注塑機(jī)關(guān)節(jié)潤(rùn)滑油的開發(fā)

曹靜思

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司北京研究院

本文通過分析影響注塑機(jī)關(guān)節(jié)潤(rùn)滑的因素，依據(jù)注塑機(jī)鎖模裝置關(guān)節(jié)和拉桿的具體工況，開發(fā)了一款具有低氣味、優(yōu)良的極壓抗磨性能和抗泡性能、良好的黏溫性能和防銹防腐蝕性能的注塑機(jī)關(guān)節(jié)油，可為大型注塑機(jī)關(guān)節(jié)部位提供優(yōu)異的潤(rùn)滑保護(hù)。

塑料機(jī)械包括三大品類，依次是注塑機(jī)、擠出機(jī)、吹塑機(jī)，其中注塑機(jī)占整個(gè)塑料機(jī)械的70%左右[1]。《2018 年中國(guó)注塑機(jī)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析及未來五年發(fā)展前景預(yù)測(cè)》中指出，2017—2020 年中國(guó)注塑機(jī)市場(chǎng)復(fù)合增長(zhǎng)率為6%，至2020 年中國(guó)注塑機(jī)市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)536 億元，注塑機(jī)市場(chǎng)將越來越廣闊[2]。注塑機(jī)是借助螺桿（或柱塞）的推力，將已塑化好的熔融狀態(tài)（即黏流態(tài)）的塑料以高壓快速注射入閉合好的模腔內(nèi)，經(jīng)固化定型后取得制品的機(jī)器，注塑機(jī)主要由鎖膜裝置和擠出機(jī)兩大部分構(gòu)成，其工藝可分為鎖模、注射、保壓、冷卻塑化、開模、脫模等動(dòng)作過程，注塑機(jī)的組成見圖1。

注塑機(jī)鎖模系統(tǒng)是注塑機(jī)最重要的機(jī)械部件，占整個(gè)注塑機(jī)成本的1/3，注塑成型是靠模具和注塑機(jī)一同來完成的，而通過模具成型出來的產(chǎn)品的好壞是同注塑機(jī)鎖模系統(tǒng)的良好運(yùn)行和工作精度緊密相關(guān)的。注塑機(jī)的鎖模裝置組成見圖 2[3～5]。

注塑機(jī)鎖模裝置一般采用液壓機(jī)械連合型式，此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠制造成本低，但潤(rùn)滑點(diǎn)較多。模具生產(chǎn)時(shí)的壓模力全靠此部位執(zhí)行，因此鎖模部位的潤(rùn)滑非常重要，如果此部位潤(rùn)滑不及時(shí)或潤(rùn)滑失效，將會(huì)造成生產(chǎn)的產(chǎn)品精度降低、開鎖模噪音增大、機(jī)械部件的損壞和折斷等不良后果，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞和維修成本增加。因此，急需開發(fā)一款可為注塑機(jī)關(guān)節(jié)、拉桿等部位提供優(yōu)異潤(rùn)滑保護(hù)的注塑機(jī)關(guān)節(jié)油。

影響注塑機(jī)關(guān)節(jié)潤(rùn)滑的因素

注塑機(jī)鎖模關(guān)節(jié)具有3 個(gè)顯著特點(diǎn)：機(jī)構(gòu)力增大的特性、自鎖性能和速度呈現(xiàn)慢-快-慢的特性。目前注塑機(jī)關(guān)節(jié)潤(rùn)滑現(xiàn)狀不容樂觀，注塑機(jī)設(shè)備因潤(rùn)滑不足而造成設(shè)備加速磨損，致使精度降低和設(shè)備損壞。注塑機(jī)關(guān)節(jié)磨損實(shí)物見圖3。

