郭幼丹，程曉農(nóng)

（1 集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2 江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

引 言

注塑過(guò)程中熔體的熱量傳遞和流動(dòng)特性，特別是熔體在流道中溫度和流動(dòng)速度的變化帶來(lái)的充填不平衡性等問(wèn)題是注塑領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。在普通大尺度注塑成型中，流動(dòng)行為和充填的不平衡性被認(rèn)為主要與工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)有關(guān)，這些因素的變化決定了注塑中熔體流動(dòng)的平衡性與產(chǎn)品的均勻性，如Chen 等[1]、Takarada 等[2]分別研究了溫度和主流道長(zhǎng)度對(duì)多腔模具樹(shù)脂充填平衡的影響，Pintter 等[3]研究了模具制造微結(jié)構(gòu)與注塑的關(guān)系，姜開(kāi)宇等[4]、陳靜波等[5]、Yokoi[6]對(duì)注射成型過(guò)程熔體充填不平衡現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析。在微注塑中，由于微結(jié)構(gòu)塑件尺寸小、流道和型腔的尺寸小、注射量小，一些在常規(guī)尺度下被忽略的因素，在微結(jié)構(gòu)塑件注塑時(shí)會(huì)對(duì)熔體流動(dòng)行為和流動(dòng)特性產(chǎn)生很大的影響，特別在多腔微注塑成型中，微尺度效應(yīng)導(dǎo)致微注塑過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量的一系列變化則更為明顯，如微注射成型時(shí)熔體在微流道中溫度分布和流動(dòng)速度的偏移，產(chǎn)生充填不平衡性，帶來(lái)同一模具幾何上完全對(duì)稱的不同型腔所成型塑件的性能、精度和質(zhì)量差異問(wèn)題等。對(duì)于微注塑的研究主要集中在單腔微結(jié)構(gòu)塑件注塑時(shí)熱量傳遞、熔體流動(dòng)黏度特性和工藝參數(shù)等方面，如Yu 等[7]、Young[8]對(duì)微注塑填充過(guò)程的流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了模擬，郭幼丹等[9]對(duì)微結(jié)構(gòu)注塑熔體流動(dòng)黏度特性與影響因素研究，于同敏等[10-11]對(duì)微注塑成型充模流動(dòng)中的對(duì)流換熱行為和影響因素進(jìn)行了研究，Julien 等[12]對(duì)熱塑性聚合物在微注塑時(shí)的特性進(jìn)行了綜述，宋滿倉(cāng)等[13]對(duì)微結(jié)構(gòu)塑件注射成型特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，李爽等[14]對(duì)微注塑薄壁制品可成型性及充填過(guò)程中的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)，Beaumont 等[15]對(duì)幾何平衡的流道系統(tǒng)填充失衡現(xiàn)象進(jìn)行了試驗(yàn)。但這些研究一是主要從單腔微結(jié)構(gòu)塑件注塑時(shí)熔體平衡流動(dòng)行為和流動(dòng)特性等方面展開(kāi)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中多型腔微注塑成型中塑料熔體在微流道產(chǎn)生的偏移和充填平衡性問(wèn)題少有涉及，二是對(duì)微注塑中影響熔體溫度變化及熔體流動(dòng)偏移的重要因素——熔體流動(dòng)中產(chǎn)生的剪切熱未加以必要的關(guān)注。

本文采用集成式熱電偶傳感器溫度測(cè)量系統(tǒng)和可視化全息示蹤技術(shù)，從熔體流動(dòng)過(guò)程剪切熱變化的角度分別對(duì)多型腔微注塑成型中塑料熔體在微流道中的溫度分布與流動(dòng)速率等問(wèn)題進(jìn)行研究，提出微注塑成型過(guò)程中塑料熔體流動(dòng)速度與溫度的偏移行為，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出微流道內(nèi)熔體流動(dòng)的非平衡流動(dòng)系數(shù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度103～106℃，熔點(diǎn)240～270℃，開(kāi)始分解溫度為270～275℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

