劉林海，柳和生，，3，葉海鵬，張偉，江青松

(1.東華理工大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，南昌 330013； 2.南昌大學(xué)聚合物成型研究室，南昌 330031；3.華東交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院，南昌 330013)

塑料制品在我國應(yīng)用廣泛，隨著人們對其質(zhì)量要求的提高，聚合物復(fù)合材料制品逐漸受到青睞，短纖維增強聚丙烯(PP)是較常見的改性材料之一，可提高成型制件的力學(xué)性能[1]。注射成型是聚合物主要的一種成型方法，水輔注塑成型(WAIM)是在其基礎(chǔ)上加入流體介質(zhì)輔助制件成型的新工藝[2]，具有縮短成型時間、節(jié)省成本、制件內(nèi)部平整等優(yōu)點[3–4]。通過水輔成型制得的中空產(chǎn)品可應(yīng)用于汽車、航空等領(lǐng)域。根據(jù)注水前熔體是否充滿型腔，水輔助注塑可分為溢流法和短射法，其中溢流法水輔助成型工藝操作更簡單，殘余壁厚也更加均勻[5–6]。

鑒于WAIM 工藝具有良好的應(yīng)用前景，諸多研究人員對其進行研究并優(yōu)化。Liu 等[7–8]進行了材料、工藝參數(shù)等對殘余壁厚、穿透水長度的水輔成型實驗分析；曲杰等[9–10]采用數(shù)值模擬方法對水輔成型進行研究，主要分析了工藝參數(shù)對殘余壁厚的影響，結(jié)果表明注水壓力對殘余壁厚影響最顯著；汪志泳等[11]采用短射法對PP 水輔成型中高壓水穿透過程進行仿真，模擬的制件水穿透長度和中空率與實驗結(jié)果相吻合；章凱等[12]通過數(shù)值模擬，分析了注水速度、注水溫度和延遲時間對殘余壁厚及穿透長度的影響，結(jié)果表明，注水溫度對二者的影響不明顯；黃淑慧等[13]通過實驗比較了水輔和氣輔成型不同截面型腔的水穿透形狀，得出水輔成型水穿透形狀都趨于圓形。

現(xiàn)階段關(guān)于水輔成型的研究，在材料選擇上大多以純樹脂居多，對短纖維增強聚合物研究偏少，且主要集中于圓管纖維取向方面[14–17]。以往研究表明，水穿透截面形狀及水穿透率是水輔成型制件的基礎(chǔ)性能指標(biāo)，筆者通過數(shù)值模擬，分析了注水壓力、型腔截面形狀及玻纖含量對兩者的影響，為短玻纖增強PP 水輔制件設(shè)計提供參考。

1 數(shù)值模擬

1．1 控制方程

在溢流法水輔注塑成型熔體填充過程中，短玻纖增強PP 熔體做非等溫、瞬態(tài)非牛頓流體流動。假設(shè)熔體不可壓縮，不考慮結(jié)晶的相變熱焓，忽略慣性項；水注射進型腔后假設(shè)其密度不變，以及忽略熔體和水相互熱傳遞；水溫不變，流動狀態(tài)為層流，不考慮水的表面張力?；谝陨霞僭O(shè)可得到熔體流動控制方程，即連續(xù)性方程、動量方程、能量方程[9]。

采用Cross-WLF 黏度模型來描述熔體在加工過程中的黏度與溫度、剪切速率和壓力的關(guān)系，方程式如式(1)～式(4)所示。

1．2 數(shù)值模型及參數(shù)

圖1 為型腔截面形狀尺寸及數(shù)值模型。以4 種型腔截面形狀的管件為研究對象，如圖1a 所示，型腔截面形狀分別為圓形(A)、增圓增方形(B)、方形(C)、多邊形(D)。

圖1 型腔截面形狀尺寸及數(shù)值模型

為了表征不同型腔的截面形狀，可按圓率α 計算[12]：

式中：C——型腔截面周長；

S——表示型腔截面面積。

根據(jù)上式計算得到A，B，C 和D 型腔截面形狀的圓率分別為100%，87.98%，78.54%和62.83 %。

材料選用A.Schulman 公司生產(chǎn)的短玻纖增強聚丙烯復(fù)合材料，牌號分別POLYFORT RPP 500D，POLYFORT FPP 20 GPC 和POLYFORT FPP 30 GPC，玻纖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，20%，30%，模擬中材料參數(shù)來源于Moldex3D 材料庫。

2 結(jié)果與討論

為表征水壓對熔體的穿透能力，可采用水穿透率進行比較，制品的水穿透率越大，則截面的中空面積越大，而壁厚越薄。在實際生產(chǎn)中，可以通過調(diào)節(jié)水穿透率來制得不同壁厚的管件。為了計算制品的水穿透率，如圖2 所示沿型腔軸線等距確定12 個截面(P1，P2……P12)，測出每個截面的穿透面積，計算其與型腔截面面積的比值，再累加求出平均值，即為整個制品的水穿透率Rp，其計算如公式(6)：

