气辅成型过程气体穿透长度与残余壁厚的试验研究

!第S T 卷!第U V 期!!化!!!工!!!学!!!报!!!!!!!b3C =S T !H 3=U V !W V V X 年U V 月!!%3/9#"C !3N !+,-I &B "C !a #’/F :9.!"#’!\#$&#--9&#$!!+,&#""!!P B :37-9!W V V X ##############$$$$研究论文气辅成型过程气体穿透长度与残余壁厚的试验研究李!倩Y !王小峰Y !申长雨Y !董斌斌Y !董金虎Z!U郑州大学橡塑模具国家工程研究中心#河南郑州_S V V V W $W 陕西理工学院材料科学与工程学院#陕西汉中T W Y V V Y"摘要%基于带平板的回形管式气体辅助成型样件对气体穿透行为和残余壁厚与气辅工艺参数的关系进行了研究分析E 试验结果表明#气辅工艺参数如气体延迟时间&气体注射压力和熔体预注射量是影响气体辅助成型中气体穿透长度和残余壁厚的重要因素#而各参数间的交互作用致使气体穿透与残余壁厚的变化趋势更为复杂E 关键词%气辅成型$气体穿透$残余壁厚中图分类号%)RY W V =X X !!!!!!文献标识码%<文章编号%V _Y ^c U U S T !W V V X "U V c W _X ‘c V X(5E #+%4#&’,-9’1)2*&B ,9E #&#’+,’%*&,&)C K !%&=8A :I A b %,&Q !K 8$=?%,*/#&B Q !G 0($3",&B 21Q !a >$=.%&;%&Q !a >$=@%&"1O!U 1)H %>()?C (.%(66$%(.!6&6)$R ’E 6(H 6$D >$0N V )(R 6NS >?M 86$S $>R 6&&%(.46R ’(>?>.M #<’6(.F ’>@,(%V 6$&%H M #<’6(.F ’>@_S V V V W #=6()(#E ’%()$W B ’))(A %,(%V 6$&%H M >D 46R ’(>?>.M #=)(F ’>(.TW Y V V Y #B ’))(A %#E ’%()"8;9’+,6’"),-$"F Q -#-:9":&3#7-,"A &39"#’:,-Q 93B -F F &#$Q "9"I -:-9’-:-9I &#":&3#&#$"F "F F &F :-’&#L -B :&3#I 3C ’&#$!><a 1"G "F F :/’&-’E),--2Q -9&I -#:G "F Q -9N 39I -’&#"F ,"Q -:/7-G &:,"N C ":F /9N "B -=<#’:,--N N -B :F 3N F -A -9"C &I Q 39:"#:Q "9"I -:-9F3#:,-9-I "&#&#$G "C C :,&B ;#-F F !J!)""#’:,-C -#$:,3N $"F Q -#-:9":&3#G -9-"#"C .O -’=),-9-F /C :9-A -"C -’:,"::,-Q "9"I -:-9F #F /B ,"F $"F’-C ".:&I -#$"F &#L -B :&3#Q9-F F /9-"#’:,-A 3C /I -!j "N &C C -’I -C :G -9-:,-&I Q 39:"#:N "B :39F "N N -B :&#$:,-B ,"#$-F3N :,-C -#$:,3N $"F Q -#-:9":&3#"#’:,-J!)