水驅(qū)動彈丸輔助注塑管件的壁厚影響因素分析.pdf

1、流體驅(qū)動彈丸輔助注塑技術(shù)（Fluid Projectile-Assisted Injection Molding，F(xiàn)-PAIM）是一種新穎獨特的注塑成型工藝，其利用高壓流體推動置于模具型腔中的彈丸穿透高溫熔體，從而得到壁厚均勻的復(fù)雜彎曲管件。根據(jù)所用流體介質(zhì)的不同，可分為氣體驅(qū)動彈丸輔助注塑技術(shù)（Gas Projectile-Assisted Injection Molding，G-PAIM）和水驅(qū)動彈丸輔助注塑技術(shù)（Water Pro

2、jectile-Assisted Injection Molding，W-PAIM）。目前，國內(nèi)外對該項技術(shù)的研究非常稀少，本文基于已有的流體輔助注塑（Fluid Assisted Injection Molding，F(xiàn)AIM）實驗平臺，采用實驗與理論相結(jié)合的方法，對影響W-PAIM管件壁厚的主要影響因素進行剖析，揭示其影響規(guī)律以及各工藝參數(shù)之間交互作用，對W-PAIM技術(shù)系統(tǒng)的研究將為該技術(shù)的進一步發(fā)展提供理論和實踐支撐，促進該技術(shù)的

3、應(yīng)用推廣。
　　本文主要工作如下：
　　（1）闡述了F-PAIM工藝的成型原理、特點以及該技術(shù)的分類，簡要介紹了國內(nèi)外FAIM技術(shù)和F-PAIM技術(shù)的研究現(xiàn)狀，確定本文的研究內(nèi)容與思路。
　　（2）根據(jù)F-PAIM技術(shù)的成型原理，基于原有FAIM實驗設(shè)備，通過改造或完善搭建了W-PAIM實驗平臺：①增大模具彈丸置放區(qū)的容積，保證熔料完全包裹彈丸和水針噴嘴，達到完全密封的效果；②重新設(shè)計水針的結(jié)構(gòu)，一方面為彈丸的固定提供

4、支撐，另一方面保證水噴射時穩(wěn)定、均勻的速度和壓力；③借鑒軍用彈體形狀，結(jié)合W-PAIM成型的要求，確定彈丸的形狀幾何。
　?。?）通過實驗考察了工藝參數(shù)對W-PAIM管件殘留壁厚的影響。以管件最小殘余壁厚為目標，應(yīng)用單因素實驗法和正交實驗法進行溢流法W-PAIM的實驗研究。通過單因素實驗法考察了工藝參數(shù)對管件殘余壁厚的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)：注水壓力和注水保壓時間對管件壁厚的影響不大，而熔料溫度，射膠壓力，注水延遲時間和模具溫度對管件壁厚

5、的影響較為明顯。其中：熔料溫度在240℃以下時，管件壁厚隨熔體溫度上升而減??；熔體注射壓力在8MPa以下時，管件壁厚隨熔體注射壓力上升而減??；注水延遲時間越長，管件殘余壁厚越大；模具溫度在85℃以下時，管件壁厚隨模具溫度的升高而減小。六因素五水平的正交試驗發(fā)現(xiàn)各個因素對管件壁厚的影響大小為：注水延遲時間>熔料溫度>模具溫度>射膠壓力>注水壓力>保壓時間；獲取最薄壁厚的最佳工藝參數(shù)組合為：熔料溫度240℃，注水壓力6MPa，射膠壓力8MP

6、a，保壓時間20s，注水延遲時間0s，模具溫度90℃。
　?。?）通過實驗考察了彈丸的形狀與材質(zhì)、工藝方法、聚合物原理以及型腔幾何對制品殘留壁厚的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，采用外徑固定、長度不同的彈丸的管件直管部分殘余壁厚差別不大，在彎角處長度12mm和15mm的彈丸生產(chǎn)的管件內(nèi)外側(cè)壁厚差異不大，而長度達到18mm的彈丸生產(chǎn)的管件彎角處內(nèi)外側(cè)壁厚差異明顯增大；對彈丸材質(zhì)分別為Q235、PLA和POM的實驗樣品比較發(fā)現(xiàn)：采用金屬彈丸的管件前半

7、段有明顯的刮痕，后半段成型質(zhì)量良好，采用 PLA材質(zhì)的彈丸壁厚較??；對采用短射法成型的實驗樣品分析發(fā)現(xiàn)：預(yù)射膠量和穿透長度之間呈現(xiàn)一種反比關(guān)系，管件末端出現(xiàn)縮孔無二次穿透；選取 HDPE、LDPE、ABS、GPPS、TPE、TPU、PBT、PP等8種材料進行 WAIM和W-PAIM實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，W-PAIM能完全適用于上述材料，相較于WAIM表現(xiàn)出了優(yōu)良的材料適用性；應(yīng)用三種不同結(jié)構(gòu)的模具型腔分別進行實驗，發(fā)現(xiàn)模具型腔幾何突變程度越小

8、，管件彎角處內(nèi)外側(cè)壁厚差異越不明顯，管件壁厚的均勻性越好。
　　（5）應(yīng)用流體力學(xué)的基本原理和公式，構(gòu)建了W-PAIM數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型。借助有限元分析軟件ANSYS中的Fluent模塊，采用6DOF動網(wǎng)格技術(shù)，實現(xiàn)了W-PAIM的穿透過程的數(shù)值模擬。通過對不同形狀型腔成型時彈丸穿透過程中的場量分析，揭示了W-PAIM成型中彈丸穿透行為對壁厚的影響及彎曲角度、彎曲半徑對彎角處殘余壁厚分布影響的機理。模擬結(jié)果與實驗結(jié)果定性吻合，驗證