工藝參數(shù)對水輔注塑彎管壁厚的影響

劉旭輝,黃漢雄

(1.長江大學(xué)機械工程學(xué)院,湖北荊州434023;2.華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院,廣東廣州510640)

工藝參數(shù)對水輔注塑彎管壁厚的影響

劉旭輝1,黃漢雄2

(1.長江大學(xué)機械工程學(xué)院,湖北荊州434023;2.華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院,廣東廣州510640)

利用華南理工大學(xué)自主研發(fā)的注水系統(tǒng)和水輔注塑彎管模具,研究了熔體溫度、模具溫度、注水延遲時間、熔體注射量、注水壓力、注水溫度、熔體注射速率和熔體注射壓力等8個水輔成型主要工藝參數(shù)對聚丙烯制品壁厚偏差率的影響,并分析了影響機理。結(jié)果表明,部分工藝參數(shù)對于制品彎曲段的壁厚偏差率有影響;增加注水延遲時間,降低注水壓力和模具溫度,短射填充區(qū)的制品壁厚的偏差率有所減小;提高熔體溫度,壁厚偏差率的波動幅度增大。

水輔成型;工藝參數(shù);彎管;壁厚

0 前言

水輔成型是一種新型的生產(chǎn)中空或者部分中空制品的注塑技術(shù),水輔成型的原理與氣輔成型基本相似。水輔成型除了具有可降低制品內(nèi)應(yīng)力、減小或消除翹曲、避免凹痕、節(jié)省原料、減小注塑機鎖模力等氣輔成型的優(yōu)點外,由于水不可壓縮、能夠在制品內(nèi)部直接進行冷卻、價格低廉,可以制造壁厚更薄、更均勻、表面非常光滑的中空制品,使塑料制品的設(shè)計和制造更為方便,更加節(jié)省原料,進一步縮短成型周期和降低成本[1-4]。水輔成型技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛,已在以下領(lǐng)域得到應(yīng)用:汽車工業(yè)如把手、扶手、離合器踏板、介質(zhì)導(dǎo)管、門柱等;運動休閑行業(yè)如室內(nèi)曲棍球棒、高爾夫球棒等;辦公用品如辦公椅的把手和靠手、復(fù)印機和打印機的輸紙輥等;家用電器行業(yè)如洗衣機和洗碗機的介質(zhì)導(dǎo)管、連續(xù)熱水器、把手等[5]。

盡管水輔成型技術(shù)優(yōu)點很多,但是決定彎管制品品質(zhì)的重要因素——壁厚分布卻不均勻。Liu[6]和鄧志武[7]等對彎管壁厚進行了研究,但是目前未見較詳細(xì)研究工藝參數(shù)對彎管壁厚影響的報道。本文通過改變工藝參數(shù),對彎管制品壁厚偏差率的變化規(guī)律進行研究。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚丙烯(PP),J501,中國石化廣州股份有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

本文所用的注水設(shè)備由黃漢雄教授帶領(lǐng)的研究團隊自主研發(fā)和改進,該設(shè)備主要由高壓水產(chǎn)生與輸送裝置、注水噴嘴和控制器等組成,并與注塑機、模具溫度控制機、水輔助用模具等構(gòu)成水輔成型系統(tǒng)[7-9],如圖1所示。

圖1 水輔成型系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of water-assisted injection molding system

水輔成型系統(tǒng)的工作原理如下:首先熔體以一定注射壓力填充部分模腔,完成注射熔體的同時,由控制器給注水系統(tǒng)發(fā)出信號;隨后注水系統(tǒng)通過模腔里的注水噴嘴向熔體內(nèi)部注射高壓水,推動熔體充滿模腔成型中空制品;再通過注水進行保壓、冷卻;最后開模取出制品。

注水系統(tǒng)主要實現(xiàn)水輔成型過程中的注水、二次充填模腔、保壓和冷卻功能。注水系統(tǒng)工作時,首先將過濾后的自來水注入水箱中,并由安裝在水箱內(nèi)的加熱裝置將水加熱;當(dāng)水被加熱到設(shè)定溫度后啟動高壓泵將水箱中的水送到蓄能器內(nèi)存儲起來,當(dāng)蓄能器內(nèi)的水壓達(dá)到設(shè)定的壓力后水泵停止工作;當(dāng)控制器檢測到來自于注塑機的脈沖信號后開始計算注水延遲時間,延遲時間達(dá)到設(shè)定值后便打開蓄能器和比例減壓閥,并控制減壓閥開口開啟到設(shè)定的開度,使經(jīng)過減壓后的水壓力與所設(shè)定的壓力一致,同時啟動高壓泵繼續(xù)往蓄能器內(nèi)補充高壓水;當(dāng)高壓水被注入熔體內(nèi)部并保壓一段時間后關(guān)閉比例閥。此外,當(dāng)蓄能器的壓力達(dá)到設(shè)定值后停止高壓泵的工作并關(guān)閉蓄能器出入口。