注塑設(shè)備采用德國(guó)BOY12A 注塑機(jī),螺桿直徑為18 mm，最大注射速度240 mm·s-1，最大注射壓力179.5 MPa。

塑料熔體溫度分布測(cè)定：集成式熱電偶傳感器溫度測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)型腔或分岔口附近流道橫斷面方向塑料熔體的溫度分布進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)時(shí)微通道尺寸：主流道為0.3 mm，分流道為0.16 mm，集成式熱電偶傳感器尺寸：主流道為0.4 mm，分流道為0.2 mm。采用集成式熱電偶傳感器測(cè)溫試驗(yàn)時(shí)，將集成式熱電偶傳感器垂直模腔壁面方向設(shè)置，安裝到可視化模具的流道和型腔內(nèi)，通過(guò)定位標(biāo)尺確定好傳感器的測(cè)量位置，固定后即可對(duì)塑料熔體充模、冷卻過(guò)程中流道剖面上的溫度進(jìn)行測(cè)量，如圖1、圖2 所示。設(shè)定好工藝參數(shù)后，每注射一組試樣采集一組塑料熔體溫度數(shù)據(jù)，將所有數(shù)據(jù)匯總后即可得到不同工藝條件下型腔或流道橫斷面處溫度的分布。由于熱電偶將多條熱電偶集成排列在同一基塊平面內(nèi)，因此溫度測(cè)量結(jié)果可滿足高密度和高位置精度的要求。通過(guò)對(duì)測(cè)得的每組數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理，得出溫度場(chǎng)分布曲線。

圖1 型腔厚度方向溫度分布測(cè)量Fig.1 Measuring for melt temperature along cavity thickness

圖2 熔體流動(dòng)狀態(tài)測(cè)定可視化裝置Fig.2 Visualization experimental equipment for measuring melt flow condition

塑料熔體流動(dòng)速率測(cè)定：示蹤試驗(yàn)在德國(guó)BOY12A 注塑機(jī)上進(jìn)行，利用可視化模具和CCD數(shù)碼視頻相機(jī)來(lái)觀察和記錄成型過(guò)程中流道內(nèi)塑料熔體的流動(dòng)行為和塑料熔體流動(dòng)前沿在型腔內(nèi)的移動(dòng)情況，如圖2 所示。試驗(yàn)時(shí)向PMMA 粒料中混入0.1%的全息示蹤顆粒(Hologram Chip, Coburn Japan Corporation)，將CCD 數(shù)碼視頻相機(jī)對(duì)準(zhǔn)可視化模具的觀察窗，記錄熔體注射充模流動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。通過(guò)測(cè)量在給定時(shí)間間隔內(nèi)塑料熔體流動(dòng)距離的方法，記錄示蹤顆粒在流道內(nèi)的坐標(biāo)位置、流動(dòng)情況及前鋒狀況，得到充填不同階段流道內(nèi)各個(gè)部位塑料熔體的速度場(chǎng)分布，通過(guò)對(duì)測(cè)得的每組數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理，得出速度場(chǎng)分布曲線。

1.3 模具結(jié)構(gòu)

圖3 微注塑多型腔微流道系統(tǒng)示意圖Fig.3 Sketch of multi-cavity mold during micro injection molding process(unit: mm)

裝有石英玻璃觀察窗口可視化模具，型芯采用 微細(xì)加工中常用的UV-LIDA 技術(shù)制備，保證模具制造精度的要求。澆口采用扇形澆口，滿足熔體流動(dòng)平緩和流動(dòng)平衡的要求。溫控系統(tǒng)采用DS18B20單片機(jī)溫控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)件注塑過(guò)程的變模溫動(dòng)態(tài)控制。微注塑多型腔微流道系統(tǒng)如圖3 所示。

1.4 工藝參數(shù)

注射壓力120 MPa，注射速度10～220 mm·s-1（試驗(yàn)時(shí)分別取低速10 mm·s-1、中速80 mm·s-1、高速200 mm·s-1），模具溫度60℃，熔體溫度235～245℃，保壓時(shí)間10 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 多型腔微注塑時(shí)主流道溫度分布

