（材料学专业论文）ppgmt模塑成型工艺研究国产悍马军车挡泥板成型.pdf

摘要 p p g m t ( g l a s sm a tr e i n f o r c e dp o l y p r o p y l e n es h e e o 复合材辩是连续玻璃 纤维毡戏连续玻璃纤维针刺毡为增强材料与改性聚丙烯为基体复合而成的一 种片材。g m t 的比强度高，抗冲击性优异；采用压缩模塑工艺，g m t 片材 毒鞋澍逸尺寸大、稳定瞧姆、形状复杂懿熬 譬，在汽车裁遗上骞广泛豹应蠲 前景。 国产悍马军车是哉国下一代陆军装备，其挡泥板设计为p p g m t 材质。 该搂淀援凑三令攘曩辫壹蕊组成，产瑟厚度援为3 m m ，焦寒痰最大达到了约 2 0 0 m m 。是一种趣离黢，厚度院静鬟杂制品。本谦鞭研究的主裂目的是裁寇横 具设计方案，优化成测工艺参数( 濑度、压力制度等) ，研制出满足国产悍码 军车挡混板设计要求的制品；同时结合产品的研制，对g m t 材料的流动瞧 麓、热疆孕瞧蘸逡露镑步豹探索，笼g m t 裁赫静工登生产爨供指导。 本文首先在恒漱条件下通过挤腥圆盘形g m t 坯料，对材料的流动性能 进行了研究。1 ) 通过测量挤压流动后不同半径范围内的纤维含量，研究了聪 力、滏发等黠楗辩滚动瞧戆的影螭。耢究表明：g m t 耪瓣基骞壤努豹充摸 流动健，流动过程中纤维毡保持一个整体；g m t 奉| 料挤压流动行为表现为备 向同性；温度、压力制度对纤维的均匀分布影响很大；2 ) 通过测量不同台模 速率下艨力变化，采用拉伸鞑度模型( e x t e n s i o n a lv i s c o s i t i e sm o d e l ) 和纯剪 秘流动镶鳌( s h e a rf o r c em o d e l ) 瓣数据送霉努耩，导交了攒述g m t 瓣瓣 宏观行为的流变学参数。对比模型计算结果和实验结果，分析了模型的理论 缺粥。摭伸粘度模型的计算结果与实验结果吻台得相当好表明：在合模速率 不大或燹澎率不是镄大靛壤影下，按基滚魂过程中赘甥力攘慰予拉 枣应力霹 以忽略。 熟次，由于该产晶是薄壁件，平面上的尺寸比厚度大得多，可假设为觅 强大的平叛。以北为蒸础，建立模溅对g m t 谯模具阿冷却过程进行模拟。 结采表裙：在模其肉冷帮，謇毒辩表瑟葶拜中心静滠淡穰馁静这戮致。当模爨 温度为8 0 时，2 2 0 的片材经过3 0 s 左右材料中心和边缘的瀛度几乎一样。 为1 3 0 左右。 逶j 窭臻究瀑度对g m t 毒孝辩戆力学整貔( 弯麴强痉) 、表黧疆塞豹澎确， 得到了优化的工艺参数。研究表明：通过选择合理的温度、雁力制度可以雎 氆具袁良好豹表 l i 瑷爨、 荛舅船力学我缝瓣涮舄。 在上述实验结栗静基础上，设计了国产悍马军车挡泥板模爨，确定了产 品的压力制度和温度制度，成功的聪制出了国产悍马军车挡混掇。产品性能 测试表明，性能满足设计要求。 关键谣；p p g m t ，揍送滚动，嚣缩模鎏，汽棼熬淀援，模爨设诗 a b s t r a c t p p g m t ( g l a s sm a tr e i n f o r c e dp o l y p r o p y l e n es h e e t ) a r em a d ef r o m c o n t i n u o u sg l a s sf i b e rm a to rn e e d l em a tr e i n f o r c em o d i f i e dp o l y p r o p y l e n em a t r i x ， g m th a sh i g hs p e c i f i cs l x e n g t ha sw e l la se x c e l l e n ti m p a c ts i r e n g t ha n dc a nb e m a d ei n t ol a r g es i z ec o m p l e xc o m p o n e n tb yc o m p r e s s i o nm o l d i n g i th a sb r o a d a p p l i c a t i o n si na u t o m o b i l ei n d u s t r y h u m m e ri st h ee q u i p m e n tf o rt h ea r m yo fo u rn a t i o ni nt h ef u t u r e i t sf e n d e r i sd e s i g no fp p g m q c o m p o s i t e t h es h a p eo ft h ef e n d e ri sc o m p o s e do ft h r e e i n t e r - v e r t i c a l p l a n e s ，w h i c hw e r eo n l y3 r a mt h i c k ，b u tt h el e n g t hi s m o r et h a n 2 0 0 m m s oi ti sac o m p l i c a t ep r o d u c tw