王濤，胡麗華，孔勝午

(1.河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，河北邢臺 054000； 2.河北省高校金屬材料加工與數(shù)字化成型應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北邢臺 054000)

夾芯注射成型是一種多物料注射成型工藝。該工藝也稱為順序共注射成型，其按殼層、芯層、殼層的先后順序?qū)⑷垠w注入模腔，最終形成殼層物料在外、芯層物料在內(nèi)的夾芯結(jié)構(gòu)塑件[1-4]。這種夾芯結(jié)構(gòu)使其表現(xiàn)出與普通單物料注射成型不同的特殊性能，而芯層物料的分布情況則是上述特殊性能的主要影響因素[5-6]。

注塑產(chǎn)品設(shè)計時，常以調(diào)整塑件厚度的方式實(shí)現(xiàn)某些目的，例如：減少物料使用量、提高力學(xué)性能等[7-9]。夾芯注射成型模腔內(nèi)熔體呈現(xiàn)多相分層流動狀態(tài)，較普通單物料注射成型復(fù)雜的多[10-11]。夾芯注射成型塑件厚度發(fā)生變化時，模腔中熔體沿各向流動的阻力將發(fā)生波動，芯／殼層熔體黏度比R亦將發(fā)生改變，這均會影響芯層熔體在殼層熔體內(nèi)的流動狀態(tài)，使芯層物料分布情況發(fā)生變化，影響最終產(chǎn)品性能。為此，筆者以一組不同厚度的夾芯注射成型塑件為實(shí)驗(yàn)樣品，探討和分析塑件厚度對芯層物料分布情況的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料

PE-LD：4012，陶氏化學(xué)有限公司；

PP：PPU 1752 S1，巴賽爾公司。

1.2 材料黏度控制方程

實(shí)驗(yàn)采用Cross-WLF方程控制熔體剪切黏度，如式(1)～(3)所示。

式中：η——熔體剪切黏度，Pa·s；

n——流動指數(shù)；

T＊——參考溫度，K；

T——熔體溫度，K；

p——熔體壓力，Pa；

D1——零切黏度系數(shù)，Pa·s；

D2——玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，K；

D3——擬合系數(shù)，K·Pa-1；

A1——擬合系數(shù)；

A2——擬合系數(shù)，K。

采用低密度聚乙烯(PE-LD)和聚丙烯(PP)兩種材料作為實(shí)驗(yàn)用材料，其Cross-WLF方程參數(shù)值列于表1。

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品

(1)實(shí)驗(yàn)樣品。

選用半徑為100 mm，厚度分別為5，6，7，8，9，10 mm的圓餅形塑件為實(shí)驗(yàn)樣品，澆口位置設(shè)置在塑件上表面中心，如圖1所示。

表1 PE-LD和PPD的參數(shù)值

圖1 實(shí)驗(yàn)樣品

(2)芯／殼層物料切換。

實(shí)驗(yàn)中首先注塑殼層熔體，待熔體充滿模具型腔60%時，切換為注塑芯層熔體，待熔體充滿模具型腔90%時，再切換為注塑殼層熔體，直至保壓完畢。

(3)工藝參數(shù)。

基于Moldflow2019軟件的co-injection模塊，分別以PP／PP，PP／PE-LD為芯／殼層物料組合，選用表2所示工藝參數(shù)，對圖1所示6種塑件進(jìn)行夾芯注射成型模流分析。各塑件注射成型結(jié)束后，測試芯層物料穿透深度(徑向)、厚度(Z向)、分布均勻度的差異并分析原因。

表2 工藝參數(shù)

1.4 性能測試與表征

(1)芯層物料穿透深度。

圖1為實(shí)驗(yàn)樣品為軸對稱塑件，澆口亦位于其對稱軸上。熔體自塑件對稱軸進(jìn)入模腔后沿徑向流動，其流動情況以及最終物料分布情況均呈現(xiàn)軸對稱特征。因此，為了減小測試量，可沿X正方向剖切，獲得長度×寬度為“半徑×厚度”的矩形，如圖2所示。在此矩形中測試相關(guān)數(shù)據(jù)，合理表征芯層物料最終分布情況。

在圖2示出的“半徑×厚度”的矩形中，測試芯層物料沿徑向(X向)所能達(dá)到的最遠(yuǎn)值，即為芯層物料穿透深度。

圖2 “半徑×厚度”的矩形

(2)芯層物料厚度。

考慮到6種塑件的厚度不同，實(shí)驗(yàn)以芯層物料實(shí)際厚度與塑件厚度的比值表征芯層物料在厚度方向(Z向)的穿透能力，即芯層物料相對厚度按照式(4)計算。

