假塑性流體模型在橡膠冷流道注射硫化機模具改造設(shè)計中的應(yīng)用

尤兆鑫，徐春美

(泰克國際（上海）技術(shù)橡膠有限公司 ，上海 松江區(qū) 201600)

冷流道注射方式作為一種比較先進生產(chǎn)方式，較之熱流道工藝具有以下的好處[1]：

（1）流道內(nèi)壓力損失小，溫度均勻，膠料流動性越好，產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力、變形就會越小，產(chǎn)品的力學(xué)性能和表面質(zhì)量就會越高（常見的飛邊、縮水、熔接痕、顏色不均、填充不足等現(xiàn)象就可以減少）。

（2）大部分或全部流道內(nèi)的廢料被消除，提高了物料的有效利用率，減少了舊料的回收利用。

（3）縮短了成型周期和開模行程，提高了生產(chǎn)效率。

（4）冷流道可以自動切斷澆口與制品的連接，自動化程度得到了提高。

（5）降低注射壓力，有利于保護模具，延長使用壽命。

（6）可保證多模腔模具填充均勻，質(zhì)量一致。

所以將現(xiàn)有的熱流道模具改造為冷流道模具是非常必要的，由于和熱流道模具的設(shè)計不一樣，冷流道的模具的流道是封閉式的，在改造過程中是否可以進一步擴充生產(chǎn)區(qū)域和單模硫化的生產(chǎn)量，從而提高生產(chǎn)效率，是本文重點探討的問題。

1 改造內(nèi)容

1.1 改造介紹

1.1.1 產(chǎn)品

輪胎修補用 Φ30×4.0蘑菇釘 （頭部直徑30 mm；塞梗直徑4 mm）

1.1.2 生產(chǎn)設(shè)備

品牌 “磐石” GVT5-100注射式硫化機， 有效加熱面積：430 mm×600 mm

1.1.3 改造內(nèi)容

（1）熱流道模具 改造為 冷流道模具。

（2）64孔射出 改造為 80孔射出。

1.2 改造研討

本文1.1.3改造內(nèi)容 （1）不在本文討論范圍內(nèi)，重點對改造內(nèi)容（2）進行研討。

1.2.1 原模具簡述

原冷流道模具采用的是等距式流道64孔結(jié)構(gòu)，其流道方向如圖1， 依次為（括號內(nèi)為數(shù)量） ：注射口（1）→1級流道（2）→2級流道（4）→3級流道（8）→4級流道（16）→5級流道（64）。

圖1 等距式流道64孔分布示意圖A

其中 1級流道～5級流道均為熱流道。

這種結(jié)構(gòu)有以下特點：

（1）流道截距按照等級減少。

（2）到達每一個型腔的路徑一致，折點數(shù)一致，每一個分支拐點以后的路徑相顧始終處于軸對稱狀態(tài)，如圖2中隨機選取的紅線和藍線所示：

圖2 等距式流道64孔分布示意圖B

1.2.2 增孔后模具

從上面可以看到，整個模具板上在左右兩側(cè)各有一片空白區(qū)域沒有得到利用，烤爐在此處增設(shè)兩組各8各型腔，使模具的型腔數(shù)量從原來的64孔增加至80孔，單模硫化效率提高25%，如圖3所示：

圖3 80孔分布示意圖

從上圖可以看到在原模具的左右兩側(cè)各增加了兩組共16個型腔，其流道方向為：

注射口（1）→1級流道（2）

→2級流道（4）→3級流道（8）→4級流道（16）→5級流道（64）；

→3級流道（2）→4級流道（4）→5級流道（8）。

其中，1級流道～3級流道為冷流道，4級流道～5級流道為熱流道。

1.2.3 新模具問題描述

可以看到，一般來說，冷流道的設(shè)計是需要把橡膠均勻的注入模具型腔，通常為均勻堆成分布，如圖4。

圖4 流道修改示意

增加了孔位的新模具（圖4右）打破了原來（圖4左）同長度，同拐點，對稱路徑的設(shè)計方法，在兩端有一個直接從1級流道過渡到3級流道的設(shè)計，且少了一個拐點。因此，需要計算新流道的分配情況，并通過一定的通道設(shè)計，保證10個注膠口的流動基本均勻。那么這種設(shè)計，會不會導(dǎo)致各個型腔的橡膠壓力分布不均，從而產(chǎn)生缺膠等不良或者在非制品位置產(chǎn)生溢膠，是模具制作前需要驗證的問題。

