注射成型模具中膠料沿流道壓力損失的研究

曹廣如，李 勇，雷軍玉，李 斌，林 勝，劉文松

（1.株洲時(shí)代瑞唯減振裝備有限公司，湖南 株洲 412007；2.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

與膠料模壓成型和壓鑄成型相比，膠料注射成型在生產(chǎn)效率、自動(dòng)化、節(jié)約膠料和提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)[1-6]。但膠料注射成型是一個(gè)復(fù)雜的過程，大量工藝因素如膠料注射壓力、膠料溫度、充模速度、流道結(jié)構(gòu)等對(duì)模具型腔（簡稱模腔）中膠料壓力有不同程度的影響[7-11]，從而對(duì)橡膠制品性能產(chǎn)生不同程度的影響。因此，模腔中膠料壓力已成為影響橡膠制品性能的重要因素和整個(gè)注射過程中的重要反饋信息，是膠料注射成型中重要的工藝參數(shù)[12-13]。

很多學(xué)者對(duì)注射成型模腔中膠料壓力進(jìn)行了研究。安瑛等[14-15]借鑒塑料熔融注射技術(shù)，研究了膠料粘彈性引起的注射成型模腔入口附加壓力降和模腔壁面滑移對(duì)充模過程的影響，建立了薄矩形模腔中膠料充模流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)注射成型模腔中膠料壓力變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究。1988年，A.I.ISAYEV等[16]開發(fā)了模擬薄層橡膠零件膠料注射充模和硫化的程序，測(cè)得的模腔中膠料壓力與模擬值具有良好的一致性。1996年，A.I.ISAYEV等[17-18]通過研究發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)的注射成型模腔中膠料壓力損失及硫化程度吻合，同時(shí)提出一種模擬模腔充填的新方法，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)的膠料壓力軌跡具有良好的一致性。1998年，A.I.ISAYEV等[19]又將膠料流變特性引入注射成型仿真中以提高分析質(zhì)量。A.ARRILLAGA等[20]利用Moldflow軟件對(duì)注射成型模具螺旋形模腔中膠料壓力變化進(jìn)行模擬，并對(duì)充模后期澆口附近的膠料壓力衰減現(xiàn)象進(jìn)行了分析。

目前的研究大多是對(duì)注射成型模腔中膠料壓力的影響因素進(jìn)行仿真分析，對(duì)注射成型模具中膠料沿流道壓力損失（簡稱膠料壓力損失）的理論計(jì)算涉及很少。因此，本工作針對(duì)膠料壓力損失進(jìn)行研究，為膠料注射成型模具設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)選擇提供指導(dǎo)。

1 膠料壓力損失的理論計(jì)算模型

結(jié)合塑料流變學(xué)設(shè)計(jì)理論和文獻(xiàn)[21-22]建立了膠料壓力損失的理論計(jì)算公式。

流經(jīng)一定長度圓形流道的膠料壓力損失（PL）為：

其中

式中，Q為膠料體積流量，n為非牛頓指數(shù)，K為膠料熔體稠度系數(shù)，L為流道長度，R為圓形流道半徑，v為膠料平均流動(dòng)速度，c，b和m為膠料粘彈性能表征參數(shù)，A為指前因子，E為表觀活化能，R1為理想氣體常數(shù)，T為膠料溫度。

流經(jīng)一定長度矩形流道（寬度和高度分別為W和2h）的膠料壓力損失為：

從式（1）—（5）可以得出，膠料壓力損失與膠料注射速度、膠料溫度、流道長度、流道截面參數(shù)和膠料流變參數(shù)有關(guān)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 注射模型

注射模型如圖1所示。本工作膠料體積為161.8 cm3，選取位置1，2，3記錄注射過程中膠料壓力。

圖1 注射模型Fig.1 Injection model

針對(duì)等截面矩形流道，本工作膠料流經(jīng)一定當(dāng)量流道長度（包含直線流道長度和非直線流道長度，如90°轉(zhuǎn)向處）時(shí)產(chǎn)生的壓力損失（ΔP）可簡化表示為：