圖4 為在多型腔微注塑可視化模具的觀察窗空腔內(nèi)示蹤試驗(yàn)和紅外線溫度傳感器檢測(cè)到塑料熔體前沿的實(shí)際情況、經(jīng)過(guò)模型化后的主流道塑料熔體前沿的溫度分布情況。由高聚物流變學(xué)原理和剪切速率、溫度變化方程、剪切熱公式[16]可得，由于滯流層和冷凝層的作用，流道壁面處塑料熔體的流速近似于零，流道中心部位的流速最大，由于斷面上塑料熔體流速不一致，使得不同部位塑料熔體產(chǎn)生的剪切熱也不一致，即塑料熔體由主澆口進(jìn)入微流道系統(tǒng)后，塑料熔體的流動(dòng)狀態(tài)為所謂的“噴泉流”狀態(tài)[17-18]，呈現(xiàn)微流道中心部位塑料熔體的溫度較高，黏度較低，流速較快，靠近微流道兩側(cè)壁面的塑料熔體溫度較低，黏度較高，流速較慢的現(xiàn)象，如圖4（a）所示。但這僅適合較低的注射速度（低速注射，v=10～70 mm·s-1），即主流道中熔體剪切作用產(chǎn)生的剪切熱很小，對(duì)熔體溫度分布影響也小，微流道系統(tǒng)中塑料熔體的溫度仍以塑料熔體塑化過(guò)程生成的熱量和沿微流道壁的熱傳導(dǎo)散失的熱量為主，熔體流動(dòng)溫度分布才呈現(xiàn)出由芯部的高溫區(qū)向流道壁逐漸降低的特點(diǎn)，但塑料熔體前沿在主流道流動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生明顯的偏移。

圖4 微流道系統(tǒng)主流道中塑料熔體前沿的溫度分布模型Fig.4 Melt front temperature distribution model of main runner in micro flow passage

當(dāng)注射速度較高（高速注射，v=140～220 mm·s-1）時(shí)，塑料熔體在流道內(nèi)的速度梯度增大，產(chǎn)生的剪切熱就增多，熔體流動(dòng)剪切生熱對(duì)熔體溫度分布的影響顯著增強(qiáng)，此時(shí)，塑料熔體的溫度最高點(diǎn)位置將由中心位置逐步移動(dòng)到靠近流道壁面的地方。即注射速度越高，塑料熔體在流道內(nèi)的速度梯度越大，越靠近微流道壁熔體流動(dòng)的剪切速率越大，剪切熱的影響也越顯著，在塑料熔體塑化過(guò)程帶來(lái)的熱量、熔體流動(dòng)剪切產(chǎn)生的熱量，及沿微流道壁熱傳導(dǎo)散失的熱量三者綜合作用下，塑料熔體在微流道壁附近存在突出的高溫區(qū)，而芯部則是盆地形的相對(duì)低溫區(qū)，呈“U 型流”狀態(tài)，如圖4（b）所示。即在主流道，速度梯度產(chǎn)生的剪切熱與塑料熔體向模具傳遞的熱量基本相等，熱量交換基本上處于平衡狀態(tài)，微流道壁冷凝層厚度的增長(zhǎng)受到抑制，塑料熔體流動(dòng)過(guò)程中高溫區(qū)的位置和溫度基本保持不變，塑料熔體前沿在主流道流動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生明顯的偏移。