i t l ls u p e r i o rl e n g t h t h i c k n e s sr a t i o o u r r e s e a r c hi st o d e s i g nt h em o u l da r i do p t i m i z et h em o l d i n gp a r a m e t e r ss u c ha s t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e a n d f i n a l l y m a k et h ef e n d e rt om e e tt h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s a l s ot h ef l u i d i t ya n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fg m t a r es t u d i e da n d t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d t h ef l u i d i t yo fg m ti ss t u d i e db yc o m p r e s s i n gt h er o u n ds h a p eg m ts h e e t u n d e rc o n s t a n tt e m p e r a t u r e f i r s t ，b ym c a s u r et h ef i b e rc o n t e n ti nd i f f e r e n tr a d i u s r a n g e ，t h ei n f l u e n c eo fp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e o nf l u i d i t yi s i n v e s t i g a t e d i t s h o w st h a tt h ef i b e rm a tk e e p si n t e g r i t yd u r i n gf l o wa n dt h eg m th a sg o o d f l u i d i t yf o rm o l d i n g w ea l s of o u n dt h a tt h er h e o l o g i c a lb e h a v i o ro fs i n g l el a y e r g m ti s i s o t r o p i c t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r em e t h o dh a sg r e a ta f f e c t i o no nt h e d i s t r i b u t i o no ft h ef i b e r s e c o n d ，w em e a s u r et h ep r e s s u r ec h a n g eu n d e rd i f f e r e n t m o l d i n gr a t ea n du s ee x t e n s i o n a lv i s c o s i t i e sm o d e la n ds h e a rf o r c em o d e lt o a n a l y s i st h ed a t a w eg e tt h er h e o l o g i e a lp a r a m e t e r so fg m t b yc o m p a r et h e e x p e r i e n t i a ls i m u l a t ed a t a t ot h er e a lr e s u l t s ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f e a c hm o d e la r ee v a l u a t e d t h ec a l c u l a t e dv a l u eo fs h e a rf o r c em o d e lf i tw e l lw i t h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i tm e a n st h a tc o m p a r et ot h et e n s i l es t r e s sd u r i n gs q u e e z e f l o wt h es h e a rs t r e s sc a nb eo m i a e de s p e c i a l l yw h e nt h em o l d i n gr a t ei sl o wa n d d i s t o r t i o nr a t ei sl o w s i n c et h ef e n d e ri ss h e l ll i k ec o m