（材料加工工程专业论文）水辅助注射成型工艺及制品性能研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：劲k 氏 日期：年夕月心日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：劲 氓 日期：砂 年f 月右日 摘要 摘要 水辅注射成型技术是在常规注射成型技术和气体辅助注射成型技术的基础 上发展起来的一项新技术。由于水的不可压缩性，以及水的热传导率是氮气的 4 0 倍，热容是氮气的4 倍，使得水辅注射成型的成型周期大大缩短，生产成本 显著减少。因此，水辅注射成型具有很大的发展空间和广阔的应用前景，但目 前关于水辅注射的系统研究还较少。 本文通过建立理论模型和实验验证来研究水辅注射成型中水的穿透长度和 制件残余壁厚与加工工艺的关系以及水辅成型过程中温度、注射压力等对制件 的结晶形态的影响规律。 主要工作包括以下几个方面： 1 应用无量纲方法建立了黏性可压缩非牛顿熔体在水辅成型二次穿透中 的控制方程，导出了求解压力场的变分方程和速度场的计算公式。应用分部积 分和力学基本原理导出了二次穿透速度的计算公式，描述了穿透速度与注水压 力、熔体密度、黏度、穿透长度及穿透半径之间的关系，开发了模拟程序。 2 通过实验分析了熔体温度、熔体注射压力、注水压力、注水延迟时间、 保压时间、熔体注射量等工艺参数对水辅成型制件残余壁厚以及水的穿透长度 的影响。结果表明：工艺参数决定了制品的残余壁厚和水的穿透长度。升高聚 合物熔体温度会减小残余壁厚和水的穿透长度；增加熔体的注射压力也会减小 水的穿透长度；增加水的注水压力则会增加制品的残余壁厚和水的穿透长度； 增加水的注水延迟时间将会增加水的穿透长度；增加水的保压时间就增加了水 的穿透长度。 3 采用偏光显微镜( p l m ) 研究了水辅注射成型的聚丙烯( p p ) 制品的内 部结晶形态，分析了结晶形态的形成机理，并与c i m 成型的制件进行比较。实 验结果表明：在水辅成型制件的壁厚方向按照材料结晶形态的规律可以分为内 表层、中芯层和外表层。内表层晶体结构的特点具体表现为紧挨制品壁内表面 区域均呈现致密的小球晶结构，其他区域呈现直径稍大且形状不规则的球晶结 构。中芯层晶体结构以无序排列的球晶为主，而且球晶生长充分，直径较大， 晶区与非晶区区别明显。外表层的晶体结构共同特点是紧挨制品壁外表面区域 摘要 ( 0 5 0 “m ) 与紧挨制品壁内表面区域相似，也呈现致密的小球晶结构。 关键词：水辅注射成型二次穿透残余壁厚穿透长度工艺参数结晶 i i a b s l r a c t a b s t r a c t w a t e ra s s i s t e d i n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g yi san e wt e c h n o l o g yd e v e l o p e do n t h eb a s i so ft h ec o n v e n t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n i q u e sa n dg a s - a s s i s t e di n j e c t i o n m o l d i n gt e c h n o l o g y b e c a u s et h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f w a t e r i s4 0t i m e st h en i t r o g e n a n dh e a tc a p a c i t yi s4t i m e st h en i t r o g e n ，t h ec y c l et i m eo ft h ew a t e ra s s i s t e di n j e c t i o n m o l d i n gi ss i g n i f i c a n t l ys h o r t e n e dt h a nt h a to fg a s - a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g a tt h e s a m et i m e ，w a t e r - a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n gh a sa d v a n t a g e so v e ri t sb e t t e rk n o w n c o m p e t i t o r ，g a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g b e c a u s e i ti n c o r p o r a t e sas h o r t e rc y c l et i m e t