&#><a 1#"#’:,-&#:-9"B :&3#3N :,-F -Q "9"I -:-9FB "/F -’A "9&":&3#&#:,--N N -B :3N "F &#$C -Q "9"I -:-9E M #2D*+)9"$"F ["F F &F :-’&#L -B :&3#I 3C ’&#$$$"F Q -#-:9":&3#$9-F &’/"CG "C C :,&B ;#-F F !!WV V X c V Y c U V 收到初稿#W V V X c V T c U ‘收到修改稿E 联系人"董斌斌E 第一作者"李倩!U ‘X Y ’"#女#教授E 基金项目"国家自然科学基金项目!U V Y T W V ‘S "E!引!言气辅技术的研究已有近W V 年的历史#尤其是近U V 年来#这项技术被越来越多的厂家和商家采纳#用于生产那些传统注射成型无法完成的特殊设计#或解决传统注射成型带来的表观质量问题#诸如凹陷&收缩与翘曲等E 人们对气辅技术所带来的!!C#6#%7#)),’#"W V V X c V Y c U V E 3*++#9E *&)%&B ,1’"*+"@P H >8&#7&##D ,@B "#’&’":-E(N4,%-"’3#$7&#7&##O O /=-’/=B #L *1&),’%*&%’#4"F /Q Q 39:-’7.:,-H ":&3#"C H ":/9"C0B &-#B -53/#’":&3#3N+,&#"!U V Y T W V ‘S "E!注塑模设计上的突破&对注塑机锁模力要求的降低&制品品质的保证表现出极大的兴趣E 同时#对气辅工艺的应用范围和制品质量要求也日益提高#使得目前对气辅工艺的研究也越来越深化和具体E在气体的注射充填过程#气体从气针引入到完万方数据成整个型腔穿透所持续的时间是非常短暂的!但是!气体充填阶段在整个成型周期中却起着十分关键的作用E这是因为裹气"短射"气体吹穿"气体无法穿透以及手指现象#N&#$-9&#$-N N-B:$等!这些典型的气辅成型问题都发生在这个阶段E 为了更好的了解和分析气体在熔体中的穿透行为!国内外已经开展了很多研究工作E以往的研究!工艺参数对气体穿透行为和最终制品质量的影响的认识是不同的E如在文献%Y&中气体压力是重要影响因素!提高气体压力引起残余壁厚的降低E而在文献%_&中!气体压力对残余壁厚的影响不大E文献%S&中发现气体穿透长度随气体压力升高而增加!而根据文献%X&和%T&!较高的气体压力导致较短的气体穿透长度E而本次试验研究分析则认为!气辅工艺参数对气辅成型中的气体穿透行为和残余壁厚的影响很大E然而!要找出每种参数影响对气体穿透和残余壁厚的绝对作用是非常困难的!因为各参数之间还有交互作用的影响E 关于材料性能和几何形状与气体穿透行为和残余壁厚的关系将另行讨论EU!试验制品及模具设计制品总体而言为管棒状!作为气道的管状部分为回型弯管!用来考察气体在管棒状制品中的穿透情况与工艺参数间的关系!同时考察气体在拐弯处的穿透情况’在中间靠浇口端的位置上设置一薄板!考察厚壁气道与薄壁结合位置处气体的穿透情况!主要是因为气体在这个位置可能会产生的(手指效应)E通过试验研究如何优化工艺参数以避免或者缓解制品缺陷的产生E　万方数据迟时间为V =_F 时的成型结果E 气体穿透和成型情况测量数据见表UE5&$=Y !\2Q-9&I -#:"C 9-F /C :":’&N N -9-#:$"F ’-C ".:&I -!!!!W "当气体延迟时间在U %WF 之间时#熔体尚未形成一定厚度的冷凝层#在高压气体的作用下产生不规则流动#沿气道周围#产生大量大小不均的气泡或气柱E 此时#混入熔体中的气体使制件形成类似$发泡%现象#没有形成均匀规则的熔体穿透#且气体吹穿熔体前沿#制品翘曲严重E 图Y !7"为气体延迟U =YF 的结果#图Y !B"为气体延迟WF 时的气体穿透结果E 成型长度和残余壁厚见表U &表W E!!!Y "当气体注射延迟时间大于WF 时#接触模壁的熔体温度降至玻璃化转变温度#熔体内部的温度也有所下降#同时熔体黏度随之增大#在气[熔交界处#气体很难渗入熔体中形成气泡E 此时气体穿透形成的气道非常光滑规则E 这说明#当气体延迟时间增加时#气体穿透向好的方向发展E 文献’T [^(中有相似的研究结论#即延迟时间的增加导致穿透长度的增加E 这个现象可以解释为)在较长的气体延迟时间下#型腔模壁附近的熔体有足够的时间形成冷凝层#气体延迟时间越长#冷凝层则越厚#气体在横向方向的穿透受阻#集中在纵向方向扩展从而获得更长的穿透长度E 图_!""