高分子成型机械

2010级《高分子材料成型机械》课程学习辅导第1章绪论1.塑料成型机械的定义、工作原理和技术功能定义：在塑料成型生产系统中，能够按照产品制造信息对生产中所需要的能量、动力和机械运动进行转换、输送、调节和控制，并能实现塑料成型工艺条件的各种机械设备统称为塑料成型机械。(接受能量，转换能量，控制调节能量)原理：塑料成型机械对成型物料传递热能的目的(作用)是为了使它们发生物理聚集态变化，对成型物料传递机械压力(液压力)的目的(作用)是为了使它们发生体积致密、粘性变形流动（附化工机械对物料传递动力和热量的作用：输送体积质量，引发化学反应）功能：塑料成型机械可以通过成型物料的粘性变形和流动把它们转变成为具有一定的几何形态、一定的尺寸大小、一定的精度等级、一定的表面品质、一定的使用功能和使用性能的塑料制品。2.本课程的科学基础与技术内容顾名思义，“成型机械”自然属于机械工程学科，但前方冠以“高分子”，则意味着这些机械为高分子材料成型加工服务。由此推论就物质基础来讲，高分子成型加工意味着高分子材料必须从外部接受能量；就生产过程而言，必须要求高分子材料发生变形流动或流动变形；从技术目标来看，需要把粉粒状无定形的高分子原材料转变成为具有一定形状结构和一定使用功能的生活和生产用品，同时还希望这些用品的形状结构具有一定的精度，使用功能具有一定的稳定性。将三方面技术内容综合，本课程的科学基础是材料物理和机械力学的结合，本课程的主要技术内容是如何设计和使用机械动力装置使高分子材料获取几何形态及其精度，同时还要尽量通过能量驱动材料变形流动或流动变形之同时，尽力改善材料的物理性质和物理结构(如结晶、取向、密度等)。因此学习本课程需要综合多学科理论和技术知识，学习过程中要求建立“综合就是创新”、“综合就是创造”的工程思想和工程思维。故本课程的知识结构以及与相关课程的相互衔接关系如下图示。附科学方法与目标：探索发现自然现象和规律。工程技术方法与目标：综合+设计(创造)，把科学原理和自然资源转化为人工产品，即创造物质。科学技术方法与目标：探索发现自然规律并综合多学科理论技术知识进行应用和社会生产。思考：理科-工科的差异与协调；材料科学-材料(加工)工程的差异与协调；材料工程-材料加工工程的差异与协调；以及化学-机械-化学工程、材料-机械-材料(加工)工程、材料化学-材料物理-材料工程-材料加工工程、科学家-工程师、考研-就业，等问题的特点、关系和选择。教师责任专业化教育时代：大生产分工—专业的优势—引导学生敬业和勤业通识化教育时代：科学技术素质培养——学科技术间的优劣势对比——尊重学生志趣启发学生选择练习题一、思考题1．简述塑料原材料生产与塑料成型生产的基本方法及学科基础差异。高聚物合成化工：“三传一反”：传质(体积质量输送），传热(诱发化学反应)，能量传输(低压静力传输)，反应釜(积聚化学反应)。塑料制品成型“三传一模”：传质(塑化，即体积致密流变）传热(改变物理凝聚态),能量传输(高压动力传输)模具(成型塑料制品)。塑料原材料制备：化学单体聚合反应+多组分物理混合。塑料成型：宏观几何变形流动（机械成型加工）+微观材料物理结构变化。2．简述塑料成型机械的基本概念及其在塑料成型技术中的应用。3．什么是CAD、CAM?4．简述塑料成型机械的发展历史及其现状和趋势。二、概念题1．什么是塑料制品生产？2．什么是塑料成型？技术原理：在外部能量作用下，利用塑料材料的三态物理变化以及塑料材料的可加工性(可挤压性、可模塑形、可延展性、可纺性),按照制品的制造信息，通过塑料材料的粘性流动、塑性变形和烧结扩散等物理力学作用，把塑料原材料转变成为具有一定的几何形态、一定的尺寸大小、一定的精度等级、一定的表面品质、一定的使用功能和使用性能的塑料制品。3．什么是塑料成型机械？在塑料成型生产系统中，能够按照产品制造信息对生产中所需要的能量、动力和机械运动进行转换、输送、调节和控制，并能实现塑料成型工艺条件的各种机械设备统称为塑料成型机械。