os u c c e s s f u l l ym o l dap a r t ，d u et ot h eh i g h e rc o o l i n gc a p a c i t yo ft h ew a t e rd u r i n gt h e m o l d i n gp r o c e s s s ot h ew a t e ra s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n gh a sag r e a ta d v a n t a g ea n d a p p l i c a t i o no fs p a c e b u ts y s t e m a t i cr e s e a r c ho f t h ew a i mi sv e r yl e s s t h eo b j e c t i v eo f t h i sd i s s e r t a t i o ni st os t u d yw a t e rp e n e t r a t i o nl e n g t ha n dr e s i d u a l w a l lt h i c k n e s s e so ft h em o l d e dp a r t sb yw a t e ra s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ，m a i n l y t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to f t h e o r e t i c a lm o d e l sa n de x p e r i m e n t sa n dt h es t u d yo f w a t e r a s s i s t e dm o l d i n gp r o d u c t sm o r p h o l o g y , t os e a r c ht h el a wo fc r y s t a l l i z a t i o n t h em a i np u r p o s eo ft h es t u d ym a i n l yi n c l u d ef o l l o w i n ga s p e c t s ： t h eg o v e r n i n ge q u a t i o n sf o rv i s c o u sc o m p r e s s i b l en o n - n e w t o n i a np o l y m e rm e l t i n t h es e c o n d p e n e t r a t i o n o fw a t e r - a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ( w a i m ) w e r e c o n s t r u c t e du s i n gd i m e n s i o n l e s sm e t h o d t og e tt h en u m e r i c a ls o l u t i o n , t h ev a r a t i o n a l e q u a t i o nf o rp r e s s u r ew a sd e r i v e d 、析t hi n t e g r a t i o nb yp a r t s t h ef o r m u l af o rv e l o c i t y e x p r e s s e db yp r e s s u r eg r a d i e n tw a sa l s od e r i v e db yt h es a m em e t h o d i no r d e rt o s i m u l a t ew a t e ra d v a n c i n gd i s t a n c ea l o n gt h er a d i a ld i r e c t i o nd u r i n gt h es e c o n d p e n e t r a t i o n ，af o r m u l af o ri n t e r f a c ev e l o c i t yd e p e n d i n go n w a t e rp r e s s u r e ，m e l td e n s i t y , v i s c o s i t y , p e n e t r a t e dl e n g t ha n dp e n e t r a t e dr a d i u sw a sg e n e r a l i z e du s i n gi n t e g r a t i o nb y p a r t sa n dm e c h a n i c a lp r i n c i p l e f i n a l l y , ap