2.2 多型腔微注塑分流道溫度偏移

圖5 為在多型腔微注塑可視化模具的觀察窗空腔內(nèi)示蹤試驗(yàn)和紅外線溫度傳感器檢測(cè)到塑料熔體前沿的實(shí)際情況、經(jīng)過(guò)模型化后的分流道塑料熔體前沿的溫度分布情況，圖中Si為熔體的流動(dòng)前沿內(nèi)側(cè)壁面，So為熔體的流動(dòng)前沿外側(cè)壁面。當(dāng)塑料熔體流經(jīng)主流道與分流道的分岔口Ⅰ時(shí)，熔體在流道中心線位置一分為二。在分岔口Ⅰ：高速注射時(shí)，呈“U 型流”的塑料熔體，流道側(cè)邊高溫低黏度的塑料熔體沿著流道的上側(cè)壁面首先進(jìn)入分流道，由于微流道上側(cè)熔體前沿的溫度高、速度梯度較大，產(chǎn)生的剪切熱要大于塑料熔體通過(guò)流道壁面向模具內(nèi)部所傳遞的熱量，剪切熱的累積使上側(cè)塑料熔體溫度更高，上側(cè)熔體的黏度下降，流速提高，在冷凝層、溫度梯度和剪切熱等的共同作用下，熔體前沿高溫區(qū)向上側(cè)偏移，如圖5（a）所示；低速注射時(shí)，呈“噴泉流”的塑料熔體，中間高溫低黏度的塑料熔體沿著流道的下側(cè)壁面首先進(jìn)入分流道，同理，在冷凝層、溫度梯度和剪切熱等的共同作用，熔體前沿高溫區(qū)向下側(cè)偏移，但由于低速注射產(chǎn)生的剪切熱較少，熔體前沿高溫區(qū)向下側(cè)偏移較小，如圖5（b）所示。在分岔口Ⅱ：塑料熔體流經(jīng)第二個(gè)分岔口后再次被二次分割，分流道的熔體溫度差異再次發(fā)生變化。同理，不論是低速還是高速注塑，微流道內(nèi)塑料熔體的高溫區(qū)及型腔內(nèi)熔體的流動(dòng)前沿的偏移現(xiàn)象依然存在，只是塑料熔體的偏移和溫度分布情況變得更為復(fù)雜，如圖5 所示。

圖5 微流道系統(tǒng)分流道塑料熔體前沿的溫度分布Fig.5 Melt front temperature distribution of secondary runne in micro flow passage

圖6 為微流道系統(tǒng)橫斷面方向塑料熔體溫度分布曲面圖，圖中T 為熔體溫度，S 為螺桿位移。可見(jiàn)，微注塑塑料熔體流動(dòng)產(chǎn)生的剪切熱對(duì)于微流道系統(tǒng)中熔體溫度分布的影響十分明顯，并最終造成熔體流動(dòng)中溫度偏移和不平衡的充填結(jié)果。

2.3 多型腔微注塑熔體流動(dòng)速度偏移

圖7 為不同注射速度下可視化試驗(yàn)結(jié)果，即不同注射速度下不同時(shí)刻熔體前鋒偏移的情況。從圖中可以看出，在多型腔微注塑過(guò)程中，塑料熔體前沿流動(dòng)速度的偏移情況與溫度偏移基本一致?？梢?jiàn)，塑料熔體前沿流動(dòng)速度的偏移與塑料熔體流動(dòng)過(guò)程中剪切熱產(chǎn)生與分布也是密切相關(guān)的，塑料熔體前沿流動(dòng)速度的偏移規(guī)律與前述的剪切熱產(chǎn)生與分布及多型腔微注塑分流道塑料熔體前沿的溫度偏移規(guī)律是相吻合的。實(shí)際上，由于微注塑時(shí)塑料熔體本身的導(dǎo)熱性較差，溫度場(chǎng)的發(fā)展速度較為緩慢，微注塑過(guò)程中的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的發(fā)展可以認(rèn)定是在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上。

為了描述與評(píng)價(jià)塑料熔體流動(dòng)前沿在型腔內(nèi)的偏移情況，本文定義了一個(gè)熔體流動(dòng)偏移量參數(shù)——非平衡流動(dòng)系數(shù)λ

圖6 微流道系統(tǒng)橫斷面方向熔體溫度分布曲面圖Fig.6 Melt temperature distribution surface figure of transverse direction in the micro flow passage

圖7 不同注射速度下可視化試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Visualization experimental results for different injection speed

λ=dL/L0=(L2-L1)/ L0

式中，dL 為熔體流動(dòng)前沿在型腔內(nèi)的偏移量，μm；L0為不同注射速度下型腔內(nèi)熔體前沿位置至型腔澆口側(cè)壁面 A 的垂直距離，mm，如圖5 所示，下同。L1為熔體前沿輪廓線與型腔外側(cè)壁面(So面)的交點(diǎn)至型腔澆口側(cè)壁面A 的垂直距離，mm；L2為熔體輪廓線與型腔內(nèi)側(cè)壁面(Si面)的交點(diǎn)至壁面A 的垂直距離，mm。

