水輔與氣輔成型殘余壁厚的對(duì)比研究

陳英龍，周 華，張?jiān)雒?，孔虎?/p>

（1．浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310027；2．大連海事大學(xué)船舶裝備研究院，遼寧 大連116026）

0 前言

隨著塑料制品的廣泛應(yīng)用，介質(zhì)輔助成型技術(shù)得到越來越多的關(guān)注，而作為介質(zhì)輔助成型最為重要的兩種技術(shù)手段——水輔成型及氣輔成型技術(shù)也得到了許多學(xué)者的廣泛關(guān)注［1－3］。氣輔成型技術(shù)由于發(fā)展時(shí)間較長，技術(shù)更為成熟而在塑料工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。氣輔成型利于生產(chǎn)壁厚分布不均的中空制件，同時(shí)還能有效消除由于制件內(nèi)部應(yīng)力分布不均引起的翹曲變形。然而，氣輔制件壁厚較厚、生產(chǎn)周期長、制件內(nèi)壁成型品質(zhì)不佳成為限制氣輔成型應(yīng)用的主要原因。同氣輔成型相比，水輔成型技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如具有較短的生產(chǎn)周期，較高的制件中空率，便宜且易獲取的工作介質(zhì)，同時(shí)水輔成型更易于生產(chǎn)大尺寸的制件［1］，制件內(nèi)壁也更加光滑，因此得到了廣泛的關(guān)注。當(dāng)然，水輔成型也有著自身的缺陷，如模具的密封問題以及制件的排水問題等等。

殘余壁厚是水輔及氣輔成型技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，有效控制殘余壁厚是介質(zhì)輔助成型成熟的重要標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)針對(duì)氣輔及水輔成型制件殘余壁厚的形成機(jī)理及壁厚的控制進(jìn)行了大量的研究分析［1－3］，并給出了相應(yīng)的結(jié)論。然而，對(duì)于水輔及氣輔成型制件殘余壁厚的比較情況，現(xiàn)有的研究結(jié)果也只是進(jìn)行了簡(jiǎn)單的定性分析，并沒有從實(shí)驗(yàn)或仿真對(duì)其進(jìn)行深入的分析。在實(shí)際的成型過程中，殘余壁厚受到設(shè)定參數(shù)的影響較大，本文針對(duì)指定模具進(jìn)行了氣輔及水輔的單因子比較實(shí)驗(yàn)，并從制件殘余壁厚的形成及其分布等方面進(jìn)行了論述。

1 介質(zhì)輔助成型工作原理及特點(diǎn)

在介質(zhì)輔助成型過程中，注塑機(jī)首先將高溫熔融的塑料注入模具腔內(nèi)，同時(shí)將電信號(hào)傳送至水輔或氣輔設(shè)備，通過控制系統(tǒng)延遲一段時(shí)間后，向模具內(nèi)注入一定壓力與流量的工作介質(zhì)，注入的工作介質(zhì)推動(dòng)高溫熔膠前進(jìn)，并使得熔膠填滿模具腔內(nèi)表面，經(jīng)過保壓、冷卻后形成所需的中空制件，介質(zhì)輔助成型過程如圖1所示。

圖1 介質(zhì)輔助注射成型過程Fig．1 Process of medium－assisted injection molding

氣輔成型技術(shù)所采用的工作介質(zhì)是惰性氣體（一般采用氮?dú)猓?，由于氣體流動(dòng)性好，同時(shí)排除容易且無污染而得到廣泛使用。氣輔成型技術(shù)不但能夠減輕制件的質(zhì)量，縮短成型周期，還有助于大幅降低或者完全消除平面制件的壁厚區(qū)域、變形和皺縮痕跡，從而提高制件的品質(zhì)。

水輔成型過程與氣輔成型相似，不同的是工作介質(zhì)為自來水，由于水不可壓縮，且水的注射壓力較氣體壓力高，因此水輔制件殘余壁厚更加均勻。

此外，水的熱導(dǎo)率約為氮?dú)獾?0多倍，熱容量是氮?dú)獾?倍，可以迅速冷卻制件。除了普通冷卻以外，注射水會(huì)引起制件的內(nèi)部冷卻，與氣體相比，冷卻時(shí)間縮短70%，因此制件能很快達(dá)到所需脫模溫度。水輔成型和氣輔成型技術(shù)是相輔相成的，應(yīng)針對(duì)不同的模具、不同的材料選擇更加合適的成型方法。

