CN103335942A - 塑料与金属模具间摩擦系数的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明塑料与金属模具间摩擦系数的测量装置及方法本发明属于精密塑料制品成型及模具技术研究领域，涉及一种注塑成型过程中，塑料制品与金属模具型芯表面之间实际摩擦系数的测量装置及其测量方法。测量装置由支承平台组件、温度控制系统以及测力装置部分组成；温度控制系统包括加热和冷却两部分；测力装置部分具有峰值保持功能的数显测力计及牵引绳。本发明采用了可任意更换的测量金属板块，有效地扩大了测量范围，可模拟不同聚合物材料制品成型时，制品表面与模具型芯表面间的实际接触状态，准确测量摩擦表面间的真实摩擦系数。本装置具有测量范围广、控温精度高、结构简单及测量方便、结果可靠的特点，可满足不同的实际应用要求。

Description

塑料与金属模具间摩擦系数的测量装置及方法

技术领域

本发明属于精密塑料制品成型及模具技术研究领域，涉及一种注塑成型过程中，塑料制品与金属模具型芯表面之间实际摩擦系数的测量装置及其测量方法。

背景技术

随着现代工业技术的快速发展，各工业领域对塑料注塑制品的应用需求不断增加，同时对制品的注塑成型质量要求也在不断提高，这就对注塑模具设计提出了更高的要求。推出机构是注塑模具的主要功能结构之一，担负着制品成型后将其平稳推出而不产生变形或破裂的重要职责。由于制品成型凝固后，会对模具型芯产生很大的抱紧力。而制品脱模时，就是要通过推出元件的作用力来克服这一抱紧力，顺利地将制品从模具型芯上推落。因此制品对型芯产生的抱紧力大小，是模具推出机构及推出元件设计的主要依据。为了准确获得制品脱模时所需推出力的大小，通常要对制品进行脱模力的计算。因现有的脱模力计算公式中，都包含有塑料制品与金属模具型芯表面摩擦系数这一重要参数，而在实际应用中又缺乏两者摩擦系数的准确数值，即使在相关设计手册或技术资料上能够查到的摩擦系数值，也都是在常温条件下测得的数值，与注塑制品脱模时的实际情况有很大不同，致使制品脱模力计算误差较大，影响脱模机构设计的合理性与可靠性。因此准确的获得制品脱模温度下与型芯表面间的真实摩擦系数，提高脱模力计算准确性，对合理设计模具推出机构以及保证制品的成型质量具有重要意义。

目前的脱模力计算中，从相关设计手册或技术资料中选取的摩擦系数值，都是采用常规静摩擦系数测量方法获得。而大量应用研究表明，注塑制品脱模时的摩擦系数受接触表面粗糙度以及制品或型芯表面温度等因素的影响很大。因此，采用查表取值或用常规测量方法测得的摩擦系数值，均较难准确反映制品在脱模温度下的真实摩擦状态。为此，有的研究者采用在保温箱中测量摩擦系数，作为不同制品脱模温度下的摩擦系数，进行脱模力计算；也有研究者采用逆向推导方法，通过测定实际脱模力，再利用脱模力计算公式反推出脱模时的摩擦系数。但由于注塑成型过程中，塑料制品是由高温熔体在很高的注射压力作用下充满模具型腔，并在冷却阶段受热收缩等应力作用而逐渐凝固成型，并紧紧抱在模具型芯上。而在脱模时制品与型芯表面已经在微观上完全粘合在一起。因此，采用通过保温箱调节温度的测量方法，显然不能真实地反应实际制品与型芯表面的微观粘合状态，因而测量结果误差较大；同时保温箱升温较慢，实验设备达到设定温度需要较长时间。而逆向推导方法，虽然在原理上可行，但由于现有脱模力计算公式本身计算精度不高，其计算结果与实验测量结果差距较大。因此研究一种与实际注塑成型脱模时刻状态一致的塑料制品与模具型芯表面之间摩擦系数的测量装置与方法，获得准确的摩擦系数，可为制品脱模力的计算提供可靠的依据，

