基于顆粒模型的二維矩形模腔粉末微注射成型研究

劉 煜,李益民,夏卿坤,何 浩,張建光,肖燕芳(長沙學(xué)院機(jī)電工程系,長沙40003; 中南大學(xué)粉末冶金研究院,長沙40083)

基于顆粒模型的二維矩形模腔粉末微注射成型研究

劉 煜1,2,李益民2,夏卿坤1,何 浩2,張建光2,肖燕芳1(1長沙學(xué)院機(jī)電工程系,長沙410003; 2中南大學(xué)粉末冶金研究院,長沙410083)

以顆粒模型理論為基礎(chǔ)對粉末微注射成型二維矩形模腔填充過程進(jìn)行模擬和分析,證明此方法是可行的,發(fā)現(xiàn)了粉末微注射成型的流動主要呈現(xiàn)環(huán)狀波形效應(yīng),波形中心顆粒存在較大的擠壓接觸力,流動前沿的顆粒則較好地保留在界面前沿,未發(fā)生大的側(cè)向位移。

粉末微注射成型;顆粒模型;波形效應(yīng)

粉末微注射成型技術(shù)源于塑料微注射成型技術(shù),可定義為生產(chǎn)非常小的尺寸和精細(xì)結(jié)構(gòu)的零件制品,或者雖然總體尺寸較大但在局部范圍有非常細(xì)小結(jié)構(gòu)的零件,其結(jié)構(gòu)尺寸一般小于1mm,粉末一般用陶瓷或金屬材料。在實(shí)際生產(chǎn)中,由于粉末微注射成型喂料是由粉末和黏結(jié)劑兩相混合物組成,因此喂料流變性能和成型性能遠(yuǎn)比聚合物復(fù)雜,這使得粉末微注射成型的產(chǎn)品質(zhì)量往往得不到較高保證,也存在型腔尺寸突然減小時常發(fā)生粉末堆積(密度不均問題)或黏結(jié)劑與粉末兩相分離的現(xiàn)象。因此喂料流動機(jī)制的研究是整個粉末微注射成型技術(shù)中最為關(guān)鍵的問題,它對零件質(zhì)量和模具設(shè)計具有重大影響[1]。

借助于塑料注射成型模擬的成功經(jīng)驗,將計算機(jī)模擬技術(shù)應(yīng)用于金屬粉末注射成型成為人們研究的熱點(diǎn)。然而對粉末微注射成型而言,由于模具流道和型腔尺寸極小,對粉末和黏結(jié)劑所構(gòu)成的兩相流在一維圓管內(nèi)的流動過程,當(dāng)內(nèi)孔直徑小于1mm時,可稱之為微尺度流動,反之,則稱為常規(guī)尺寸流動。對喂料流體的微尺度流動,由于構(gòu)成喂料的混合流體是由密度差別很大的粉末和黏結(jié)劑構(gòu)成,且粉末與黏結(jié)劑體積比接近70%,在復(fù)雜模具型腔中變向和變速運(yùn)動易造成喂料組分的局部變化。這一現(xiàn)象尤其發(fā)生在模腔中的拐角和截面顯著變化部位。在流動過程中粉末與黏結(jié)劑兩相分離和粉末堆積,是粉末微注射成型需要解決的重要問題。這些缺陷不能在脫脂和燒結(jié)階段消除,而且在注射坯階段是無法通過簡單的觀察與測量來檢測和控制。注射坯內(nèi)部易產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力,形狀容易發(fā)生扭曲變形,即使在保證模具尺寸精度的條件下,最終產(chǎn)品也往往達(dá)不到應(yīng)有的尺寸精度。對于常規(guī)尺寸粉末注射成型,零件結(jié)構(gòu)尺寸一般大于1mm,注射成型所用粉末,平均粒度直徑為10μm左右,模具澆道一般為1mm左右,澆道直徑/平均粉末粒度直徑比約為100/1,也就是說在澆道的平面模型截面上最多可緊密排布約100個粉末顆粒,如果考慮更加接近實(shí)際情況的圓管模型截面面積,則粉末顆粒數(shù)目增加到10000個左右,微尺度效應(yīng)并不明顯,因此可以利用連續(xù)介質(zhì)模型理論指導(dǎo)注射工藝得到質(zhì)量和尺寸精度較好的產(chǎn)品。但當(dāng)澆道直徑/平均粉末粒度直徑比下降一個數(shù)量級時,也就是說對于零件結(jié)構(gòu)尺寸小于1mm的粉末微注射成型,澆道直徑往往小于0.1mm,當(dāng)澆道直徑/平均粉末粒度直徑比降為10時,澆道的平面模型截面上最多可緊密排布約10個粉末顆粒,考慮圓管模型截面面積,粉末顆粒數(shù)目為100個左右,尺度效應(yīng)、表面效應(yīng)、黏度的變化、邊界層滑移效應(yīng)等微觀效應(yīng)再也無法忽略,在模腔結(jié)構(gòu)有拐角和截面顯著變化的部位其微觀效應(yīng)更加明顯。因此用單相流連續(xù)介質(zhì)模型理論無法解釋粉末堆積(密度不均問題)和黏結(jié)劑與粉末兩相分離的現(xiàn)象,也無法控制最終產(chǎn)品的密度均勻性和尺寸精度達(dá)到使用要求,限制了粉末微注射成型的應(yīng)用。因此如何正確分析粉末微注射成型的充模流動過程,找出微注射成型工藝參數(shù)和喂料物理特性對零件微觀結(jié)構(gòu)和性能的作用機(jī)理是解決粉末微注射成型實(shí)用化問題的關(guān)鍵。