式中：Ti——選取測試點(diǎn)的芯層物料相對厚度；

Tz——選取測試點(diǎn)的芯層物料實(shí)際厚度，mm；

Tp——塑件厚度，mm。

芯層物料在塑件各位置的厚度有差異，僅選取一處測試點(diǎn)無法合理反映芯層物料在厚度方向的穿透能力，需選取多測量點(diǎn)并取其平均值。實(shí)際生產(chǎn)中，芯層物料不可過于接近塑件邊緣，否則易發(fā)生芯層物料穿透殼層物料的失效現(xiàn)象，應(yīng)留有一定的余量[4-5]。圖2示出矩形長為100 mm，但實(shí)驗(yàn)中芯層物料分布在X值為0～90 mm之間。因此，實(shí)驗(yàn)以X=0處為起點(diǎn)，X=90 mm處為終點(diǎn)，平均設(shè)置10處測試點(diǎn)測量和計算芯層物料相對厚度，并取其平均值，如式(5)所示。

(3)芯層物料分布均勻度。

芯層物料在塑件中分布不均勻。實(shí)驗(yàn)以同一塑件中各測試點(diǎn)芯層物料相對厚度的標(biāo)準(zhǔn)差來表征其分布均勻度，如式(6)所示。標(biāo)準(zhǔn)差亦稱均方差，該值越小，芯層物料分布越均勻。

2 結(jié)果與討論

2.1 芯層物料穿透深度

(1) PP／PP物料組合的芯層物料穿透深度。

以PP／PP為芯／殼層物料組合，測量不同厚度塑件的芯層物料穿透深度，結(jié)果如圖3中曲線1所示。

圖3 不同塑件厚度下PP／PP和PP／PE-LD物料組合的芯層物料穿透深度

由圖3中的曲線1可知，隨著塑件厚度的增加，芯層物料穿透深度逐漸下降；當(dāng)塑件厚度分別為5，10 mm時，芯層物料穿透深度分別達(dá)到最大值84.11 mm、最小值80.02 mm，極差值為4.09 mm，降幅為4.86%。

在模腔中，熔體沿各方向流動所受到的阻力存在較大差異。熔體越靠近模腔壁，溫度越低，黏度和表面張力越大，所受流動阻力越大；模腔中心處熔體所受流動阻力最小[12-13]。因此，在圖2示出矩形中，芯層熔體易于在阻力較小的模腔中心處沿徑向(X向)推動并刺入殼層熔體，而難于沿厚度方向(Z向)推動并刺入殼層熔體。塑件厚度越小，熔體越早抵達(dá)模腔側(cè)壁，熔體沿各向流動阻力差異性越明顯，芯層熔體越易沿徑向推動并刺入殼層熔體，最終芯層物料穿透深度越大。

(2) PP／PE-LD物料組合的芯層物料穿透深度。

以PP／PE-LD為芯／殼層物料組合，測量不同厚度塑件的芯層物料穿透深度，結(jié)果如圖3中曲線2所示。由圖3中的曲線2可知，隨著塑件厚度的增加，芯層物料穿透深度的逐漸下降；當(dāng)塑件厚度分別為5，10 mm時，芯層物料穿透深度分別達(dá)到最大值89.75 mm、最小值81.05 mm，極差值為8.70 mm，降幅為9.69%。

雖然圖3中的曲線1、曲線2的變化趨勢相同，但曲線2 (PP／PE-LD物料組合)的極差值較曲線1 (PP／PP物料組合)提升了112.71%。說明以PP／PE-LD為芯／殼層物料時，隨著塑件厚度的變化，除熔體沿各向流動阻力差異性影響芯層物料穿透距離外，由材料不同而導(dǎo)致的其它影響因素亦發(fā)揮了較大影響。這種影響應(yīng)與芯／殼層熔體黏度比有關(guān)。

芯層熔體沿徑向(X向)推動并刺入殼層熔體的能力與芯／殼層熔體黏度比密切相關(guān)。芯／殼層熔體黏度比越小，芯層熔體前沿越薄，其穿透深度越大[1-5]。圖3中的曲線1采用PP／PP物料組合，芯、殼層的熔體黏度受溫度和剪切速率的影響基本一致，芯／殼層熔體黏度比較穩(wěn)定。對于圖3中的曲線2，殼層熔體為PE-LD，芯層熔體為PP，流動指數(shù)分別為0.314 5，0.218 7。熔體流動指數(shù)不同，其剪切黏度隨剪切速率增加而下降的趨勢亦不同，即剪切變稀情況不同[14-16]?；贑ross-WLF方程，繪制240℃時PE-LD，PP兩種熔體在不同剪切速率下的剪切黏度，如圖4所示。

