徐 斌，李光明

(西南科技大學(xué),四川 綿陽 621010)

塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)是材料成型及控制工程專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，聚合物成型理論，特別是聚合物熔體充模流動(dòng)過程，無論在理論研究還是在高校教學(xué)中都占有重要的地位。一模多腔注塑成型是本課程的教學(xué)內(nèi)容之一，模具型腔布局雖然對稱設(shè)計(jì)，但很容易出現(xiàn)充填不平衡。目前很多關(guān)于充填不平衡方面的教學(xué)只是簡單采用了文本投影式教學(xué)，對充填不平衡過程中的物理現(xiàn)象和規(guī)律缺乏科學(xué)而形象的描述。根據(jù)目前對充填不平衡的產(chǎn)生機(jī)理分析，涉及到聚合物熔體在澆注系統(tǒng)中的流動(dòng)過程，尤其是聚合物熔體在流道中的溫度分布對充填不平衡產(chǎn)生顯著影響[1,2]。

隨著微納米技術(shù)的快速發(fā)展，微注塑成型技術(shù)已成為微納制造技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[3,4]。為了讓學(xué)生了解注塑成型的前沿技術(shù)和提高對一模多腔成型的學(xué)習(xí)興趣,深入了解充填不平衡產(chǎn)生的原因，培養(yǎng)學(xué)生思維水平和創(chuàng)新能力,本文開發(fā)了一種帶微結(jié)構(gòu)的一模多腔微注塑模具。采用不同工藝參數(shù)進(jìn)行充填不平衡試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬仿真，分析流道中的溫度場的變化，使學(xué)生深入了解充填不平衡。

1 模具設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一模八腔平H形布局流道模具如圖1。目前微注塑模具技術(shù)還不成熟，借鑒傳統(tǒng)注塑模具設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)微注塑模具。微注塑模具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于由于塑料熔體難于充填，通常需要較高的模具溫度。

(a)微結(jié)構(gòu)注塑模具

此外，對于微小結(jié)構(gòu),需要及時(shí)排除型腔中的氣體，才能充填滿。在本實(shí)驗(yàn)中，模具由兩根電熱棒加熱。模具溫度由溫度控制器測量。此外，使用真空泵通過標(biāo)有紅色圓圈的孔排空型腔氣體。為了確保真空度，在澆口套、分型面和頂桿上安裝了密封圈。

鑲塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用高速銑削加工型腔，然后采用微細(xì)電火花銑削技術(shù)加工微孔，通過日本OLYMPUS公司生產(chǎn)的BX51偏光顯微鏡測量直徑，最大直徑為220.5 μm，最小直徑為216.7 μm。微孔表面粗糙度經(jīng)加工試樣剖切測量，用Newview 5022型ZYGO表面輪廓儀測量結(jié)果為Ra為0.273 μm，型腔表面粗糙度為0.451 μm。

圖2 鑲塊結(jié)構(gòu)

2 充填不平衡實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析

選用盤錦石化公司生產(chǎn)的5070型高密度聚乙烯(HDPE)。注塑機(jī)選用海天集團(tuán)生產(chǎn)的精密注塑機(jī)，型號為MA600Ⅱ-SMS，最大注射速率為51 g/s。先將HDPE在60 ℃干燥4 h后進(jìn)行注塑實(shí)驗(yàn)，采用直角轉(zhuǎn)角流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，設(shè)置注塑工藝參數(shù)如表1所示。為了減少型腔中的灰塵等小顆粒物對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾，在實(shí)驗(yàn)前用酒精將型腔多次清洗，試樣如圖3所示。選取圖4中所標(biāo)識(shí)的模具型腔Ⅰ與Ⅱ中的微圓柱孔充填結(jié)果進(jìn)行分析，并且對每個(gè)孔的位置進(jìn)行了編號。在測量時(shí)將塑件插入橡皮泥中并固定在顯微鏡工作臺(tái)面上，采用日本OLYMPUS公司生產(chǎn)的BX51偏光顯微鏡來測試微圓柱的高度，其結(jié)果如表2所示。