研究表明，在多數(shù)情況下，注塑機(jī)鎖模關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑屬于典型的彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑（簡(jiǎn)稱彈流潤(rùn)滑），影響彈流潤(rùn)滑偏離經(jīng)典彈流潤(rùn)滑理論的3 種因素為：溫度效應(yīng)、潤(rùn)滑劑的非牛頓效應(yīng)和表面粗糙效應(yīng)[6]。對(duì)注塑機(jī)關(guān)節(jié)處潤(rùn)滑失效原因進(jìn)行分析，其與上述3 種因素息息相關(guān)，具體表現(xiàn)如下：

◇溫控失效：研究表明潤(rùn)滑劑和接觸表面的溫度是決定彈流潤(rùn)滑失效的因素之一。注塑機(jī)關(guān)節(jié)因長(zhǎng)時(shí)間受到不斷往復(fù)摩擦，根據(jù)雷諾方程，潤(rùn)滑油膜的壓力與膜厚的二次方成反比，當(dāng)膜厚下降時(shí)，壓力迅速增大，油膜的承載能力也迅速增大。另一方面，膜厚的下降又會(huì)增大潤(rùn)滑膜內(nèi)的剪切應(yīng)變率，從而導(dǎo)致溫度增加。溫度增加，潤(rùn)滑油黏度將大大地降低，又因壓力與黏度成正比，所以，潤(rùn)滑油黏度的下降又會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油膜承載能力的降低，從而導(dǎo)致機(jī)械零件很快磨損，直接影響機(jī)械零件的性能和壽命。因此，要求注塑機(jī)關(guān)節(jié)處潤(rùn)滑油應(yīng)具備良好的黏溫性能和承載能力，以避免溫控失效現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 注塑機(jī)的組成

圖2 注塑機(jī)的鎖模裝置組成

圖3 注塑機(jī)關(guān)節(jié)磨損實(shí)物

◇潤(rùn)滑劑的非牛頓效應(yīng)：由于潤(rùn)滑油膜具有黏塑性，注塑機(jī)關(guān)節(jié)處的潤(rùn)滑油在鎖模力不斷增加的情況下，其油膜在界面處很容易滑移，滑移導(dǎo)致進(jìn)入潤(rùn)滑接觸區(qū)的潤(rùn)滑油流量顯著減少，從而使油膜厚度降低，致使無法為注塑機(jī)關(guān)節(jié)提供良好的潤(rùn)滑保護(hù)。因此，注塑機(jī)關(guān)節(jié)處潤(rùn)滑油應(yīng)具有良好的極壓性能。

◇表面粗糙效應(yīng)：表面粗糙效應(yīng)與注塑機(jī)的生產(chǎn)工藝相關(guān)，潤(rùn)滑油在粗糙表面接觸區(qū)的側(cè)泄可引起彈流油膜的完全喪失，且機(jī)械雜質(zhì)的存在會(huì)加速設(shè)備的磨損。近年來，注塑機(jī)廠家生產(chǎn)工藝不斷完善，對(duì)注塑機(jī)的潤(rùn)滑也越來越重視，表面粗糙效應(yīng)導(dǎo)致的潤(rùn)滑失效往往是由于外界雜質(zhì)造成的，所以定期對(duì)潤(rùn)滑油及其裝置進(jìn)行保養(yǎng)和檢查非常重要。

注塑機(jī)關(guān)節(jié)油產(chǎn)品開發(fā)

注塑機(jī)關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑要求

開發(fā)注塑機(jī)關(guān)節(jié)油，首先需要了解注塑機(jī)關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑要求。注塑機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)根據(jù)所使用潤(rùn)滑劑類型的不同，分為潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂兩個(gè)類別：潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑主要為小型機(jī)；大型注塑機(jī)鎖模執(zhí)行關(guān)節(jié)潤(rùn)滑均為潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，如鎖模力在700 t 及以上機(jī)型，需要使用潤(rùn)滑油對(duì)關(guān)節(jié)、拉桿等部位進(jìn)行間歇式潤(rùn)滑。隨著對(duì)機(jī)械產(chǎn)能要求的不斷提升，大型注塑機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。通過分析大型注塑機(jī)鎖模裝置關(guān)節(jié)和拉桿的具體工況，其對(duì)潤(rùn)滑油的性能要求如下：