圖4 不同剪切速率的熔體剪切黏度

由圖4可知，流動指數(shù)越小，熔體的剪切變稀現(xiàn)象越明顯。隨著熔體剪切速率的增加，芯層熔體PP較殼層熔體PE-LD的剪切黏度下降趨勢更為明顯。由于圖4中2條曲線存在曲率差異，隨著剪切速率改變，芯／殼層熔體黏度比亦將發(fā)生變化?；趫D4中相關(guān)數(shù)據(jù)，繪制240℃時芯／殼層熔體黏度比隨剪切速率的變化情況，如圖5所示。由圖5可知，隨著剪切速率增加，芯／殼層熔體黏度比逐漸減小。

圖5 不同剪切速率的芯／殼層熔體黏度比

實(shí)驗(yàn)中，熔體的注塑速率固定為60 cm3／s，即單位時間內(nèi)進(jìn)入模腔的熔體體積不變。隨著塑件厚度的增加，熔體推進(jìn)速度將減小，其在模腔中所受剪切速率亦將越小。測試實(shí)驗(yàn)中不同厚度塑件注塑過程中的最大剪切速率，結(jié)果列于表3。

由表3可知，塑件厚度由5 mm增大為10 mm后，熔體所受最大剪切速率大幅下降，降幅達(dá)74.76%。將表3中數(shù)值輸入Cross-WLF方程，求取240℃時各塑件模腔內(nèi)達(dá)到最大剪切速率時PE-LD和PP的剪切黏度，結(jié)果如圖6所示?；趫D6中的數(shù)據(jù)，計算芯／殼層熔體黏度比，結(jié)果如圖7所示。

表3 不同厚度塑件注塑過程中的最大剪切速率

圖6 不同厚度塑件的熔體剪切黏度

圖7 不同厚度塑件的芯／殼層熔體黏度比

由圖7可知，以PP／PE-LD為芯／殼層物料時，隨著塑件厚度的增加，芯／殼層熔體黏度比逐漸增大；當(dāng)塑件厚度分別為5，10 mm時，芯／殼層熔體黏度比分別達(dá)到最小值2.840、最大值3.998，極差值為1.158，增幅為40.77%。這將導(dǎo)致芯層熔體沿X向穿透殼層熔體的能力減弱，最終使塑件的芯層物料穿透深度減小。

因此，以PP／PE-LD為芯／殼層物料時，隨著塑件厚度的變化，除熔體沿各向流動阻力差異性發(fā)生變化外，芯／殼層熔體黏度比亦發(fā)生了變化，兩者共同影響最終塑件的芯層物料穿透深度，導(dǎo)致圖3中曲線2的極差值較曲線1有較大的提升。

2.2 芯層物料平均相對厚度

分別以PP／PP，PP／PE-LD為芯／殼層物料組合，依據(jù)式(4)、式(5)計算不同厚度塑件的芯層物料平均相對厚度，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同厚度塑件的芯層物料平均相對厚度

由圖8可知，隨著塑件厚度的增加，兩種物料組合的芯層物料平均相對厚度均增大。但是，圖8中兩條曲線的增幅不同：以PP／PP為芯／殼層物料組合(曲線1)，當(dāng)塑件厚度分別為5，10 mm時，芯層物料平均相對厚度分別達(dá)到最小值0.223 4、最大值0.248 1，極差值為0.024 7，增幅為11.06%，；以PP／PE-LD為芯／殼層物料組合(曲線2)，當(dāng)塑件厚度分別為5，10 mm時，芯層物料平均相對厚度分別達(dá)到最小值0.162 2、最大值0.220 2，極差值為0.058，增幅為35.76%；曲線2的極差值較曲線1提升了134.82%。

芯層物料平均相對厚度與芯層物料沿X向的穿透能力成反比。當(dāng)芯層熔體沿X向穿透能力減弱時，將有更多的芯層熔體沿厚度方向(Z向)穿透殼層熔體，使最終塑件的芯層物料平均相對厚度增大。

采用PP／PP物料組合時，由針對圖3中曲線1的相關(guān)討論可知，塑件厚度變化主要影響熔體沿各向流動阻力差異性，而對芯／殼層熔體黏度比的影響較微弱。隨著塑件厚度的增加，熔體沿各向流動阻力差異性減弱，芯層熔體沿X向穿透能力減弱，沿Z向穿透能力增強(qiáng)，最終使塑件的芯層物料平均相對厚度增大。但由于芯／殼層熔體黏度比較穩(wěn)定，導(dǎo)致圖8中曲線1的極差值較曲線2更小。