从更广泛的意义上讲，所有为塑料成型生产服务的塑料成型物料制备机械和塑料成型生产过程中的辅助机械和装置等，也都属于塑料成型机械范畴，或者严格地把它们统称为塑料加工机械。三、填空1．塑料成型生产需要塑料成型机械对成型能量进行转换、输送、调节、控制。2．塑料成型生产需要利用塑料材料的玻璃态、高弹态和粘流态三种物理状态之间的变化才能得以实现。3．在塑料成型生产中，原材料的4种可加工性为可挤压性、可模塑性、可延展性、可纺性。4．在塑料成型生产中，塑料成型机械需要把外部电能转换成热能和机械能后，经调节和控制后传递给塑料原材料。5．在人的参与下，由计算机自动处理各种数据和图形信息，并自动完成工程设计任务的现代生产工程技术称为CAD；在人的参与下由计算机自动处理各种数据和图形信息，并自动控制NC机床加工制造过程的现代生产工程技术称为CAM；在人的参与下，由计算机自动处理各种数据和图形信息，并自动完成各种工程分析和工程计算任务的过程称为CAE。四、用框图简略构画出塑料制品生产工程的示意图。第2章液压传动基础——教学内容及目标——知识结构：液压传动物理基础、液压传动基本理论、液压传动的主要技术参数、液压元件的类别、功能及结构、液压元件的应用、符号及液压回路能力要求：熟悉了解液压传动的物理基础和基本理论，并能求解液压传动基本问题；熟悉了解各类液压元件的功能、结构、职能符号；具有选用液压元件和读识液压回路的基本能力。——教学重点——帕斯卡定律、液压传动基本方程、泵阀的功能、结构、职能符号、液压回路的读识与分析。1.基本理论1.1液压传动的物理基础：帕斯卡定律力能放大：在密闭的连通容器内施加于静止液体任一点的压力等值传递到液体中各点。p1=p2=F1/A1=F2/A2F2=F1×(A2/A1)液压系统的工作压力取决于负载大小：若A2/A1确定，则p2=F2×(A2/A1)1.2静压力的概念与压力计算液压传动属于力学范围的静压传动，静压力是描述液压传动过程力能变化的基本参数。“静压力”在物理上称为“压强”，工程上简称“压力”，法定计量单位记作Pa或MPa，工程单位记作at或bar，具体指密闭容器中静止液体单位表面积上作用的法向外力和重力，通常在工程上忽略重力部分。绝对压力:以没有气体的理想绝对真空为零基准测量的压力。相对压力:以大气压力为零基准测量的压力(以一个工程大气压为零基准计算的压力)，也叫计算压力或表压力(正表压)。真空度:低于大气压力的相对压力，亦称为负表压。绝对压力=大气压力+表压力表压力＝绝对压力－大气压力真空度＝大气压力－绝对压力1.3稳流液体的连续性方程——稳态液流质量守恒定律假设液流具有理想液体和稳流性质，则液流在单位时间内经过管路任意过流截面的质量相等，即有稳流液体的连续性方程。v1A1=v2A2=Q=常数工程应用：液流通过密闭管路中任意过流截面的速度与截面积呈正比，即过流面积大流速快，过流面积小流速慢。反推：欲要保证液流连续，即不因液流间断而发生液压冲击以及由于液压冲击引发的系统振动和噪声，液压系统设计和安装必须保证液体稳定流动。1.4伯努利方程——液流能量守恒定律对理想稳态液流微分运动方程(欧拉运动方程)积分可得理想伯努利方程教材，式1-22实际伯努利方程——伯努利方程的物理意义————理想液体稳流的总能量由动能、压力能和重力位(势)能等三种形式共同构成，且它们的总和在液内各点相同。——虽然液内各质点(或过流截面)总能量相同，但各质点(或每个过流截面)的动能、压力能和位能的构成比例不等，随液内质点(或过流截面)位置转移，三者可以相互转变。说明1：因位能、压力能和动能的量纲中均含长度单位，故在工程中习惯把它们称为位置(水)头、压力(水)头和速度(水)头，液流中任意位置的总水头相等。说明2:液压工程通常忽略位能和动能，只考虑压力能。——实际伯努利方程较理想伯努利方程增加了液流摩擦损失的能量水头，其数值相当于克服摩擦损失的压力差可使单位重力的液体质点从其基准面上升的高度，通常称为“比能耗”，可以记作hw，即欧拉运动方程的微分模型1.5稳态液流的动量方程(教材无，见讲稿，略)1.6基本理论应用——帕斯卡定律应用举例—图示两个连通液压缸水平放置，其中F为油缸Ⅰ有杆活塞腔压力确定的驱动力，Fw为负载阻力，油缸Ⅰ内径(活塞1直径)Ф20mm，油缸Ⅱ内径(活塞2直径)Ф50mm。