为了增强塑料制品的强度和耐磨性,采用的方法之一是在塑料中添加玻璃纤维。但在注塑过程中,经添加玻璃纤维进行强化的塑料会对注塑机螺旋输送器的螺旋机构和套筒产生严重的磨损。为了解决注塑机螺旋输送器的磨损问题,已进行了针对性的模拟实验研究,但这些模拟实验没较全面地模拟其内部的摩擦磨损条件。因此,为了找出注塑机螺旋输送器的真实磨损原因,以便采取切实有效的措施,设计出能较全面模拟其内部磨损条件的试验机显得十分必要。

        研制的注塑机螺旋输送器摩擦磨损试验机,将ASTM型橡胶轮磨料磨损试验机的橡胶轮换成轮缘有均布凹槽的钢轮,并增设加热和温度控制系统、弹簧板加振系统和颗粒物料输送装置。利用该试验机进行注塑机螺旋输送器摩擦学模拟实验表明,该试验机性能良好、操作简便,实验结果具有较好的重复性。使用与实际注塑机螺旋输送器套筒的材质相同的试件进行的模拟实验,所获得的磨损效果与实际磨损很吻合。

1    注塑机螺旋输送器的摩擦学分析

        在典型的注塑机中,松散的颗粒物料从料斗进入套筒,在旋转的螺旋机构推动下朝模具方向以阿基米德螺线方式运动。在螺旋输送区,距模具越近,螺旋通道的容积越小,颗粒物料受到螺旋机构的挤压,摩擦便在套筒和螺旋机构表面产生;在加热区,物料在摩擦热和外界加热共同作用下,温度可达200?,并开始熔化,在套筒的表面会粘附一层熔化物,随后又被螺旋机构强行刮下,堆积在螺旋槽中。当它被推到计量区(加热区的右部)后,熔化物将充满螺旋槽。紧接着,在液压缸活塞的快速推动下,经喷嘴被强行挤入模具。在该过程中,注入压力最高可达200MPa。

        从颗粒物料入口到喷嘴,螺旋机构和套筒分别与固态、半熔态和熔融态聚合物接触,聚合物中的添加物(如玻璃纤维)对螺旋机构和套筒产生滑动磨料磨损,磨损的性质会因相接触的聚合物形态而异。由于螺旋机构和套筒的径向间隙很小,在运动中不可避免地出现金属与金属间的直接摩擦。此外,螺旋机构在旋转和移动中会发生振动,从而与套筒发生碰撞,可能引起冲击磨损。在最后的注射过程中,由于速度快、压力高,磨料磨损的程度和冲击的机会随之增大。在高温区,熔融状的聚合物基体或其它添加剂可能对螺旋输送器产生腐蚀磨损。模拟注塑机螺旋输送器内的摩擦磨损条件的试验机应具备以下要求:

        (1)试件的几何结构应非常简单,易于制造和观察分析;

        (2)能适应各种尺寸的颗粒物料;

        (3)实验温度能在室温到250?之间调节;

        (4)能模拟磨料磨损、冲击磨损和腐蚀磨损工况;

        (5)接触载荷能在0~200MPa之间调节;

        (6)实验磨损率应与注塑机螺旋输送器的实际磨损情况相匹配。

2    注塑机螺旋输送器摩擦磨损试验机工作原理

        根据以上要求研制的试验机。上部伸入料斗中的钢轮在调速电机的带动下旋转,携带料斗中的圆柱状颗粒物料沿钢轮与试件之间的缝隙通过。在钢轮的轮缘上开有深度略小于物料直径的均布凹槽,一方面可以增强其携带物料的能力,另外还可以减少钢轮与试件的金属碰撞机会,以便与实际情况相吻合。圆盘形试件装在与杠杆加载系统相连的试件夹内,在砝码重力作用下,试件总具有垂直压向钢轮轮缘的趋势。改变砝码质量,可以调节物料与试件之间的接触应力,以模拟注塑机内物料与螺旋机构和套筒间的接触应力。在料斗内设有滑板式供料量调节装置,以调节供料速度。钢轮的一部分伸入料斗内,直接与物料接触,但与料斗壁并不接触,这样,当钢轮被加热后,可以通过它来加热颗粒物料,使物料表层熔化,以模拟注塑机中颗粒物料的半熔融状态,不至于使试验机发热过大。

        在杠杆加载系统的下端设有一个弹簧板加振系统,它由弹簧板和可调节的夹持器组成。在弹簧板的支撑下,当无物料下落时,试件与钢轮轮缘之间有一小间隙。由于弹簧板的刚度以及它的安装位置恰到好处,使得在砝码载荷作用下,弹簧板发生弹性变形,但在试件处产生的位移量与试件与钢轮轮缘之间的间隙之和小于颗粒物料的尺寸。当颗粒物料被钢轮携带经过该处时,弹簧板将完全卸载,砝码施加的载荷全部用来挤压物料。在实验中,钢轮不断携带物料下行,引起杠杆加载系统的振动,试件与钢轮之间将产生间歇冲击,时而会发生金属间的直接碰撞,但碰撞的力度会因弹簧板的存在而大大减小;碰撞的机会则因钢轮轮缘的凹槽的存在而减少,同时可以靠调节供料速度来调节。这样模拟了在注塑机内螺旋机构旋转和移动时的振动引起的套筒与螺旋机构间的机会不多、力度不大的金属碰撞。

        试验机中另一个十分重要的部分是加热和温度控制系统。钢轮的轮缘可以用热风机来加热,加热温度靠改变热风机的功率和调节热风机出风口的导风叶片的角度来调节,轮缘温度的控制精度可以达到±10℃。试件夹固连在加载杆上,两者之间有隔热垫。在试件夹的中部钻有两个小孔,孔中插入管式电阻加热器,以便加热试件。试件的加热温度由一台热电偶式温度控制器来控制,控制精度可达2℃。使用该系统,可以模拟注塑机内的整个温度范围,进行不同温度下的模拟实验。

3    实验方法

3.1    试件

        试件的几何尺寸为:直径50mm,厚度10mm。材料、热处理工艺和表面处理方法根据具体试验要求而定。

3.2    加热方法

        当要进行加热实验时,在料斗装入颗粒物料前,应首先对试件和钢轮进行加热。钢轮的加热应在旋转中进行,以至整个轮缘均达到要求的温度。

3.3    弹簧板加振系统的调节

        实验前,挂上所需砝码。视颗粒物料的尺寸,通过更换不同刚度的弹簧板和调节弹簧板的安装位置,使颗粒物料处于试件与钢轮之间时,弹簧板完全卸载;去掉颗粒物料时,试件不会与钢轮轮缘接触。

3.4    磨损率的测定

        确定磨损率的常规方法是首先测定试件磨损前后的质量损失,然后再计算磨损率。一般情况下,该方法既准确又方便。但在高温实验中,颗粒物料的表层已经熔化,熔融的聚合物会陷入磨损表面的微裂纹和磨痕中。实验证明,即使使用乙醚在超声波清洗机上较长时间地清洗,也很难将其全部除去。因此,靠测定磨损前后的质量损失来计算磨损率,有一定误差。在此情况下,采用测定磨损前后的体积损失来计算磨损率显得特别必要。

4    结 论

        利用上述自己研制的注塑机螺旋输送器摩擦磨损试验机和试验方法完成了“注塑机螺旋输送器摩擦磨损模拟实验”和“注塑机螺旋输送器涂层及表面处理方法筛选实验”,获得了较满意的结果。并将这些实验结果,用于提高注塑机螺旋输送器的套筒和螺旋机构的耐磨性,收到了较理想的效果。