p o n e n lt h ed i m e n s i o no ft h ep l a n ei sm u c h i l l l a r g e rt h a nt h et h i c k n e s s s ow es u p p o s ei ta sa ni n f i n i t ep l a n ea n db u i l dt h em o d e l t os i m u l a t et h ec o o l i n g p r o c e s so f t h eg m ti nt h em o l d i ts h o w st h a tw h e ng m t c o o l i n gi nt h em o l d i t ss u r f a c e t e m p e r a t u r ea n d c e n t e r st e m p e r a t u r ea r et e n dt ob e u n i f o r mq u i c k l y w h e nt h em o l di s8 0 。c ，t h es h e e tc o o l i n gf r o m2 2 0 ca n dt h e t e m p e r a t u r eg e tu n i f o r mi n3 0s e c o n d s ，t h ec e n t e rt e m p e r a t u r ei se q u a lt o t h e f r i n g et e m p e r a t u r e ，w h i c hi s1 3 0 ( 2 t h ei n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s u r f a c e q u a l i t ya n dd i m e n s i o np r e c i s i o na r ed i s c u s s e da n dg e tt h ep r o c e s sp a r a m e t e r s o p t i m i z e d t h ep r o d u c t sm a d eb yt h e s em e t h o d sh a v eg o o ds u r f a c eq u a l i t ya n d d i m e n s i o n p r e c i s i o na n d e x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h e ym e e tt h er e q u e s t s o f h u m m e r sf e n d e r k e yw o r d ：p p g m t , t h es q u e e z ef l o w , c o m p r e s s i o nm o l d i n g ，f e n d e r ，m o u l d f r a m e 武汉理工大学硕士学位论文 第一章前言 p p g m t ( g l a s sm a tr e i n f o r c e dp o l y p r o p y l e n es h e e t ) 复合材料是以连续玻 璃纤维毡或连续玻璃纤维针刺毡为增强材料与改性聚丙烯为基体复合而成的 一种片材。g m t 片材可通过压缩模塑( c o m p r e s s i o nm o l d i n g ) 制造较大、较轻、 形状复杂的部件，且尺寸稳定性好。因为g m t 成型制品仅需要物理加工， 所以生产周期短、生产效率高、成本低1 1 1 。另外，g m t 材料还是一种新型的 环保材料，物美价廉并可回收利用，在国外轿车中已大量采用，我国尚处于 应用开发初期阶段。 1 1 g m t 材料的特点 美国a z d e l 公司作为全球最大的g m t 片材生产公司，也是唯一一家干 法( m e l ti m p r e g n a t i o np r o c e s s ) 和湿法( w e t p a p e rp r o c e s s ) 两种方法都采用的公 司。该公司生产的g m t 种类齐全性能优异，产品冲击韧性和拉伸模量如 图i i 所示【2 1 。 f _ m h 咖_ c l i ”l 圈1 1a z d e l 公司g m t 片材的冲击韧性和拉伸模量 f i g 1 , 1t o u g h n e s sa n de l a s t i c i t yo f a z d e lg m tp r o d u c t s 通过与金属和其它塑料性能对比，g f l 材料具有如下特点3 1 ： 1 ) 可以制得轻质部件。g m t 的强度重量比值高，因而能在不牺牲强度和 韧性条件下大大减轻部件重量。它制成的部件比增强聚酯部件轻3 0 ，比钢 制部件轻5 0 ，约等于铝制件的质量。用在汽车上，长期使用可达到节能的 效果。 2 ) 制品生产效率高。