r o g r a mw a sd e v e l o p e dt og e tt h en u m e r i c a l s o l u t i o nf o rp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，v e l o c i t ya n dr e s i d u a lt h i c k n e s sd u r i n gw a i m t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s ，a n a l y s i so fi i l j e c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha sm e l t t e m p e r a t u r e ，m e l ti n j e c t i o np r e s s u r e ，w a t e ri n j e c t i o np r e s s u r e ，i n j e c t i o nd e l a yt i m e ， i i i a b s t r a c t p a c k i n gt i m e ，v o l u m eo fm e l ti n f l u e n c eo nt h er e s i d u a lw a l lt h i c k n e s sa n dl e n g t ho f w a t e rp e n e t r a t i o ni nw a t e ra s s i s t e dm o l d i n gh a sb e e nm a d e t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h e p r o c e s s i n gc o n d i t i o n sd e t e r m i n et h er e s i d u a lw a l lt h i c k n e s sa n dt h ew a t e rp e n e t r a t i o n l e n g t ho ft h ep r o d u c t s r i s i n go fp o l y m e rm e l tt e m p e r a t u r ew i l lr e d u c et h er e s i d u a lt h e w a l lt h i c k n e s sa n dt h el e n g t ho fw a t e rp e n e t r a t i o n i n c r e a s i n go ft h ei n j e c t i o np r e s s u r e w i l lr e d u c et h el e n g t ho f w a t e rp e n e t r a t i o n i n c r e a s i n go f t h ew a t e ri n j e e t i o np r e s s u r eo f w a t e rw i l li n c r e a s et h er e s i d u a lo f t h ew a l lt h i c k n e s so f p r o d u c t sa n dt h el e n g t ho f w a t e r p e n e t r a t i o n i n c r e a s i n go ft h ew a t e ri n j e c f i o nd e l a yt i m ew i l li n c r e a s et h el e n g t ho f w a t e rp e n e t r a t i o n i n c r e a s i n go ft h eh o l d i n gt i m eo fw a t e rw i l li n c r e a s et h el e n g t ho f w a t e rp e n e t r a t i o n at h e o r e t i c a ls t u d yo ft h ei n t e r n a lm o r p h o l o g yo fp o l y p r o p y l e n e ( p p ) p r o d u c t s m a n u f a c t u r e db yt h ew a t e ra s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n gh a sb e e nc a r r i e do u t , u s i n g p o l a r i z i n gm i c r o s c o p e ( p l m ) t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fc