已知Fw=1962.5N，试按下述三种情况计算液体压力并分析两个活塞的运动情况。(1)F=314N；(2)F=157N；(3)F314N解:(1)已知F=314N，因两缸连通，由帕斯卡定律可知两缸连通腔内的液体压力相等并有再由帕斯卡定律FⅠ/AⅠ=FⅡ/A2；FⅡ=FⅠ(A2/AⅠ)可知根据题意和上述计算：FⅡ=-Fw,故活塞1、2均作等速运动。(2)已知F=157N，因两缸连通，由帕斯卡定律可知两缸连通腔内的液体压力相等并有再由帕斯卡定律FⅠ/AⅠ=FⅡ/A2；FⅡ=FⅠ(A2/AⅠ)可知根据题意和上述计算：FⅡ＜∣-Fww∣，故活塞1、2静止。(3)根据解(1)可知，若F314N，将有FⅡ＞∣-Fww∣，故活塞1、2加速运动。——伯努利方程应用举例——1.图示油泵出油驱动油缸活塞克服负载Fw运动，设油缸中轴距油泵出油口的高度为h，试计算油泵出油口压力。说明：p1、p2分别代表吸油口压力和油缸压力，p2由设计规定。解：根据图示建立Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ分别代表油泵出油口截面和油缸截面，则由实际伯努利方程：由坐标系和Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面可以推出边界条件代入实际伯努利方程整理得式中Δp为液流从油泵出油口到油缸进油口损失的压力。2.图示油泵吸油口比油缸液面高h，试求油泵工作时其内部吸油腔的真空度。说明：p1=pa(大气压力)；p2代表吸油腔压力；Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ分别代表油箱液面和油泵吸油口截面。解：由实际伯努利方程和图示得式中Δp为液流从油箱到油泵进油口损失的压力。因油箱截面A1远远大于油泵吸油口截面A2，由连续性方程v1A1=v2A2推论v1＜＜v2，故可忽略不计。于是，实际伯努利方程为故吸油腔真空度=大气压力-绝对压力=pa-p2=ρgh+ρv22/2+Δp——稳态液流质量守恒定律应用举例——图示为液压千斤顶的工作原理，其中D=50×10-3m，d=10×10-3m，h1=400×10-3m，h2=100×10-3m，若举升负载为6.25×104N(含活塞1自重)，活塞2的速度ν2=50×10-3m/s，不计摩擦阻力和活塞泄漏，试确定手摇作用力F和活塞1的速度ν1。解(1)根据杠杆原理，负载和作用力对固定铰链力矩相等，得(2)由系统体积守恒（质量守恒）可知速度取决于流量，于是油缸1中大活塞1的运动速度v1和流量Q为——稳态液流质量守恒定律应用举例——4.图示为液压千斤顶的工作原理，其中D=50×10-3m，d=10×10-3m，h1=400×10-3m，h2=100×10-3m，若举升负载为6.25×104N(含活塞1自重)，活塞2的速度ν2=50×10-3m/s，不计摩擦阻力和活塞泄漏，试确定手摇作用力F和活塞1的速度ν1。解(1)根据杠杆原理，负载和作用力对固定铰链力矩相等，得(2)由系统体积守恒（质量守恒）可知速度取决于流量，于是油缸1中大活塞1的运动速度v1和流量Q为——稳态液流动量方程应用举例——解：(1)根据图a)求解滑阀右移时的情况。由动量方程：作用在控制体积之液体上的外力总和等于单位时间内液体的输出和输入动量之差，可得滑阀对液流的反作用力F′=ρQ(v2cosθ2-v1cosθ1)=-ρQv1cosθ1（负号表示与作用动量相反）式中θ1—输入阀口处液流与滑阀轴向的夹角，若滑阀与环隙配合间隙无泄露，其值约为69°(1.204弧度)。又因为液流动力F与F′反向，所以滑阀受轴向液压力为F=-F′=ρQv1cosθ1。注意：若进油口泄露，则F＞F′，液流作用力具有使进油环隙关闭的趋势。(2)根据图b)求解滑阀右移时的情况。因为图a)和图b)方向相反，故由动量方程可得滑阀受轴向液压