与图_!7"分别为熔体预注射量为T V j #气体延迟时间分别为Y F 和_F 时气体的穿透结果E5&$=_!\2Q-9&I -#:"C 9-F /C :":’&N N -9-#:$"F ’-C ".:&I -!!然而这并不意味气体的延迟时间越长越有利气体的穿透’‘(E 从图_可以看出#由于注射量较少#两组的制品全部吹穿#无法从穿透长度上作比较E 但从成型效果看#气体延迟时间为_F 时平板处没有充满E 原因是当气体延迟时间为YF 时#型腔内的熔体温度相对气体延迟时间为_F 时的要高E 在同等气体压力下#气体能有效的将未凝固熔体推向!"#$%&!K (/+%**,0F-"("4%.%("0)(%*2$.H 3=b 3C /I -3N N &C C -’*j @-C ".:&I -*F >"F Q 9-F F /9-*1D "13C ’&#$C -#$:,*I I D -#-:9":-C -#$:,*I I U T V U =Y U V _‘X 7C 3G3/:W T V W ^_^Y 7C 3G3/:Y T V W U V S Y X 7C 3G3/:_T V W U Y _^T 7C 3G3/:S T V Y U V S Y ‘S W V X T V _U V S Y U S U S T T V V =_U V _Y S W Y S ^^S _Y S W _W V ‘‘^S _U V S T W Y ^T U V^S_U YS T TS U ^+U T _W +!第U V 期!!李倩等)气辅成型过程气体穿透长度与残余壁厚的试验研究万方数据!"#$%6!G Z !(%*2$.20)%(),11%(%0.-(/+%**,0F-"("4%.%(H 3=<U <W <Y <_8U 8W 8Y 8_+U +W +Y +_>"F B ,"##-CU !!!!!!!!!!!!!W !!!!U =S W =X _=^U =S U =S W =X _=^U =S U _=‘Y U =W _W =U W =W U =S Y =^U =^Y =S S U =V U =^V =‘W =U S =S _!!!!!!!!!!!!!S U =S S U =X Y =T S U =S U =S Y W =X S Y =T S U =S U =S Y W =X S Y =T S U =S S X U =S S W =X S U =S W Y =T Y US S W =X S U =S W Y =T Y U =S W Y =T W U =S _S T Y Y =U Y =U Y ________Y =W S ^W =T W =T W =T W =T !!!!____Y =W S ‘W =T W =T W =T W =T W =T W =T W =T W =T ____Y =W S U VW =TW =TW =TW =TW =TW =TW =TW =T____Y =W S!!H 3:-"<!!!J!)A "C /-":N C ":"9-"#I I $8!!!J!)A "C /-"::,--#’3N N C ":#I I $+!!!J!)A "C /-"::,--#’3N C 3B ":&3#3N $"F Q -#-[:9":&3##I I $U %W %Y %_’-#3:-N 3/9F &’-F 3NJ!)A "C /-":<%8%+%9-F Q -B :&A -C .