2 假塑性流體模型驗證計算

為了防止模具制作完成后產(chǎn)品出現(xiàn)不良等非期待行結(jié)果，決定對設(shè)計完成的模具流道建立假塑性流體模型進行驗證，計算各個注射口的流量分配情況。

2.1 工況說明

根據(jù)硫化機特性，注射機每次的注射量約為300～400 mL，時間9～20 s，此處取平均情況，即15 s內(nèi)完成350 mL的注射量，且假設(shè)橡膠流體特性如下：

（1）流體為不可壓縮流體。

（2）流體的流動為等溫穩(wěn)態(tài)流動，即在冷流道過程中不存在明顯的熱交換，且流道內(nèi)可以完全充滿橡膠，即不存在氣體+膠體的兩相混合情況。

（3）流道內(nèi)流動按層流考慮。

2.2 計算依據(jù)

本計算書中的仿真案例包括基本的非牛頓流體流動問題。采用商業(yè)計算軟件完成，在計算流體力學(xué)的基本原理中，流動可以用以下方程描述：

（1）連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）

該定律可表述為：單位時間內(nèi)流體微元體重質(zhì)量的增加，等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈重量，其表達式如下：

（2）動量守恒方程（N-S方程）

該定律可表述為：微元體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和，x,y,z三個方向上的表達式如下：

（3）能量方程

該定律可表述為：微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功，實際上即熱力學(xué)第一定律，其表達式如下：

（4）本構(gòu)方程

橡膠的流動符合假塑性流體特征，即流體黏度隨剪切速率存在如圖5所示的變化, 在剪切應(yīng)力較小時，流動表現(xiàn)出牛頓流體的性質(zhì)，此時為零剪切黏度；隨著剪切應(yīng)力增加，黏度出現(xiàn)急劇變化，此時即為假塑性區(qū)；當(dāng)剪切應(yīng)力繼續(xù)增加，黏度再次表現(xiàn)為牛頓流體性質(zhì)，此時為極限剪切黏度。

圖5 假塑性流體黏度特征

在計算時，采用合理的本構(gòu)模型來進行描述，此處選用簡化的三參量Cross模型，其表達式如下：

式中， 為所求的當(dāng)前狀態(tài)黏度。 為零剪切黏度，為剪切速率， 為松弛時間。 為非牛頓指數(shù)。對于該工況中的橡膠制品，選取各參數(shù)如表1[2]：

表1 橡膠制品牛頓指數(shù)表

2.3 計算模型說明

選取計算模型如圖6所示，上方為注射口，下方對應(yīng)10個出口，其中兩端新加的出口管路上，通過一定的縮徑設(shè)計，來控制阻力和流量。

圖6 計算模型示意

對計算區(qū)域繪制網(wǎng)格如圖7：

圖7 網(wǎng)格劃分示意

網(wǎng)格參數(shù)及扭曲度指標(biāo)如圖8所示，最大扭曲度處于0.9之內(nèi)，滿足計算需求。

圖8 網(wǎng)格扭曲度示意

對不同區(qū)域，設(shè)置方法列表如圖9（入口），圖10（出口）。

圖9 入口邊界位置示意

圖10 入口邊界位置示意

2.4 仿真結(jié)果

采用如上設(shè)置進行仿真計算，計算殘差曲線如圖11所示，可以認為計算收斂。

圖11 流體方程收斂曲線

選取截面速度場分布如圖12。

圖12 截面速度場云圖

選取截面壓力場分布如圖13。

圖13 截面壓力場云圖

讀取各出口的流量分布情況如下表2所示。

從表2結(jié)果看：

表2 各區(qū)域分配占比

（1）新增的I～J口的設(shè)計流量占比要小于A～H口；

（2）A～H口的分布均勻，流量分配較I～J口高2.5%左右。

按照經(jīng)驗判斷，2.5%在可以接受范圍之內(nèi)，不會對產(chǎn)品和生產(chǎn)造成影響。

3 生產(chǎn)結(jié)果

按照驗證后的結(jié)果，改造完成的冷流道模具生產(chǎn)順暢，沒有出現(xiàn)因膠料分配不均導(dǎo)致的缺膠以及非制品區(qū)的溢膠等不良現(xiàn)象，如下圖14。

圖14 完成品照片

本次改造成功。