式中：t為膠料注射時(shí)間；T為膠料溫度；η是t和T的函數(shù)；L1代表當(dāng)量流道長度，對(duì)于90°轉(zhuǎn)向的流道，其L1等于2de（de為當(dāng)量直徑）。

本工作試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭辛鞯拦諒澨幍漠?dāng)量流道長度為：

2.2 原材料

天然橡膠（NR），馬來西亞產(chǎn)品；高耐磨炭黑，天津海豚炭黑有限公司產(chǎn)品；膠粘劑（底膠CH205和面膠CH6108），洛德化學(xué)（上海）有限公司產(chǎn)品；金屬骨架（鐵件），株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司產(chǎn)品；其他材料，市售品。

2.3 主要設(shè)備與儀器

K4型密煉機(jī)，英國法雷爾公司產(chǎn)品；XK-450型開煉機(jī)，宜興陽昇機(jī)械有限公司產(chǎn)品；600T型注射硫化機(jī)，衡陽華意機(jī)械有限公司產(chǎn)品；PT124B-128-M14-27.5/460型熔融壓力傳感器，上海朝輝壓力儀器有限公司產(chǎn)品；CSS-55100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，長春試驗(yàn)機(jī)研究所有限公司產(chǎn)品；毛細(xì)管流變儀，德國高特福公司產(chǎn)品。

2.4 膠料配方

膠料配方（用量/份）為：NR 100，高耐磨炭黑 26，改性劑 3，氧化鋅 8，硬脂酸 2，防老劑4010NA 1.8，防老劑RD 1.5，不溶性硫黃2.5，促進(jìn)劑CBS 2，促進(jìn)劑DPG 0.3，其他 2。

2.5 試驗(yàn)方法

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行模具的三維建模和加工，并在流道3個(gè)位置預(yù)埋壓力傳感器（分別為傳感器1，2和3），傳感器量程均為0～150 MPa，最大誤差均為0.75 MPa。注射成型模具及傳感器安裝位置如圖2所示。

圖2 注射成型模具及傳感器安裝位置Fig.2 Injection molding mold and installation places of sensors

按照注射壓力120 MPa、注射時(shí)間60 s、塑化溫度70 ℃、模具溫度160 ℃、注膠量220 mL的工藝參數(shù)進(jìn)行膠料注射試驗(yàn)，記錄3個(gè)傳感器處的膠料壓力變化。

3 結(jié)果與討論

采用毛細(xì)管流變儀測(cè)得本工作膠料在130和160 ℃時(shí)的流變曲線，如圖3所示。其中，τ為膠料剪切應(yīng)力，γ為膠料剪切速率[23]。τ和γ的關(guān)系為：

圖3 不同溫度下膠料流變曲線Fig.3 Rheological curves of compound under different temperatures

式中，k為膠料流動(dòng)常數(shù)。

在160 ℃的膠料流變曲線上任取2個(gè)點(diǎn)，根據(jù)式（8）可得n為0.15，c，b，m分別為18，21.9和1.2。將各參數(shù)代入式（6）可得η為0.649，即在注射模型中膠料壓力損失可表示為：

即在注射壓力120 MPa、注射時(shí)間60 s、塑化溫度70 ℃、模具溫度160 ℃、注膠量220 mL的工藝條件下，本工作膠料每經(jīng)過10 mm流道長度的壓力損失為0.649 MPa；同時(shí)，3個(gè)傳感器之間的膠料壓力損失為：膠料從位置1流經(jīng)位置2（L1為47 cm）的壓力損失為30.5 MPa，從位置2流經(jīng)位置3（L1為55.75 cm）的壓力損失為36.18 MPa。

試驗(yàn)測(cè)得3個(gè)傳感器處的膠料壓力變化曲線如圖4所示。

圖4 傳感器1，2，3處實(shí)測(cè)膠料壓力變化曲線Fig.4 Pressure change curves of compound measured at sensors 1，2 and 3