模具結(jié)構(gòu)如圖2所示,注水噴嘴安裝在靠近澆口的位置,成型的制品形狀為彎形圓管,外徑為18 mm,制品長度為387.5 mm。

圖2 水輔注塑彎管模具示意圖Fig.2 Schematic diagram of the mold for water-assisted injection molded curved tube

1.3 加工參數(shù)

本文選擇8個工藝參數(shù):熔體溫度、模具溫度、注水延遲時間、熔體注射量、注水壓力、注水溫度、熔體注射速率和熔體注射壓力,用多因素輪替的實驗方法分別對這些工藝參數(shù)進行獨立考察,研究它們對水輔注塑制品壁厚的影響。工藝參數(shù)如表1所示,其中注水延遲時間5 s,熔體溫度190℃,模具溫度30℃,注水溫度30℃,熔體注射速率30%,熔體注射壓力30%為基本參數(shù)。

表1 實驗因素水平表Tab.1 Factors and levels selected for the experiment

1.4 彎管壁厚的測量

制品被鋸開后如圖3所示,由6個平直段和5個彎曲段構(gòu)成,分別用A～K標(biāo)記,可以看出,彎曲段外壁壁厚大于內(nèi)壁壁厚。由于A和B區(qū)靠近注水口,有射流穿透形成的擴展水道和水流岔道干擾;I、J和 K段在水道末端,改變工藝參數(shù),該3段成為積料的變化區(qū),所以對上述5段的壁厚偏差率不進行研究。本文只對C、D、E、F、G和 H 段進行研究。

圖3 水輔注塑制品縱截面照片F(xiàn)ig.3 Profile section of the water-assisted injection molded parts

如圖4所示劃線,鋸開,清理毛刺后測量壁厚,測量位置如圖4所示,D1、D5、F1、F5、H1和 H5位于平直段與彎曲段的相切位置,在此將它們標(biāo)記入彎曲段。測量壁厚Win、Wot,如圖5所示,按式(1)計算壁厚偏差率[10]。

圖4 彎管壁厚的測量位置Fig.4 Positions for measuring wall thickness of the curved tubes

圖5 彎管壁厚的測量Fig.5 Measurement of wall thickness of the curved tubes

壁厚偏差率

式中 Wotij、Winij——分別是各組實驗中第 j個制品的i位置的壁厚

n——樣本數(shù)

2 結(jié)果與討論

從圖6可以看出,總體上,注水延遲時間對壁厚偏差率的影響不是很顯著;但是在彎曲段D和F入口的后段(即D2～D5、F2～F5),壁厚偏差率隨注水延遲時間的增加而略有減小。需要指出的是,注水前,短射制品的末端在F4與F5之間,由此可以看出,隨著延遲時間的增加,短射填充的彎曲段內(nèi)壁熔體的高黏度區(qū)和固化層增厚,導(dǎo)致高壓水在彎曲段的穿透向中心軸線偏移,從而減小了壁厚偏差率。由于彎曲段H的熔體是水輔助填充的,延遲時間對其幾乎沒有影響。對于彎曲段入口D1和F1,由于受水在平直段穿透的影響,受到彎曲段阻力的影響小,所以水在彎曲段入口的穿透特征與平直段相近,延遲時間對其壁厚偏差率沒有影響。

圖6 注水延遲時間對制品壁厚偏差率的影響Fig.6 Effect of water injection delay time on the difference of residual wall thickness of the curved tubes

從圖7可以看出,注水壓力對壁厚偏差率的影響不是很大;只是在彎曲段D2～D4、F2～G,壁厚偏差率隨注水壓力的增加而略有增加。因為增加注水壓力,水穿透速度提高,水前緣靠近模腔彎道內(nèi)側(cè)的穿透使模腔彎道內(nèi)側(cè)附近的熔體剪切速率更大,使水更偏向模腔彎道內(nèi)側(cè)穿透,壁厚偏差率有所增加。增加注水壓力對 H2～H4壁厚偏差率影響不大,這段彎曲段內(nèi)壁的熔體很薄,一般不大于1 mm,說明水的穿透已靠近內(nèi)壁固化層,在一定范圍內(nèi)增加注水壓力對固化層影響不大。