圖2 截面位置的標(biāo)定

式中：Spi和Sc分別為第i(i=1，2，3，……，12)個截面處的穿透面積及型腔截面面積。

為更好地表征殘余壁厚隨工藝參數(shù)的變化情況，可將殘余壁厚分為邊殘余壁厚和角殘余壁厚，在如圖2 所示的12 個截面位置處設(shè)定測量位置，如圖3 所示，d 代表該截面處的邊殘余壁厚，h 代表截面處的角殘余壁厚，數(shù)字為位置序號。

圖3 各截面上測量位置的標(biāo)定

整個塑件的邊殘余壁厚(Ds)和角殘余壁厚(Hc)的計算公式如式(7)、式(8)所示：

式中：dij——第i 個截面中dj處的壁厚；

hij——Pi截面中hj處的壁厚；

m——其值在A 至D 截面中依次為4，6，4，4；

n——其值在A 至D 截面中依次為4，2，4，4。

2.1 注水壓力對水穿透行為的影響

圖4 為注水壓力對水穿透率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)注水壓力為4 ，6，8，10 MPa 時，4 種型腔截面形狀A(yù)，B，C 和D 的水穿透率均隨注水壓力的增加而增加。首先，隨著注水壓力升高，型腔內(nèi)熔體沿水流方向變形速率越大，熔體抵抗變形的能力越強，使得與高壓水前沿的回流效應(yīng)共同作用也更加明顯，導(dǎo)致水柱的徑向尺寸增大[11]；其次，型腔中心朝著壁面方向，熔體的溫度逐漸降低，致其黏度逐漸升高，而黏度較高處的熔體在流動過程中形成的剪切力更大，注水壓力增大，能推動黏度較大處的熔體向前流動，形成較大的中空面積，使水穿透率增大。此外，注水從4 MPa 增大至10 MPa 過程中，相鄰兩注水壓力的水穿透率增值呈減小趨勢，其中，A 截面水穿透率增值依次為6.62%，3.84%，0.96%，B 截面水穿透率增值依次為5.88%，3.44%，1.11%，C 截面水穿透率增值依次為4.35%，3.17%，1.61%，D 截面水穿透率增值依次為2.78%，2.08%，1.08%。這是因為隨著注水壓力增大，中空部分由型腔中心向壁面擴張，而熔體溫度越靠近型腔壁面越低，流動阻力越大，在注水壓力增值相同的情況下，推動的熔體厚度呈減小趨勢，導(dǎo)致水穿透率的增值會變小。

圖4 注水壓力對水穿透率的影響

水穿透形狀是反映水穿透行為結(jié)果的特征之一，為研究短玻纖增強PP 水輔成型中注水壓力對水穿透截面形狀的影響，取不同注水壓力下的水輔助注塑件的水穿透截面進行對比。由于高壓水在注入口附近穿透過程不平穩(wěn)，穿透截面形狀變化相對較大[14]，選擇每個制品中間部位，距溢流口(圖1b) 100 mm 位置處正面看到的水道輪廓進行觀察分析。圖5 為4 種型腔截面(A，B，C 和D)的水穿透截面形狀隨注水壓力遞增的變化情況。當(dāng)注水壓力為4 MPa 時，4 種截面形狀下的水穿透形狀都趨于圓形；隨著注水壓力遞增，水穿透形狀隨之改變，當(dāng)注水壓力達到10 MPa 時，水穿透形狀趨近于型腔截面的形狀。其原因在于，水注射進熔體后，熔體受到水的急冷作用，與水接觸的熔體凝固成一層薄膜，包裹住低黏度的水繼續(xù)向前推動熔體，水穿透前沿呈增球形[12]；其次，高壓水以柱塞形式推動凝固膜前端熔體向前流動，以拖拽形式帶動薄膜兩側(cè)的熔體流動[15]，可能受型腔壁面的影響以及凸角周圍的熔體在流動時受壁面聯(lián)合作用，水壓較小時穿透前沿薄膜只能推動和拖拽型腔中心小范圍熔體，并且截面形狀對中心溫度等值線影響較小，導(dǎo)致水穿透形狀都會趨于圓形。

圖5 水穿透截面

注水壓力增大，更多熔體被推動進入溢流腔，通過測量比較制品在不同水壓下的邊殘余壁厚和角殘余壁厚，來反映垂直壁面方向和角方向(圖6 所示)熔體厚度隨水壓變化情況。圖7 為殘余壁厚及差值。