发明内容

本发明要解决的技术难题是针对现有技术的缺陷，发明一种塑料与金属模具间摩擦系数的测量装置及方法，发明一种能够模拟实际制品脱模时制品对模具型芯在抱紧状态和脱模温度下的摩擦系数测量装置。测量方法是先对金属模具及塑料制品进行加热，并使制品表面达到熔化状态，以使制品表面与型芯表面紧密贴合，然后再通过冷却模具，使制品冷却凝固至脱模温度，以此模拟实际注塑成型过程中，制品在脱模温度下其与模具型芯表面间的微观贴合状态，从而进行摩擦系数的测量。同时本装置采用的闭环温度控制系统，能够准确控制测量工作台的加热和冷却温度，使测量过程更贴近实际注塑成型脱模时的制品表面温度及其与型芯表面的真实接触状态，系统控温精度高，使摩擦系数的测量结果更加真实可靠。通过改变加热温度，可实现对多种聚合物材料在任何测量温度下的摩擦系数测量。

本发明采用的技术方案是塑料与金属模具间摩擦系数的测量装置，其特征是，测量装置由支承平台组件、温度控制系统以及测力装置部分组成；温度控制系统包括加热和冷却两部分；测力装置部分由带有峰值保持功能的数显测力计20、牵引绳19、锁紧螺母18、滑轮17支撑杆16、支撑杆固定螺钉15组成；

在支承平台组件中，测量工作台10安装在支承平台9上，测量金属板块4通过沉头螺钉5固定在测量工作台10上，测量金属板块4根据测量要求选择不同材料和不同表面粗糙度值；被测制品样件3通过耐高温双面胶2粘合在负载块1的下表面，使两者连接为一体，并放置于测量金属板块4上；负载块1的右端安装有拉钩12；

测力装置部分的牵引绳19的一端固定在拉钩12上，另一端和数显测力计20连接；支撑杆16通过支撑杆固定螺钉15固定在测量工作台10的右侧面，滑轮17装在支撑杆16的上端，并用锁紧螺母18锁紧，限制其轴向窜动；

温度控制系统中，左、右侧电热管6、23分别安装在测量工作台10内部，两个电热管又分别与智能温度控制表11连接，温度控制表11与电源7连接；温度传感器8安装在测量工作台10的测温孔中，可实时监测工作台的温度变化；为了调控测量温度，在测量工作台10内部均匀布置了S形循环冷却水道，有多个水道丝堵22分别封堵；循环冷却水道分别通过进、出水水嘴21、25及进、出水管接头14、26与准确控温的水温机13连接，实现冷却水的循环；

塑料与金属模具间摩擦系数的测量方法，其特征是，摩擦系数测量过程包括加热制品试件与金属板块，使制品表面达到熔化温度，再通入冷却水使接触表面温度迅速降至测量设定的温度，之后用测力计拉动负载块测量最大静摩擦力，计算获得两者之间的实际摩擦系数；通过更换被测金属板块来模拟不同模具型芯材料及其表面粗糙度状态；利用温度控制表控制电加热管对测量工作台的加热温度，保证制品样件表面达到熔化状态；通过水温机向测量工作台内通入循环冷却水进行调温，使制品试件与金属板块接触表面温度稳定在测量设定的温度值；利用测力计的峰值保持功能获得制品试件与金属板块之间的最大静摩擦力F；同时用测力计测量负载块、耐高温双面胶、制品试件的总重力G，并用公式f=F/G，计算求得摩擦系数；具体步骤如下：

测量时，首先闭合开关24接通电源，传感器8，左、右侧电加热管6、23，智能温控表11根据不同测量需要进行加热温度设定；当传感器8测量的温度高于设定值时，智能温控表的加热控制电路即断开，当传感器8测量的温度值低于设定值时，则加热控制电路接通；当温度传感器8显示温度达到设定值时，再等待10s的稳定时间，待被测制品样件表面完全熔化后，断开开关24，开启水温机13，当温度控制仪表11显示的温度值到达设定值时便可进行摩擦系数测量；负载块1、拉钩12和耐高温双面胶2以及被测试件样品的总重力G，可由数显测力计20进行测量；通过牵引绳19、滑轮17和吊钩12，即可拉动负载块1，待负载块1在测量工作台10上滑动后，即可取下测力计20，利用其峰值保持功能可读取其最大拉力F，再通过公式：f=F/G，计算求得制品在不同测量条件下的脱模摩擦系数f值。

本发明的有益效果是采用了可任意更换的测量金属板块，有效地扩大了测量范围。通过不断更换测量金属板块的材质或改变表面粗糙度状态，可模拟不同聚合物材料制品成型时，制品表面与模具型芯表面间的实际接触状态，准确测量摩擦表面间的真实摩擦系数。本测量装置结构简单，制作成本低；测量过程与方法简便，易于操作。