r y s t a l l i n em o r p h o l o g y h a sb e e na n a l y s e d ，c o m p a r i n gw i t ht h ep r o d u c t so f c i m t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h ew a l l o fp r o d u c t sm a n u f a c t u r e db yt h ew a t e ra s s i s t e dm o l d i n gc a nb ed i v i d e di n t oi n n e r s u r f a c e ，t h ec o r el a y e ra n dt h eo u t e rs u r f a c e ，i nt h et h i c k n e s sd i r e c t i o nw i t ht h el a w so f c r y s t a l l i n em o r p h o l o g y n l ec r y s t a ls t r u c t u r eo fi n n e rs u r f a c ew i t h i nt h es u r f a c en e x tt o t h ep r o d u c ts u r f a c ea r e as h o w e dad e n s ec r y s t a l l i n es t r u c t u r eo f t h es p h e r u l i t e sc r y s t a l s ， o t h e rr e g i o n ss h o w e ds l i g h t l yl a r g e ri nd i a m e t e ra n di r r e g u l a r l ys h a p e ds p h e r u l i t e s c r y s t a l ss t r u c t u r e c r y s t a l s t r u c t u r ei n t h ec o r e l a y e rs h o w e dt h e d i s o r d e r e d a r r a n g e m e n to ft h em a i ns p h e m l i t e sc r y s t a l s ，a n dt h es p h e m l i t eg r o w t ho ft h ef u l l y , l a r g ed i a m e t e r , c r y s t a la n da m o r p h o u sr e g i o n sa r ec l e a r l yd i f f e r e n t t h ec r y s t a l s t r u c t u r eo f t h eo u t e rs u r f a c eo f p r o d u c t si sc l o s et ot h eo u t e rs u r f a c eo f t h ew a l lr e g i o n ( o 5 0 i - t m ) a n d c l o s et ot h ew a l ls u r f a c ea r e as i m i l a rp r o d u c t s ，a l s os h o w e da c o m p a c t s p h e r u l i t e sc r y s t a l s k e yw o r d s ：w a t e r - a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ；t h es e c o n d a r yw a t e rp e n e t r a t i o n ； p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ；t h ew a t e rp e n e t r a t i o nl e n g t h ；r e s i d u a lw a l lt h i c k n e s s ；c r y s t a l l i z e i v 目录 目录 摘要。i a b s t r a c t i i i 1 绪论。1 1 1 水辅注射成型概述2 1 1 1 成型工艺简介2 1 1 2 水辅注射成型技术特点。