薄壁注射成型中聚合物與模具間接觸熱阻研究

蔣禮，蔣炳炎，吳旺青，朱來余，DRUMMER Dietmar

(1.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 埃爾朗根?紐倫堡大學(xué) 聚合物技術(shù)研究所，德國(guó) 埃爾朗根，91058)

熱塑性塑料的注塑成型工藝憑借其低成本、短周期、易操作等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)防、民用等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。一個(gè)完整的注塑過程主要分為充填階段和后充填階段，每個(gè)階段都包含復(fù)雜的熱傳遞過程[1]，其顯著地影響著制件和模具的溫度分布，進(jìn)而影響制件的力學(xué)性能和尺寸精度，對(duì)生產(chǎn)效率也有極大影響[2]。在 1個(gè)注塑成型周期中，首先，精確計(jì)量的聚合物被加熱至熔融狀態(tài)，然后迅速通過1個(gè)澆口注射到已被預(yù)加熱到一定溫度的模具型腔中；對(duì)于熱塑性塑料特別是半結(jié)晶的熱塑性塑料，制件冷卻時(shí)體積會(huì)收縮，因此，需維持一定的保壓壓力，在澆口凝固之前注入更多的熔體以補(bǔ)償制件收縮；當(dāng)熔體充分冷卻凝固后，模具開模制件被頂出；最后，模具合模準(zhǔn)備好下一次注塑循環(huán)過程。在冷卻階段，澆口凝固后，無法繼續(xù)保壓補(bǔ)償制件體積收縮，型腔壓力下降到最小值，聚合物與模具之間由于制件收縮產(chǎn)生氣隙，凝固的聚合物與模具型腔之間實(shí)際接觸面積變小，導(dǎo)致制件與模具界面之間的熱傳遞過程產(chǎn)生急劇變化，聚合物與模具交界面的表面溫度存在1個(gè)較大溫差，而這個(gè)溫差正是由于聚合物與模具界面間的接觸熱阻(thermal contact resistance，RTC)產(chǎn)生的，其定義式為

式中：ΔTpoly-mold為聚合物?模具型腔交界面之間的溫差；Q為通過聚合物?模具型腔交界面之間的熱流；S為聚合物?模具型腔的接觸面積。以往人們對(duì)于注塑成型后填充階段聚合物與模具間傳熱過程的研究大多是將聚合物與模具間的接觸簡(jiǎn)化為完美的充分接觸，不考慮RTC，并假定聚合物?模具界面之間的熱傳遞效率不隨時(shí)間變化，這樣仿真得出的冷卻時(shí)間不符合實(shí)際情況，比實(shí)際測(cè)出的時(shí)間更短。近年來，對(duì)于注塑成型制件的質(zhì)量要求越來越高，關(guān)于RTC的研究也逐漸增多。YU等[3]通過簡(jiǎn)易安裝溫度和壓力傳感器測(cè)量了不同材料、不同厚度下后填充階段的RTC，研究了不同厚度下RTC對(duì)冷卻時(shí)間的影響，結(jié)果表明，RTC的存在會(huì)大幅度增加冷卻時(shí)間。GOFF等[4?7]利用壓力傳感器、熱流密度計(jì)和熱電偶搭建了一個(gè)測(cè)量聚合物?模具內(nèi)部溫度與界面換熱系數(shù)(等于RTC的倒數(shù))的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并測(cè)量了注塑成型后充填階段在不同工藝參數(shù)下的RTC，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果擬合得到一定粗糙度下計(jì)算RTC的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。RTC主要與保壓壓力和型腔表面粗糙度有關(guān)。BENDADA 等[8?9]研究了不同工藝參數(shù)對(duì)RTC的影響，結(jié)果表明，RTC隨著保壓壓力、注射溫度和模具溫度的升高而減小，并且模具溫度對(duì)RTC的影響最大。SRIDHAR等[10?11]運(yùn)用 C-MOLD仿真軟件，引入氣隙建模表征界面換熱系數(shù)，從數(shù)值模擬的角度研究了界面換熱系數(shù)與氣隙厚度、寬度的關(guān)系，得出界面換熱系數(shù)為時(shí)間和空間的函數(shù)，并認(rèn)為界面換熱系數(shù)與制件充填階段厚度方向的溫度場(chǎng)有關(guān)聯(lián)，界面換熱系數(shù)越大，制件厚度方向溫度越高。目前，人們對(duì)RTC進(jìn)行研究得出：1)在預(yù)測(cè)薄壁注塑成型溫度場(chǎng)分布的過程中，聚合物與模具界面之間的RTC不可忽略，RTC作為關(guān)鍵參數(shù)對(duì)整個(gè)仿真過程中仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性影響極大[12?17]；2)在整個(gè)注塑成型周期中，聚合物與模具界面之間的RTC在時(shí)間和空間上呈動(dòng)態(tài)變化[18]。

