模料流变性能及其在注蜡工艺制定中的应用

1、热加工工艺2001年第6期工艺技术23模料流变性能及其在注蜡工艺制定中的应用柴增田1, 周铁涛2, 韩昌仁2(1. 承德石油高等专科学校, 河北承德067000; 2. 北京航空航天大学一系, 北京100083摘要:分析了模料流变性能的重要性和测试方法, 利用Instr o n-3211流变仪测试了3-3-3-1模料的流变曲线, 根据流变曲线分析了流变性能在注蜡工艺制定中的应用。关键词:模料; 流变性能; 剪切速率中图分类号:T G 386文献标识码:A 文章编号:1001-3814(2000 06-0023-02Wax Rheology and Applications in Techniq

2、ues Drawing in InjectionCHAI Ze ng -tia n 1, Z HOU Tie -tao 2, HAN Cha ng -re n 2(1. Chengde Petr oleum College ; 2. Beij ing U nivers ity of A er o . &A str o . Abstract :T he impor tance of w ax rheo lo gy and testing methods have been analyzed. U sing Inst ro n-3211, r heolog ic3-3-1has been

3、m easur ed . A cco rding to the r heolog ic curv e , Applica tio ns o f w ax r heolog y in techniques cur ve of wax 3-dr aw ing in injectio n are analyzed.Key words :w ax ; r heolog y ; shear ing velocity现实生产中, 压型的设计、注蜡系统工艺和压蜡作, 因此在测定高粘度物质时应用最广泛。采用lnstrall-3211可变压力型的毛细管流变仪, 对石蜡30%-硬脂酸30%-松香30%-地蜡10%

4、(简称3-3-3-1模料 的流变性能进行了测试, 得到流变曲线见图1。可看出, 模料3-3-3-1属于假塑性流体, 随着剪切速率的增加, 粘度下降。工艺参数的确定, 主要依靠现场工艺技术人员的经验、大量的工艺试验以及反复修改压型等来解决, 其工艺优劣完全依工艺技术人员个人经验积累, 缺乏严格的科学及理论基础。随着熔模精密铸件结构的大型化、复杂化和薄壁化以及尺寸的精确化, 传统的依靠“经验+试验”方法设计压型和确定压蜡工艺参数的方法, 造成铸件的研制周期长、研制成本高以及质量难以控制等问题, 已不适应现代工业的要求。1模料的流变性能熔模铸件质量的好坏与熔模本身流变特性有很密切的关系, 制造熔模的

5、过程就是模料流动充填压型的过程。模料的流动呈现非牛顿流体的特性, 模料组成的不同, 模料会表现出不同的流变特性; 同一模料在不同外力的作用下, 也会表现出不同的流动性能, 其粘度受温度及剪切速率的影响。模料本身的流动变形性能会对压力的传递、模料在压型型腔中的流动状态、注蜡机的工作性能要求、压型内浇道的设计、熔模本身的质量(如尺寸精度、表面粗糙度、变形等 、压型的结构、脱模能力、铸件质量等具有重要的影响。因此研究模料的流变性, 可以指导压型设计和注蜡工艺的制定。图1模料剪切速率-粘度曲线3流变性能在工艺制定中的应用3. 1剪切速率的选择模料粘度与剪切速率之间不是线性关系, 粘度的变化幅度与剪切速

6、率所在范围有关。以模料3-3-3-1为例(见图1 , 当注射温度为48时, 剪切速率从10s2-1增至103s -1(即仅增加900s -1 , 粘度则从14. 545Pa s 降至2. 956Pa s, 即降低11. 589Pa s; 而剪切速率从103s -1增至104s -1时(即增加9000s -1 , 粘度则从2. 956Pa s 降至0. 984Pa s, 即仅降低1. 972Pa s 即( lg n / lg 低速>( lg n / lg 高速收稿日期:2001-04-12基金项目:国家自然科学基金资助项目(59975004 ( , , 2流变曲线流变性能常用流变曲线来表述

7、。其测试方法包括:细管法、重力法、旋转法、平板法14。毛细管粘度计与其它测定熔体粘度的仪器相比, 优点是设计精确, 可以在较宽的范围调节剪切速率和温度, 得到十分接近于24TECHNOLOGY因此, 在较低剪切速率范围内, 由于剪切速率的微小变化会引起粘度的巨大变化, 这将使注射成型困难, 难于控制, 使蜡模出现表面不良、充模不均、内应力高、收缩不均等问题。所以, 要在流变曲线上选择这样一段剪切速率, 使它对粘度影响最小, 才有利于注射成型。由此可见, 在选择注射速度时要考虑模料的流变性能。对于不同的模料就要根据其流变曲线, 选择不同的剪切速率。例如对于模料3-3-3-1, 剪切速率每增加10