附图说明

图1是本发明测量装置的结构原理图，图2是本发明测量装置控温系统结构示意图。其中：1-负载块，2-耐高温双面胶，3-塑料制品样件，4-测量金属板块，5-沉头螺钉，6-左侧电热管，7-电源，8-温度传感器，9-支承平台，10-测量工作台，11-智能温度控制表，12-拉钩，13-水温机，14-进水管接头，15-支撑杆固定螺钉，16-支撑杆，17-滑轮，18-锁紧螺母，19-牵引绳，20-数显测力计，21-进水水嘴，22-水道丝堵，23-右侧电热管，24-开关，25-出水水嘴，26-出水管接头。

图3是HDPE材料试件对45钢在不同表面粗糙度下测得的摩擦系数变化曲线，图中，横坐标是测试温度，单位度。纵坐标是摩擦系数。

图4是PP材料试件对45钢在不同表面粗糙度下测得的摩擦系数变化曲线，图中，横坐标是测试温度，单位度。纵坐标是摩擦系数。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施，为了获得注塑成型制品脱模时，塑料制品与金属模具型芯表面间在脱模温度下的真实摩擦系数，发明了一种摩擦系数测量装置，其工作原理是：待测量金属板在测量工作台上安装固定后，将与负载块粘接好的塑料制品样件3，放在具有一定表面粗糙度的测量金属板块4上，接通电源7，通过测量金属板块4对被测塑料制品样件3表面实施快速加热，当被测塑料制品样件3表面材料达到熔化温度时，由于负载块的重力作用，塑料制品样件表面材料逐渐被压入测量金属板块表面粗糙度的微观峰谷中，并形成与测量金属板块微观表面形貌完全一致的紧密贴合状态，当达到设定的加热温度后立即断开电源，并同时接通水温机13，通入冷却水循环，实现测量金属板与塑料制品样件接触表面的快速降温。待接触表面达到测量所设定冷却温度，并保持稳定后，被测塑料制品样件表面材料又重新冷却凝固至玻璃态，即实际成型时制品脱模状态，此时通过测力计平稳拉动负载块1，负载块1便带动塑料制品样件在具有一定粗糙度的测量金属板上产生相对滑动，同时利用数显测力计的峰值保持功能，即可记录试件表面开始滑动时的最大静摩擦力，而最大静摩擦力与负载块重力的比值即为两被测表面间的实际摩擦系数。

测量装置由支承平台组件、温度控制系统以及测力装置部分组成。其中支承平台是用于安装模拟模具型芯表面的被测金属板块、支承被测塑料制品样件和负载块，测量金属板块通过沉头螺钉固定安装于支撑平台上，被测塑料制品样件通过耐高温双面胶牢固粘接于负载块底面而形成一体；测量时与负载块连接为一体的被测制品样件平行放置于被测金属板块上，并与金属板块表面密切接触。

温度控制系统用于对测量工作台进行精确控温，温度控制系统包括加热和冷却两部分。加热是为了将制品样件加热至软化温度，以模拟实际制品脱模时塑料材料与型芯表面微观形貌之间的粘合或嵌入状态，为此在测量工作台内安装了电加热元件对安装于工作台上的被测金属板及制品样件进行加热，当被测试件表面达到熔化温度时，由于负载块的载荷作用，被熔化的制品表面完全被压入金属板表面形貌的微观峰谷中，使其达到与实际注塑成型时制品与模具型芯表面密切贴合的状态。为了准确地控制电加热温度，在工作台内还安装了温度传感器，测温点距离被测金属板底面3mm，以便准确获得实验测量时金属板与制品样件接触表面的实际温度。温度传感器与智能温控表连接，实现被测温度的实时显示。智能温控表可同时控制电加热管的通断，以实现对加热温度的闭环控制。冷却功能是为了保证在达到设定的加热温度后，使制品与金属板的接触表面温度迅速下降到实验设定值，为此本装置在工作台内均匀布置了S形循环冷却水道，并通过进、出水管与可准确控温的水温机进行连接，实现循环冷却，以使制品样件与金属板接触表面的温度能够稳定控制在实验设定值。

