水輔與氣輔成型殘余壁厚的對比研究

陳英龍，周 華，張增猛，孔虎子

（1．浙江大學流體傳動及機電系統國家重點實驗室，浙江 杭州310027；2．大連海事大學船舶裝備研究院，遼寧 大連116026）

0 前言

隨著塑料制品的廣泛應用，介質輔助成型技術得到越來越多的關注，而作為介質輔助成型最為重要的兩種技術手段——水輔成型及氣輔成型技術也得到了許多學者的廣泛關注［1－3］。氣輔成型技術由于發展時間較長，技術更為成熟而在塑料工業中得到了廣泛應用。氣輔成型利于生產壁厚分布不均的中空制件，同時還能有效消除由于制件內部應力分布不均引起的翹曲變形。然而，氣輔制件壁厚較厚、生產周期長、制件內壁成型品質不佳成為限制氣輔成型應用的主要原因。同氣輔成型相比，水輔成型技術具有諸多優點，如具有較短的生產周期，較高的制件中空率，便宜且易獲取的工作介質，同時水輔成型更易于生產大尺寸的制件［1］，制件內壁也更加光滑，因此得到了廣泛的關注。當然，水輔成型也有著自身的缺陷，如模具的密封問題以及制件的排水問題等等。

殘余壁厚是水輔及氣輔成型技術的關鍵指標之一，有效控制殘余壁厚是介質輔助成型成熟的重要標準。目前，國內外眾多學者已經針對氣輔及水輔成型制件殘余壁厚的形成機理及壁厚的控制進行了大量的研究分析［1－3］，并給出了相應的結論。然而，對于水輔及氣輔成型制件殘余壁厚的比較情況，現有的研究結果也只是進行了簡單的定性分析，并沒有從實驗或仿真對其進行深入的分析。在實際的成型過程中，殘余壁厚受到設定參數的影響較大，本文針對指定模具進行了氣輔及水輔的單因子比較實驗，并從制件殘余壁厚的形成及其分布等方面進行了論述。

1 介質輔助成型工作原理及特點

在介質輔助成型過程中，注塑機首先將高溫熔融的塑料注入模具腔內，同時將電信號傳送至水輔或氣輔設備，通過控制系統延遲一段時間后，向模具內注入一定壓力與流量的工作介質，注入的工作介質推動高溫熔膠前進，并使得熔膠填滿模具腔內表面，經過保壓、冷卻后形成所需的中空制件，介質輔助成型過程如圖1所示。

圖1 介質輔助注射成型過程Fig．1 Process of medium－assisted injection molding

氣輔成型技術所采用的工作介質是惰性氣體（一般采用氮氣），由于氣體流動性好，同時排除容易且無污染而得到廣泛使用。氣輔成型技術不但能夠減輕制件的質量，縮短成型周期，還有助于大幅降低或者完全消除平面制件的壁厚區域、變形和皺縮痕跡，從而提高制件的品質。

水輔成型過程與氣輔成型相似，不同的是工作介質為自來水，由于水不可壓縮，且水的注射壓力較氣體壓力高，因此水輔制件殘余壁厚更加均勻。

此外，水的熱導率約為氮氣的20多倍，熱容量是氮氣的4倍，可以迅速冷卻制件。除了普通冷卻以外，注射水會引起制件的內部冷卻，與氣體相比，冷卻時間縮短70%，因此制件能很快達到所需脫模溫度。水輔成型和氣輔成型技術是相輔相成的，應針對不同的模具、不同的材料選擇更加合適的成型方法。

2 水輔與氣輔成型實驗裝置

與傳統的注射成型技術相比，水輔成型及氣輔成型技術除需要注塑機外，還需要額外的水輔或者氣輔設備。水輔或氣輔設備一般要求工作介質擁有穩定的、可調整的注射壓力和注射流量。注射壓力可調保證不同的注射階段擁有不同的注射壓力，能夠使高溫熔膠均勻分布，注射流量可調則為了滿足不同規格制件流量需求。

本文采用的水輔成型水液壓設備由浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室自行研發，如圖2所示。設備主要由水液壓泵源、蓄能器、增壓缸、水壓比例閥組、水箱及水針組成。水輔成型系統最大注水壓力為25MPa，最大注水流量為100L／min，一次注水量最大可達1．8L，注射過程可實現注射壓力的調節。實驗中采用壓力傳感器采集水針入口壓力數據；位移傳感器采集增壓缸位移數據，設備設有溫度自動控制系統，可實現注入水溫度的自由調節。