◇極壓抗磨性能：注塑機(jī)在模具閉合后，會(huì)供給模具足夠的鎖模力（700～2 400 t）以抵抗高壓熔融塑料進(jìn)入模腔內(nèi)產(chǎn)生的模腔壓力，防止模具開縫，避免造成制品出現(xiàn)披鋒和尺寸偏差的不良現(xiàn)狀[7，8]。鎖模關(guān)節(jié)在瞬間加壓條件下由靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，動(dòng)模板孔與拉桿產(chǎn)生巨大的摩擦力，為保護(hù)機(jī)器動(dòng)模板孔與拉桿處不被磨損，要求潤(rùn)滑油具有良好的極壓抗磨性。

◇合適的黏度：在注塑機(jī)的開合模過程中，為了使關(guān)節(jié)與拉桿處保持足夠的油膜厚度以防止機(jī)械磨損，要求油品具有合適的黏度。油品黏度過低，不能有效吸附在零部件之間，影響潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑和極壓抗磨效果；油品黏度過高，在啟動(dòng)之初，不易在短時(shí)間內(nèi)被送至零部件之間，從而導(dǎo)致磨損加劇。根據(jù)注塑機(jī)鎖模力的大小、操作溫度和操作速度，注塑機(jī)鎖模關(guān)節(jié)一般選用40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度在68～220 mm2/s左右的潤(rùn)滑油，鎖模力越大，選用油品的黏度應(yīng)越高，潤(rùn)滑保護(hù)效果越好。

◇抗泡性能：鎖模執(zhí)行關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中，由注塑機(jī)上稀油潤(rùn)滑泵自動(dòng)經(jīng)油路注射到鎖模執(zhí)行關(guān)節(jié)內(nèi)，隨著稀油潤(rùn)滑泵的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，潤(rùn)滑油不斷地被攪動(dòng)，容易產(chǎn)生泡沫，泡沫可能會(huì)造成潤(rùn)滑不足、影響散熱，要求潤(rùn)滑油具有良好的抗泡性。

◇低氣味要求：注塑機(jī)鎖模關(guān)節(jié)外設(shè)有安全防護(hù)裝置，但此裝置不能有效與外界空氣隔絕，因此要求油品具有低氣味的特點(diǎn)。

◇氧化安定性：注塑機(jī)的鎖模裝置屬于間歇潤(rùn)滑，對(duì)油品的氧化安定性能要求不高。

◇抗乳化性能：注塑機(jī)通常位于廠房?jī)?nèi)部，所處環(huán)境相對(duì)整潔且不易與水分接觸，所以鎖模裝置潤(rùn)滑部件對(duì)油品的抗乳化性能要求不高。

綜上所述，結(jié)合影響注塑機(jī)關(guān)節(jié)潤(rùn)滑的因素分析，依據(jù)注塑機(jī)鎖模裝置關(guān)節(jié)和拉桿的具體工況，注塑機(jī)關(guān)節(jié)油應(yīng)具備的基本性質(zhì)包括：低氣味、優(yōu)良的極壓抗磨性能和抗泡性能、良好的黏溫性能和防銹防腐蝕性能[9，10]。

注塑機(jī)關(guān)節(jié)油的開發(fā)