從圖4可以看出，在注射成型中，膠料在固態(tài)、熔融態(tài)和固態(tài)間變化，其中固態(tài)向熔融態(tài)的轉(zhuǎn)變過程是體積膨脹變化，從熔融態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程是體積收縮變化，因此模腔中膠料充滿后仍需要一定體積的膠料繼續(xù)充填。

以傳感器3為例，其膠料壓力變化曲線放大圖見圖5。

從圖5可以看出：膠料壓力變化曲線的前面數(shù)據(jù)為0，表示膠料還沒有流到傳感器3；數(shù)據(jù)從0變化到A點(diǎn)時(shí)，表示膠料已經(jīng)充滿模腔；A-B段表示額外的膠料繼續(xù)充填，此時(shí)膠料密度增大，壓力急劇增大，同時(shí)在B點(diǎn)膠料注射完成并進(jìn)行保壓；B-C段表示一系列初期化學(xué)變化可能引起膠料體積膨脹進(jìn)而使壓力增大；C點(diǎn)以后膠料開始固化，膠料體積收縮，導(dǎo)致模腔中膠料壓力緩慢降低并最終穩(wěn)定。

膠料壓力損失的理論計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)曲線如圖6所示。曲線1為從位置1（傳感器1）到位置2（傳感器2）的膠料壓力損失曲線，曲線2為從位置2（傳感器2）到位置3（傳感器3）的膠料壓力損失曲線。

圖6 膠料壓力損失的理論計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)曲線Fig.6 Theoretical calculation curves and measured curves of pressure losses of compound

從圖6可以看出，注射過程中膠料壓力損失實(shí)測(cè)值小于理論計(jì)算值，穩(wěn)定后的壓力損失誤差在8 MPa內(nèi)。這是因?yàn)槔碚撚?jì)算中的參數(shù)選擇與實(shí)際情況存在一定的誤差，同時(shí)在硫化過程中相關(guān)化學(xué)反應(yīng)使得膠料體積膨脹，從而在一定程度上對(duì)膠料壓力損失進(jìn)行了補(bǔ)償。通過與試驗(yàn)對(duì)比，可以驗(yàn)證在誤差允許范圍內(nèi)本工作前期理論模型的準(zhǔn)確性。

為進(jìn)一步研究工藝參數(shù)對(duì)膠料壓力損失的影響，設(shè)置塑化溫度、模具溫度分別為70，150 ℃和85，160 ℃，然后在注射時(shí)間為50，55，60和70 s時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。

不同工藝參數(shù)組合下3個(gè)傳感器處實(shí)測(cè)膠料壓力如圖7所示。

圖7 不同工藝參數(shù)組合下3個(gè)傳感器處膠料壓力Fig.7 Pressures of compound measured at three sensors under different process parameter combinations

從圖7可以看出：在一定誤差范圍內(nèi)，采用相同的注射壓力，注射時(shí)間越短，膠料壓力損失越大；塑化溫度、模具溫度越高，膠料壓力損失越小。

4 結(jié)論

（1）膠料壓力損失與膠料注射速度、膠料溫度、流道長度、流道截面參數(shù)和膠料流變參數(shù)有關(guān)。

（2）在注射壓力120 MPa、注射時(shí)間60 s、塑化溫度70 ℃、模具溫度160 ℃、注膠量220 mL的工藝條件下，本工作膠料壓力損失為ΔP＝0.649L1，即每經(jīng)過10 mm流道長度，膠料壓力損失為0.649 MPa。

（3）注射過程中膠料的壓力損失實(shí)測(cè)值小于理論計(jì)算值，穩(wěn)定后的膠料壓力損失誤差在8 MPa內(nèi)。

（4）膠料壓力損失對(duì)膠料注射時(shí)間、塑化溫度、模具溫度較為敏感，注射時(shí)間越短，膠料壓力損失越大，塑化溫度、模具溫度越高，膠料壓力損失越小。