4 1 1 3 水辅助注射成型的设备7 1 1 4 应用状况：8 1 2 水辅注射成型技术的研究现状8 1 2 1 数值模拟研究一9 1 2 2 实验研究9 1 3 本文选题依据及研究内容1 0 1 3 1 水辅注射成型存在的主要问题1 0 1 3 2 解决思路和主要研究内容1 l 2 水辅注射成型的理论模型1 2 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 穿透长度的理论模型1 2 残余壁厚的理论模型1 8 壁厚方向上二次穿透的理论模型2 6 2 3 1 水辅注射成型壁厚方向二次穿透的控制方程及变分方程2 6 2 3 2 壁厚方向上二次穿透的速度2 9 模拟结果及分析3 0 本章小结3 4 3 加工参数对水辅注射成型制件的影响3 5 v 5 1本文主要工作5 3 5 2 展望5 4 参考文献5 6 致谢5 9 v i 1 绪论 1 绪论 塑料作为生活中随处可见的材料，具有以下物理优点：密度小、重量轻、 比强度高、绝缘性能好、化学稳定性高、耐磨性能好、减震隔音效果好。结合 到实际生产应用中又具有如下的特点：便于成型、生产效率高、价格低廉、普 适性强。因而，随着社会及科学的发展，塑料在国民经济和人民日常生活中起 到的作用必将越来越大。 注射成型技术不仅可以制造出结构复杂的制品，而且制品精度高、质量好、 造型优美、经济实用、生产效率也高。随着制造工艺的发展，注射成型制品在 汽车制造、电子、医疗、日常用品、体育用品、建筑等行业的应用越来越广泛。 随着人们对塑料制品要求的越来越高，传统的注射成型工艺由于自身特点的局 “ 限性在很多领域已经很难满足生产的要求，因而，人们开始追求更先进更新型 的注射成型技术。制品采用中空结构比实心结构更能显著的节省原料，因而微 孔发泡和气辅注塑得到迅速发展。虽然气辅注塑已经发展了许多年，并且技术 已经十分成熟，但是其在应用过程中容易出现气体穿透或者发泡的现象。而且 由于其内部气体冷却速率较慢，生产周期比实心制品还要长。于是水辅助注射 成型技术( w a t e r - a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g y ，w a i m ) 【l j 应运而生。 水辅助注射成型技术是在气体辅助注塑成型技术( g a s a s s i s t e di n j e c t i o n m o l d i n gt e c h n o l o g y ，g a i m ) 的基础上发展起来的新技术，即将水注射到聚合物 熔体中，形成中空制件，最后利用压缩空气或者重力将水从空腔中排出。水辅 注射是制造中空或半中空塑料件的最新方法。它与气辅注射基本相同，在厚截 面处把壁内胀成空腔。虽然早在2 0 世纪7 0 年代就已经有人提出用注射液体的 方式成型中空制件 2 1 ，但是由于当时水辅注塑装置本身的缺陷使得这种理念被搁 置1 3 1 。水辅助注射成型技术于1 9 9 8 年在德国亚琛理工大学塑料加工研究中心 ( i k v ) 发表的一片报告中首次被提出【4 】。直到2 0 0 0 年1 0 月底，在f a k u m a 展会 上展出的一辆用水辅成型技术加工的全塑料超市手推车，才正式宣告水辅助注 射成型技术在商业中得到应用。尤其是2 0 0 1 年在德国d u s s e l d o r f 举办的全球最 具影响力之一的k 展年会上，水辅注射成型技术取得了突破性进展。现在，已有 越来越多的厂家参与到w i t 的研究、开发和完善中来。 1 绪论 1 1 水辅注射成型概述 1 1 1 成型工艺简介 水辅注射成型制品的空腔不是因为水蒸发形成的，而是水像活塞一样推动 熔体不断向前移动形成的。其基本的成型原理是先将聚合物熔体欠料注入模具 型腔，然后将由液压装置产生的高压水注入聚合物熔体中，利用水的压力和流 动将熔体不断向前推进形成中空制件。其成型过程如图1 1 所示。 ( a ) 聚台物熔澈填充 j 一， 。， j 3 二 i b ) 通过水针避入水介质 f c ) 水保骶和冷却过程 图1 1 水辅注射成型原理 与气辅工艺接近，水辅注射成型工艺次序是通过注射聚合物、注射高压水、 通过重力或气压导出水。目前水辅注射成型工艺可以分为以下4 种【5 】： 短注射法( s h o r t s h o t ) ：此法也叫作汽泡法或吹胀法。它是通过将聚合物熔 体部分填充型腔来操作的。水是在熔体注射结束之后注入的，推着熔体向前流 动直到填满型腔，利用水的压力完成保压。阀门从注射单元关闭塑料、从针处 关闭水。排水阀门开启，让水从制件内流出。在填充的尾端设置一个阀门，引 用压缩气体来协助清除水。针对壁厚尺寸较大的制件这种方法具有一定的优势， 不产生废料，同时也就不需要打磨。节省材料降低成本的同时减少了成型工序， 就进一步降低了生产成本。注水口和出水口可以设在同一处，尽量的减少工序 上的投入。短注射法的缺点是需要非常精密的控制，因为如果熔体注入太少高 压水容易穿透塑料进入型腔，并且水压必须大于塑料注射压力从而才能推送熔 体填满型腔。从塑料注射切换到水注射可能导致注塑件表面出现迟滞痕因而达 2 l 绪论 不到a 级表面精度。另外，塑料流的前端容易形成厚壁而使成型周期时间延长。 成型示意图如图1 2 所示。 t 疆l 编淳函公a 入铷骆 蛳拳：l a c l 羹i 奴 图1 2 短注射法 盎) 熔体宠全浪八鬻眨 ( b 承凌入。