匡唐清，鄧 洋，余春叢

（華東交通大學機電工程學院，江西 南昌330013）

0 前言

水輔注塑（water-assistedinjection molding，WAIM）技術作為一種成型中空制品的新工藝，同傳統(tǒng)的氣輔注塑（Gas-assistedinjection molding，GAIM）類似，只是輔助介質由氮氣改為了水。但由于水的熱導率是氮氣的40倍，熱容量是氮氣的4倍，所以水輔注塑的冷卻時間相對于氣輔注塑大大縮短，從而提高生產效率；由于水密度較氮氣更高且不可壓縮，因此水輔注塑可以成型壁厚更加均勻，內表面更加光滑的制品[1-3]。

國內外已經對水輔注塑展開了大量的研究工作：Wu等[4-7]利用短射法對水在薄壁板件中的穿透情況進行了可視化研究，并與氣輔注塑做了比較；并且對直徑15 mm的彎曲管件采用正交陣列法進行了多組實驗，得出熔體短射量和注水延遲時間是影響水輔注塑的主要參數(shù)；Polynkin等[8]利用短射法對水輔注塑進行了模擬仿真和實驗研究，發(fā)現(xiàn)增大注水壓力能減小殘余壁厚，且能消除殘余壁厚里的氣泡；劉旭輝等[9]利用矩形變截面和彎道模腔的可視化模具，研究了短射法成型時不同水壓下水在熔體中的穿透行為；鄧志武等[10]研究了短射法成型時不同工藝參數(shù)對殘余壁厚的影響?？锾魄宓萚11]基于湍流模型對短射法水輔注塑中注水參數(shù)對水穿透影響進行了模擬研究。但這些研究主要針對短射法水輔注塑進行研究，對溢流法水輔注塑的研究甚少。并且實驗也發(fā)現(xiàn)，采用短射法水輔注塑的試樣殘留壁厚前后存在明顯差異。為此，本文以溢流法水輔注塑（Overflow WAIM，OWAIM）為對象，采用單因素實驗方法研究分析注水參數(shù)對該工藝的影響規(guī)律及機理。

1 實驗部分

1.1 主要原料

昆侖牌聚丙烯（PP），1102K，中國石油天然氣股份有限公司錦西石化分公司。

1.2 主要設備及儀器

主要設備如圖1所示，主要包括：東華機械TTI全自動塑料注射成型機（FT250）；自主研發(fā)的注水系統(tǒng)和注塑模具；其中注水系統(tǒng)主要包括：水箱、高壓柱塞泵和高壓注水針等；高壓柱塞泵額定工作壓力為33 MPa；水針最大可承受16 MPa的水壓；注水針的開/閉動作由氣壓控制系統(tǒng)控制，氣壓控制系統(tǒng)主要包括空氣壓縮機、儲氣罐、干燥過濾機、SDA薄型氣缸以及氣動換向閥等；圖1（b）為帶封針的模具，封針動作也采用氣動控制，封針頂出可以阻止熔體進入溢流腔；封針縮回則熔體進入溢流腔，水針閥體和氣缸裝配在模具上。

圖1 水輔成型設備及模具Fig.1injection machine fitted with lab-developed waterinjection system and mold

1.3 實驗方法

針對溢流法水輔注塑，研究各注水參數(shù)對水的穿透及成型品質的影響；基本實驗工藝參數(shù)如表1所示；采用單因素法，在基本實驗工藝參數(shù)上每次只改變一個參數(shù)，其他參數(shù)保持不變，每組參數(shù)各做5個試樣；

試樣形狀尺寸及剖切位置如圖2所示，針對平直段沿充填方向每隔40 mm進行橫剖（依次標記M、N、S、P）以觀察穿透截面，通過軸線縱剖后每隔20 mm共計9個位置測量殘留壁厚（Res idual Wall Thickness，RWT），每個位置多點測量取平均；通過測量結果來考察分析各注水參數(shù)對水穿透的影響規(guī)律及機理；實驗所得試樣如圖3所示。

表1 基本實驗工藝參數(shù)Tab.1 Default processing parameters usedin the experiments

圖2 實驗用OWAIM管件示意圖Fig.2 Diagram of the OWAIM pipe usedin experiments

圖3 溢流法水輔注塑試樣Fig．3 Specimen produced by OWAIM process

2 結果與討論

2.1 注水壓力

基于基本實驗工藝參數(shù)，注水壓力分別設為4、6、8、10 MPa進行試驗來考察注水壓力對水穿透及成型品質的影響。所得試樣剖切面如圖4所示。由圖4（a）可以看出，在4、6 MPa壓力下，水在 M點位置處的穿透出現(xiàn)了偏心現(xiàn)象；從圖4（b）線框部分也能看出，在較低注水壓力4、6 MPa下，試樣前段入水口附近水的穿透存在較明顯的偏心和不穩(wěn)定；而在較高注水壓力8、10 MPa下，水的穿透居中性更好。而在試樣后段部分不同壓力下水的穿透居中性都較好，殘余壁厚也比較均勻；并且注水壓力越高，內壁面就越光亮。這可能是因為在前段水的穿透截面剛由小變大，水流方向尚未穩(wěn)定，在較低壓力時水流方向對阻力更為敏感，由于模溫的不均勻（模腔前段鄰近流道）使得型腔一側熔體黏度更低、阻力更小，最終導致水穿透的偏心；而在較高壓力時阻力對水流方向的影響削弱，所以水穿透的偏心不明顯。經過前段后，水流方向趨于穩(wěn)定，且模溫也更為均勻，因此無論在較低注水壓力還是較高注水壓力下，水都能較好的居中穿透，殘余壁厚較均勻。