8、0s 作为一个计算单位, 可得出48时, 粘度在不同的剪切速率范围内的变化幅度, 可以制得表1。表1模料A 、48时, 不同剪切速率范围的粘度变化模料3-3-3-1序号12345剪切速率范围(s -129. 0396. 7796. 77290. 3290. 3967. 7967. 72903. 02903. 09676. 7剪切速率每增加100(s -1 粘度变化值(Pa s 37. 8094. 1490. 5260. 0520. 014-1Hot W orking Technology 2001No . 6量Q 下降。因此, 注射口尺寸的增大有个极限值, 故注射口尺寸越大越容易充型是错误的。

9、相反, 小浇口使模料流速增快, 表观粘度下降, 利于充模, 流量Q 也增大。而且, 由于模料高速流过小注射口时, 部分动能因高速摩擦而转变为热能, 注射口局部温度升高, 使模料的粘度进一步降低, 流量Q 再次得到增加。但这并非意味着注射口越小越好, 当剪切速率达到一定值后, 表观粘度不再随着剪切速率的增加而下降。(3 注蜡口长度注射压力一般保持恒定, 则压型注蜡口入口处的压力保持不变, 改变压型注射口长度尺寸, 则模料流经注射口的阻力会发生变化。若使注蜡口长度减小, 即使浇口入口与出口之间的压力降减小, 在不增大注蜡口直径的情况下, 模料在注射口中的流速增大, 流量Q 也随之增加。同时由于流速

10、增加, 剪切速率亦增加, 导致模料的表观粘度降低, 有利于充型。此外, 短注射口有利于保压阶段的补缩。(4 温度模料粘度对温度的依赖性很大, 温度增加粘度降低。这是因为温度升高, 分子活动性增强, 分子间距离变大, 分子间摩擦力减小, 所以流动的阻力减小, 导致粘度降低; 不同模料的粘度对温度的敏感程度并不相同, 随温度变化下降幅度大的模料, 说明对温度敏感, 反之, 说明敏感度低。图2为模料在不同剪切速率下的温度-粘度曲线。可看出, 模料的粘度随温度的提高而急剧下降; 同一模料, 在不同剪切速率下, 粘度随温度的变化幅度不同。(1若假定生产中, 为了保证质量, 要求剪切速率选择在每增加100

11、s -1粘度变化值不大于1Pa s , 对于模料A, 剪切速率要求大于290. 3s -1。根据选择的剪切速率, 制定压蜡工艺参数来获得。3. 2模料温度、注蜡压力及注蜡口尺寸的确定3. 2. 1剪切速率的影响因素剪切速率的数学表达式为:= n r其中Q =为剪切速率; n 为非牛顿指数; Q 为体积流率; 式中:r 0为注蜡口直径; p 为注蜡压力; L 为注蜡口长度; ! 为粘度。因此, 影响剪切速率的主要工艺因素包括:注蜡压力、注蜡口直径、注蜡口长度和温度。3. 2. 2工艺参数的确定(1 注蜡压力模料的粘度与其自由体积密切相关, 自由体积越大, 流体越易流动。因此, 增加模料的注射压力

12、, 将会减小其自由体积, 从而引起模料粘度的增加, 对模料来说, 注射压力增大相当于温度降低, 模料在压力下充填压型和毛细管粘度计时, 压力能达到相当高的数值, 但是它可以被料筒中模料的粘性发热所抵消; 因此, 由温度引起的粘度下降量和压力引起的粘度增加量大致相当, 从而掩盖了压力对粘度的影响。(2 注蜡口半径从式(1 、(2 可知, 注射口半径增大, 有利于模料体积流量Q 的增加, Q 值随着注射口半径成比例增加。但是, 随着注射口面积的增大, 模料 图2模料在不同的剪切速率下的温度-粘度曲线00v 2 d =-=08! d z 8! Lr44(24结论(1 模料属于假塑性流体, 随着剪切速率的增加, 粘度下降。在不同的剪切速率范围内, 粘度对剪切速率的敏感