g m t 用金属压缩模塑生产率很高，每件制品的生产 1 武汉理工大学硕士学位论文 周期为2 5 5 0 秒，比纤维增强热嗣性树脂模压制品的生产效帮商2 3 倍， 这样当大量生产菜琴巾郝终时，使臻g m t 材料可搜羯较少的模疑，扶丽使横 其成本降低，同时掇离了生产效率。 3 ) 嫩产成本低。g m t 的主体怒玻璃纤维毡和聚丙烯，它在单位体积成本 方面与s m c ( s h e e t m o l d i n gc o m p o u n d ) 大体相当，但它的抗冲击性好，模 塑焉期缀，模垂涮磊蘩本无溢辩( 繁密毒孝粉。绸魏，德国大众汽攀公司兹g o l f a 3 轿车前端托架使用p p g m t 材料制造，成本下降了1 0 t 引。 4 ) 优异的抗冲击憔。聚丙烯本身的韧性加上连续针刺毡的独特结构使榴 g m t 能缝受莛警致鑫攥挞瓣变形的冲鑫力。g m t 比大多数：i 叟夔誊模塑辩或掇 塑成型的塑料制晶受耐冲击。与s m c 褶魄，在成力砬变曲线的弹性变形部 分，它吸收冲击的能力几乎为s m c 的三倍。 + 5 ) g m t 材料为郝 牛的设计提供了灵活性。g m t 很易加工成型，可生产 邂各耱麓奢复杂形状豹瀚磊。奁菜黧浚诗孛霉菇辫骞麴疆菸援、糖瓣或凸螽， 一些功能性或装饰性材料可作为背村或覆盖薄膜在冲击过程中与g m t 一次 结合。 6 ) 多功能缱箨霹一次藏型。使麓g m t 霹搜一个帮 孛豹凡个凌糍邦分一次 成型并缭合在一起，因此与钢板冲艇成型比起来w 节省较多的模其成本，阕 时还免除了钢制冲联件所需的紧固、车削及修边簿工序。 7 ) 较宽的适用温度范围。在一般温度范围( 4 0 1 2 7 ) 内g m t 基本稳 定，嚣j 毙它可敬经受激低静室多 漩液窝菜些汽率郄俘在犟壳肉耩经受静鞍瓷 温度。 当然，g m t 材料也有很多不飓。g m t 材料妁s m c 相比，其抗张模量和 撬弯摸爨糕4 0 ，豢 交澎渥凌羝1 0 0 ，这遣疆测了g m t 在萦些较裹涅凄场 合下的使用。另夕 g m t 制品外观不如其它材料光滑，不适余制造外观装饰 性部件。 目魏，全世界生产g m t 的主爱厂商有美国a z d e l 公司、璐士s y m a l i t 公 司、德黧e l a s t o g r a n 公司、酲本静警部遗东证成、密竞n s g 公司、韩国静韩 华公司镩国内华东理工大学也能批量生产少擞的g m t 片材【5 l 。美国a z d e l 公司片材性能见表1 1 t 1 1 ，上海华东理工大学的片材性能见袭1 2 1 3 1 ，瑞士 s y m a l i t 公司荬冀孝葶校能翔表1 3 聚幂”i 。 。2 武汉理王火学硕士学撼论文 表1 1a z d e l 公捌千法片材灼媳型性能 t a b t l 。lt y p i c a lg m t p r o p e r t i e so f a z d c lc o m p a n y w i t hm e l t i m p r e g n a t i o n e 竺! ! 竺 玻蚪脯量密度鸯喃强弯曲模拉伸强拉伸横断裂伸冲击黼度热变形温 台蠢船捷t 霸3 褒獬弛囊船翔攫雕妇m c , 鲰妊率舷援l - m 。壤理 表1 2 上海挚衷理工大学于法嚣糖浆龚墼粳能 t a b 1 2 静p i c a lg m tp r o p e r t i e so f e a s t c h i n au n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y w i t hm e l t i m p r e g n a t i o np r o c e s s 玻料艟量禽密痊碍抽强穹曲横挝伴强拉仲糖 蕲袈伸冲带繇班热变形温 羹辩堆- e 舻挪鹾魏重翦h廉瓶襁耋皤h聂摩辫船t 舻摩 表1 , 3s y m a l i t 公司手法片材的熊型性能 t a b + 1 。3t y p i c a lg m t p r o p e r t i e so f s y m a l i tc o m p a n y w i t hm e l t i m p r e g n a t i o n p r o c e s s 密廑雄瓶强弯曲模 盘忡强拉伸模薰断裂伸冲由戳窿热变形温 姑弩 难丽。袭棚孙垂怒h壤黼羚怒j 隐 狡攀隈磊嚣瘥愆 g m t 材辩的一个重要特点蹙w 皤收利用，现已以批量叟产的规模在汽车 中进行试验，并已取得了良好的效粜。方法大体如下：对回收的g m t 部件 遴器翔煞，霉摸压残鞠昝矮量鲍辩类韶箨或其窀类型罄 孛，髓其重复摸题蹲 3 武汉理二c 大学硕士学位论文 次而不会明显降低性自【6 l ，但若重复利用4 次以上，则性能会宥较大下降。 另努，对涸彀豹g m t 进蠢粉薅可剿戏g m t 耪糕藏g m t 粒糕，这秽粒拳喜黪 常类议予标准注塑辩，可用作注辍椭或挤出税的艨辩。在g m t 制造过程中， 通过g m t 粉料或粒料取代部分p p 和玻璃纤维毡来制作g m t ，其材料性能 如表1 4 所示。回收g m t 料的加入量在l o f 质量分数) 以下时，不会影响 g m t 豹蕊工毪熊菠静态帮动态毪麓。霞浚g m t 在3 溉滠鬃分数) 骧下露， 不会影响其基本性能p i 。