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溢流法水辅注塑中注水参数对水穿透的影响分析

2014-09-11匡唐清余春丛

中国塑料 2014年7期
关键词:前段延迟时间溢流

匡唐清,邓 洋,余春丛

(华东交通大学机电工程学院,江西 南昌330013)

0 前言

水辅注塑(water-assistedinjection molding,WAIM)技术作为一种成型中空制品的新工艺,同传统的气辅注塑(Gas-assistedinjection molding,GAIM)类似,只是辅助介质由氮气改为了水。但由于水的热导率是氮气的40倍,热容量是氮气的4倍,所以水辅注塑的冷却时间相对于气辅注塑大大缩短,从而提高生产效率;由于水密度较氮气更高且不可压缩,因此水辅注塑可以成型壁厚更加均匀,内表面更加光滑的制品[1-3]。

国内外已经对水辅注塑展开了大量的研究工作:Wu等[4-7]利用短射法对水在薄壁板件中的穿透情况进行了可视化研究,并与气辅注塑做了比较;并且对直径15 mm的弯曲管件采用正交阵列法进行了多组实验,得出熔体短射量和注水延迟时间是影响水辅注塑的主要参数;Polynkin等[8]利用短射法对水辅注塑进行了模拟仿真和实验研究,发现增大注水压力能减小残余壁厚,且能消除残余壁厚里的气泡;刘旭辉等[9]利用矩形变截面和弯道模腔的可视化模具,研究了短射法成型时不同水压下水在熔体中的穿透行为;邓志武等[10]研究了短射法成型时不同工艺参数对残余壁厚的影响。匡唐清等[11]基于湍流模型对短射法水辅注塑中注水参数对水穿透影响进行了模拟研究。但这些研究主要针对短射法水辅注塑进行研究,对溢流法水辅注塑的研究甚少。并且实验也发现,采用短射法水辅注塑的试样残留壁厚前后存在明显差异。为此,本文以溢流法水辅注塑(Overflow WAIM,OWAIM)为对象,采用单因素实验方法研究分析注水参数对该工艺的影响规律及机理。

1 实验部分

1.1 主要原料

昆仑牌聚丙烯(PP),1102K,中国石油天然气股份有限公司锦西石化分公司。

1.2 主要设备及仪器

主要设备如图1所示,主要包括:东华机械TTI全自动塑料注射成型机(FT250);自主研发的注水系统和注塑模具;其中注水系统主要包括:水箱、高压柱塞泵和高压注水针等;高压柱塞泵额定工作压力为33 MPa;水针最大可承受16 MPa的水压;注水针的开/闭动作由气压控制系统控制,气压控制系统主要包括空气压缩机、储气罐、干燥过滤机、SDA薄型气缸以及气动换向阀等;图1(b)为带封针的模具,封针动作也采用气动控制,封针顶出可以阻止熔体进入溢流腔;封针缩回则熔体进入溢流腔,水针阀体和气缸装配在模具上。

图1 水辅成型设备及模具Fig.1injection machine fitted with lab-developed waterinjection system and mold

1.3 实验方法

针对溢流法水辅注塑,研究各注水参数对水的穿透及成型品质的影响;基本实验工艺参数如表1所示;采用单因素法,在基本实验工艺参数上每次只改变一个参数,其他参数保持不变,每组参数各做5个试样;

试样形状尺寸及剖切位置如图2所示,针对平直段沿充填方向每隔40 mm进行横剖(依次标记M、N、S、P)以观察穿透截面,通过轴线纵剖后每隔20 mm共计9个位置测量残留壁厚(Res idual Wall Thickness,RWT),每个位置多点测量取平均;通过测量结果来考察分析各注水参数对水穿透的影响规律及机理;实验所得试样如图3所示。

表1 基本实验工艺参数Tab.1 Default processing parameters usedin the experiments

图2 实验用OWAIM管件示意图Fig.2 Diagram of the OWAIM pipe usedin experiments

图3 溢流法水辅注塑试样Fig.3 Specimen produced by OWAIM process

2 结果与讨论

2.1 注水压力

基于基本实验工艺参数,注水压力分别设为4、6、8、10 MPa进行试验来考察注水压力对水穿透及成型品质的影响。所得试样剖切面如图4所示。由图4(a)可以看出,在4、6 MPa压力下,水在 M点位置处的穿透出现了偏心现象;从图4(b)线框部分也能看出,在较低注水压力4、6 MPa下,试样前段入水口附近水的穿透存在较明显的偏心和不稳定;而在较高注水压力8、10 MPa下,水的穿透居中性更好。而在试样后段部分不同压力下水的穿透居中性都较好,残余壁厚也比较均匀;并且注水压力越高,内壁面就越光亮。这可能是因为在前段水的穿透截面刚由小变大,水流方向尚未稳定,在较低压力时水流方向对阻力更为敏感,由于模温的不均匀(模腔前段邻近流道)使得型腔一侧熔体黏度更低、阻力更小,最终导致水穿透的偏心;而在较高压力时阻力对水流方向的影响削弱,所以水穿透的偏心不明显。经过前段后,水流方向趋于稳定,且模温也更为均匀,因此无论在较低注水压力还是较高注水压力下,水都能较好的居中穿透,残余壁厚较均匀。