基礎(chǔ)油的選擇

注塑機(jī)模具生產(chǎn)時(shí)的壓模力全靠鎖模部位執(zhí)行，若此部位潤(rùn)滑失效，會(huì)造成產(chǎn)品尺寸不均勻、機(jī)械部件的損壞和折斷、模具經(jīng)常打不開、開鎖模過程能耗增加、開鎖模噪音大等不良后果，因此鎖模部位的良好潤(rùn)滑非常重要。潤(rùn)滑油膜的形成與油品的黏度密不可分，黏度大，形成的潤(rùn)滑油膜厚，設(shè)備潤(rùn)滑保護(hù)就好。因此，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及前期試驗(yàn)嘗試，基礎(chǔ)油選擇方面要兼顧黏度、黏度指數(shù)、傾點(diǎn)、閃點(diǎn)等特性指標(biāo)。本產(chǎn)品考察的基礎(chǔ)油典型理化數(shù)據(jù)見表1，最終優(yōu)選B、C 和D 的組合作為注塑機(jī)關(guān)節(jié)油的基礎(chǔ)油。

添加劑的選擇

注塑機(jī)關(guān)節(jié)油要求具有優(yōu)良的極壓抗磨性能，油品可以迅速地形成邊界吸附膜或化學(xué)反應(yīng)膜，以防止磨損、擦傷或膠合，從而保護(hù)機(jī)器動(dòng)模板孔與拉桿處不被磨損。選擇了2 種硫磷型極壓抗磨劑（添加劑SP1/SP2），以篩選得到的基礎(chǔ)油為基礎(chǔ)油調(diào)配了油品。油品極壓抗磨性能評(píng)定結(jié)果見表2。

由表2 可見，在相同加劑量下，添加劑SP1 的燒結(jié)負(fù)荷PD和磨斑直徑D的試驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于添加劑SP2，因此最終選取添加劑SP1 作為注塑機(jī)關(guān)節(jié)油的極壓抗磨劑。

表1 基礎(chǔ)油典型理化數(shù)據(jù)

泡沫可能會(huì)造成潤(rùn)滑不足、影響散熱，要求注塑機(jī)關(guān)節(jié)油具有良好的抗泡性能。在含抗磨劑的基礎(chǔ)油中加入抗泡劑P（聚丙烯酸酯類）和M（改性硅氧烷類）進(jìn)行考察，抗泡性能的考察結(jié)果見表3。

表2 油品極壓抗磨性能評(píng)定結(jié)果

表3 抗泡性能的考察結(jié)果

由表3 可以看出，抗泡劑M 在加劑量為100 mg/kg 時(shí)，表現(xiàn)優(yōu)異，因此選取抗泡劑M 作為注塑機(jī)關(guān)節(jié)油的抗泡劑。

注塑機(jī)關(guān)節(jié)油的產(chǎn)品性能

經(jīng)過對(duì)基礎(chǔ)油和添加劑不同組合的開發(fā)和試驗(yàn)測(cè)試，最終開發(fā)了150 和220 共兩個(gè)黏度級(jí)別的注塑機(jī)關(guān)節(jié)油。長(zhǎng)城注塑機(jī)關(guān)節(jié)油典型數(shù)據(jù)見表4，與2 種國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的主要性能比較見表5。

從表5 可以看出，長(zhǎng)城注塑機(jī)關(guān)節(jié)油與國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的性能相當(dāng)，且具有更好的極壓性能和抗泡性能。

表4 長(zhǎng)城注塑機(jī)關(guān)節(jié)油典型數(shù)據(jù)

表5 注塑機(jī)關(guān)節(jié)油與國(guó)內(nèi)油品的性能對(duì)比

結(jié)論

根據(jù)注塑機(jī)關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑要求，通過對(duì)基礎(chǔ)油、添加劑的篩選，開發(fā)了一款具有低氣味、優(yōu)良的極壓抗磨性能和抗泡性能、良好的黏溫性能和防銹防腐蝕性能的注塑機(jī)關(guān)節(jié)油。該產(chǎn)品對(duì)油品的極壓抗磨性能、抗泡性能進(jìn)行了著重提高，使油品對(duì)于注塑機(jī)關(guān)節(jié)、拉桿的工況具有更好的適應(yīng)性，適用于大型注塑機(jī)，可提供良好的潤(rùn)滑保護(hù)，保證設(shè)備的安全高效運(yùn)行。