$U &F Q 93’/B -&##-9F &’-&G &:,$":-’$W &F Q 93’/B -3/:-9F &’-$Y &F F &’-3NI 3/C ’#-"9Q "9:&#$Q C "#-$_&F F &’-3N 3N NI 3/C ’Q "9:&#$QC "#-E "A -9"$-A "C /-3N ,3C C 3G Q "9:"F $"F B ,"##-C ’&"I -:-9$&:"C &B F ,3G F "F .I I -:9.J!)G &:,7/77C -E 型腔末端%因而此时熔体充填情况反而更好$而当气体延迟时间为_F 时%过长的气体注射延迟时间%使得平板处的熔体早已冷却固化%气体无法推动熔体充满平板末端E 虽然此时仍能得到光滑的气道和均匀的气体穿透截面%但却导致制品平板处缺料E 这说明%当预注射量较少时%气体延迟时间所决定的气体穿透效果对成型结果的影响较为显著E由此可见%在本试验中%气体延迟时间对D 0气辅制品的成型非常关键E 当气体注射延迟时间较短时%由于形腔内的熔体温度比较高%且尚未形成规则均匀的冷凝层%此时注射高压气体会带来严重的成型问题%如气体瞬间吹穿熔体而形成气道通孔(气体吹穿气针周围熔体而出现气体泄漏(气体穿透平板形成)手指效应*(气体渗入熔体中形成)发泡*等问题E 因此%在一定的工艺范围内应该尽量延长气体延迟时间$但是气体延迟时间过长又会产生另外的问题%比如在预注射量较少的情况下%薄壁末端容易缺料%失去了气辅的工艺优势$此外%还会在制品表面形成迟滞痕%上述试验中%气体延迟时间大于YF 的几组试验%都在制品表面不同程度的出现了迟滞痕ER P O !熔体预注射量固定气体延迟时间为_F %气体压力为^1D "%气体注射时间为SF E 改变熔体预注射量%即分别为T V j (T S j (^V j (^S jE 分析熔体预注射量对气体穿透能力的影响E当熔体预注射量为T V j 时%气体的穿透很充分%但由于熔体注射量太少%产生缺料和吹穿的质量缺陷%结果如S &"’所示E 随着熔体预注射量的增加%成型效果好转%但气体穿透效果逐渐降低E 当熔体预注射量达^S j 时%虽然已无缺料现象%如图S &7’所示E 但气体的穿透很不理想%并且气道末端的二次穿透尺寸很小%说明气体在此处的穿透很艰难E 对此可以解释为%型腔中熔体越多%可供气体穿透扩展的空间就越少%因此穿透长度随之变短E5&$=S !\2Q-9&I -#:"C 9-F /C :3N ’&N N -9-#:A 3C /I -N &C C -’!!关于熔体预注射量对气体穿透长度的影响%从已知的文献实验研究结果看%尽管所用材料和模具设计有所不同%但都得出了相同的结论%即熔体预注射量的增加导致气体穿透长度的降低+Y %S %T ,E 在这一点%本文试验与测试结果与已知的文献的结论较为一致E在本文的试验中%熔体的预注射量过多时%不但气体很难充分的穿透熔体%使未穿透的预设气道部分产生缩痕%同时由于压力分布不均产生翘曲及-W T _W -化!!!工!!!学!!!报!!第ST 卷!　万方数据气道内!憋气"#在平板处产生了!手指效应"E同时#气道周围未冷却的塑料熔体产生了流涎#堵住了气道回路#有些制品发生气体泄压受阻#产生制品爆裂ER P R!气体压力在气体延迟时间分别为W F和_F$气体注射时间为SF$熔体预注射量分别为T V j和^S j的情况下#改变气体注射压力#分别为Y$^$U V$U Y 1D"#分析气体压力对气体穿透程度的影响E 当气体注射压力为Y1D"时#无论熔体预注射量为T V j还是^S j#气体的穿透长度都非常短#熔体也都不能充满型腔#说明气体注射压力太低时#气体无法充分穿透熔体%随着气体压力的增加#不同的熔体预注射量得到的响应结果也不尽相同E以气体延迟时间WF$熔体预注射量T V j$气体注射时间SF为例E当气体注射压力为^1D"时#熔体未能充满模具型腔#成型长度约有^Y jE 这是由于延迟时间相对较短#熔体还没有形成一定厚度的冷凝层#气体渗入不稳定的熔体中形成!