拍落体l l l l 浚，i 缀j 鬣 图1 3 回流注射法 回流注射法( p u s h b a c k ) ：首先熔体完全填充型腔，开启置于型腔尾端的注 水针，水推动多余熔体退回到塑料注射机构的头端。这种方法的优点是没有废 料、能取得a 级表面精度。至于缺点，它需要一个特别的喷嘴和挡圈来容纳材 料的回退。用户必须小心尽量避免水穿透而流入头端( 这对于吸水性的尼龙这 类材料将是个大问题) 。为了得到稳定一致的回退量，这个工艺的每个部分都必 须在控制的压力之内。回退料的温度和压力可能与仍在丝杠内的不同，造成工 艺参数的变化从而影响下一次的注射。成型示意图如图1 3 所示。 图1 4 溢流注射法 鑫焰体搿分i 譬入躺黢 b 承滤入篾侏；氛 图1 5 流动注射法 溢流注射法( o v e r f l o w ) ：首先型腔被熔体填充满并且注料阀门关闭，然后 3 雪塾氢三糍 1 绪论 模内的另一个针开启开始注水，与此同时设置在型腔尾端的阀门开启形成一个 由型腔通往溢流空腔的通道。注入的水推动聚合物熔体进入溢流空腔。注水针 关闭进行保压。水可以以重力或蒸发的方法排除。据报道，这种方法能够实现a 级表面精度。它与传统的注射方法最为接近，有一个比较宽的工艺范围。它的 水压也比短注塑法来得更低。溢流注射法的缺点具体是溢流的材料必须循环使 用，同时也带来切除这一多余工序。成型示意图如图1 4 所示。 流动注射法( f l o w p r o c e s s ) ：把短注射法和溢流注射法结合起来使水完全从 制品中穿过而产生冷却效应。首先型腔被部分填充，然后注入水推动熔体到达 型腔末端。设置在型腔末端的特殊阀门开启，水穿透熔体之后流出，进入水的 循环管路。这种方法的优点在于节省原料和冷却速度快。缺点包括在制品末端 的瑕疵、低压力可能造成水渗透进到型腔和制品的交界面。如图1 5 所示。 水辅注射方法的一个共同程序是排水。有的情况下可以靠重力，但是有些 供应商提倡借助气体将水排出。 1 1 2 水辅注射成型技术特点 1 冷却时间大大缩短。由于水可以直接对制件内表面进行冷却，加之水的 l 绪论 2 制品外观质量更好。水辅注射成型注入型腔的熔体是在高达3 0 m p a 的水 压下紧贴模壁流动和冷却凝固的，制品的保压和冷却过程始终受到来自芯部的 水压力的作用。所以制品的壁厚密度高，收缩一致，表面没有缩痕，很少出现 翘曲或者扭曲变形。图1 7 为外表面非常光滑的水辅成型制品。 图1 7b a t t e n f e l d 公司的水辅制品 3 。 制件壁厚更薄，更加节省材料。水辅注射成型时，当高压水注入后，交 界面形成的固化膜在水压力作用下向外均匀施压，尚未成型的制品因为受压壁 厚变得更薄，因此可成型比气辅注射成型制件壁厚更薄的制品，从而更加节省 材料，减轻制品重量，降低成本。相对于气辅成型来说，水辅注射技术可节省 材料3 0 - 4 0 6 。 图1 8i k v 公司的水辅制品手柄 4 制品内表面更加光滑。由于水辅注射成型时水温远低于熔体温度，当高 5 1 绪论 压水注入后在水熔体交界面形成一层固化膜，水的前锋面推动熔体逐渐向前运 动时水不会穿透这层固化膜，所以成型的制品内表面更光滑，壁厚更薄。同时 因为水的黏度要高于聚合物熔体，再加上固化膜的阻隔作用，使得水不可能渗 透到熔体内部，因此，制品的内表面更加的光滑。这个特点决定了水辅成型技 术更加适合成型对内表面光滑度有特殊要求的制品。如图1 8 所示水辅制品光滑 的内壁。 5 水介质稳定、可控、可重复利用。水辅注射成型的可控性和成型的重复 精度较高，且制品内壁规则。水辅以水为介质，较气辅所用的氮气更容易获得， 且制品中排出的水还可以循环利用，降低生产成本。在水辅注射模具中生产大 型制件时不需要用太大的锁模力。 6 增加排水工序。水辅注射成型的制品在冷却之后，需排空制品内部生产 注入的水。目前常用的方法有两种：一是靠水的自重将水排除；二是借助外部 高压气体将水排空。当然，对于有特殊用途的制件也会在成型时注入特殊的水， 比如加上颜色，制件冷却后会将水保留。 7 聚合物结晶细化。气辅注射成型时，制品内部空腔的气体传热较差以及 冷却率低，所以制品内侧形成的结晶结构比较粗大。但是水辅注射成型时，因 为水的很好的冷却作用，以及水的不可压缩性，使得制品断面内结构对j 成相对较小的结晶结构。 具体的水辅注射成型技术与气体辅助注射成型技术的成型工艺比较女l 所示阴。 表1 1 水辅注射成型与气体辅助注射的工艺比较 序号项目水辅注射气辅注射 1成型周期 短长 2介质成分 低高 3 内部气泡无有 4残余壁厚 小大 5外表面粗糙度低高 6外表面光泽度 高 低 7不对称推展非常稳定不稳定 8材料结晶度 低高 6 i 绪论 续表1 1 1 1 3 水辅助注射成型的设备 国外已经有多家公司推出了技术成熟的水辅注射成型的成套设备。成套设 备基本上都包含独立的带有压力、温度和水流量控制器的注水系统。每家公司 都会在成套设备的某一环节或者多个环节拥有自己的特色，特别是注水针，每 家公司的产品都各有特色。