焦冬梅,李冬燕,張 濤,郭 超,苑詩帥

(1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島266061;2.青島漢纜股份有限公司,山東 青島266061)

橡膠是黏彈并存的材料,流動(dòng)中高分子鏈構(gòu)象的改變使橡膠表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性行為,使成型不同形狀、尺寸制品成為可能[1-3]。但是高柔順性的橡膠分子鏈,表現(xiàn)出比塑料分子鏈更為明顯的彈性行為,從而造成流動(dòng)內(nèi)摩擦大、易于蜷曲的現(xiàn)象,致使膠料流動(dòng)阻力大,流動(dòng)性差,因?yàn)檫@些問題的存在使制品出現(xiàn)流痕、缺膠、綜合機(jī)械性能下降等質(zhì)量問題[4-6],以及能耗高、設(shè)備要求高的生產(chǎn)問題[7-8]。因?yàn)橄鹉z流動(dòng)性差的特征,造成高分子成型的傳統(tǒng)工藝在橡膠材料上的應(yīng)用受到了限制,如難以注射成型像大型護(hù)弦、高鐵風(fēng)擋尺寸大、質(zhì)量重的大型橡膠制品,所以注射成型的產(chǎn)品優(yōu)勢難以在橡膠制品中充分展示[9-10]。

針對目前存在的問題,充分發(fā)揮注射技術(shù)在橡膠領(lǐng)域的應(yīng)用潛力,課題組提出了通過動(dòng)態(tài)誘導(dǎo)注射技術(shù)來降低橡膠流動(dòng)阻力、改善流動(dòng)性的方法。通過模擬預(yù)測振動(dòng)對流動(dòng)的影響趨勢并通過實(shí)驗(yàn)研究證明了該技術(shù)的有效性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺

自行搭建橡膠動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺見圖1。

圖1 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of dynamic experiment platform

該平臺可為流動(dòng)膠料提供振動(dòng)范圍為頻率0～100 Hz,振幅0～1.5 mm。注射用模具固定在振動(dòng)臺上,模具中的混煉膠受到振動(dòng)臺振動(dòng)的影響,混煉膠在柱塞作用下充填模腔時(shí),檢測系統(tǒng)對膠料填充過程壓力監(jiān)測并輸出。采用輸出壓力及充填長度作為膠料流動(dòng)性的評價(jià)指標(biāo)。

1.2 實(shí)驗(yàn)用模具及輔助設(shè)備

設(shè)計(jì)兩套測試注射模具來研究振動(dòng)引入對橡膠流動(dòng)性的影響,實(shí)驗(yàn)用模具上模和下模見圖2、圖3。通過共用上模板,可實(shí)現(xiàn)兩套模具零件的互換性,中心部位開有注膠孔,模具中心布置型腔直徑為26 mm,深度為5 mm 凹槽。1＃模具下模如圖3(a)所示,型腔布置類似于網(wǎng)狀,模腔截面為半圓形槽,分為6部分,依次為A、B、C、D、E、F。B、C、E、F 型腔直徑和深度依次減小,直徑分別為4.8、6.4、1.6、0.8 mm,C、D 型腔直徑和深度尺寸相同。2＃實(shí)驗(yàn)用模具下模結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示,模腔為阿基米德螺旋線形式,模腔為半徑為2.5 mm,槽深為2 mm 的半圓形截面。型腔沿流動(dòng)方向標(biāo)有刻度,可以觀察膠料的流動(dòng)長度。

圖2 實(shí)驗(yàn)用模具上模Fig.2 Mold upper die for experiment

圖3 實(shí)驗(yàn)用模具下模Fig.3 Mold lower die for experiment

其他主要設(shè)備為:密煉機(jī),X(S)M-1.7L 型,青島科技大學(xué)自制;開煉機(jī),X(S)K-160型,上海橡膠機(jī)械廠;門尼黏度儀,UM-2050型,優(yōu)肯科技股份有限公司;膠料流動(dòng)性分析儀,VMA1000型,特拓(青島)輪胎技術(shù)有限公司;橡膠加工分析儀,RPA2000型,美國阿爾法科技公司。

1.3 主要原材料及配方

采用雪地胎胎面、電纜膠混煉膠作為實(shí)驗(yàn)用膠料,門尼黏度為45。生膠、各種小料、炭黑依次添加到密煉機(jī)中混煉時(shí)間不超過7 min,混煉好后膠料移至開煉機(jī),在開煉上添加硫黃和促進(jìn)劑,薄通后下片待用。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 振動(dòng)降阻的有效性