2 水輔與氣輔成型實(shí)驗(yàn)裝置

與傳統(tǒng)的注射成型技術(shù)相比，水輔成型及氣輔成型技術(shù)除需要注塑機(jī)外，還需要額外的水輔或者氣輔設(shè)備。水輔或氣輔設(shè)備一般要求工作介質(zhì)擁有穩(wěn)定的、可調(diào)整的注射壓力和注射流量。注射壓力可調(diào)保證不同的注射階段擁有不同的注射壓力，能夠使高溫熔膠均勻分布，注射流量可調(diào)則為了滿足不同規(guī)格制件流量需求。

本文采用的水輔成型水液壓設(shè)備由浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)，如圖2所示。設(shè)備主要由水液壓泵源、蓄能器、增壓缸、水壓比例閥組、水箱及水針組成。水輔成型系統(tǒng)最大注水壓力為25MPa，最大注水流量為100L／min，一次注水量最大可達(dá)1．8L，注射過程可實(shí)現(xiàn)注射壓力的調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)中采用壓力傳感器采集水針入口壓力數(shù)據(jù)；位移傳感器采集增壓缸位移數(shù)據(jù)，設(shè)備設(shè)有溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)注入水溫度的自由調(diào)節(jié)。

圖2 水輔成型水液壓設(shè)備Fig．2 Water hydraulic equipment for water－assisted injection molding

氣輔成型采用Butterfields公司生產(chǎn)的氣輔設(shè)備，最高壓力為4MPa，可實(shí)現(xiàn)分段壓力控制。實(shí)驗(yàn)選用博創(chuàng)BT260V－1型注塑機(jī)，最大鎖模力為260t；模具由金典模具公司設(shè)計(jì)制造，如圖3所示，該模具用于汽車后視鏡支架制件的生產(chǎn)，模具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，具有非圓大截面以及彎曲流道結(jié)構(gòu)，可用于分析截面形狀以及流道轉(zhuǎn)彎對(duì)制件殘余壁厚的影響情況。制件照片及制件中段型腔橫截面尺寸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

制件材料選用丙烯腈 －丁二烯 －苯乙烯共聚物（ABS），熔體溫度為200℃，模具溫度設(shè)為50℃。水輔工藝參數(shù)設(shè)置：熔膠注射時(shí)間為6s，注水延遲時(shí)間為1s，初始?jí)毫υO(shè)定為1MPa，保壓壓力為18MPa。氣輔成型工藝參數(shù)設(shè)置：熔膠注射時(shí)間為6s，注水延遲時(shí)間為1s，初始?jí)毫υO(shè)定為1MPa，保壓壓力為4MPa。

3 殘余壁厚分析

3．1 殘余壁厚形成機(jī)理

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)＞逨ig．3 Experimental mould

圖4 制件及中段型腔橫截面尺寸Fig．4 Photo for the part and the cross－sectional size of middle of the cavity

介質(zhì)輔助成型中介質(zhì)穿透過程是非牛頓聚合物層流與高雷諾數(shù)牛頓流體湍流的耦合流動(dòng)過程，涉及到熔體的黏性包裹、兩相界面不穩(wěn)定、相間熱傳導(dǎo)以及熔體黏彈性等多因子的耦合作用，其復(fù)雜性主要源于水流前鋒穿透過程中的黏性包裹和界面不穩(wěn)定［4］。因此，注射介質(zhì)穿透時(shí)表層熔體形成（即壁厚）受制件幾何形狀、注水壓力、熔體溫度、熔體流變特性等多種因素影響，其過程非常復(fù)雜。一般采用數(shù)值分析或者實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)殘余壁厚的影響因素進(jìn)行分析。本文針對(duì)其他參數(shù)設(shè)置一致的情況下，單因素分析水輔及氣輔制件的殘余壁厚情況。