RTC對(duì)注塑成型溫度場(chǎng)的影響很大，特別是大型薄壁類制件或精細(xì)微納零件等。影響聚合物與模具界面之間RTC的因素很多，主要包括模具型腔壓力、熔體和模具溫度、聚合物種類、模具材料及其表面粗糙度等[19]。目前，對(duì)RTC的測(cè)量難度較大，現(xiàn)有研究關(guān)于RTC影響因素的結(jié)論也不完全一致。為此，本文作者自主搭建聚合物與模具界面之間RTC的測(cè)量平臺(tái)，從注塑成型周期中熱量交換平衡的角度出發(fā)，得到計(jì)算RTC的新算法，并研究注塑成型工藝參數(shù)和聚合物與模具間界面環(huán)境對(duì)RTC的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

在整個(gè)注射成型過程中，聚合物熔體與模具之間時(shí)刻發(fā)生熱量交換，根據(jù)RTC的定義，可知時(shí)間t內(nèi)，聚合物熔體與模具間熱交換的能量Q1為

式中：RTC為熔體與模具間的接觸熱阻； ΔTpoly-mold為熔體?模具型腔交界面間的溫差；S為熔體?模具型腔的接觸面積。

聚合物熔體在模具型腔流動(dòng)過程中，在聚合物熔體的流動(dòng)方向上，不考慮熔體之間的導(dǎo)熱，在時(shí)間t內(nèi)，聚合物熔體損失的能量Q2為

式中：c為聚合物熔體的比熱容；ρ為聚合物熔體密度；ω為聚合物熔體的流動(dòng)速度(即注射速率)；polyΔT為聚合物熔體的溫度變化。

當(dāng)注射成型完成若干個(gè)制品成型周期后，各項(xiàng)成型工藝參數(shù)都趨于穩(wěn)定，聚合物熔體帶來的熱量等于冷卻劑在冷卻管道中帶出的熱量，模具達(dá)到動(dòng)態(tài)熱平衡狀態(tài)。即在注射成型周期中的熔體充填階段，熔體從澆口處的A點(diǎn)流向制件中心處的B點(diǎn)，在該過程中，Q1=Q2，即

式中：t0為熔體從澆口處流到制件中心處的時(shí)間。聚合物熔體在澆口處和制件中心處的表層溫度分別為TA和TB，模具溫度相對(duì)于熔體溫度變化較小，取模具表面溫度為初始模具溫度T0，因此，基于聚合物熔體的熱損失分析可得到注射成型熔體充填過程中聚合物熔體與模具界面間平均RTC：

1.2 成型材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

注射成型材料選用德國(guó)Bayer MaterialScience公司的 PC-2865，該材料的基本屬性如下：導(dǎo)熱率為0.21 W/(m.K)，比熱容為 2.1 kJ/(kg.℃)，成型溫度為270~310 ℃，密度為1.2 g/cm3。所有注塑成型實(shí)驗(yàn)均采用德國(guó)ARBURG 370S型精密注塑機(jī)完成，該注塑機(jī)螺桿直徑為20 mm，鎖模力最大為500 kN，最大注射壓力為250 MPa。