1 顆粒模型簡介

Iwail[2]等提出了基于粉末黏結(jié)劑協(xié)同作用的顆粒模型,直接把粉末顆粒作為一個單元,從顆粒與顆粒、顆粒與黏結(jié)劑的相互作用中導(dǎo)出牛頓方程。通過這種方法可以觀察粉末特性(如密度、形狀、粒度、粒度分布等)對流動過程的影響,從而監(jiān)視流動過程中粉末特性的變化、粉末聚集狀態(tài)等用以預(yù)測密度分布情況和兩相分離現(xiàn)象。

牛頓方程

黏結(jié)劑2顆粒之間相互作用力Fb

法向:

切向:

顆粒2顆粒之間相互作用力Fc

法向:

切向:

型腔邊界摩擦力

2 二維矩形模腔的粉末微注射成型填充過程

以往基于塑料的連續(xù)介質(zhì)模型主要考慮宏觀尺寸,往往忽略澆口尺寸的影響[3],而粉末微注射成型由于要求較高的注射速度和本身形狀往往采用點(diǎn)澆口。假設(shè)所用粉末顆粒的粒度直徑均為20μm,忽略重力影響,粉末顆粒為彈性體,在注射壓力的作用下從直徑為0.8mm的中心點(diǎn)澆口進(jìn)入直徑為5.4mm的圓筒型腔,如圖1,2所示。由于計算量過于巨大,取過中心軸的二維剖面,同時為降低計算的復(fù)雜程度,減少顆粒數(shù)目,將粉末顆粒的粒度直徑由20μm擴(kuò)大20倍,半徑變?yōu)?.2mm。模擬的工藝參數(shù)如表1所示,將這些顆粒參數(shù)在程序開始階段進(jìn)行初始化賦值。為更清楚地體現(xiàn)填充狀態(tài),對不同時間進(jìn)入型腔的顆粒用顏色進(jìn)行分段,相鄰段顏色不同,表現(xiàn)為紅色或者黃色,得到如圖3所示的示意圖。

