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(jìn)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(dòng)性越好，產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力、變形就會(huì)越小，產(chǎn)品的力學(xué)性能和表面質(zhì)量就會(huì)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(dòng)切斷澆口與制品的連接，自動(dòng)化程度得到了提高。

（5）降低注射壓力，有利于保護(hù)模具，延長(zhǎng)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(jì)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(jìn)一步擴(kuò)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(diǎn)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(bǔ)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(jī)， 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(diǎn)對(duì)改造內(nèi)容（2）進(jìn)行研討。

1.2.1 原模具簡(jiǎn)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(hào)內(nèi)為數(shù)量） ：注射口（1）→1級(jí)流道（2）→2級(jí)流道（4）→3級(jí)流道（8）→4級(jí)流道（16）→5級(jí)流道（64）。

圖1 等距式流道64孔分布示意圖A

其中 1級(jí)流道～5級(jí)流道均為熱流道。

這種結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：

（1）流道截距按照等級(jí)減少。

（2）到達(dá)每一個(gè)型腔的路徑一致，折點(diǎn)數(shù)一致，每一個(gè)分支拐點(diǎn)以后的路徑相顧始終處于軸對(duì)稱狀態(tài)，如圖2中隨機(jī)選取的紅線和藍(lán)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(gè)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(gè)型腔，其流道方向?yàn)椋?/p>

注射口（1）→1級(jí)流道（2）

→2級(jí)流道（4）→3級(jí)流道（8）→4級(jí)流道（16）→5級(jí)流道（64）；

→3級(jí)流道（2）→4級(jí)流道（4）→5級(jí)流道（8）。

其中，1級(jí)流道～3級(jí)流道為冷流道，4級(jí)流道～5級(jí)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(jì)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(zhǎng)度，同拐點(diǎn)，對(duì)稱路徑的設(shè)計(jì)方法，在兩端有一個(gè)直接從1級(jí)流道過渡到3級(jí)流道的設(shè)計(jì)，且少了一個(gè)拐點(diǎn)。因此，需要計(jì)算新流道的分配情況，并通過一定的通道設(shè)計(jì)，保證10個(gè)注膠口的流動(dòng)基本均勻。那么這種設(shè)計(jì)，會(huì)不會(huì)導(dǎo)致各個(gè)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(yàn)證的問題。

2 假塑性流體模型驗(yàn)證計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)完成的模具流道建立假塑性流體模型進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算各個(gè)注射口的流量分配情況。

2.1 工況說明

根據(jù)硫化機(jī)特性，注射機(jī)每次的注射量約為300～400 mL，時(shí)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(dòng)為等溫穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，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(dòng)按層流考慮。

2.2 計(jì)算依據(jù)

本計(jì)算書中的仿真案例包括基本的非牛頓流體流動(dòng)問題。采用商業(yè)計(jì)算軟件完成，在計(jì)算流體力學(xué)的基本原理中，流動(dòng)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：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元體重質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈重量，其表達(dá)式如下：

（2）動(dòng)量守恒方程（N-S方程）

該定律可表述為：微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)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(gè)方向上的表達(dá)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(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對(duì)微元體所做的功，實(shí)際上即熱力學(xué)第一定律，其表達(dá)式如下：

（4）本構(gòu)方程

橡膠的流動(dòng)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(shí)，流動(dòng)表現(xiàn)出牛頓流體的性質(zhì)，此時(shí)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(shí)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(shí)為極限剪切黏度。

圖5 假塑性流體黏度特征

在計(jì)算時(shí)，采用合理的本構(gòu)模型來進(jìn)行描述，此處選用簡(jiǎn)化的三參量Cross模型，其表達(dá)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(shí)間。 為非牛頓指數(shù)。對(duì)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(jì)算模型說明

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

圖6 計(jì)算模型示意

對(duì)計(jì)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(jì)算需求。

圖8 網(wǎng)格扭曲度示意

對(duì)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(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算殘差曲線如圖11所示，可以認(rèn)為計(jì)算收斂。

圖11 流體方程收斂曲線

選取截面速度場(chǎng)分布如圖12。

圖12 截面速度場(chǎng)云圖

選取截面壓力場(chǎng)分布如圖13。

圖13 截面壓力場(chǎng)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(jì)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(yàn)判斷，2.5%在可以接受范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品和生產(chǎn)造成影響。

3 生產(chǎn)結(jié)果

按照驗(yàn)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。