1.3 注射成型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

成型制件選用ASTM D638塑料拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅳ型試件，如圖1所示，厚度H為0.5 mm。為研究模具溫度、熔體溫度、保壓壓力和保壓時(shí)間對(duì)聚合物熔體與模具型腔界面之間RTC的影響，選用模具型腔表面材料為鎳(Ni)，模具型腔表面粗糙度為0.034 μm，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，工藝水平如表1所示。通過更換模具模芯，研究模具型腔表面材料和模具型腔表面粗糙度對(duì)RTC的影響，工藝參數(shù)選取表1中的基準(zhǔn)值，模具型腔表面粗糙度分別為0.034，0.356和1.209 μm，模具型腔材料選用鎳，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，研究模具型腔表面粗糙度對(duì)RTC的影響。模具型腔材料選取鎳(Ni)、模具鋼3Mo2Cr和不銹鋼0Cr18Ni9Ti，其導(dǎo)熱率分別為80.0，33.4和 16.6 W/(m.K)，模具型腔表面粗糙度為0.034 μm，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，研究模具型腔材料對(duì)RTC的影響。

表1 PC工藝參數(shù)水平值Table 1 Reference valve of process parameters of PC

圖1 成型制件尺寸Fig. 1 Dimensional sizes of injection molding part

1.4 聚合物熔體表面溫度測(cè)量

選用 OMEGA 5TC-TT-K-40-36型微細(xì)熱電偶測(cè)量聚合物熔體的表面溫度，其線徑為0.075 mm，探頭端面直徑為0.100 mm，理論響應(yīng)時(shí)間為50 ms。溫度傳感器布局位置如圖2所示。

圖2 傳感器布置示意圖Fig. 2 Layout of thermocouples

傳感器探頭與模具型腔表面齊平，傳感器A測(cè)量熔體入口處的表面溫度TA，傳感器B測(cè)量制件中心處的熔體表面溫度TB。在整個(gè)注塑實(shí)驗(yàn)過程中，聚合物熔體2個(gè)不同位置的表面溫度均能被準(zhǔn)確測(cè)量，如圖3所示。

圖3 注射成型周期中聚合物表面溫度典型測(cè)量結(jié)果Fig. 3 Typical measured results of polymer surface temperature during injection molding

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對(duì)RTC的影響

2.1.1 模具溫度和熔體溫度對(duì)RTC的影響

圖4 模具溫度對(duì)平均RTC的影響Fig. 4 Effect of mold temperature on average of RTC

圖5 熔體溫度對(duì)平均RTC的影響Fig. 5 Effect of melt temperature on average of RTC

模具溫度和熔體溫度對(duì)平均RTC的影響分別如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知：平均RTC隨著模具溫度和熔體溫度升高而降低。這是因?yàn)楫?dāng)模具溫度和熔體溫度增加時(shí)，聚合物熔體的黏度降低，聚合物熔體流過噴嘴、流道和澆口等澆注系統(tǒng)的壓力降會(huì)減小，因此，在較高的模具溫度和熔體溫度條件下，更多的聚合物熔體能被充填到模具型腔內(nèi)，制件的體積收縮得到更多補(bǔ)償，聚合物熔體與模具界面間的氣隙減少，因而RTC減小。同時(shí)，對(duì)比圖4和圖5可知：模具溫度對(duì)RTC的影響比熔體溫度的影響更顯著，當(dāng)模具溫度從 90 ℃升高到 130 ℃時(shí)，平均RTC由3.496×10?4m2.K/W 降低到 1.513×10?4m2.K/W，下降幅度達(dá)56.72%；當(dāng)熔體溫度由270 ℃升高到310 ℃時(shí)，平均RTC由 2.498×10?4m2.K/W 降低到 2.269×10?4m2.K/W，下降幅度僅為9.17%，遠(yuǎn)小于模具溫度的影響程度。這是由于模具溫度對(duì)聚合物熔體與模具界面間氣隙的形成的影響比熔體溫度的影響更顯著，相對(duì)于較高的熔體溫度，在較高模具溫度條件下，澆口凍結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，冷卻速率較慢，聚合物分子鏈或鏈段能充分松弛，制件內(nèi)應(yīng)力減小，收縮減??；同時(shí)，延長(zhǎng)澆口凍結(jié)時(shí)間更容易使得保壓壓力充分發(fā)揮作用，體積補(bǔ)縮更充分，因而，較高的模具溫度比較高的熔體溫度更容易使得聚合物熔體與模具界面間的氣隙減小，模具溫度對(duì)RTC的影響比熔體溫度的影響更顯著。