以下是国外比较成熟的水辅注射成套设备： 美国的a l l i a n c eg a ss y s t e m s 气体系统公司提供使用h m p 2 3 多功能介质注射 水针的h y d r o j e c t i o n 水辅注射系统。可用于注射水和气体。这种系统采用压缩空 气排水，因为a l l i a n c eg a ss y s t e m s 的专家认为用气体排水是最快的。水的最高 注射压力为3 4 5 m p a ，常用的注水压力为6 9 2 0 7 m p a 。 b a t t e n f e l d 公司的系统是从a i r m o u l d 气辅系统派生出来的。提供一个便携式 单元触摸屏幕控制器。也可以由注射机上的u n i l o gb 4 控制系统控制。这种模块 式系统可以提供不同大小的压力范围，最大可达3 0 m p a 和流速为6 0 l m i n 。紧 凑的压力控制模块可以安装在紧靠模具的位置。水可以在同一个口注入和排除。 水也可以由从另一个注气模块注入的气体排除。这套系统的特点就是一个压力 模块可以供几个注射机同时使用。 c i n p r e s 气体注射公司现在提供一个由德国m a s c h i n e n & a n l a g e n t e c h n i k 公司 开发的水辅注射系统。他们正在开发他们自己的系统，但是迄今尚无具体的相 关资料。 e n g e l 公司的w a t e r m e l t 系统称为可移动式水辅注塑机，这套装置使水从注 射件内流过。这种便携式水注射装置能产生最大2 0 m p a 的水压和3 6 l m i n 的最 大流速，可用于多腔注射和多点进浇。 f e r r o m a t i km i l a e r o n 公司的水辅注射装置提供回推和溢流两种方式。这套基 于a i r p r e s si i i 的a q u a p r e s s 系统的气压装置提供最高3 0 m p a 的水压。这个公司 正在研究水压为10 0 m p a 的情况。 m a x i m a t o r 公司的水辅设备是基于气辅系统开发出来的。水压系统提供最高 7 1 绪论 注水压力为5 0 m p a 和最高2 3 l r a i n 的流速。水压可以分1 0 个档调整。他们提供 一种弹簧预压喷嘴，这种喷嘴由液压开启而由弹簧力关闭。目前正在和德国 b a y e r a g 公司共同研究一种新型的全液压喷嘴。 p m e ( p r o j e c tm a n a g e m e n te n g i n e e r i n g ) 为注水系统和水循环模温控制系统 设计了一个独立的触摸屏幕控制系统。这种系统也可同时控制热流道。他们还 有1 8 种不同设计的水喷嘴。标准的2 7 2 1 0 系统能提供2 4 m p a 的最高水压和 2 7 l r a i n 的最高流速，而1 3 0 1 5 0 型号可以提供3 4 5 m p a 的水压和1 3 0 l r a i n 的 流量。水辅注射系统的电力模块同时控制水和气体的输送。 德国的亚琛理工大学塑料加工研究中心( i k v ) 开发了一项用于生产复杂中 空制品的新型的水辅技术，不过目前只适应子加工热固性塑料，有关专家表示 这种技术将广泛应用以汽车工业【3 】。 1 1 4 应用状况 水辅注射成型的主要优势在于【9 】： 1 w a i m 成型的制品比g a i m 的制品内部空间更长、更大，壁厚更薄，内 表面更加光滑。，所以就具有了更大的普适性。 2 可以成型形状复杂的管状制品。比如各种手柄、扶手、家具支腿和门把 手等。 3 对中空或直径较大的制品，w a i m 可以获得合理的刚度和较小的壁厚， 减小了制品的重量，节省了材料，更降低了成型压力的要求。 4 可以避免传统工艺中翘曲、扭曲以及表面缩痕等缺陷。制品的表面更加 光滑，同时提高了设计的灵活性。 综合以上w a i m 的优势，目前大概有6 0 家公司在推广这种新型技术，主要 应用于汽车、生活用品以及工业生产方面。知名汽车企业，比如大众、奥迪等 已经将w a i m 应用于汽车零部件的生产。运用w a i m 生产的汽车输油管、车门 把手、汽车仪表盘、离合器踏板以及驾驶杆等产品，童车，办公用品等产品已 经开始出现在我们的生活中。 1 2 水辅注射成型技术的研究现状 w a i m 相对与传统的塑料注射工艺有很多优势，但是由于新介质水的 8 l 绪论 引入使得这种工艺的应用变得更加复杂。衡量w a i m 制品质量的主要指标是水 的穿透长度( w a t e rp e n e t r a t i o nl e n g t h ) 和残余壁厚( r e s i d u a lw a l lt h i c k n e s s ) 以及 薄壁均匀性的分布等。目前对于w a i m 的研究主要分为实验研究和数值模拟研 究。国内外的学者对于w a i m 的研究已经取得一定的成果。 1 2 1 数值模拟研究 数值模拟是优化成型工艺、解决工艺问题的一种十分有效的方法。