发泡"#并在熔体前沿形成了气体吹穿如图X&"’E 此时#在平板到浇口段#完全是气熔混合的发泡状态#而自平板中部至熔体前沿#则形成了等效直径约_=‘I I的气道E这可理解为#当气体穿透至远离熔体浇口的一定位置时#平板处的熔体温度降低#形成了较厚的冷凝层#气体很难再吹入该处#此时气体是在温度较高的气道的熔体芯部穿透#形成了后半部的中空气道%当气体注射压力为U V 1D"时#熔体仍未能充满型腔#但比前者略好#成型长度约为‘W jE此时气体在较大压力条件下吹入熔体#在制品平板处产生手指现象E在管状型腔部分可以看到#在流长短的一侧约有一层U=W I I的冷凝层#其余部分则全部为气熔混合形成的!发泡"状态#如图X&7’E当气体注射压力为U Y 1D"时#由于气体压力过大#在制品平板位置产生了更明显的手指效应#管状部分的!发泡"也更加严重#如图X&B’E此时的成型长度约为^_j#反而不如压力为U V1D"时的成型结果E这可以解释为#当气体压力较大时#较短的气体延迟时间和较低的熔体预注射量#导致高压气体迅速吹穿熔体前沿#并沿着气道周围形成!发泡"#此时注入型腔中的气体失去了推动熔体向前充填的作用#而从熔体前端反过来继续向型腔中的熔体渗入#从而缩短了成型长度并加重了!发泡"的严重程度E5&$=X!\2Q-9&I-#:"C9-F/C:":’&N N-9-#:$"F Q9-F F/9-!!!以气体延迟时间_F$熔体预注射量^S j$气体注射时间S F$气压分别为Y$U Y$U V1D"为例E 气压在Y1D"时#气体穿透能力差#如图T&"’的结果所示E当气体注射压力提高至U V1D"后#气体穿透长度明显增长#成型长度达到‘‘=_j#如图T&B’E而在气体压力为U Y1D"的条件下#气体穿透长能力反而有所下降#制品的成型长度也下降至‘V j#如图T&7’E试验分析表明#无论熔体预注射量多或少#过低和过高的气体注射压力都不利于气辅制品的成型E在一定压力范围内#随着气压的升高#气体穿透长度增加#而超过一定的气压值#则气体穿透长度随气压升高而降低E同时#气体压力与熔体预注射量$气体延迟时间等因素的交互影响较为复杂#有待进一步研究ER P S!气体注射时间对制品质量的影响气体注射时间相对气体延迟时间$熔体预注射量$气体注射压力而言#对气体穿透的影响是微不足道的#因为气体的穿透一般都在很短的时间内完成E但是气体穿透熔体形成气道后#气道周围的熔体尚未完全冷却#如果此时气道内没有压力#气道(YT_W(!第U V期!!李倩等)气辅成型过程气体穿透长度与残余壁厚的试验研究万方数据5&$=T!\2Q-9&I-#:"C9-F/C:":’&N N-9-#:$"F Q9-F F/9-!壁尚未冷却的熔体会向气道内流动!最为关键的是!熔体由于冷却而产生的体积收缩无法得到补充!使制品的表面产生缩痕E因此!在气辅成型过程中!气体的注射时间也不容忽视E在气体完成一次穿透后的保压阶段!气体将形成二次穿透!填充冷却过程中的收缩E在本文试验中!部分编组采用分段压力进行气体注射!第一段压力用来实现熔体的穿透!以后各段压力均用于塑料熔体的冷却保压E试验结果分段气体保压的制品表面质量就比其他制品好E_!结!论在不同工艺参数下!通过实验方法研究了气辅成型过程气体穿透行为和残余壁厚!设计了一个管状和平板相结合的气辅模具!选用D0材料!在+%^V[\注射机和>a*气辅设备上进行了多组试验E 试验认为!气辅成型工艺参数对气体穿透长度和残余壁厚有重要影响E同时!熔体预注射量"气体延迟时间和气体注射压力各参数间的交互作用明显!实践时要根据材料特性和制品性能要求综合考虑EC#/#+#&6#9#U$!