注塑机螺旋输送器摩擦磨损试验机研制.doc

宁波大学工程硕士研究生 2009/2010学年第一学期试卷考试科目： 专业英语 姓名： 学号： 阅卷教师： 成绩： 注塑机磨损的模拟实验A simulation test for wear in injection moulding machinesS.J. Bull, Qiusha Zhou摘要：众所周知，经添加玻璃纤维进行强化的聚合物会对注塑机的机筒和螺杆产生相当大的磨损。一些用在注塑机上的模拟模型实验，在寻找适当的包裹物和表面处理技术来抵抗磨损已有所突破。然而, 在这些模型实验中，只是注塑机机筒内的一些重要的情况被测试到，并不是所有的。在这篇研究中，实验者将介绍更为接近机筒内部磨损真实情况的模拟实验。其理论和美国材料试验学会的橡皮轮磨耗实验机有些相似，只是增加了一些更接近真实磨损的模拟条件。在研究中我们用实验装置对未处理钢、镀铬金钢和氮化钢被玻璃纤维填充剂磨损情况随温度的变化进行模拟试验，进而分析磨损产生机理。在测试条件之下, 最好的结果从氮化钢中得出。未经处理钢和镀铬钢磨损率随着温度的升高而加快，但氮化钢试件的磨损率却基本保持不变。关键词: 磨损，氮化钢，注塑机1,引言我们已经知道，经添加玻璃纤维进行强化的聚合物会对注塑机的机筒和螺杆产生相当大的磨损，但是一些涂料和表面处理已经被用来减轻他们之间的磨损。一些注塑机中的材料模型试验，已经有所发现并对各种材料进行了优劣区分。然而, 在这些模型实验中，只是注塑机机筒内的一些重要的磨损模式被测试到了，对大多数情况没有进行研究和实验。在一个典型的注塑机(Fig.1)中，原料以松散颗粒的形式从料斗被送入料筒。最初，原料在料筒中被旋转的螺杆上以阿基米德螺旋线的方式被推进并加热。原料由于料筒和螺杆的摩擦，从入料口到喷嘴，依次为固体聚合物、半熔融聚合物和熔融聚合物。材料的磨损发生在固体聚合物被挤压进料筒和螺杆之间的时候。其磨损的特点是沿料筒壁的不同接触情况而改变。还有，因为震动，螺杆和料筒之间也有金属之间的摩擦发生，所以挤压磨损和冲击振动磨损是可能并存的。聚合物本身和其他添加剂也有可能对其有腐蚀，特别是在聚合物在喷嘴注射过程中附近达到250摄氏度的时候。在这项研究中，我们已经开发出一种新型耐磨测试仪，其能够更加精确的模拟注塑机料筒和螺杆之间的磨损。这种测试仪类似于美国ASTM橡胶轮子磨损试验机，只不过是把橡胶轮子替换成一个钢轮。该仪器包括一个加热和温度控制系统，以及一个用来模拟桶壁之间碰撞的弹簧板单元，这些在后面文章有描述。在此次研究中，我们已经使用了这个测试仪评估磨损，包括未经加工的钢，镀铬的，氮化的，并用玻璃填充尼龙作为温度函数。本文将讨论试验结果，分析了各种磨损试验研究条件，并突出温度对涂层的磨损影响。2，磨损测试规范此次磨损试验是基于美国ASTM橡胶轮磨损测试实验，但是使用一个钢轮作为料筒磨损同样材料来代替橡胶轮。(Fig. 2).利用热空气枪加热钢轮圈到所要求的温度（能精确到10C）此装置连接到一个可以进行数据反馈显示的系统，它能实时反映钢轮的状况。试验钢轮被独立的盒式磁带加热器加热，并精确控制在2C.钢轮的边缘有一些小槽，它可以更好的容纳塑料原料，也可以增加试验样品与磨轮的摩擦来更好反映金属和金属磨损。塑料原料放置在一个料斗中，这个料斗安装了一个可以调节入料量的调整器。有一个滑板装在入料口处，可以用来打开或者关闭该试验装置的入料口来控制入料。钢轮和料斗部分的交接，利用钢轮边缘的间隙挤压输料并加热，（钢轮是经过预热的，料斗内壁是冷的。）