圖2 水輔成型水液壓設備Fig．2 Water hydraulic equipment for water－assisted injection molding

氣輔成型采用Butterfields公司生產的氣輔設備，最高壓力為4MPa，可實現分段壓力控制。實驗選用博創BT260V－1型注塑機，最大鎖模力為260t；模具由金典模具公司設計制造，如圖3所示，該模具用于汽車后視鏡支架制件的生產，模具結構較復雜，具有非圓大截面以及彎曲流道結構，可用于分析截面形狀以及流道轉彎對制件殘余壁厚的影響情況。制件照片及制件中段型腔橫截面尺寸結構如圖4所示。

制件材料選用丙烯腈 －丁二烯 －苯乙烯共聚物（ABS），熔體溫度為200℃，模具溫度設為50℃。水輔工藝參數設置：熔膠注射時間為6s，注水延遲時間為1s，初始壓力設定為1MPa，保壓壓力為18MPa。氣輔成型工藝參數設置：熔膠注射時間為6s，注水延遲時間為1s，初始壓力設定為1MPa，保壓壓力為4MPa。

3 殘余壁厚分析

3．1 殘余壁厚形成機理

圖3 實驗模具Fig．3 Experimental mould

圖4 制件及中段型腔橫截面尺寸Fig．4 Photo for the part and the cross－sectional size of middle of the cavity

介質輔助成型中介質穿透過程是非牛頓聚合物層流與高雷諾數牛頓流體湍流的耦合流動過程，涉及到熔體的黏性包裹、兩相界面不穩定、相間熱傳導以及熔體黏彈性等多因子的耦合作用，其復雜性主要源于水流前鋒穿透過程中的黏性包裹和界面不穩定［4］。因此，注射介質穿透時表層熔體形成（即壁厚）受制件幾何形狀、注水壓力、熔體溫度、熔體流變特性等多種因素影響，其過程非常復雜。一般采用數值分析或者實驗的方式對殘余壁厚的影響因素進行分析。本文針對其他參數設置一致的情況下，單因素分析水輔及氣輔制件的殘余壁厚情況。

3．2 水輔與氣輔成型制件殘余壁厚對比

制件的殘余壁厚是衡量介質輔助成型技術的重要指標，也是國內外眾多學者研究的熱點［4－5］。在工業生產中，為降低制件成本及質量，在滿足強度要求的情況下，一般要求制件壁厚較小且壁厚分布均勻。依照介質輔助成型機理，在介質注入高溫熔體之后，由于水輔中注射水壓力較高且具有不可壓縮性，水的穿透能力強于氣體，故水的推動能力更強，水輔制件的中空率一般高于氣輔制件。這也是水輔成型得以廣泛關注的原因。但是，由上一節分析可知，制件的殘余壁厚還受到其他各種參數的影響，無法簡單判斷制件殘余壁厚的大小。已有的文獻中并未在單因素情況下分析水輔與氣輔制件的殘余壁厚情況，因此本文主要從實驗角度出發，開展水輔和氣輔制件殘余壁厚的對比研究。

圖5給出了注水及溢料井位置，并設置了9個測量位置進行殘余壁厚的分析。

圖5 殘余壁厚測量位置Fig．5 The measurement positions for residual wall thickness

從圖6可以看出，水輔制件的中空率普遍要高于氣輔制件，尤其是制件的初始段，這主要是由于水輔成型的注射水壓力較高，冷卻效果強，與水接觸的熔膠黏度增大，進而推動更多的熔膠前進，實驗結果與理論研究［6］相符。同時也可看出，水輔與氣輔制件中段中空率接近，這主要是因為制件中段圓率最小，而水輔制件的中空率受制件的外表面圓率的影響較大，且中空率隨圓率的降低而減小，而氣輔制件受外表面圓率的影響則較小，因此氣輔制件該段的中空率變化不大。