*&R&"#%李倩&!0,-#+,"#$./%申长雨&!!"#$*&2&"%王利霞&!*&/+,/#:"&%刘春太&!@3#$8&#7&#%董斌斌&EH/I-9&B"C F&I/C":&3#3N:,-$"F Q-#-:9":&3#&#$"F["F F&F:-’&#L-’:&3#I3C’&#$E7>@$()?>D E’68%R)?+(N@&H$M)(NC(.%(66$%(.%E’%()&%化工学报&!W V V Y!V S%_&’S T S[S^V #W$!*&R&"#%李倩&!*&/+,/#:"&%刘春太&!0,-#+,"#$./%申长雨&!@3#$8&#7&#%董斌斌&E H/I-9&B"C"#"C.F&F3NQ"B;&#$Q93B-F F&#$"F["F F&F:-’&#L-B:&3#I3C’&#$E E’%()S?)&H%R&!W V V U!Q V%U U&’T‘[^W#Y$!4,-#$)&"#I&#!(3F;-.%"F3#!<C:"#)".C"#=\2Q-9&I-#:"C "#’"#"C.:&B"C F:/’.3N$"F["F F&F:-’&#L-B:&3#I3C’&#$"Q Q C&B":&3#=B I C46R’(%R)?S)P6$%B6$%6&&E I!U‘‘Y’U[U^#_$!<#’-9F0!0"/-9J=\N N-B:F3N I":-9&"C"#’Q93B-F F Q"9"I-:-9F3#:,-$"F&#L-B:&3#:-B,#&6/-=#@(&H&H>D D626$8)(S?)&H%R&!U‘‘U!X Q%Y&’U X[U T#S$!("Q&C"b&#--:!0B,3::H&B;J!0,",0/9-F,=\2Q-9&I-#:"C F:/’.:3&#A-F:&$":-:,-&#N C/-#B-3N Q93B-F F&#$B3#’&:&3#F&#:,-$"F"F F&F:-’&#L-B:&3#I3C’&#$Q93B-F F=0((@)?46R’(%R)?E>(D6$6(R6[014C E!E>(D6$6(R6S$>R66N%(.&!U‘‘X!Q’X_‘[X S_#X$!%3#$!-#9-#!M/"#$%-#$F,-#$!+,"#$?/#$F,&#= \2Q-9&I-#:"CF:/’&-F3N’-F&$#$/&’-C&#-FN39$"F"F F&F:-’&#L-B:&3#I3C’&#$Q93B-F F=0((@)?46R’(%R)?E>(D6$6(R6[014C E!E>(D6$6(R6S$>R66N%(.&!U‘‘X!Q’X X^[X T Y#T$!+,-#0+!M F/(0!%-#$1+=H/I-9&B"C F&I/C":&3#F"#’-2Q-9&I-#:"C F:/’&-F3N$"F["F F&F:-’&#L-B:&3#I3’C&#$=0((@)?46R’(%R)?E>(D6$6(R6[014C E!E>(D6$6(R6S$>R66N%(.&!U‘‘_!Q’_U T[_W V#^$!+,-#0+!@3#$%>!%3#$!J!M/"#$%0!%-#$1+= \N N-B:3N$"FB,"##-C’-F&$#3#I3C’&#$G&#’3G"#’Q"9:I-B,"#&B"C Q93Q-9:&-F3N$"F["F F&F:-’&#L-B:&3#I3C’&#$=0((@)?46R’(%R)?E>(D6$6(R6[014C E!E>(D6$6(R6S$>R66N%(.&=U‘‘X!Q’X X Y[X X T#‘$!P#$H0!*--M*!D"9A-O1<=a#N C/-#B-3N Q93B-F F&#$ B3#’&:&3#F"#’Q"9:’-F&$#3#:,-$"F["F 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