一个弹簧板单元被用来模拟注塑机料筒和螺杆之间的碰撞，并调节金属之间的接触摩擦。该试验钢轮和摩擦壁之间的间隙，可以通过更改弹簧板的位置和弹簧板的刚性来改变。通常，该调整间距小于入料的原料颗粒尺寸。当动力被加载，弹簧板受力用来抵消入料的挤压力。尽管如此，弹簧板的间隙比原料颗粒来的小，用来模拟金属间摩擦的载荷。当固体聚合物被试验钢轮挤进完全卸载的弹簧板间隙，聚合物被完全预塑成粒子状态。通过控制弹簧板的位置和刚度来设置预塑间隙，我们可以预防金属之间的任何应用的静负荷摩擦，同时仍然可以完全预塑聚合物颗粒。在测试过程中，旋转的钢轮能将颗粒聚合物完全挤进并在试验区域和钢轮间预塑，这也导致了加载的系统中支点的间歇性振动的影响。这能完美的模仿注塑机中螺杆与料筒的预塑过程。还有，弹簧板也可防止造成很激烈的撞击力和抖动，防止加载臂过程影响测试样本过多的磨损。以前，这个问题被一个试验验证（8），但是这个试验不能在低温状态中进行，也就是说聚合物颗粒状态下无法试验。初步试验中，在虚拟样本上的负载是小负荷监测单元格，装载臂的位移被监测了，并在动态反馈后进一步调整适应位移变换装置。根据测试条件在这项研究中使用，金属间最大的冲击载荷约是颗粒间挤压载荷的10%，金属间摩擦占总的试验时间的3%左右。3.实验研究3.1测试样品在本次研究中，所有材料是从商业供应商取得（表格1），直径50mm厚度10mm。基体材料为P20钢，其常用于注塑机中，圆盘表面处理光洁度为0.4um.3.2试验条件所有试验参数在表2中有记录总结。所有试验在常温，100摄氏度和200摄氏度三个环境下进行。并得到材料的平均磨损表现。在较高温度的试验中，为确保料斗中原料预热温度，要先运行钢轮，并确保它的温度达到规定值并保持稳定。一个10N的载荷被加载到驱动轴上，这个载荷在聚合物原料通过试验装置和钢轮时产生21.4N的触点压力，因为弹簧板还没有完全加载。质量损失和磨损量的测量，被用来评估每个样本的磨损率。每个样品在试验前和试验后有必要要仔细用丙酮超声波振动清洁，并准确的衡量参数变化。质量损失的测量通常十分精确，但是这不是在200摄氏度测试的样本参数，因为熔融的聚合物在细微结构中的沾附、以及压缩和气化不能被超声波清洗剂所除去。所以，在200摄氏度的试验中，需要对试验中磨损率偏差进行参数修正。大于10个小时的长期试验得出，磨损的痕迹按轮子的几何形状磨损。从中，我们可以根据最大磨损深度的参数获得被用于的等式计算 。D即深度，L是磨损的宽度（所有测试样品都是10mm），R指钢轮的半径（这里是101mm）不管怎样，在这些测试中的磨损的量和测试持续时间，已经足够对注塑机的零件进行数据分析。而且，大多数具有一定的粗糙度、涂层和表面处理的注射成型机，具有很不均匀的显性磨损伤疤。大多数情况下，高速滑动是柔和的，但在试验中也有可能产生深的伤痕和磨损。所以我们需要定义一个有效的磨损瘢痕深度，剔除掉在常规范围外的那些。以前制定了一个有效的方法，一个手写笔用来测量预期最大的磨损的地方的粗糙度参数Ra 和磨损瘢痕与垂直中心线滑动方向Rp。因为磨损深度 D 比钢轮半径小很多，根据情况，可获两个不同的方程；1、在这种情况，在有很多的磨损和滑动磨损瘢痕组织中进行平滑处理方面，未经加工的外形和粗糙度参数 Ra 值倾向于减少。2、在这种情况，有一些评分或过度磨损的地方，粗糙度参数 Ra 往往会略有增加，这样，测试和前面的方法就不再有效。尽管如此，另一个粗略参数Rp ，一项措施位移的平均样品位置，反映为一条线通过在样品中的最高峰值记录，可以表达给磨损深度 D. 