圖8 為不同注射速度下熔體前沿的非平衡流動(dòng)的偏移量dL。從圖中可以看出，當(dāng)vi=80 mm·s-1時(shí)，偏移量dL 在0.1～-0.1 μm 之間，λ總體趨于零，熔體在型腔內(nèi)的流動(dòng)趨于平衡，熔體前沿基本沒(méi)有偏移；當(dāng)vi=200 mm·s-1時(shí)，偏移量dL 在-0.30～-1.80 μm 之間，λ始終小于零，熔體的流動(dòng)前沿向型腔外側(cè)(So側(cè))偏移；當(dāng)vi=10 mm·s-1時(shí)，偏移量dL 在0.25～0.85 μm 之間，λ始終大于零，熔體的流動(dòng)前沿向型腔內(nèi)側(cè)(Si側(cè))偏移。試驗(yàn)表明，當(dāng)注射速度vi在70～90 mm·s-1（中速注射）時(shí)，λ接近零，說(shuō)明主流道和分流道熔體前沿均沒(méi)有明顯的偏移，熔體的流動(dòng)基本上處于平衡狀態(tài)，塑料熔體對(duì)型腔的充滿也較為均勻。當(dāng)注射速度vi＞90 mm·s-1（高速注射）時(shí)，λ始終小于零，在主流道熔體前沿略為偏向主流道兩側(cè)；隨著充填過(guò)程的進(jìn)行，通過(guò)分岔口Ⅰ后塑料熔體前沿向上側(cè)偏移；通過(guò)分岔口Ⅱ后，上方分流道中塑料熔體前沿向流道內(nèi)側(cè)偏移，最終先充滿上部型腔內(nèi)側(cè)區(qū)域；下方分流道中塑料熔體流動(dòng)速度分布較為均勻，塑料熔體對(duì)型腔的充滿也較為均勻。當(dāng)注射速度vi＜70 mm·s-1（低速注射）時(shí)，λ始終大于零，熔體的流動(dòng)前沿向型腔內(nèi)側(cè)(Si側(cè))偏移，熔體前沿偏移的方向與高速注射相反，熔體前沿的偏移規(guī)律與高速注射相似，但熔體前沿偏移的程度比高速注射要小些?？梢?jiàn)，通 過(guò)非平衡流動(dòng)系數(shù)λ可以準(zhǔn)確判斷熔體前沿的流動(dòng)和偏移情況。

圖8 不同注射速度下熔體前沿的偏移量Fig.8 Melt front offset for different injection rate

3 結(jié) 論

（1）微注塑時(shí)注射速度不同產(chǎn)生的剪切熱也不同，熔體前沿偏移情況也不同。當(dāng)注射速度為140～220 mm·s-1時(shí)，主流道內(nèi)的塑料熔體前沿呈“U型流”狀態(tài)分布，分流道內(nèi)塑料熔體前沿向上側(cè)偏移；當(dāng)注射速度為10～70 mm·s-1時(shí)，主流道塑料熔體前沿呈“噴泉流”狀態(tài)分布，分流道熔體前沿向下側(cè)偏移；當(dāng)注射速度為80～120 mm·s-1時(shí)，主流道和分流道熔體前沿均沒(méi)有明顯的偏移。

（2）熔體前沿偏移情況可用非平衡流動(dòng)系數(shù)λ來(lái)判斷熔體前沿的流動(dòng)和偏移情況。當(dāng)注射速度大于90 mm·s-1時(shí)，λ始終小于零，主流道熔體前沿略為偏向主流道兩側(cè)，分流道熔體前沿向上側(cè)偏移；當(dāng)注射速度小于70 mm·s-1時(shí)，λ始終大于零，熔體前沿偏移與注射速度大于90 mm·s-1時(shí)的偏移情況相反；當(dāng)注射速度在70～90 mm·s-1時(shí)，λ接近零，主流道和分流道熔體前沿均沒(méi)有明顯的偏移。

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