塑模分型面上，为0.08mm深(C. Hsu：一般比0.08mm小，因塑料种类而异。排气口深度在不生飞边的前提下，越深越好。)、6mm宽的浇槽。

通过流动的改善使成型机可以达到填充速度的设定值，同时降低了填充的峰压值，压力损失如表1所示。

C. Hsu： 1. a和d之改善前和改善后的压力降(压力损失)同，是否没有改善? 2. d之总压力降包括了a或b或c的压力降，将a、b、c和d的压力降加总(即合计)有何意义?

C. Hsu：

1.    参数(如剪切速率)和物性(如粘度)定义要清楚和正确，否则讨论与其相关的影响和结果就没有意义。

以剪切速率为例，如果剪切速率简化为1除以充填时间，那么，只要充填时间是1秒，不管注射成型大件(如保险杠)或者小件(如连接器)，剪切速率都一样了? 当然不对!  此时，注射大件的剪切速率大(因射速或体积流量大)，而注射小件的剪切速率小。

以粘度为例，如果粘度简化为切换位置的压力乘以机器的增强比率乘以充填时间，那么料温采取300°C或200°C(或模温采100°C或20°C)就没有分别了? 断非如此!

2.   作者说：“宁可选择在熔体粘度对剪切速率不太敏感的范围进行工艺调整，否则因为剪切速率的波动，会造成加工不稳定和塑件质量上的缺陷。”所以从图4之粘度对剪切速率的曲线上找出斜率最小的点相对应的剪切速率2.02和从图4表中找出与剪切速率2.02对应的填充时间0.5s和注射速度90mm/s。问题是图4中的相对粘度和剪切速率都是经过简化而失真的粘度和剪切速率，据此生成的相对粘度对剪切速率的曲线已经没有甚么参考价值，最后得到的填充时间和注射速度都没有甚么意义了；

3.    无论是图4的相对粘度对剪切速率曲线、或者是图5的注射量对保压压力曲线，或者是图6的注射量对保压时间曲线，以目视找出斜率最小(或变化最小)的点并非易事，以图表中Δy/Δx(若有)最小者找出斜率最小的点较为容易。 但是，按图5中的Δy/Δx看来，斜率最小值0.52对应的保压压力应该是880bar，而非作者选择的650bar；按图6中的Δy/Δx看来，斜率最小值0.10对应的保压时间应该是2.7s，而非作者选择的2.4s。 不知何故?

4.    举凡模塑CAE可以模拟预测的工作交给计算机去做，现场试模量测的工作用来重点确认和微调优化。 这样才能化繁为简，提高生产力：

5.   2020年3月24日原创大注塑(科学大注塑)有一文《还在使用粘度曲线？看看选择填充速度的新思路》，经过仔细实验考察后，对本文的做法有如下感言：

    1) 使用的填充时间试验范围，曲线的平坦部分可以是一个较小的区域，也可以是较大的区域。这样，工艺员就会问：“RV（Relative Viscosity）曲线平坦部分的最佳填充时间应该在哪里?” 目前从曲线上选取填充时间的做法是相当不科学的；

    2) 如果使用RV曲线的形状来确定填充时间，则很有可能你会为所有模具选择相同的填充时间，而与材料、模穴数量、冷却、温度、机器和流道系统无关；

    3) 目前采用的RV试验方法无法评估模腔内的塑料流变条件。 --- RV曲线中显示的稳定相对粘度不一定代表模腔中的塑料粘度也是稳定的。

透过冗长的理论和实验探讨，《还在使用粘度曲线？看看选择填充速度的新思路》的作者对“通过RV试验作为确定填充时间的方法”提出的质疑和对模塑CAE做法作出的肯定，是该文对业者最大的贡献。

6.    科学是认识自然规律的学问，物理、化学和数学都是科学。 以科学为口号推广不科学的作法是一灾难，不可不慎!!