如果我们选择一个包括磨损瘢痕以外区域的样品，在平均运动给出的参数表现为在磨损过程中的磨损表面平均参数衰减。所以，我们就给出了；上述试验证明，方程2如果是一个正的磨损深度方程，反过来也一样，方程3就是一个负的磨损进给方程，总之，都证实了在这项研究的结果。因此，如果粗糙度参数Ra 和磨损瘢痕与垂直中心线滑动方向Rp都得出的话，很容易选择要使用的适当公式。4.结果4.1质量损失和磨损率测量的质量损失可以用来计算一个样本的磨耗率，质量公式：M代表质量损失，代表样本的密度， （在这里所有情况下使用 7800 公斤/立方米）N代表常规负载，（在这里所有情况下都是21.4牛），S 代表总滑动距离，WR(质量) 显示为一个温度的函数关系。从这些数据中，我们可以看到预期实验的数据排列，未经处理的钢样品的磨损率是最大的，而氮化钢是最低的，当温度增加，除了氮化钢样品的磨损率也相应增加 ，在(Fig. 3)中三个测试数据点的氮化钢样品平均曲线率说明了氮化钢的质量磨损几乎与温度无关。氮化钢是所有测试条件下，包括各个温度下表现数据最好的。4.2体积损失和磨损率体积磨损率，WR (容量) 代表下面计算公式使用的测量粗糙度参数，V代表Eq. (1)中的磨损体积，其他参数都与Eq. (4).中相同，这样可控制的容积磨损率接近于在Fig. 4中的一个温度参数。再次强调，氮化钢是最佳表现的，而未经任何处理的钢最差，磨损率在质量损失和体积损失测量显示，其趋势是接近相同的(Figs. 4 and 5).。这样可以默认为测量体积磨损量是有效的评估磨损的方法。4.3磨损机理所有样本的磨损疤痕都被电镜扫描以确定磨损机理，要选择一个适当的涂层或表面处理来确定这个磨损机理，是至关重要的，或者说这个就是人们改进表面涂层和表面处理的原因。4.3.1 未经处理钢未经处理的钢样相对较软，在磨损测试后，磨损的伤疤是显而易见并很深，扫描电镜的显微照片显示塑料颗粒摩擦划犁的证据，以及不断累积并叠加的材料应力变形和划痕。聚合物中一些玻璃填充物在钢样本嵌入和卡死。一些钢的物理形状明显是被玻璃填充物破坏(see Fig. 5a and b).下面是磨损机理的原则:1、塑料疲劳磨损，根据坚硬塑料作用下样本材料表面的变形和划痕，变形的钢没有被剥落，在第一次磨蚀后成为更大的表面损伤，在更多磨损后许多累积的损伤破坏了材料(Fig. 5a).。这个磨损机理，塑料颗粒直接导致了划痕和损伤，所以提高材料表面硬度可以直接有效的减小此类破坏。Fig. 5.没有经过表面处理的钢表面试验后的电子显微照片，a-玻璃填充物损伤状况，有的已经嵌进材料b-磨损的材料毛刺割伤材料表面2.微加工磨损，在第一次损伤后，材料剥落和尖锐塑料累积损伤样本材料(Fig. 5b). 因为，玻璃填充物不是磨损的常规损伤机理，只是起相对支配的作用。 4.3.2镀铬钢Fig. 6在试验中镀铬钢的.显微电子照片，a-已经存在镀铬钢薄镀层网状裂纹，b-因玻璃填充物和剥落材料引起损伤的沟槽c-因疲劳破坏引起的微裂纹。因为镀铬钢镀层的薄而脆，所以试验相对比较困难。显微电子扫描显示在没有磨损的镀铬钢表面有网状的微小裂纹。(Fig. 6a).这些小裂纹在镀铬过程中就已经产生，经磨损试验后，磨损伤痕清晰可见，但是，没有像未经处理的钢的样品那么广泛，虽然有很多的划痕，但他们也要小的多，这些划痕两边也没有那么多剥落材料。(Fig. 6b). 这显示了玻璃填充物的大规模的塑性变形没有嵌入损伤到硬耐磨镀铬层中，但是我们照样看到许多小的伤痕，(Fig. 6b).