美国g ep l a s t i c s 与p p g 合资生产的a z d e ig m t 已用 于j a g u a r3 0 0 车的保险杠，废弃保险枉经回收与g m t 新材料按2 0 ：8 0 的比 铡掺混锼趱，蛙能元鞠显下降蹲l 。 表1 4 含回收利用料的g m t 材料性能 t a b , 1 4t y p i c a lp r o p e r t i e so ft h eg m tw i t hr e c y c l e dm a t e r i a l s 玻鲜囊重密鏖銎牧翱蔫撞捧强瘫控捧横重壤袋捧嫒 冲毒强度 蘩强 音量，幢c m g m t 纛mm l ag p l率， k j - m 。 1 2 囡内外g m t 材料的应用 由于g m t 材拳荨舆畜上述诸多优点，所以墩界各丈汽率公司纷纷看好 g m t 楗糕，因两蠡6 0 年代出美国p p g 公司嚣发裁功、7 0 每我燕式投产戳来， 随着其嫩产、加工技术的不断完善，在汽车领域中的应用不断扩大。2 0 0 1 罐 全世界g m t 产量约为1 5 万吨，其中欧洲总量达9 万吨( 德国占8 2 、法国占 7 ，美嚣g m t 年产爨这5 万蟪h 1 。泰臻耀长窭荚国蔑1 0 ，敬溯为1 5 毅 上。全世界g m t 的燕要应用去向怒汽车零部件，9 0 在轿车上。采用g m t 材料的主要车型有祸特、梅塞克斯、宝马、奥迪、高尔夫、波尔舍、捷豹等， 例如韩鞠现代轿车有9 个部 牛采用7 - g m t 材料。髫翦使髑巍轿车上的零郏 串有8 0 0 多释，主要霄发动辊攀、仪表板雷黎、饕毫淹撬絮、瘫稳雷架、赣 车前端模块、保险杠、行李架、备胎盘、挡泥扳、风扇叶片、发动机底盘、 车顶棚树架等。 致溯g m t 案l 圣# 汽车壤蘩穆豹焉量魏占汽攀蒽矮萋豹2 8 ，g m t 褒 一4 武汉理工大学硕士学位论文 椅壳体占g m t 欧洲汽车用量的2 0 ，g m t 发动机隔噪罩约占g m t 在汽攀 憩弼曩匏2 0 。在美灏，g m t 已广泛翅子摸剩汽车探险桎。骢在则发震为由 数屡肇向g m t ( g m t - v d ) 缀成健自鬓好的单向僳除枉，这种保险枉在低溢下 也具有良好的刚度、能量吸收及故障自动保险，性能优良，质爨较轻。可按 制品性能要求进行模制，满足主要斑力方向上的商网4 度和高强度要求。 我黧对g m t 豹磷究起步较浚，虽宅毒疆窕袋栗阕毽，壤舞正投入实鼯 应用的却甚少。其中最主要的原因魑研究试制规模较小，g m t 片材质量不稳 定，无法形成一定的批曩提供给汽率生产商试用【9 】。根据国内汽率材料对g m t 豹鬟求，露家瑗纾院耱华东理工大学联会承担了溪家8 6 3 课磁“绎维增强热 塑侄片树关键技术和成型工艺”，童趱是送行轿车新材料豹应用开发。经过“丸 五”期间的研究攻关。突破了g m t 基材连续针刺毡和聚丙烯改性、界面、 复合和铡晶开发等关键技术，成功她研制出国产化的g m t 片树，建立了中 试生产线，产螽力掌魏麓这弱窝舞溺类产菇承平，霹鏊瀵跫汽笨零徉匏耪髓 要求。建成了年产3 0 0 t 的g m t 玻纤针刺毡及年产2 0 0 t 的g m t 片材生产 线，具铸了各项研究试验和批量生产片材的手段。 在我鬻，g m t 耪瓣在汽车上鹣藏溪菇1 鄹嚣起步。摄了瓣，上海大众豹糖 萨特b s 型轿车的前端、底板衬里、发动机罩壳。舆遭a 6 轿率的发动枫罩壳， 北京切诺基吉普车的厢座椅骨架都采用了g m t 材料。目前，汽轻卡的甥 驶室嬲蹒扳已经采用了国产g m t 材料，月装车爨约为1 0 0 0 余襄，使用效果 受好。 由于g m t 材料的性能优异，随着我国汽车材料性能要对乏的日益提高， 许多率型将越来越多地应用g m t 作为结构材料，其应用前景十分广阔。 1 3 g m t 复杂_ 产品歪缩模塑成型工艺研究 g m t 产品压缩模塑成型工艺拳要有两种i j o j ：围态冲压成型和流动态冲聪 成型。潮态冲疆成型的工艺过程楚将g m t 专季料剪切成坯料，然后在加热器 蠢麴热弼低予糖流态( 熔点) 澄度t 0 2 0 c ，敬入模其蠹，浚遥翔压，奁粥 模具内冷却脱模褥经修边成制晶。特点是：成型制晶形状简单、周期黼、 成型压力小。流动态冲压成型是先将和制品质爨相同的坯料馘翦为一定的尺 寸，在皴热爨内热热翻裹予撼鬻爝患瀑疫1 0 2 0 c ，藏入摸其内，快速麴疆， 武汉理工大学硕士学位论文 迫使熔融态的坯料流动并充满模腔，冷却定型后脱模成制品。流动态 冲压成型可以制备形状复杂和带埋设件的制品，一般制品成型多采用这种工 艺。 1 3 1p p g m t 片材流变行为的研究 研究g m t 材料在压缩模塑过程中的流动对于节省时间和花费是很有意 义的这就要求对材料在模具中的 流动行为的细节有足够的了解。对 于材料工艺的研究，我们的首要任 务是要确定材料的流变学参数。但 是由于g m t 材料中含有连续玻璃 纤维毡，毛细管流变仪和旋转粘度 计不适合直接测量其流变学参数。 图1 2 模板挤压试样示意图 挤压流动技术( s q u e e z e f l o w f i g 1 2s c h e m a t i cs h o w i n gt h eg m tt e c h n i q u e ) 常常用来作为对g m t 8 p 。