圖7 注水壓力對制品壁厚偏差率的影響Fig.7 Effect of water pressure on the difference of residual wall thickness of the curved tubes

從圖8可以看出,在 F5之前,提高熔體溫度,制品壁厚偏差率的波動幅度隨之增加。其原因是,對于短射填充的熔體,熔體溫度越高,模腔彎道內(nèi)側(cè)的熔體黏度相對較小,水更偏向模腔彎道內(nèi)側(cè)穿透,導(dǎo)致內(nèi)壁壁厚減小,壁厚偏差率增大;水前緣接近平直段時,彎管阻力逐漸減小并消失,由于熔體黏度小,水前緣容易擴展,水前緣大幅度地擴展,導(dǎo)致外壁很快減小,壁厚偏差率變化幅度大[11]。熔體溫度對 H2～H4壁厚偏差率影響不大,原因是水的穿透已靠近內(nèi)壁固化層。

圖8 熔體溫度對制品壁厚偏差率的影響Fig.8 Effect of melt temperature on the difference of residual wall thickness of the curved tubes

從圖9可以看出,增加熔體注射量,壁厚偏差率在F4之前沒有明顯的變化,在 F4之后,增加熔體注射量,壁厚偏差率有減小的趨勢。

圖9 熔體注射量對制品壁厚偏差率的影響Fig.9 Effect of short-shot size on the difference of residual wall thickness of the curved tubes

從圖10可以看出,模具溫度升高,D1～D5、F2～H1的壁厚偏差率有一定的增大。模具溫度對其他管段壁厚偏差率的影響不明顯。

圖10 模具溫度對制品壁厚偏差率的影響Fig.10 Effect of mold temperature on the difference of residual wall thickness of the curved tubes

從圖11可以看出,水溫的改變,對壁厚偏差率的影響較復(fù)雜。兩種水溫下的壁厚偏差率在D1～F1之間幾乎相等;但對于 C1～D3、H2～H4,壁厚偏差率隨水溫的升高而增大;而 F2～H1之間的壁厚偏差率隨水溫的升高而減小。

圖11 注水溫度對制品壁厚偏差率的影響Fig.11 Effect of water temperature on the difference of residual wall thickness of the curved tubes

從圖12可以看出,熔體注射速率的改變,對壁厚偏差率幾乎沒有影響。雖然提高熔體注射速率,可以維持熔體在模腔有較高的溫度,使熔體黏度較低,但是注水延遲時間減弱了注射速率高的影響,所以熔體注射速率的影響不明顯。

圖12 熔體注射速率對制品壁厚偏差率的影響Fig.12 Effect of melt filling speed on the difference of residual wall thickness of the curved tubes

從圖13可以看出,熔體注射壓力的改變對壁厚偏差率幾乎沒有影響。

圖13 熔體注射壓力對制品壁厚偏差率的影響Fig.13 Effect of melt filling pressure on the difference of residual wall thickness of the curved tubes

3 結(jié)論

(1)增加注水延遲時間,降低注水壓力和模具溫度,彎管中短射填充的彎曲段的壁厚偏差率有所減小;

(2)提高熔體溫度,短射填充的彎管壁厚偏差率的波動幅度增大;

(3)改變?nèi)垠w注射壓力和注射速率對壁厚偏差率影響不明顯。

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Effect of Processing Parameters on Wall Thickness of Water-assisted Injection Molded Curved Tubes

LIU Xuhui1,HUAN G Hanxiong2
(1.School of Mechanical Engineering,Yangtze University,Jingzhou 434023,China;2.School of Mechanical&Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

The effects of eight processing parameters on the residual wall thickness of water-assisted injection molded parts were investigated.The processing parameters were melt temperature,mold temperature,short-shot size,water injection delay time,water pressure,water temperature,melt filling speed,and pressure.The experiments were carried out on a lab-developed water injection system and a mold with curved circular pipe cavity.The material used for the experiments was polypropylene.It was found that some processing parameters had effects on the wall thickness invariance of the curved sections.When the water injection time increased and the water pressure and melt temperature decreased,the wall thickness invariance of the short-shot filling section reduced.The wall thickness invariance became larger with increasing melt temperature.

water-assisted injection molding;processing parameter;curved tube;wall thickness

TQ320.66+2

B

1001-9278(2010)07-0064-05

2010-04-12

聯(lián)系人,liuxuhui1966@gmail.com