圖3 充填不平衡填充試樣

圖4 模具型腔布置圖

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

表2 微圓柱孔填充高度

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著模具溫度與注射速率的增大，微圓柱填充高度會(huì)有一定程度的增加。在直徑為200 μm時(shí)，注射速率為60%，模溫由72 ℃升高到80 ℃時(shí)，最大填充高度增加了76.3%，高達(dá)402 μm，最小有效填充高度同步增加63.9%；模具溫度為72 ℃，注射速率由60%升至90%時(shí)最大填充高度由228 μm增加至368 μm，增加140 μm，最小有效填充高度由147 μm上升到184 μm，由于模溫高時(shí)熔體在模具中的流動(dòng)性較好流動(dòng)阻力小，有利于填充。當(dāng)注射速率較低時(shí)，熔體在流道中的流動(dòng)性較差；速率增大時(shí)，熔體流動(dòng)產(chǎn)生的剪切熱也會(huì)隨之增大，由于剪切熱的作用，熔體的粘度降低，從而流動(dòng)性更好，就更有利于填充，因此高注射速率會(huì)增大填充高度。另外從表2可以看出填充高度隨著型腔澆口位置變遠(yuǎn)而減小，這是由于距離澆口越遠(yuǎn)，速度以及熱量損失就越多，熔體的流動(dòng)性減弱，從而距離越遠(yuǎn)填充高度就越小。

為了方便分析充填不平衡，設(shè)Δl為型腔Ⅰ與型腔Ⅱ同一位置的微圓柱的高度差，它即代表了兩模具同位置之間充填不平衡的程度。根據(jù)表2的結(jié)果做圖如圖5所示。

圖5 充填不平衡微圓柱高度差

由圖5可知，當(dāng)注射速率60%，模具溫度為72 ℃時(shí)，填充高度差Δl最小值為114 μm；當(dāng)注射速率增加至75%，模具溫度增加至76 ℃時(shí)，填充高度差Δl最小值為60 μm；當(dāng)注射速率達(dá)到最大值90%，模具溫度達(dá)到最大值80 ℃時(shí)，填充高度差Δl最小值為13 μm，但其余型腔均大于50 μm。分析可知，當(dāng)注射速率和模具溫度逐漸增加，填充高度差逐漸降低，曲線逐漸趨于平穩(wěn)。

為了對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋，采用ANSYS WORKBENCH軟件POLYFLOW模塊進(jìn)行了數(shù)值模擬分析[5]。由于流道是對稱布局，選取一半流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。其模擬結(jié)果如圖6所示，從圖中可以看出流道溫度變化明顯。選取澆口截面進(jìn)行溫度分布對比，如圖所示，可以發(fā)現(xiàn)澆口截面I溫度最大值大于澆口截面Ⅱ的溫度最大值。結(jié)合高分子流變學(xué)知識(shí)可知[6-8]，聚合物熔體的粘度隨熔體溫度升高而降低，當(dāng)流道中熔體的溫度升高，聚合物熔體流動(dòng)阻力減小，由此可知就解釋了型腔I中聚合物熔體的填充量為什么多于型腔Ⅱ。這就從機(jī)理上解釋了充填不平衡的形成原因。

(a)流道壁面溫度

3 結(jié) 語

本文通過設(shè)計(jì)一模八腔H形布局注塑模具，一方面通過注塑充填不平衡實(shí)驗(yàn)，可以明顯觀察到充填不平衡現(xiàn)象；另一方面通過數(shù)值模擬觀察聚合物熔體在模具型流道中熔體溫度分布，從機(jī)理上解釋了充填不平衡的形成原因?？梢钥闯?，利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析能夠?qū)崿F(xiàn)聚合物熔體充模不平衡過程分析輔助教學(xué)，可以在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,加深學(xué)生對于相關(guān)知識(shí)的理解,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力等方面起到積極的作用。