0 1 “。“b 。”。“t h et w o “。“1 dp 1 8 。8 材料压缩模塑的流变学性能的测 试技术，实验示意如图1 2 所示。这是因为该实验简单，和制品的压缩模塑 过程很相似，并且对于连续纤维毡增强的材料是很方便的。这个技术的主要 困难在于实验过程中很难限制边界条件。 1 3 i i 边界条件 对于挤压流动过程中的边 界条件的研究最早是关于 s m c 的挤压流动，并且依靠实 验结果建立了流动模型。 b a r o n e 和c a u l k t l l , 1 2 】建立了适 合s m c 的光滑挤压模型。 h i b e r ”1 等建立了通用 h e l e s h a w 模型这两个模型 图1 3 挤压流动示意图 都假设流动过程中坯料为均匀( a ) 纯剪切流母；( b ) 纯拉仲流动 f i r 1 3s c h e m a t i cd r a w i n g s h o w i n g 变形，从而导出关联应力应变( a ) t h es - h o e - a r i n gf l o w ( b ) t h ep u r ee x t e n s i o nf l o w 6 - 武汉蠼工人学硕士学位论文 的方程。他们的不同之处在予：通熙h e l e - s h a w 模型通过曩级比较，忽略坯 辩簿度方向上瀚速度，穰设舔聱 在模其上下袈蠡嘉存在j # 滑动静迭界条份；光 滑挤压流模型是随s m c 出现而发展起来的活塞模型，它认为在坯料厚度方向 上，由于有网状增强纤维，困面不存在剪切变形，并且坯料在模具上、下壁 甏鬻黻溪动，势g | 入了摸吴袭覆楚戆瘴擦鬃数。g m t 成型秘s m c 成熬懿一 个主要区剐就戆充模时的传热，s m c 是坯料被加热，而g m t 则是坯料被冷 却。 当藏，对g m t 蛇硬究仿照了鼹s m c 模蹑过程的磺究_ 弗取褥了不少成果。 k o t s i k o s 疆l 等重赢研究了p p g m t 耱辩滚麓行为豹特鬣，调查了在瑟缩摸塑 过程中的边界条件，描述了材料等温挤压流动实验的初步结果。认为g m t 的挤压流动或者怒纯粹的拉伸流动( t h ee x t e n s i o nf l o w ) ，此时滑动完众发生 在乎援表瑟；袋密是缝罄豹赘韬濑( t h es h e a rf l o w ) ，_ l 魄露乎叛表嚣滤髂匏 速率为零，如图1 3 所示。以幼量本构方程为基础，使用s c o t t 方程对熬个圆 形谳积上的积分得到了这个剪切力，推导出了p w g m t 材料的挤压流动模型， 和实验揍压流动豹结果( 不阁浆按压速率) 避霉对比，确定7 在按压_ l 霪程中 占统治遣餐驰流劝是拉律流动。m i c h a e l i 0 5 】簿辩压缩模望避程骰了一个露意义 的研究，认为挤压流动在平板液面不完全怒滑动，挤压力是剪切力和撒伸力 的和。因为认为剪切力是由在平板上的滑动产生的，拉伸流动作为一个次要 懿颡素。在该矮磺巍中，蓉酶了透雾条锌，掰骧缀难译徐这令王孬。 为了避免边界条件的复杂性和考虑中间滑动条件，d w e i b ( i q 等在研究中 使用光滑的模扳和不光滑的模板，把挤压实验分为两种炎型； a ) 不光瀵搂投( n o n 1 u b r i c a t e dm o u l dp l a t e s ) ：试戈在诧条传下接压滚渤是在 乎投表面的拉伸流动和剪切流动的复合。模板表面没有 滑动( ”f ；- o ) 。 b ) 光滑模板( 1 u b r i c a t e dm o u l dp l a t e s ) ：认为此条件下挤压流动完全鼹发生 税警援表面的拽伸流动( t h ee x t e n s i o nf l o w ) 。 1 3 1 2 揍莲流动模鍪 在早期的研究中，把g m t 物料在压缩模塑过程中的流动行为作为各向 同性的牛顿流体来分析。但照d w e i bm a 等在研究中1 1 6 ，”l 的实验结果摄示： g m t 耪辜毒在挤逶浚磅过程中令方岛毖勇一令方起流动褥更远，圆形戆试样 变成了椭圆形，如图1 4 所示。这祥，g m t 材料的流动必须用两个流动精度 武汉理工大学硕士学位论文 1 k 和y 来描述。采用横向的各向同性的牛顿模型( t r a n s v e r s e l yi s o t r o p i c n e w t o n i a nf l u i dm o d e l ) 可以预测两个不同的粘度。d a v i s t 8 1 等通过使用流变 仪来测定不同树脂基体g m t 的二轴拉伸粘度，研究了g m t 的流变学行为。e r i c s s o n 1 9 】也报 道了图1 4 的形式，但是研究 集中在椭圆的两个直径，没有 考虑挤压速率的影响。 g o s h a w k l 2 0 】等研究了连续 纤维毡增强的复合材料的流动 行为。在这个研究中，讨论了 材料流动的各向异性，发现纤 维方向的拉伸流动速率比起垂 图1 4 试样挤压流动后椭圆形示意图 f i g 1 4s c h e m a t i co ft h es p e c i m e nb e f o r ea n d a f t e rs q u e e z i n gs h o w i n gt h et w oa x e so f t h e e l l i p t i e a l l yd e f o r m e ds p e c i m e n 直方向的拉伸流动要大很多。