3．2 水輔與氣輔成型制件殘余壁厚對(duì)比

制件的殘余壁厚是衡量介質(zhì)輔助成型技術(shù)的重要指標(biāo)，也是國內(nèi)外眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)［4－5］。在工業(yè)生產(chǎn)中，為降低制件成本及質(zhì)量，在滿足強(qiáng)度要求的情況下，一般要求制件壁厚較小且壁厚分布均勻。依照介質(zhì)輔助成型機(jī)理，在介質(zhì)注入高溫熔體之后，由于水輔中注射水壓力較高且具有不可壓縮性，水的穿透能力強(qiáng)于氣體，故水的推動(dòng)能力更強(qiáng)，水輔制件的中空率一般高于氣輔制件。這也是水輔成型得以廣泛關(guān)注的原因。但是，由上一節(jié)分析可知，制件的殘余壁厚還受到其他各種參數(shù)的影響，無法簡(jiǎn)單判斷制件殘余壁厚的大小。已有的文獻(xiàn)中并未在單因素情況下分析水輔與氣輔制件的殘余壁厚情況，因此本文主要從實(shí)驗(yàn)角度出發(fā)，開展水輔和氣輔制件殘余壁厚的對(duì)比研究。

圖5給出了注水及溢料井位置，并設(shè)置了9個(gè)測(cè)量位置進(jìn)行殘余壁厚的分析。

圖5 殘余壁厚測(cè)量位置Fig．5 The measurement positions for residual wall thickness

從圖6可以看出，水輔制件的中空率普遍要高于氣輔制件，尤其是制件的初始段，這主要是由于水輔成型的注射水壓力較高，冷卻效果強(qiáng)，與水接觸的熔膠黏度增大，進(jìn)而推動(dòng)更多的熔膠前進(jìn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論研究［6］相符。同時(shí)也可看出，水輔與氣輔制件中段中空率接近，這主要是因?yàn)橹萍卸螆A率最小，而水輔制件的中空率受制件的外表面圓率的影響較大，且中空率隨圓率的降低而減小，而氣輔制件受外表面圓率的影響則較小，因此氣輔制件該段的中空率變化不大。

圖6 各測(cè)量位置中空率的對(duì)比情況Fig．6 Comparison of hollowrate at measurement positions

從圖7可以看出，制件為典型的非圓大截面結(jié)構(gòu)，且圓率較低；水輔制件的內(nèi)腔更接近圓形，而氣輔制件內(nèi)腔的形狀與外腔相接近。這說明水輔制件的內(nèi)腔更易形成圓柱形結(jié)構(gòu)，因此更適合用于圓柱形結(jié)構(gòu)制件的生產(chǎn)。此外，由圖7還可以看出，水輔制件的內(nèi)壁更加光滑，成型品質(zhì)更好，主要是由于水的性能更好，氮?dú)獾募兌葎t會(huì)較大程度地影響制件的成型品質(zhì)。制件采用聚丙烯材料時(shí)，氣輔制件內(nèi)壁會(huì)形成絮狀結(jié)構(gòu)，而水輔制件則依然保持較好的中空狀態(tài)，這也較好地驗(yàn)證了前人的結(jié)論。

圖7 水輔及氣輔成型制件的截面圖Fig．7 Cross－sections for water－assisted and gas－assisted injection molded parts

3．3 水輔與氣輔成型制件穿透方向殘余壁厚分布

在水輔或氣輔成型過程中，介質(zhì)充模流動(dòng)方向發(fā)生的偏轉(zhuǎn)往往容易造成制品缺陷，本節(jié)主要分析制件轉(zhuǎn)彎部分殘余壁厚的分布。已有研究結(jié)果表明，在制件轉(zhuǎn)彎處，氣輔成型與水輔成型的壁厚均勻性存在差別［7］。注射氣體傾向于比注射水更快地轉(zhuǎn)向阻力最小的方向，造成氣輔制件轉(zhuǎn)彎處的內(nèi)側(cè)壁厚比外側(cè)壁厚大。與氣輔成型相比較，水輔成型制件的內(nèi)外側(cè)壁厚較均勻。