测力系统用具有峰值保持功能的数显测力计和牵引绳，通过测量不同制品样件与金属板之间的最大静摩擦力，便可计算获得两者之间的实际摩擦系数。

本发明的具体实施方式是，先将测量工作台10置于支承平台9上，并将测量金属板块4通过沉头螺钉5固定安装于测量工作台10上，测量金属板块4可根据测量要求选择不同材料和不同表面粗糙度值；然后将被测制品样件3通过耐高温双面胶2粘合在负载块1的下表面，使两者连接为一体，并放置于金属板块4上；负载块1的右端安装有拉钩12，可借助于牵引绳19和数显测力计20拉动负载块1，进行摩擦系数测量。测量工作台10的右侧面，安装有支撑杆16，通过螺钉15固定；支撑杆16上端装有滑轮17，并用螺母18限制其轴向窜动。负载块1、拉钩12和耐高温双面胶2以及被测试件样品的总重力G，可用数显测力计20进行测量。

测量工作台10内部，分别安装有左侧电加热管6和右侧电加热管23，两个电热管又分别与智能温度控制表11连接，温度控制表则直接与电源7连接。温度传感器8安装在测量工作台10的测温孔中，可实时监测工作台的温度变化；传感器8及左右侧电热管6和23、智能温控表11，可根据不同测量需要进行加热温度设定；当传感器8测量的温度高于设定值时，温控表的加热控制电路即断开，当传感器8测量的温度值低于设定值时，则加热控制电路接通。为了调控测量温度，在测量工作台10内部设有均匀分布的冷却水通路，分别通过进、出口水嘴21和25及进、出水管14和26，与水温机13连接，实现冷却水的循环。

测量时，首先闭合开关24接通电源，当温度传感器8显示温度达到设定值时，再等待10s的稳定时间，待被测制品样件表面完全熔化后，断开开关24，开启水温机13，当温度控制仪表11显示的温度值到达设定值时便可进行摩擦系数测量。利用数显测力计20，通过牵引绳19、滑轮17和吊钩12，即可拉动负载块1，待负载块1在测量工作台10上滑动后，即可取下测力计20，利用其峰值保持功能可读取其最大拉力F，再通过公式f=F/G，即可计算求得制品在不同测量条件下的脱模摩擦系数f值。

实施例1应用高密度聚乙烯（HDPE）材料试件，在脱模温度为20℃～80℃时，分别测量了45钢型芯表面粗糙度为Ra0.8μm、Ra0.4μm和Ra0.2μm时的摩擦系数，测得结果曲线如图3所示。图中曲线可见，不同测量温度下的摩擦系数值，均大于相关手册中给出的HDPE材料与钢的摩擦系数值0.109。表明用本发明方法测得的脱模温度下的塑料制品与金属模具间的摩擦系数值，更符合实际成型加工时的状态。具体实施方式为，将表面粗糙度打磨至Ra0.8μm的45钢金属板块4通过沉头螺钉5固装于测量工作台10上，再将HDPE材料的被测试件3用耐高温双面胶2粘合在负载块1的下表面，并放置于金属板块4的平面上；然后闭合开关24接通电源，当温度传感器8显示温度达到135℃时，保持10s稳定时间，待被测制品试件表面熔化后，切断电源开关24，开启水温机13进行冷却，当温度控制仪表11显示的温度数值达到20℃时，沿垂直测量工作台方向缓慢向上拉动数显测力计20，待负载块1在测量工作台10上滑动后，即可取下测力计20，利用其峰值保持功能可读取最大拉力F，再通过计算即可求得脱模温度为20℃时，HDPE材料制品与模具型芯间的摩擦系数f=0.212。按照同样方法，通过改变金属板块4的表面粗糙度值及测量温度，即可获得图3所示的摩擦系数曲线。

实施例2应用高密度聚乙烯（PP）材料试件，在脱模温度为20℃～80℃时，分别测量了45钢型芯表面粗糙度为Ra0.8μm、Ra0.4μm和Ra0.2μm时的摩擦系数，测得结果曲线如图3所示。图中曲线可见，不同测量温度下的摩擦系数值变化较大；而相关手册中给出的PP材料与钢的摩擦系数值为0.316。可见用本发明方法测得的脱模温度下的塑料制品与金属模具间的摩擦系数值，更符合注塑成型加工时的实际状况。具体实施方式为，将表面粗糙度打磨至Ra0.8μm的45钢金属板块4通过沉头螺钉5固装于测量工作台10上，再将HDPE材料的被测试件3用耐高温双面胶2粘合在负载块1的下表面，并放置于金属板块4的平面上；然后闭合开关24接通电源，当温度传感器8显示温度达到135℃时，保持10s稳定时间，待被测制品试件表面熔化后，切断电源开关24，开启水温机13进行冷却，当温度控制仪表11显示的温度数值达到20℃时，沿垂直测量工作台方向缓慢向上拉动数显测力计20，待负载块1在测量工作台10上滑动后，即可取下测力计20，利用其峰值保持功能可读取最大拉力F，再通过计算即可求得脱模温度为20℃时，PP材料制品与模具型芯间的摩擦系数f=0.306。按照同样方法，通过改变金属板块4的表面粗糙度值及测量温度，即可获得图4所示的摩擦系数曲线。