认为材料是包含空洞的牛顿流体，并且发展了 一个有限元的方法来解决这个问题。 k o t s i k o s 1 4 1 根据上面的两个边界条件，对于纯剪切流动( p u r es h e a rf l o w ) 采用能量本构方程，由h e l c s h a w 模型出发，导出了总挤压力与材料粘度参 数、板半径r 、挤压速度u 、和瞬时模板间距厚度h 的关系如下： = p 学，和 m - ， 对于纯粹的拉伸流动( p u r ee x t e n s i o n f l o w ) ，导出了总挤压力为： 瓦，= 砍z 4 曲) ” 0 - 2 ) 在d w e i b l 2 1 1 的最近的研究中把挤压流动过程中聚丙烯和纤维毡的混合物 的熔体作为各向异性的非牛顿流体来分析，和实际情况更加接近。在流动中， 开始假设纤维含量是不变的。借助于平板的挤压速率，发现纤维和基体之间 产生了分离。对于剪切流动，推导出总挤压力为： ，：( 塑尘乌m 譬；( 争气罢) m ( 1 - 3 ) t nh l 3 r i 把g m t 材料的挤压流动看作是拉伸流动，考虑到平面上x ，y 两个方向 ，8 - 武汉理工大学硕士学位论文 上粘度不同的情况，建立了拉仲粘度模型( e x t e n s i o n a lv i s c o s i t i e sm o d e l ) ，推 导出总压力应力为： n i 一仃删“= m l ( 2 ( 2 - i - + ) ) 2 ( 屯一气) ( 1 - 4 ) 方程l _ 4 可以解释在一些研究中，材料在挤压流动过程中圆形的试样变 成了椭圆的现象，和实验数据符合很好。 研究者的工作表明：g m t 材料在挤压流动过程中，实际的流动形式可能 是介于纯剪切流动和纯拉伸流动两者之间的中间形式，也有可能随挤压过程 的进行流动形式发生变动。但是，拉伸流动起主导作用。 1 3 2p p g m t 压缩模塑成型工艺的研究 p p g m t 制品的压缩模塑成型主要分为以下几个步骤：片材预热熔融布 料设计合模赋形冷却定形等几个环节。各个环节对制品的最终质量均有不同 程度的影响。压缩模塑过程是一个非等温过程，准确的模拟需要解决动量和 能量方程的耦合问题。p p g m t 压缩模塑过程中的工艺条件对制品力学性能 的影响尚缺乏较为系统深入的研究，报道研究玻璃纤维增强聚丙烯制品成型 工艺条件是不常见的。 1 3 2 1 预热熔融 p p ，g m t 成型前必须将材料加热到熔融状态。由于高聚物p p 热导率低、 传热慢，而且会发生热降解或热分解，所以要限制加热温度和加热的时间。 寻求更高的熔融速率和均化的熔融质量，是材料预热方式的目标。对于 p p g m t 材料的预热常采用红外线辐射加热。朱永全f 矧等较为系统地研究了 热塑性复合材料g m t 片材的预热过程，对热板接触、热空气对流及红外线 辐射加热过程进行了对比实验研究。研究表明：热空气对流预热的升温速率 虽较慢，但是片材内部温度梯度很小，可加工区间较宽，便于控制。 1 3 2 2 合模赋形 把经预热的p p g m t 板材部分覆盖或全部覆盖在模腔上，然后由凸模挤 压流动成型。在合模过程中，熔融的g m t 材料在挤压力的作用下流动充模。 物料的流动状态是低剪切速率的流动充模，充模的流程不大，流速不高。g m t 片材的充模流动行为由于纤维毡的引入而变得复杂，纤维会随熔融树脂一起 流动，但是流动速率不同。毡及纤维的流动行为决定了制品中的纤维分布， 9 - 武汉理薯大学硕士学幢论文 玻璃纤维毡与基体襁流动过程中套闳分离而出现树脂及纤维的富集区，造成 潮晶各个方舄土力学缝戆麴差冥，势健潮燕发生翘涵彝变形【2 3 粕l 。另辨，镱 坯在裁杂登腔孛懿滚渤会更魏美黎，在菜方两上魏瀛魂变形，霹姥 l 其它方 向更太。这就需要根据制品形状，阁数值技术进行流动分析。 l 。3 2 。3 冷却固化 黧瓣热工最终簧获褥瑷鬣虽稳定翡裁菇，澍赫在摸整肉戆冷颦遘霾燕在 保压状态下进行的，冷却时问是个很重要的工艺参数。冷却过程对制品盼 力学性能、尺寸稳怒性、表面质燃镣均有较大的影响。塑料件从加工温腋冷 却裂塞瀑，冷帮速率越羝，湛蓑残余瑾力越枣，对提蹇涮菇内在囊量寿剽。 毽是。避长的冷熹 辩蛔是生产效率掰不竞诲静。秘造过程酶效率决定了它翡 可行能，通过减少冷却的时间可以提高效率。然而最终产品的质量必须彳导刘 保证。 按臻产鑫兹囊爨，鸯嚣夸标悫：一是残余癍力鹣瘩平，二是基蒋静缀鼹 度。出予传热系数的溅异，热热中使产品内部产生了稆当大的残余应力。翳 外，冷却过程中制晶厚度方向j ：的温度梯度的存在也是残余应力产生的一 夸嚣素。当产茹魏不鼹豁短经薅不丽翡曩度交纯翦壹；会产生不麓熬变形。蕊 冷却露纯过程中，羧余应力孳l 越祥雉的取向交纯帮魏陈酶形戒，扶雨降低强 度、产，主横向缺陷和造成纤维和树脂基体的分朦，对制品的性能产生不利的 影昀1 2 5 0 6 1 。 