2.1.2 保壓壓力和保壓時(shí)間對(duì)RTC的影響

圖6 保壓壓力對(duì)平均RTC的影響Fig. 6 Effect of dwell pressure on average of RTC

圖7 保壓時(shí)間對(duì)平均RTC的影響Fig. 7 Effect of dwell time on average of RTC

保壓壓力和保壓時(shí)間對(duì)平均RTC的影響分別如圖6和圖7所示。從圖6和圖7可見：平均RTC隨著保壓壓力增大和保壓時(shí)間延長(zhǎng)而減小。這是由于保壓壓力和保壓時(shí)間增大，補(bǔ)償制件收縮的熔體增加，型腔內(nèi)熔體的密度增大，熔體冷卻收縮變形小，熔體與模具型腔表面的接觸面積增大，熔體與模具型腔之間傳熱速率加快，因而熔體與模具界面之間的RTC減小。同時(shí)，對(duì)比圖6和圖7可知：保壓時(shí)間對(duì)RTC的影響比保壓壓力的影響更顯著；當(dāng)保壓時(shí)間由1 s增加到5 s時(shí)，RTC由 3.189×10?4m2.K/W 降低到 1.502×10?4m2.K/W，下降幅度為 52.9%；當(dāng)保壓壓力由 60 MPa升高到 100 MPa 時(shí)，RTC由 2.678×10?4m2.K/W 降低到1.869×10?4m2.K/W，下降幅度為30.21%，比保壓時(shí)間的影響程度小。這是由于保壓時(shí)間對(duì)制件保壓階段的體積收縮補(bǔ)償作用更大，隨著保壓時(shí)間延長(zhǎng)，體積補(bǔ)償量更多。

2.2 模具型腔表面粗糙度對(duì)RTC的影響

模具型腔表面粗糙度對(duì)平均RTC的影響規(guī)律如圖8所示。從圖8可知：隨著模具型腔表面粗糙度增大，RTC減小。這是由于聚合物熔體與模具型腔表面的實(shí)際接觸面積增大，在單位時(shí)間內(nèi)，由高溫聚合物熔體傳遞到模具型腔表面的熱量更多，因而聚合物熔體與模具型腔之間的RTC減小。

圖8 型腔表面粗糙度對(duì)平均RTC的影響Fig. 8 Effect of cavity surface roughness on average of RTC

2.3 模具型腔表面材料對(duì)RTC的影響

模具型腔表面材料對(duì)平均RTC的影響規(guī)律如圖 9所示。從圖9可知：當(dāng)模具材料為0Cr18Ni9Ti時(shí)，RTC最大為 3.921×10?4m2.K/W；當(dāng)模具材料為 3Mo2Cr時(shí)，RTC為 3.597×10?4m2.K/W；當(dāng)模具材料為 Ni時(shí)，RTC最小，為2.679×10?4m2.K/W。這是因?yàn)?Cr18Ni9Ti的導(dǎo)熱率為 16.6 W/(m.K)，3Mo2Cr的導(dǎo)熱率為33.4 W/(m.K)，Ni的導(dǎo)熱率為 80.0 W/(m.K)，隨著模具材料導(dǎo)熱率增加，熱量在模具內(nèi)部的傳遞更快，熱散失更快，因而，聚合物熔體與模具界面之間的傳熱加快，RTC減小。

圖9 模具型腔表面材料對(duì)平均RTC的影響Fig. 9 Effect of mold surface material on average of RTC

3 結(jié)論

1)在實(shí)際注塑成型過程中，制件由于冷卻收縮，聚合物熔體與模具界面之間產(chǎn)生氣隙，熔體與模具之間的接觸不是完全接觸，兩者之間形成界面接觸熱阻，對(duì)制件與模具界面之間的熱傳遞過程影響極大。

2)注射成型工藝參數(shù)是影響聚合物與模具界面之間RTC的關(guān)鍵因素。隨著模具溫度、熔體溫度、保壓時(shí)間、保壓壓力升高，制件得到更多的體積收縮補(bǔ)償，熔體與模具界面間的氣隙減小，因此，熔體與模具間RTC減小，且其中模具溫度和保壓時(shí)間的影響作用較顯著。

3)通過更換表面粗糙度更高、導(dǎo)熱率更高的模芯材料，在單位時(shí)間內(nèi)，高溫聚合物熔體傳遞到模具的熱量更多，同樣可獲得較小的RTC。

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