不同水壓下所得試樣的殘留壁厚測量結果如圖5所示。總體而言，隨著注水壓力的升高，試樣殘余壁厚變薄。這可能是因為注水壓力越高，水對熔體徑向的作用力也越大，能夠推動更多的熔體向前流動，導致試樣殘余壁厚隨注水壓力的升高而變薄。圖5也反映出試樣殘余壁厚在80 mm之前表現(xiàn)出不穩(wěn)定現(xiàn)象，尤其是在較低水壓（4、6 MPa）下殘余壁厚波動較為明顯。這可能是由于水注入熔體后，水和熔體兩相分層流動，而水和熔體粘度又相差太大，在靠近入水口處附近出現(xiàn)了界面不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而導致了入水口附近殘余壁厚波動較大，分布不均勻。注水壓力較低時，水流速低、慣性小、水流方向易受阻力影響，其流動穿透就越不穩(wěn)定；注水壓力較高時，水流速高、慣性大、阻力對水的穿透影響相對降低，流動穿透也就更為穩(wěn)定。

圖4 不同注水壓力下的OWAIM試樣橫剖和縱剖圖Fig.4 Cross sections and longitudinal profiles of OWAIM specimens produced at different water pressure

圖5 注水壓力對溢流法水輔注塑試樣殘余壁厚的影響Fig.5 Effect of waterinjection pressure onrWT of OWAIM specimens

2.2 注水溫度

基于基本實驗工藝參數(shù)，注水溫度分別設為27、35、45、60℃進行試驗來考察注水溫度對水穿透及成型品質的影響，所得實驗測量結果如圖6所示。由圖6可以看出，隨著注水溫度的升高，試樣殘余壁厚的變化不明顯。這可能是由于高壓水快速注入熔體，水的注射充填過程非常短暫，熔體和水的熱量交換時間太短，流動過程中熔體溫度受水溫的影響很小，所以水在熔體中的穿透受水溫影響很小，最終試樣的殘留壁厚受注水溫度影響很小。而試樣在前段產生殘余壁厚的波動，這也可能是因為上述所分析的低壓水（4 MPa）在熔體中穿透時截面變化導致的界面不穩(wěn)定導致。

圖6 注水溫度對OWAIM試樣殘余壁厚的影響Fig.6 Effect of water temperature onrWT of OWAIM specimens

2.3 注水延遲時間

注水延遲時間指的是在熔體注射完成后，注水開始前的這段時間?；诨緦嶒灩に噮?shù)，注水延遲時間分別設為3、5、8、12 s進行實驗來考察注水延遲時間對水穿透及成型品質的影響，所得實驗測量結果如圖7所示。由圖7可知，隨著注水延遲時間的增加，試樣殘余壁厚增加。這可能是因為在延遲時間內熔體處于停滯、冷卻狀態(tài)，延遲時間越長，熔體溫度下降黏度度大，熔體形成的凝固層越厚，水可穿透的熔體截面越小，最終試樣的殘余壁厚增加。由圖7可以看出，在注水延遲時間較短（3、5 s）時，試樣前段的殘余壁厚存在較大波動，而注水延遲時間較長（8、12 s）時，試樣的殘余壁厚分布不均勻的現(xiàn)象要比在延遲時間為3、5 s時有所減弱，且試樣整體殘余壁厚更趨于均勻化。這可能是因為隨著注水延遲時間的延長，導致熔體凝固層變厚，黏度更高，更有利于抑制截面變化時導致的水穿透不穩(wěn)定性。

圖7 注水延遲時間對OWAIM試樣殘余壁厚的影響Fig.7 Effect of waterinjection delay time onrWT of OWAIM specimens

3 結論

（1）注水壓力越高，試樣殘余壁厚越薄，在低注水壓力時水穿透前段易出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，注水壓力越高，水的居中穿透越好，殘留壁厚越均勻，且高水壓穿透的試樣內壁面更為光亮；

（2）注水溫度的變化對試樣殘余壁厚的影響不明顯；

（3）注水延遲時間越長，試樣殘余壁厚越厚，隨著注水延遲時間的增長，在較低注水壓力時水穿透前段的不穩(wěn)定現(xiàn)象削弱，試樣殘余壁厚更加均勻。

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