從圖3可以發(fā)現(xiàn),整個填充過程是以較完整的環(huán)狀波形界面進(jìn)行傳遞,也就是后進(jìn)入的顆粒群被先前進(jìn)入的顆粒群包裹,層層疊加,形成較為完整的分層包裹體系,暫時稱之為“波形效應(yīng)”。波形效應(yīng)沿流動方向具有較大的厚度,而在側(cè)壁上則每一層的厚度要小得多,甚至部分層面呈現(xiàn)了不連續(xù)界面。對于波形效應(yīng)本研究利用共注射成型機(jī)采用不同顏色但材質(zhì)相同或相近的芯層材料和殼層材料進(jìn)行了驗證,發(fā)現(xiàn)無論是在縱向還是橫向截面上都存在此現(xiàn)象,甚至在較大縱橫比的截面上也存在此現(xiàn)象。圖4(a)是采用同一牌號的聚丙烯——新疆獨(dú)山子石化生產(chǎn)的T30S PP作為注射原料,在同一臺注射成型機(jī)和模具上,采用相同的注射溫度、注射壓力等工藝參數(shù),為了能辨別出芯殼層熔體,在芯層物料中添加了少量紅色的色粉。圖4(b)為采用316L不銹鋼粉末喂料在模具中的填充效果。如果將不同時間進(jìn)入模具型腔的顆粒顏色加以區(qū)分,將會出現(xiàn)如圖3所示的波形效應(yīng)。

表1 模擬工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of simulation

圖3 簡化的微注射成型填充狀態(tài)(a)迭代初始狀態(tài);(b)迭代中間狀態(tài)Fig.3 Simp lified microinjection molding state (a)iterative initial state;(b)iterative intermediate state

圖4 不同注射原料下的波形效應(yīng)[4,5] (a)聚丙烯波形效應(yīng);(b)316L不銹鋼粉末波形效應(yīng); (c)316L不銹鋼粉末不同截面波形效應(yīng)Fig.4 Waveform effect of different kinds of injection materials[4,5](a)waveform effect of polyp ropylene;(b)waveform effect of 316L stainless steel pow der; (c)waveform effect of 316L stainless steel pow der in different section

波形效應(yīng)與模具型腔尺寸、澆口位置大小等有顯著的依賴關(guān)系?？梢詮膱D4(c)中發(fā)現(xiàn)對于大縱橫比的型腔波形界面的前沿厚度是其側(cè)面的厚度的幾十倍,而在小縱橫比的截面上的厚度比則只有幾倍。這與圖3所模擬的填充狀態(tài)相同。

本研究對顆粒的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析,如圖5所示,可以看出波形中心顆粒存在較嚴(yán)重擠壓,彈性顆粒體變形嚴(yán)重,存在較大內(nèi)應(yīng)力,而流動前沿內(nèi)應(yīng)力相對減弱。從圖6可以看出中心區(qū)域的顆粒速度較小,速度矢量近似為點(diǎn)狀;從圖7發(fā)現(xiàn)速度方向基本呈現(xiàn)輻射狀,從波形效應(yīng)中心沿流動方向其流動速度逐漸增大,當(dāng)?shù)竭_(dá)波形中心點(diǎn)至流動最前點(diǎn)約2/3處時達(dá)到最大流動速度,然后沿流動方向緩慢減小。從動態(tài)填充過程發(fā)現(xiàn)環(huán)狀波形界面的中心點(diǎn)基本為初始顆粒運(yùn)動速度降低到零值時的位置點(diǎn),隨著填充過程的進(jìn)行,由于堆積的加劇,環(huán)狀波形界面的中心點(diǎn)稍稍后移。根據(jù)顆粒彈性勢能的轉(zhuǎn)變,將整個填充狀態(tài)分為兩個階段:(1)從注射開始到全部顆粒進(jìn)入型腔,在阻尼的作用下,界面的運(yùn)動速度減緩,顆粒之間的作用力增加,顆粒之間由于不斷的碰撞、擠壓和摩擦,動能轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥詢?nèi)能。而且越靠近波形中心點(diǎn),顆粒的變形和擠壓越嚴(yán)重;(2)全部顆粒進(jìn)入型腔,波形效應(yīng)的中心壓力達(dá)到一個較大值,顆粒的彈性內(nèi)能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?。由于靠近澆口位置的顆粒擠壓嚴(yán)重,壓力中心開始稍微向澆口位置移動。