圖4為1＃和2＃模具在相同其他工藝參數(shù)下,傳統(tǒng)和引入振動(dòng)兩種工藝下充填得到的注射壓力曲線。從圖4看出:1)壓力曲線變化趨勢相同,且隨充填進(jìn)行,壓力曲線由平緩到急劇增大;2)振動(dòng)的引入,使模腔內(nèi)的壓力曲線始終低于振動(dòng)未引入注射過程,且越到填充后期壓力下降幅值越明顯。填充結(jié)束后,1＃模腔中壓力下降達(dá)到了最大下降幅值的26.7%,2＃模腔中壓力下降達(dá)到了最大下降幅值的27.2%。振動(dòng)引入混煉膠流場后,模腔壓力會下降,模腔內(nèi)流動(dòng)阻力下降。2條壓力數(shù)值不同的曲線,證明了振動(dòng)對于降低流動(dòng)阻力,改善橡膠流動(dòng)性是有效的。

圖4 兩種工藝模腔壓力曲線Fig.4 Pressure curve of two kinds of process cavity

2.2 振動(dòng)降阻的規(guī)律及敏感性

圖5、6為在振動(dòng)引入下,兩種不同的定量混煉膠在注射速度v＝100 mm·min－1充填2＃模腔注射壓力隨振動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律。

分析圖5、圖6得:

1)振動(dòng)引入注射流場,兩種不同混煉膠的注射壓力都會隨著振幅和頻率的增加而降低。在10～40 Hz范圍內(nèi)壓力隨頻率下降明顯,在40～50 Hz,壓力下降緩慢。分析其原因是相對較快的頻率使鏈段運(yùn)動(dòng)跟不上頻率的變化,來不及改變運(yùn)動(dòng)形式,表現(xiàn)為對流動(dòng)阻力改變相對弱,流動(dòng)性改善相對少,在合適的頻率范圍內(nèi)才能對橡膠的流動(dòng)性有較明顯的改善。振幅對流動(dòng)性的改變規(guī)律相同,如振幅A＝0.7 mm 時(shí),兩種膠的壓力下降了近25%,振幅A＝0.9 mm 時(shí),兩種膠的壓力降下降了近30%,但是綜合考慮振動(dòng)引入能耗的影響以及實(shí)驗(yàn)條件限制,實(shí)驗(yàn)研究振動(dòng)范圍內(nèi)建議選擇振幅0.5～0.7 mm,頻率30～40 Hz為較佳工藝范圍。

圖5 頻率對不同膠種注射壓力的影響(A＝0.5 mm)Fig.5 Effect of frequency on injection pressure of different kinds of rubber(A＝0.5 mm)

圖6 振幅對不同膠種注射壓力的影響(f＝30 Hz)Fig.6 Effect of amplitude on injection pressure of different kinds of rubber(f＝30 Hz)

2)振動(dòng)對不同種類膠料的壓力降低不同,對不同膠料流動(dòng)性的改善程度不同。從表1知,在相同的振動(dòng)條件下,胎面膠注射壓力降比電纜膠多。在A＝0.5 mm 時(shí),胎面膠注射壓力降為21%,相對于電纜膠的17.3%降幅更明顯。分析兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)z的損耗因子tanδ、動(dòng)態(tài)儲能模量G′如圖4所示。

胎面膠的損耗因子tanδ曲線在應(yīng)變20%后要低于電纜膠,而損耗因子tanδ越小,則材料的彈性越大,且胎面膠的動(dòng)態(tài)儲能模量G′要高于電纜膠,綜上判斷胎面膠彈性效應(yīng)要明顯于電纜膠。

結(jié)合圖7說明振動(dòng)對彈性較好的胎面膠流動(dòng)性改善相對明顯。振動(dòng)能量引入,改變了傳統(tǒng)流動(dòng)過程中黏性和彈性的能量分配比例,分子鏈及鏈段的松弛時(shí)間縮短,運(yùn)動(dòng)速度加快,彈性回復(fù)及時(shí),減弱了流動(dòng)阻力,改善了橡膠流動(dòng)性。

表1 不同膠種注射壓力降Table 1 Injection pressure drop of different kinds of rubber

圖7 損耗因子tanδ 和動(dòng)態(tài)儲能模量測試曲線Fig.7 test curve of loss factor tanδand dynamic storage modulus

圖8、9為1＃和2＃模具在相同的最大注射壓力下,在傳統(tǒng)和引入振動(dòng)下注射填充圖,得到1＃模具在傳統(tǒng)充填下,模腔D 未充滿,且F 模腔僅充填到2個(gè)刻度位置處。振動(dòng)注射下(f＝15 Hz,A＝0.6 mm),模腔D 完全充滿,且F 模腔已充填到4個(gè)刻度位置處。2＃模具傳統(tǒng)注射時(shí),螺旋線填充長度為6.5 mm,當(dāng)頻率為30 Hz,振幅為0.4 mm 注射時(shí),螺旋線填充長度為8.5 mm,增加量達(dá)到了30.7%,增幅明顯。