在本文介質(zhì)輔助成型實(shí)驗(yàn)所采用的模具中，除水注射口局部的直角轉(zhuǎn)彎之外，在充模流動(dòng)方向上分別有92°和60°兩個(gè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的部位。圖8所示為分別用氣輔和水輔成型制件的轉(zhuǎn)彎部分縱剖圖，圖8所示各點(diǎn)處的內(nèi)外側(cè)壁厚變化曲線如圖9和圖10所示。

由圖9可以看出，92°偏轉(zhuǎn)處，氣輔與水輔成型制件內(nèi)外側(cè)壁厚分布差異很大。氣輔成型外側(cè)壁厚小于內(nèi)側(cè)壁厚，內(nèi)外側(cè)壁厚差值最大為12mm，轉(zhuǎn)彎后壁厚差值逐漸減小，直至2mm左右；相反，水輔成型外側(cè)壁厚大于內(nèi)側(cè)壁厚，轉(zhuǎn)彎前內(nèi)外側(cè)壁厚差值達(dá)到了18mm，但是隨著注射水充模流動(dòng)方向，該差值減小至不到1mm。因此制件92°偏轉(zhuǎn)處，氣輔成型制件外側(cè)壁厚小于內(nèi)側(cè)壁厚，水輔成型制件外側(cè)壁厚大于內(nèi)側(cè)壁厚。這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與注射位置的直角轉(zhuǎn)彎有關(guān)。注射水的慣性大于氣體，因此注射水進(jìn)入型腔的入射動(dòng)能大于氣體，這就使注射水在注射口直角轉(zhuǎn)彎處沖擊水正對(duì)面的壁面，造成92°偏轉(zhuǎn)前水輔成型制件外側(cè)壁厚大于內(nèi)側(cè)。而氣體則是在注射口處轉(zhuǎn)向阻力最小的方向，進(jìn)而使92°偏轉(zhuǎn)處的外側(cè)壁厚小于內(nèi)側(cè)。

圖8 各測(cè)量位置的壁厚分布情況Fig．8 Wall thickness distribution at measurement positions

圖9 氣輔與水輔成型制件在92°偏轉(zhuǎn)壁厚分布情況Fig．9 Wall thickness distribution of water－assisted and gas－assisted injection molded parts at 92°deflection

由圖10可以看出，60°偏轉(zhuǎn)處，氣輔與水輔成型制件內(nèi)外側(cè)壁厚也存在明顯的差異。氣輔制件內(nèi)側(cè)壁厚在轉(zhuǎn)彎處由轉(zhuǎn)彎前的6．5mm減小為4．9mm，并在轉(zhuǎn)彎后逐漸增大至6．5mm，說明氣輔成型制件內(nèi)側(cè)壁厚在轉(zhuǎn)彎處變小。水輔制件的內(nèi)側(cè)壁厚保持在5．3mm左右，一致性較好。水輔制件外側(cè)壁厚則受型腔截面幾何形狀影響，在轉(zhuǎn)彎前測(cè)量約為7mm，轉(zhuǎn)彎后為約為4～5mm。很明顯，水輔成型制件在中、后段，包括轉(zhuǎn)彎部分的內(nèi)側(cè)壁厚一致性最好，這與制件內(nèi)側(cè)部分的圓率高有關(guān)，同時(shí)也表明，對(duì)截面圓率高的型腔，水輔成型在轉(zhuǎn)彎處沿充模流動(dòng)方向的壁厚一致性高于氣輔成型。

圖10 氣輔與水輔成型60°偏轉(zhuǎn)壁厚分布情況Fig．10 Wall thickness distribution of water－assisted and gas－assisted injection molded parts at 60°deflection

4 結(jié)論

（1）針對(duì)所采用的實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?，水輔成型制件的平均殘余壁厚高于氣輔成型制件；

（2）對(duì)于具有流動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的模具，水輔成型制件的壁厚均勻性優(yōu)于氣輔成型制件，同時(shí)殘余壁厚分布受制件圓率影響較大；

（3）水輔制件的中空率受到制件表面圓率的影響，表面圓率越大，制件的中空率越高；水輔成型中空腔的形成更接近圓形；而氣輔成型則更易于形成與外表面形狀一致的中空腔，因此，水輔成型更易于生產(chǎn)截面為圓形的制件。

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