不同水压下所得试样的残留壁厚测量结果如图5所示。总体而言,随着注水压力的升高,试样残余壁厚变薄。这可能是因为注水压力越高,水对熔体径向的作用力也越大,能够推动更多的熔体向前流动,导致试样残余壁厚随注水压力的升高而变薄。图5也反映出试样残余壁厚在80 mm之前表现出不稳定现象,尤其是在较低水压(4、6 MPa)下残余壁厚波动较为明显。这可能是由于水注入熔体后,水和熔体两相分层流动,而水和熔体粘度又相差太大,在靠近入水口处附近出现了界面不稳定现象,从而导致了入水口附近残余壁厚波动较大,分布不均匀。注水压力较低时,水流速低、惯性小、水流方向易受阻力影响,其流动穿透就越不稳定;注水压力较高时,水流速高、惯性大、阻力对水的穿透影响相对降低,流动穿透也就更为稳定。

图4 不同注水压力下的OWAIM试样横剖和纵剖图Fig.4 Cross sections and longitudinal profiles of OWAIM specimens produced at different water pressure

图5 注水压力对溢流法水辅注塑试样残余壁厚的影响Fig.5 Effect of waterinjection pressure onrWT of OWAIM specimens

2.2 注水温度

基于基本实验工艺参数,注水温度分别设为27、35、45、60℃进行试验来考察注水温度对水穿透及成型品质的影响,所得实验测量结果如图6所示。由图6可以看出,随着注水温度的升高,试样残余壁厚的变化不明显。这可能是由于高压水快速注入熔体,水的注射充填过程非常短暂,熔体和水的热量交换时间太短,流动过程中熔体温度受水温的影响很小,所以水在熔体中的穿透受水温影响很小,最终试样的残留壁厚受注水温度影响很小。而试样在前段产生残余壁厚的波动,这也可能是因为上述所分析的低压水(4 MPa)在熔体中穿透时截面变化导致的界面不稳定导致。

图6 注水温度对OWAIM试样残余壁厚的影响Fig.6 Effect of water temperature onrWT of OWAIM specimens

2.3 注水延迟时间

注水延迟时间指的是在熔体注射完成后,注水开始前的这段时间。基于基本实验工艺参数,注水延迟时间分别设为3、5、8、12 s进行实验来考察注水延迟时间对水穿透及成型品质的影响,所得实验测量结果如图7所示。由图7可知,随着注水延迟时间的增加,试样残余壁厚增加。这可能是因为在延迟时间内熔体处于停滞、冷却状态,延迟时间越长,熔体温度下降黏度度大,熔体形成的凝固层越厚,水可穿透的熔体截面越小,最终试样的残余壁厚增加。由图7可以看出,在注水延迟时间较短(3、5 s)时,试样前段的残余壁厚存在较大波动,而注水延迟时间较长(8、12 s)时,试样的残余壁厚分布不均匀的现象要比在延迟时间为3、5 s时有所减弱,且试样整体残余壁厚更趋于均匀化。这可能是因为随着注水延迟时间的延长,导致熔体凝固层变厚,黏度更高,更有利于抑制截面变化时导致的水穿透不稳定性。

图7 注水延迟时间对OWAIM试样残余壁厚的影响Fig.7 Effect of waterinjection delay time onrWT of OWAIM specimens

3 结论

(1)注水压力越高,试样残余壁厚越薄,在低注水压力时水穿透前段易出现偏心现象,注水压力越高,水的居中穿透越好,残留壁厚越均匀,且高水压穿透的试样内壁面更为光亮;

(2)注水温度的变化对试样残余壁厚的影响不明显;

(3)注水延迟时间越长,试样残余壁厚越厚,随着注水延迟时间的增长,在较低注水压力时水穿透前段的不稳定现象削弱,试样残余壁厚更加均匀。

[1]Knights M.WaterInjection Molding Makes Hollow Parts Faster,Lighter[J].Plastics Technology,2002,48(4):42-47.

[2]Knights M.WaterInjection Molding:It’s All Coming Together[J].Plastics Technology,2005,51(9):54-61.

[3]Protter,Bangert H,Cooper C,et al.Water-assistinjection Molding:Aninnovative Process Technology for Productivityimprovement Developmentsin Processing,E-quipment and Materials[C].SPE ANTEC Proc,2003:404-408.

[4]Y C Wu,S J Liu.Flow Visualisation of Water Assistedinjection Moulding Process[J].Plastics,Rubber and Com-posites,2005,34(5-6):227-231.

[5]Liu S,Chen Y.Water-assistedInjection Molding of Thermoplastic Materials:Effects of Processing Parameters[J].Polymer Engineering & Science,2003,43 (11):1806-1817.

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[7]Shih-Jung Liu,Yi-Chuan Wu.Dynamic Visualization of Cavity-filling Processin Flu id-assistedinjection Moldinggas Versus Water[J].Polymer Testing,2007,26:232-242.

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[9]刘旭辉,黄汉雄.水辅注塑中水穿透行为的可视化研究[J].中国塑料,2009,23(3):58-61.Liu xuhui,Huang hanxiong.Visualization Analysis of Water Penetration Behaviorin Water-assistedinjection Molding[J].China Plastics,2009,23(3):58-61.

[10]邓志武,黄汉雄,曲 杰,等.水辅注塑制品水穿透长度和残留壁厚的研究[J].中国塑料,2006,20(8):55-59.Deng Zhiwu,Huang Hanxiong,Qu Jie,et al.Study on Water Penetration Length andres idual Wall Thickness of Water-assistedinjection Molded Parts[J].China Plastics,2006,20(8):55-59.

[11]匡唐清,邓 洋.注水参数对水辅注塑充填过程影响的数值模拟[J].中国塑料,2014,28(2):96-100.Kuang Tangqing,Deng Yang.Numerical Simulation of Waterinjection Parameters Effect on Water-assistedinjection Molding Filling Process[J].China Plastics,2014,28(2):96-100.

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