娄嬲蒜获熔融靛态冷帮靖，缱薅发生在玻璃诧转交瀑囊之上。蓥赣鹣绻 晶影响产品的强度，而寸疲劳性和冲击性能1 2 7 瑚l 。降低冷却遮率，基体的缩黼 程度增加，提高了横激。相反，快速冷却会降低材料的模爨、强度，但题制 毪黎戮挺巍。j o h nw i l e y 蠢s o n s ! 雏 莰隽冷却逮率影穗了蕊棒楗爨熬整菇形 态，影瓣纾维帮树滕之间界面的徽瓣结梅，获商对材糙的宏端瞧能产生影穗。 e r i c s o n a 2 】研究了p p o m t 材料的腿缩模塑过程，考察了模压工艺条件对制鼎 中p p 绻菇度豹影购。y o u s s s f 翮d e n a u l d 3 3 l 等研究了g m t 蕊铡割品过程中 残余疵力藉露簿灵寸的交娆，燕接导察瞎薹豁缝能菇基馥静滠痰结鑫蒺型髑 来获得热压力分析的结果。使用了有限元对等瀚粘弹性的和横切等方弹惋横 型进 亍了分析，结果鼹示：如果邋过试样的温度是均衡的，弹性材料模型预 富嚣簿尺寸骜改变怒蠢效熬；趣楚磐果遗废不均德，模型不靛有效熬颈测残 - 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 留应力和几何尺寸的改变。不足的是很多研究中都没有考虑冷却开始时片材 厚度方向上的温度梯度。f a z i l i 1 在研究中考虑了冷却开始时片材厚度方向上 的温度梯度，并建立了一个合理的冷却制度，在最大允许的残余应力和结晶 程度内，降低冷却固化时间以提高效率。 热塑性g m t 片材由于熔点较高，在冷却过程中经历了相当大的温度变 化，这样确定模具的初始温度、冷却速率和开模温度是很重要的。模具冷却 系统的设计，首先是要提高冷却效率，同时要保证模具内塑料件均匀一致地 冷却，不均匀的收缩和残余应力会使固化后的塑件产生翘曲变形。另外，针 对p p g m t 为结晶型树脂基复合材料，为了使制品尺寸稳定，就必须使制品 在模内厚度方向上的温度一致。这样结晶在模腔内达到了平衡，不会在存放 和使用过程中由于树脂后结晶而引起制品尺寸和力学性能的变化。 1 4 本文研究的目的和意义 随着我国汽车工业的发展，越来越多的零部件会选用g m t 材料。由于 起步较晚，对g m t 材料的流动性能及成型工艺的研究应用才刚刚起步。国 产悍马军车挡泥板选用g m t 材 质，它由三个相互垂直面组成。 产品的厚度仅为3 r a m ，但是长度 达到了约6 0 0 m m ，在模具中的垂 直高度差将近2 0 0 m m ，特别是其 中一个吊耳宽仅2 5 m m ，但是长 度却有1 6 0 m m ，形状很复杂，如 图1 5 所示。对它的成型，需要 对g m t 材料的挤压流动性能和 图1 s 挡泥板示意图 热传导性能有足够的了解。 n g 1 58 。“。“8 。0 f “。0 9 3 “。8 r d 本文研究的主要目的是：1 、结合国产悍马军车挡泥板产品的研制，对 g m t 材料的流动、热传导性能进行研究，为实际工作提供指导；2 、根据国 产悍马军车挡泥板的结构特点和性能要求，确定模具的设计，制定合理的成 型工艺参数( 温度、压力制度等) ；3 、压制出满足设计要求的产品。 塞婆篓兰銮堂堡兰三鲎垒煎；塞； l 。s 本文戆研究内容 1 ：s 1 p p g m t 羚材挤压流动行为酶研究 选爆美国a z d e l 公司生产的g m t 片材，采用辚压流麓技术对耪料的流变 行舞避嚣骄究。逶避灏鲎不粼含耩速率下鞠挺力囊纯，分舅# 疲麓拉秘糨瘦瀵 燮( e x t e n s i o n a lv i s c o s i t i e sm o d e l ) 和纯剪璐流秘禳型( s h e a rf o r c em o d e l ) 辩 数搬谶行分析，研究g m t 材料按压流变钳为；同时对片材拚压流动聪纤维 努器辫壤凝逡簿调鸯，疆完了压力、i 曩凄辩缓缭势枣翁影酾。 l 。s 。2p p f g m t 麓材热俺蓦憾髹分糯 对p p g m f 热鼹鼯性能进簿研究，通 建模型模拟材料在模腔内的冷却情 魏，讨论冷却邋程串摸其溢魔对产驻霉凄方淘上湛瘦交健瓣影璃。 1 s ，3 国产悌马举车压缩穰黧成型羔蕊研究 羧鼷产晶特悫，凑定会瑗魏模鬃设诗，势黠p p g m t 蠛璺疆产弹舄霉攀 爨溺叛产鑫翡工蕊涮发逶嚣了磷究。戳基铡残璎搀嚣投产燕为嚣舞，聚焉枣 模舆，研究温度工艺制度对树料的力学性熊( 弯曲强度) 、表黼质量的影响， 确定难确的工艺参数。 m1 2 - 武汉理= l 二大学硕士学锭论冀= 第二章p p g m t 压缩模塑流变行为研究 g m t 蠲品压缩模塑成登有戳下特点：1 、产赫多为薄壁释，淳度尺寸遴 小于平耐尺寸；2 、成魁过程中充横时间很短，可认为是等温过程：3 、成测 过程只发生物理变化镣。最近l o 年米，许多研究港对g m t 材料的流变行为 遗葶亍了不麓夔搽素，德国手瓣瓣熬终毒奄襄实验条释不霾，获德鹣滚变学孬受 有差异，还无一个通厢的讨算方法p ”。 根据工艺过程的特点，为了简化模拟的复杂能，可作下面撼本的假设( 栩! 面坐标巾流动示意如强2 ，1 所示) ： 图2 1 挤压流动实意图 f i g ，2 ，1s c h e m a t i cd r a w i n gs h o w i n