由于 w a i m 中介质水的不可压缩性和冷却作用，使得w a i m 的成型过程比较复杂， 已有的理论都不适合w a i m ，目前关于w a i m 的专业的数值模拟软件还没有出 现。w a i m 数值模拟的难题在于如何建立合理实用的理论模型。 2 0 0 3 年王大中等【l o 】研究结果表明，w a i m 工艺可以明显缩短注射周期，降低 制品壁厚，允许制品有更大的实际直径，但用国外的实例验证时却不是非常成功。 2 0 0 4 年，c h a n gry 等【l l 】采用混合的有限差分控制体积有限元法对控制方 程进行数值求解，采用修正的c r o s s 模型来表征熔体粘度与压力、温度和剪切速 率之间的关系，通过m o l d e x 3 d 软件对w a i m 过程进行模拟研究。 2 0 0 6 年w uy i c h u a n 等研究结果表明w a i m 制品中空截面形状更加类似于 流道形状。 2 0 0 7 - 2 0 0 8 年a p o l y n k i n 掣1 2 】采用f l u e n t 软件对w a i m 制品的水穿透长 度和残留壁厚进行数值模拟，模拟结果与采用超声波传感器进行实际检测的数据 十分吻合。 2 0 0 7 年黄汉雄等【1 3 】采用神经网络算法和遗传算法相结合的逆向神经网络技 术，通过交叉试验，建立w a i m 过程的模型。利用该模型可快速地预测相应的工艺 参数，实验值和预测值进行比较验证结果基本吻合。 2 0 0 7 - 2 0 0 8 年华东交通大学匡唐清等【1 4 】对梯形截面水道的薄壁平板制品的 w a i m 流动过程进行了模拟，模拟得到的熔体前沿位置( 形状) 与c h a n g r o n g y e u 等的实验结果比较吻合，验证了该数学模型和数值模拟方法的有效性， 验证了w a i m 的优越性。 1 2 2 实验研究 国内外的学者对于w a i m 的实验研究主要集中在工艺参数对于制品质量的 影响规律以及水穿透前沿的动力学研究，取得了一定的成果，如台湾成功大学 9 1 绪论 的l i usj 、华南理工大学的黄汉雄以及德国亚琛大学的m i c h e a l iw a l t e r 等。 台湾成功大学l i usj 等【l 孓1 8 】研究了不同工艺条件下w a i m 熔体的流动模型， 可以明显看出水在熔体中的喷泉流动及一次渗透和二次渗透的痕迹，研究结果 表明成型工艺对水穿透长度的影响由大到小依次为：熔体注射量 注水延迟时间 熔体注射温度 熔体注射压力 注水压力。 华南理工大学的黄汉雄、曲杰等【1 9 - 2 6 采用自主研发的w a i m 设备，用水辅 注射成型中的短射法对聚丙烯( p p ) 弯管的实验研究表明熔体的注射量对水的 穿透长度影响最大，然后是注水延迟时间。实验结果与l i us h i s j u n g 等的结论 基本相似。 rp r o t t e 等1 2 7 l 通过实验表明材料本身的特性对制品的残余壁厚的影响比较 明显而成型工艺对w a i m 制品的残余壁厚影响不大。 邓志武等通过实验研究了w a i m 工艺参数对制品残余壁厚和壁厚变化率的 影响，主要研究结果：对制品残余壁厚影响最大的工艺参数是注水延迟时间； 沿水流动方向制品的残余壁厚有逐渐减小的趋势。 1 3 本文选题依据及研究内容 1 3 1水辅注射成型存在的主要问题 尽管相对于传统注射工艺和气体辅助注射成型技术，w a i m 具有无与伦比 的优越性，但由于发展时间较短，这种技术还不够完善尚具有自身的不足：没 有较好的成型理论，在工艺应用方面还不十分成熟，这几方面都制约了w a i m 技术的发展。水辅注射成型技术存在的主要问题有： 1 通过数值模拟和实验研究，建立更加合适实用的理论模型，确定工艺参 数和模具设计的原则。 2 如何确定水的注射温度、注射压力和流动速率对制品的性能的影响，选 取合适的参数进行生产。 3 确定工艺参数对制品的残余壁厚和水的穿透长度的影响，以及材料结晶 况的影响参数。 4 相应的配套设备的进一步完善，关键在于注水喷嘴的结构设计以及水的 密封和高效排除的方法。 5 适应于水辅注射的材料开发研究，现在适合于w a i m 的材料远没有 1 0 1 绪论 g a i m 的种类那么多。 1 3 2 解决思路和主要研究内容 水辅注射成型的研究必须解决一下问题：( 1 ) 预测制品的残余壁厚；( 2 ) 预测水的穿透长度；( 3 ) 材料成型过程中的结晶情况；( 4 ) 建立成型工艺参数， 模具设计以及材料性能的准则。要实现这些目标首先需要基于流动方程和流体 动力学建立水和熔体彼此相互作用的多因素的模型，针对这一模型进行有效的 数值模拟，之后再从实验入手得出数据与模拟结果比较，确定最适合的参数设 置。 本文的主要工作：( 1 ) 针对水辅注射成型技术的工艺特点，基于流变学和 流体动力学理论，建立了描述水辅过程的理论模型，并基于这种模型进行有限 元分析，得出制件残余壁厚和水的穿透长度的数值描述；( 2 ) 通过自主设计的 水辅设备分别对聚丙烯(