本发明适用于塑料与金属模具表面间的摩擦系数测量，能够较为准确地模拟注塑成型过程中塑料与金属模具之间的微观粘合状态，并实现了不同脱模温度下，摩擦系数的测量。本发明可推广为测量不同温度下，多种材料与金属表面之间的摩擦系数测量。

Claims (2)

1.一种塑料制品与金属模具表面摩擦系数测量装置，其特征是，测量装置由支承平台组件、温度控制系统以及测力装置部分组成；温度控制系统包括加热和冷却两部分；测力装置部分由带有峰值保持功能的数显测力计（20）、牵引绳（19）、锁紧螺母（18）、滑轮（17）支撑杆（16）、支撑杆固定螺钉（15）组成； 

在支承平台组件中，测量工作台（10）安装在支承平台（9）上，测量金属板块（4）通过沉头螺钉（5）固定在测量工作台（10）上，被测塑料制品样件（3）通过耐高温双面胶（2）粘合在负载块（1）的下表面，使两者连接为一体，并放置于金属板块（4）上，负载块（1）的右端安装有拉钩（12）； 

测力装置部分的牵引绳（19）的一端固定在拉钩（12）上，另一端和数显测力计（20）连接；支撑杆（16）通过支撑杆固定螺钉（15）固定在测量工作台（10）的右侧面，滑轮（17）装在支撑杆（16）的上端，并用锁紧螺母（18）锁紧，限制其轴向窜动； 

在温度控制系统中，左、右侧电热管（6）、（23）分别安装在测量工作台（10）内部，两个电热管又分别与智能温度控制表（11）连接，温度控制表（11）与电源（7）连接；温度传感器（8）安装在测量工作台（10）的测温孔中，可实时监测工作台的温度变化；为了调控测量温度，在测量工作台（10）内部均匀布置了S形循环冷却水道，分别通过进、出水水嘴（21）、（25）及进、出水管接头（14）、（26）与准确控温的水温机（13）连接，实现冷却水的循环。 

2.一种塑料制品与金属模具表面摩擦系数测量方法，其特征在于，摩擦系 数测量过程包括加热塑料制品样件与测量金属板块，使塑料制品样件表面达到熔化温度，再通入冷却水使接触表面温度迅速降至测量设定的温度，之后用数显测力计拉动负载块测量最大静摩擦力，计算获得两者之间的实际摩擦系数；通过更换被测量金属板块来模拟不同模具型芯材料及其表面粗糙度状态；利用温度控制表控制电加热管对测量工作台的加热温度，保证制品样件表面达到熔化状态；通过水温机向测量工作台内通入循环冷却水进行调温，使制品试件与金属板块接触表面温度稳定在测量设定的温度值；利用测力计的峰值保持功能获得制品试件与金属板块之间的最大静摩擦力F；同时用数显测力计测量负载块、耐高温双面胶、塑料制品样件的总重力G，并用公式f=F/G，计算求得摩擦系数；具体步骤如下： 

测量时，首先，闭合开关（24）接通电源，传感器（8），左、右侧电加热管（6）、（23），智能温控表（11）根据不同测量需要进行加热温度设定；当传感器（8）测量的温度高于设定值时，温控表的加热控制电路即断开，当传感器（8）测量的温度值低于设定值时，则加热控制电路接通；当温度传感器（8）显示温度达到设定值时，再等待10s的稳定时间，待被测制品样件表面完全熔化后，断开开关（24），开启水温机（13），当温度控制仪表（11）显示的温度值到达设定值时便可进行摩擦系数测量；负载块（1）、拉钩（12）和耐高温双面胶（2）以及被测试件样品的总重力G，可由数显测力计（20）量出；通过牵引绳（19）、滑轮（17）和吊钩（12），即可拉动负载块（1），待负载块（1）在测量工作台（10）上滑动后，即可取下测力计（20），利用其峰值保持功能可读取其最大拉力F，再通过公式：f=F/G，计算求得制品在不同测量条件下的脱模摩擦系数f值。 

Images