圖6 切面示意圖

由圖7a 和圖7b 可見，隨著注水壓力的增大，各截面形狀制品的邊殘余壁厚及角殘余壁厚都減小。為體現(xiàn)水穿透截面形狀最大變化情況，計算各截面形狀制品的邊/角殘余壁厚在注水壓力為4 MPa時與10 MPa 時的差值，并進行比較，見圖7c。由圖7c 結(jié)果表明，4 種截面形狀下的角殘余壁厚減小量都大于邊殘余壁厚減小量，意味水壓升高更趨向帶動角方向上的熔體向前流動。這是因為從型腔中心沿垂直壁面方向溫度下降速率大于角方向溫度下降速率，熔體溫度下降速率越大，黏度上升越快，雖然熔體沿角方向受到的型腔壁面聯(lián)合作用逐漸增強，但相比于垂直壁面方向上熔體黏度急劇升高，角方向的熔體更容易被水柱推動，并且制品受纖維取向影響導(dǎo)致沿熔體流動方向收縮率變小，垂直熔體流動方向收縮率升高，在對角切面上纖維沿流動方向取向較高[16]，導(dǎo)致凸角處熔體收縮率最大，因此在10 MPa 的注水壓力下，4 種截面的制品的水穿透形狀都會趨于截面形狀。

圖7 殘余壁厚及差值

2．2 型腔截面形狀對水穿透行為的影響

型腔截面形狀不同，熔體溫度場及黏度分布有差異，對水穿透率也有影響。圖8 為型腔截面形狀(圓率)對水穿透率的影響。分析圖8 得出，在相同的工藝參數(shù)條件下，4 種(A～D)截面形狀的水穿透率呈依次降低的趨勢。原因為隨型腔截面的圓率降低，型腔凸角數(shù)量增多，角周圍熔體因兩壁面對熔體的流動阻礙作用疊加，導(dǎo)致高壓水更難推動熔體進入溢流腔，使得型腔內(nèi)凸角處熔體殘留較多，穿透面積減?。黄浯?，在相同面積下，圓的周長最小，意味著相同截面面積下，截面周長隨圓率降低而變大，導(dǎo)致熔體流動阻力增強，因此水穿透率減小。通過數(shù)值模擬對比了相對較小注水壓力(4 MPa)和相對較大注水壓力(10 MPa)下，型腔截面形狀對穿透形狀的影響。根據(jù)圖5 所示，在注水壓力相對較小時，水穿透形狀并沒有因型腔截面形狀變化而出現(xiàn)太大差異，而是都趨于圓形。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于型腔截面形狀對型腔中心溫度分布影響較小，水的穿透前沿往往呈增球形，并且在注水壓力較低時水柱只能推動型腔中心較小區(qū)域熔體向前流動；隨水壓不斷升高，型腔內(nèi)角方向的熔體更多地被推入溢流腔，使得角殘余壁厚相對邊殘余壁厚減小得更多，并且由于纖維的加入以及對角切面纖維的取向程度較高，導(dǎo)致收縮率相比純樹脂大幅度增加，在注水壓力相對較大時，水穿透形狀會隨著型腔截面變化而變化。

圖8 型腔截面形狀(圓率)對水穿透率的影響

2．3 玻纖含量對水穿透行為的影響

玻纖含量會對制件性能起主要作用，因此有必要研究其對水穿透行為的影響，并探究在不同的注水壓力下，玻纖含量對水穿透的影響趨勢是否一致。圖9 為玻纖含量在不同注水壓力下對水穿透行為影響。其中，圖9a 為在不同注水壓力下，水穿透率隨玻纖含量的變化情況，圖9b 為不同玻纖含量時，制件在不同注水壓力下的縱剖，透明部分為水穿透區(qū)域，其長度為水穿透長度。從圖中發(fā)現(xiàn)，注水壓力為4 MPa 和6 MPa 時，水穿透長度及水穿透率隨著玻纖含量的增加而減?。坏⑺畨毫υ? MPa 和10 MPa 下，水穿透率隨著玻纖含量的增加而增大，此外，玻纖含量越高，水穿透率隨水壓變化更明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著玻纖含量的增加熔體黏度升高，因此當(dāng)玻纖含量較高、注水壓力較低時，高壓水不能完全穿透熔體且水穿透率較??；另一方面，當(dāng)玻纖含量和注水壓力都較高時，由于熔體黏度較高，熔體相互攜帶作用增強，推力也增加，使得水穿透截面變大，水穿透率增大，這與匡唐清等[16]實驗得出的殘余壁厚隨玻纖含量增加而減小的結(jié)論相近。

圖9 不同注水壓力下玻纖含量對水穿透行為影響

3 結(jié)論

(1)短玻纖增強PP 溢流法水輔成型工藝中，注水壓力的升高會使水穿透率增大，但增大幅度減小，殘余壁厚減小。注水壓力較小時，得到的水穿透形狀都接近圓形；隨著注水壓力增大，水穿透形狀愈趨近型腔截面形狀。

(2)在同種工藝參數(shù)的情況下，水穿透率減小會因型腔截面圓率減小而減??；當(dāng)水壓較低時，型腔截面形狀對水穿透形狀影響較小。

(3)在注水壓力相對較高和較低的兩種情況下，玻纖含量對水穿透行為影響趨勢相反。