圖6 各測量位置中空率的對比情況Fig．6 Comparison of hollowrate at measurement positions

從圖7可以看出，制件為典型的非圓大截面結構，且圓率較低；水輔制件的內腔更接近圓形，而氣輔制件內腔的形狀與外腔相接近。這說明水輔制件的內腔更易形成圓柱形結構，因此更適合用于圓柱形結構制件的生產。此外，由圖7還可以看出，水輔制件的內壁更加光滑，成型品質更好，主要是由于水的性能更好，氮氣的純度則會較大程度地影響制件的成型品質。制件采用聚丙烯材料時，氣輔制件內壁會形成絮狀結構，而水輔制件則依然保持較好的中空狀態，這也較好地驗證了前人的結論。

圖7 水輔及氣輔成型制件的截面圖Fig．7 Cross－sections for water－assisted and gas－assisted injection molded parts

3．3 水輔與氣輔成型制件穿透方向殘余壁厚分布

在水輔或氣輔成型過程中，介質充模流動方向發生的偏轉往往容易造成制品缺陷，本節主要分析制件轉彎部分殘余壁厚的分布。已有研究結果表明，在制件轉彎處，氣輔成型與水輔成型的壁厚均勻性存在差別［7］。注射氣體傾向于比注射水更快地轉向阻力最小的方向，造成氣輔制件轉彎處的內側壁厚比外側壁厚大。與氣輔成型相比較，水輔成型制件的內外側壁厚較均勻。

在本文介質輔助成型實驗所采用的模具中，除水注射口局部的直角轉彎之外，在充模流動方向上分別有92°和60°兩個發生偏轉的部位。圖8所示為分別用氣輔和水輔成型制件的轉彎部分縱剖圖，圖8所示各點處的內外側壁厚變化曲線如圖9和圖10所示。

由圖9可以看出，92°偏轉處，氣輔與水輔成型制件內外側壁厚分布差異很大。氣輔成型外側壁厚小于內側壁厚，內外側壁厚差值最大為12mm，轉彎后壁厚差值逐漸減小，直至2mm左右；相反，水輔成型外側壁厚大于內側壁厚，轉彎前內外側壁厚差值達到了18mm，但是隨著注射水充模流動方向，該差值減小至不到1mm。因此制件92°偏轉處，氣輔成型制件外側壁厚小于內側壁厚，水輔成型制件外側壁厚大于內側壁厚。這樣的實驗結果與注射位置的直角轉彎有關。注射水的慣性大于氣體，因此注射水進入型腔的入射動能大于氣體，這就使注射水在注射口直角轉彎處沖擊水正對面的壁面，造成92°偏轉前水輔成型制件外側壁厚大于內側。而氣體則是在注射口處轉向阻力最小的方向，進而使92°偏轉處的外側壁厚小于內側。

圖8 各測量位置的壁厚分布情況Fig．8 Wall thickness distribution at measurement positions

圖9 氣輔與水輔成型制件在92°偏轉壁厚分布情況Fig．9 Wall thickness distribution of water－assisted and gas－assisted injection molded parts at 92°deflection

由圖10可以看出，60°偏轉處，氣輔與水輔成型制件內外側壁厚也存在明顯的差異。氣輔制件內側壁厚在轉彎處由轉彎前的6．5mm減小為4．9mm，并在轉彎后逐漸增大至6．5mm，說明氣輔成型制件內側壁厚在轉彎處變小。水輔制件的內側壁厚保持在5．3mm左右，一致性較好。水輔制件外側壁厚則受型腔截面幾何形狀影響，在轉彎前測量約為7mm，轉彎后為約為4～5mm。很明顯，水輔成型制件在中、后段，包括轉彎部分的內側壁厚一致性最好，這與制件內側部分的圓率高有關，同時也表明，對截面圓率高的型腔，水輔成型在轉彎處沿充模流動方向的壁厚一致性高于氣輔成型。

圖10 氣輔與水輔成型60°偏轉壁厚分布情況Fig．10 Wall thickness distribution of water－assisted and gas－assisted injection molded parts at 60°deflection

4 結論

（1）針對所采用的實驗模具，水輔成型制件的平均殘余壁厚高于氣輔成型制件；

（2）對于具有流動方向偏轉結構的模具，水輔成型制件的壁厚均勻性優于氣輔成型制件，同時殘余壁厚分布受制件圓率影響較大；

（3）水輔制件的中空率受到制件表面圓率的影響，表面圓率越大，制件的中空率越高；水輔成型中空腔的形成更接近圓形；而氣輔成型則更易于形成與外表面形狀一致的中空腔，因此，水輔成型更易于生產截面為圓形的制件。

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