圖7 填充狀態(tài)流動前沿速度矢量Fig.7 Speed vecto rs in front area of filling state

對流動前沿顆粒跟蹤,如圖8所示,分析發(fā)現(xiàn)經(jīng)過6萬次迭代,X向(流動方向)從2.988mm移動到171062mm,而Y向從0.177mm移動到0.51068mm,其中沿Y向發(fā)生了三次位置的波動,就是說流動前沿的顆粒較好地保留在流動前沿,沒有發(fā)生逆向流動。Y向和X向移動距離比值為0.02,即前沿顆?；緵]有發(fā)生大的側(cè)向位移。如圖9所示,流動前沿顆粒沿X向的速度由噴嘴口最高的31.47m/s逐漸下降到約3m/s,并在此范圍有較小的波動。

圖8 流動前沿顆粒沿Y向和X向移動距離比Fig.8 Distance ratio in Y and X direction of the front particle

圖10顯示所有顆粒的平均非平衡力和接觸力在注射過程中逐步增加,這是由于隨著顆粒源源不斷進(jìn)入型腔,顆?？傮w擠壓嚴(yán)重,平均接觸應(yīng)力變大,同時由于壓力梯度的增加,總體的平均平衡力也在不斷增加,為顆粒的X正向的流動提供了動力[6,7]。

對填充過程中顆粒的動能進(jìn)行跟蹤,發(fā)現(xiàn)在注射初期,由于設(shè)置了較大的注射壓力,顆粒的總動能較大;但隨著顆粒逐漸的堆積和擠壓而轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒的彈性內(nèi)能,動能持續(xù)下降(圖11)。在殼層喂料表面突破的現(xiàn)象。

(2)對二維矩形模腔填充過程的顆粒模型模擬結(jié)果可以看出在沿流動方向很好地保持了環(huán)狀波形效應(yīng),而且波形界面的厚度具有各向異性。在實(shí)驗中驗證了對于大縱橫比的型腔波形界面的前沿厚度是其側(cè)面的厚度的幾十倍,而在小縱橫比的截面上的厚度比則只有幾倍。

(3)波形中心顆粒存在較嚴(yán)重擠壓,彈性顆粒體變形嚴(yán)重,存在較大接觸力,而流動前沿內(nèi)應(yīng)力相對減弱。從波形效應(yīng)中心沿流動方向其流動速度逐漸增大,方向基本呈現(xiàn)輻射狀。

(4)流動前沿的顆粒較好地保留在界面前沿,沒有發(fā)生逆向流動。Y向和X向移動距離比值為0.02,即前沿顆?；緵]有發(fā)生大的側(cè)向位移。

3 結(jié)論

(1)以顆粒模型理論為基礎(chǔ)對粉末微注射成型填充過程進(jìn)行編程模擬是可行的,可以反映出采用連續(xù)介質(zhì)模型所無法反映的波形效應(yīng)以及模擬出芯層熔體

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Micro Pow der Injection Molding in Two2dimensional Rectangular Cavity Based on Granular Model

L IU Yu1,2,L I Yi2m in2,XIA Qing2kun1,HE Hao2, ZHANG Jian2guang2,XIAO Yan2fang1
(1 Department of M echanical Engineering,Changsha University, Changsha 410003,China;2 Pow der M etallurgy Research Institute, Central South University,Changsha 410083,China)

The p rocessof micro pow der injection molding for 2D rectangle cavity was studied based on granular model.This app roach is p roved feasible.The waveform effect is p resented in flow of micro pow der injection molding.There is relatively great contact force in center of the waveform.The fron2 tal granular is held on the interface front and has no large lateral disp lacement.

micro pow der injection molding;granular model;waveform effect

TF124.3

A

100124381(2010)0520005205

國家自然科學(xué)基金委員會創(chuàng)新研究群體基金資助項目(50721003);長沙市科技局科技計劃資助項目(K0802130211);長沙學(xué)院科研基金資助項目(CDJJ209010207)

2009209207;

2010202214

劉煜(1978—),男,博士研究生,從事粉末微注射成型方面研究工作,聯(lián)系地址:湖南省長沙市開福區(qū)四方坪時代先鋒B棟A座2904房(410003),E2mail:w ind_liuyu@163.com