圖10為不同壓力下混煉膠分別在振幅為0.4 mm 和頻率為30 Hz下充填2＃模腔,充填長度與頻率和振幅關(guān)系曲線,得到充填長度隨著振動(dòng)頻率和振幅的增加而增加,如頻率為30 Hz時(shí),充填長度為由4.7 mm 增加到7.4 mm,充填長度增加了57%。而注射時(shí)間并沒有明顯增加,在一定程度上說明混煉膠的體積流量增加,提高了注射效率。

圖8 1＃模具填充實(shí)物圖(P max＝30 MPa,V＝100 mm·min－1)Fig.8 Filling drawing of 1＃ mold(P max＝30 MPa,V＝100 mm·min－1)

圖9 2＃模具填充實(shí)物圖(P max＝35 MPa,A＝0.4 mm,V＝100 mm·min－1)Fig.9 Filling drawing of 2＃ mold(P max＝35 MPa,A＝0.4 mm,V＝100 mm·min－1)

圖10 2＃模具在不同振動(dòng)參數(shù)下的充填長度Fig.10 Filling length under different vibration parameters of 2＃ mold

3 振動(dòng)流場數(shù)值模擬

用ANSYS軟件對2＃模腔膠料振動(dòng)充填流動(dòng)進(jìn)行模擬分析[11-13],因?yàn)槟M計(jì)算時(shí)間、網(wǎng)格局限性,將2＃模具流場簡化為縮小模型,并取螺旋線流體的一小段作為流域分析模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分及邊界定義,有限元模型網(wǎng)格劃分如圖11所示,采用四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量在6 萬左右。通過UDF 函數(shù)[14-15]定義壓力振動(dòng)方程如式(1),壓力形式如圖12所示,其中振幅為壓力,從而將正弦振動(dòng)引入流場的模擬分析中。

膠料充填模擬上邊界in設(shè)置為壓力入口(pressure inlet),壓力值用UDF 定義,通Interpreted命令導(dǎo)入解釋式UDF程序,out邊界設(shè)置為壓力出口(pressure outlet),壓力值設(shè)置為0 Pa。模擬過程中,采用Laminar層流模型,采用分離變量法(segregated),該方法主要用于不可壓縮或壓縮性不強(qiáng)的流體流動(dòng)模擬,壓力-速度耦合方程采用SIMPLE算法。胎面膠的物性參數(shù)如表2所示。

式(1)中:Y,壓力載荷;B,平均壓力,Pa;A P,壓力振幅,Pa;t,完成一次振動(dòng)需要的時(shí)間,s;ω,角頻率,2π內(nèi)振動(dòng)次數(shù),rad·s－1,其中ωt＝2πf;φ,t＝0時(shí)刻的相位角。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,將胎面膠在f＝30 Hz,A＝0.3 mm 及f＝40 Hz,A＝0.5 mm 實(shí)測的注射壓力作為振動(dòng)壓力進(jìn)行模擬,與不加入振動(dòng)的模擬結(jié)果進(jìn)行比較,得到流場質(zhì)量流率如表3所示。表3得到混煉膠注射過程中加入振動(dòng),質(zhì)量流量明顯增加。模擬結(jié)果中質(zhì)量流量增加預(yù)示著振動(dòng)會引起流動(dòng)阻力的下降,提高膠料流動(dòng)性和流動(dòng)效率。

圖11 2＃模具有限元模型網(wǎng)格劃分Fig.11 Mesh generation of finite element model 2＃ mold

圖12 對2＃模腔施加的正弦振動(dòng)壓力Fig.12 Sinusoidal vibration pressure applied to 2＃ mold cavity

表2 胎面膠物性參數(shù)Table 2 Physical parameters of tread compound

表3 模擬質(zhì)量流率Table 3 Volume flow rate

4 結(jié) 論

通過對正弦振動(dòng)流場進(jìn)行有限元模擬,及對不同的模具形式及不同種類混煉膠進(jìn)行了傳統(tǒng)及引入振動(dòng)的注射充填實(shí)驗(yàn):

1)振動(dòng)引入橡膠流場中有利于提高流動(dòng)效率,振動(dòng)對改變橡膠流動(dòng)性有效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明振動(dòng)可以提高質(zhì)量流率,減少擠出能耗。

2)在橡膠流場中引入振動(dòng)能有效降低充填壓力,提高充填長度,起到降低膠料流動(dòng)阻力,改善流動(dòng)性的作用。

3)振動(dòng)引入橡膠流場對彈性好的膠料流動(dòng)性改善效果明顯,對分子鏈運(yùn)動(dòng)促進(jìn)明顯。