这可以说明有限的延性涂层材料虽然可以有效减少磨料颗粒产生的这些小坑，但这种破环也能加剧涂层破环。在200摄氏度下高温也能加剧材料样本的损伤，在显微照片我们可以清晰看见小的裂纹，这意味着是另外一个影响磨损的因素。镀铬材料的磨损机制不同于未经处理的钢样本材料，1、断裂磨损，微型网状结构是材料表面的影响因素，因为它表层低延展性的特点。根据这些微裂纹随磨损加剧破环和延伸，当这些裂纹延伸到一起，形成微小薄片剥落。这些裂缝是不同于那些缓慢形成的疲劳裂纹 ； 他们形成和发展也更快。2、微损伤破坏；一些伤痕由塑料挤压变形而形成，而表面更硬的镀铬层可能产生比没表面处理的钢更大的破坏。既有塑料聚合物粒子又有剥落的镀层，这些锋利的碎片造成样本材料的损伤。(Fig. 6b). 这是作为镀铬样本是最重要的磨损机制。3、微疲劳破坏；在试验过程中，微裂纹网状内的表面层的材料或下面基体材料，有疲劳损伤的累积。这些微裂纹链接在一起，就产生了磨损碎片。4.3.3、 氮化钢的试验氮化钢样是三个示例中最难的类型。因为它不仅有高的硬度还有非常的柔顺性。磨损试验后，我们没有看见一个明显的磨损伤痕，表面看上去就像它被抛光了一样。在扫描电镜显示中，以较低的缩放比例放大后只有几个细微的不是明显划痕，(Fig. 7).也没有观察到在镀铬钢中观察到的小裂纹和小碎片。只是一些抛光类似的磨损。5.讨论这个新的试验,是在注射成型机实际生产条件下利用摩擦学模拟磨料磨损和损伤磨损，以及化学磨损和胶粘剂挤压试验样品的联合磨损，模拟了注塑机料筒和螺杆间的主要磨损形式。另外，也模拟了聚合物输料过程中可能导致的挤压碰撞以及螺杆振动造成的碎片脱落形式的疲劳损伤。我们可以调整大多数测试参数，这使试验机可以更广泛适用于现有参数的测试。为了确认化学磨损的影响，应与其他聚合物填充组合重复实验，我们进一步的工作就是在这进行和调查。测试温度很高（200摄氏度），在聚合物开始熔化并被填充进细小微孔时，样品表面磨损质量准确性的测量和轮廓的磨损测量都是受影响的。样品越大越粗糙磨损越严重，聚合物仍保留在磨损瘢痕的试验之后，我们再完成清洗工艺，磨损率减小明显。由于磨损区域的损伤在未经处理样品钢表现最大，而氮化钢最小。聚合物颗粒挤压损伤也是如此。但是，聚合物中的图层在微观结构中的损伤孔是很薄 (远小于10 nm) 并可能会对测量质量仅有小的影响损失。对任何聚合物在裂缝中遗留或小毛孔表面也有磨损对数据的影响是外形最小的，在小数据内（5um )这些特点影响最小。所以由任何一种方法确定的绝对磨损率会有偏差，但是结果仍然有效的。相同的测试条件下，不同的处理方式对磨耗试验也用不同的方式 。硬度是影响该示例的表面玻璃纤维增强塑料磨损中的重要的元素。通常，通过增加表面硬度，材料可以减少磨损。但是硬度也不是影响磨损的唯一因素。比如上述我们提到了镀铬样品钢和氮化钢硬度基本一致，但是在相同条件进行的试验表明镀铬钢磨损明显比氮化钢严重。一种处理方式是通过增加硬度的同时增加样品钢的延展性，可以有效减少磨损，划痕、微小裂痕和微小碎片剥落等。晶核形成与裂缝延展是高硬度样品中的磨损率增加的原因。一些已经有微小裂纹生长的样品中，晶核形成简单并迅速，导致疲劳抵抗降低。所以，一些在硬压应力状态下的表面改进可以有效减小疲劳带来的为损伤。从Figs. 3 和4,中，我们可以看到，在现有研究条件下，所有的磨损率改进方法，包括加热除氮化钢不受影响外，磨损率在高温是可能由于温度对聚合物颗粒的影响而增加。高温