采用PP／PE-LD物料組合時，由針對圖3中曲線2的相關(guān)討論可知，隨著塑件厚度的變化，熔體沿各向流動阻力差異性、芯／殼層熔體黏度比均發(fā)生改變，并共同影響芯層熔體沿X向的穿透能力。隨著塑件厚度的增加，熔體沿各向流動阻力差異性減小，芯／殼層熔體黏度比增大，這兩種變化均造成芯層熔體沿X向穿透能力減弱，沿Z向穿透能力增強(qiáng)，最終使塑件的芯層物料平均相對厚度增大。因此，在熔體沿各向流動阻力差異性和芯／殼層熔體黏度比變化的共同作用下，導(dǎo)致圖8中曲線2較曲線1獲得了更大的極差值。

2.3 芯層物料分布均勻度

分別以PP／PP，PP／PE-LD為芯／殼層物料組合，依據(jù)式(4)～式(6)計算芯層物料相對厚度標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同塑件厚度的芯層物料相對厚度標(biāo)準(zhǔn)差

由圖9可知，隨著塑件厚度的增加，兩種物料組合的芯層物料相對厚度標(biāo)準(zhǔn)差均增大，這意味著芯層物料分布均勻度均降低。但是，圖9中2條曲線的增幅不同：以PP／PP為芯／殼層物料組合，當(dāng)塑件厚度分別為5，10 mm時，芯層物料相對厚度標(biāo)準(zhǔn)差分別達(dá)到最小值0.219 2、最大值0.248 6，極差值為0.029 4，增幅為13.41%，如曲線1所示；以PP／PE-LD為芯／殼層物料組合，當(dāng)塑件厚度分別為5，10 mm時，芯層物料相對厚度標(biāo)準(zhǔn)差分別達(dá)到最小值0.134 6、最大值0.195 8，極差值為0.061 2，增幅為45.47%，如曲線2所示；曲線2的極差值較曲線1提升了108.16%。

增強(qiáng)芯層熔體沿X向穿透能力有利于芯層熔體沿X向平鋪，最終使塑件中芯層物料分布必然更加均勻，即芯層物料相對厚度標(biāo)準(zhǔn)差更小。熔體沿各向流動阻力差異性增大、芯／殼層熔體黏度比減小均可使芯層熔體沿X向穿透能力增強(qiáng)，但上述兩種影響因素能否完全發(fā)揮作用在不同物料組合中存在差異。

采用PP／PP物料組合時，隨著塑件厚度的減小，熔體沿各向流動阻力差異性增大，但芯／殼層熔體黏度比較穩(wěn)定。這雖使芯層熔體沿X向穿透能力增強(qiáng)，芯層物料分布度增大，芯層物料相對厚度標(biāo)準(zhǔn)差變小，但由于芯／殼層熔體黏度比較穩(wěn)定，使圖9中曲線1的極差值較曲線2更小。

采用PP／PE-LD物料組合時，隨著塑件厚度的減小，熔體沿各向流動阻力差異性增大，芯／殼層熔體黏度比變小，導(dǎo)致其芯層熔體沿X向穿透能力較PP／PP組合增幅更大，最終使塑件芯層物料分布均勻度更好，芯層物料相對厚度標(biāo)準(zhǔn)差變小的幅度也更大，即圖9中曲線2較曲線1獲得了更大的極差值。

3 結(jié)論

(1)塑件厚度由5 mm增大為10 mm時，實(shí)驗(yàn)所選PP／PP，PP／PE-LD兩種物料組合對應(yīng)的評價指標(biāo)變化趨勢相同：芯層物料穿透深度降低、平均相對厚度增大、平均相對厚度標(biāo)準(zhǔn)差增大(即芯層物料分布均勻度變差)。

(2) PP／PE-LD物料組合較PP／PP物料組合對應(yīng)的評價指標(biāo)變化幅度更大。在相同工藝條件下，前者的芯層物料穿透深度、平均相對厚度、平均相對厚度標(biāo)準(zhǔn)差的極差值較后者分別增大了112.71%，134.82%，108.16%。

(3)采用PP／PP物料組合時，塑件厚度變化主要改變?nèi)垠w沿各向流動阻力差異性，從而影響各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)數(shù)值增減；采用PP／PE-LD物料組合時，隨著塑件厚度的變化，熔體沿各向流動阻力差異性、芯／殼層熔體黏度比均發(fā)生波動，并共同影響各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。這是PP／PE-LD物料組合各指標(biāo)極差值均大于PP／PP物料組合的原因所在。