動(dòng)態(tài)注塑成型模具的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

黃 晶，周細(xì)枝，周業(yè)望

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

復(fù)合纖維材料中的纖維沿著同一方向高度分布時(shí)，能使復(fù)合纖維材料在該方向上擁有優(yōu)異的機(jī)械性能。然而在注塑成型過(guò)程中，復(fù)合纖維材料的纖維取向分布具有較大隨機(jī)性，使產(chǎn)品性能差異較大。基于上述原因，通過(guò)對(duì)非牛頓流體hele-shaw流動(dòng)理論的研究分析，設(shè)計(jì)出一種動(dòng)態(tài)注塑模具來(lái)解決復(fù)合材料纖維分布隨機(jī)性較大的問題，并設(shè)置實(shí)驗(yàn)對(duì)樣本的性能和纖維組織分布進(jìn)行分析研究，從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證注塑模具的優(yōu)越性。

1 動(dòng)態(tài)注塑模具設(shè)計(jì)

1.1 動(dòng)態(tài)注塑模具設(shè)計(jì)原理

根據(jù)復(fù)合纖維材料的非牛頓流體hele-shaw流動(dòng)理論，注塑時(shí)，流體通過(guò)主流道與分流道進(jìn)入模腔的過(guò)程中受到摩擦力的影響，速度方向會(huì)發(fā)生改變，在側(cè)壁附近的纖維將趨于平行側(cè)壁。而在流體流動(dòng)渠道中央，纖維的取向分布是隨機(jī)的。因此通過(guò)注塑成型得到的試件，在試件表面區(qū)域纖維的分布會(huì)高度定向(模腔的邊界層)，但在模腔中心區(qū)域(中心層)，橫截面上纖維是隨機(jī)的，方向分布是雜亂的(圖1)[1-3]。

圖1 纖維分布

由此得出，模腔厚度會(huì)對(duì)纖維定向?qū)拥姆植籍a(chǎn)生影響。通過(guò)控制模腔的厚度，既給予一個(gè)初始型腔厚度，并在注射成型過(guò)程中設(shè)置活動(dòng)型芯以實(shí)現(xiàn)型腔厚度隨注射量的逐步增大而增大，直至達(dá)到型腔厚度的最終尺寸(即該注塑模具生產(chǎn)塑件的厚度尺寸)，以此實(shí)現(xiàn)纖維定向?qū)臃植荚龃蟆㈦S機(jī)層分布減少的目的，從而增強(qiáng)注塑產(chǎn)品的機(jī)械性能[4]。

1.2 動(dòng)態(tài)注塑模具

圖2為動(dòng)態(tài)注塑模具的可活動(dòng)式型芯。可活動(dòng)式型芯與彈簧相連，通過(guò)彈簧限定型腔的初始厚度，注射壓力推動(dòng)活動(dòng)型芯向定模方向運(yùn)動(dòng)，直至與定模板緊密貼合，達(dá)到最終型腔尺寸。

圖2 可活動(dòng)式型芯結(jié)構(gòu)

圖3為動(dòng)態(tài)注塑模具整體結(jié)構(gòu)。動(dòng)態(tài)注塑過(guò)程：合模后，活動(dòng)型芯11在彈簧的推動(dòng)作用下進(jìn)入型腔中，并保留一定初始型腔厚度，另一側(cè)則與定模固定板3緊密相連；注塑機(jī)固定在定位環(huán)1，緊接著開始注塑，熔融料從噴嘴處通過(guò)主流道襯套9注射進(jìn)入型腔中；在初始型腔被充滿以后，活動(dòng)型芯11會(huì)在注塑壓力的作用下開始逐漸向定模方向移動(dòng)，直至與定模固定板3緊密接觸，達(dá)到試件所需的最大型腔尺寸，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間保壓和冷卻，完成注塑階段；注塑完畢，由頂桿14將試件頂出，此時(shí)凝料也在拉料桿5的作用下被一同頂出，取出試件，在復(fù)位桿6的推力作用下頂桿固定板15和頂桿底板16回復(fù)原位，同時(shí)活動(dòng)型芯11也在彈簧力的作用下回復(fù)原位。一個(gè)周期就此結(jié)束[5]。

1-定位環(huán)；2-定模底板；3-定模固定板；4-動(dòng)模固定板；5-拉料桿；6-復(fù)位桿；7-墊塊；8-動(dòng)模底板；9-主流道襯套；10-型芯導(dǎo)桿；11-活動(dòng)型芯；12-上模仁；13-下模仁；14-頂桿；15-頂桿固定板；16-頂桿底板圖 3 模具整體結(jié)構(gòu)

2 動(dòng)態(tài)注塑模具實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)所選復(fù)合纖維材料為改性聚己二酰己二胺(含30%高模量玻璃纖維)，以尼龍-66作為基體材料，玻璃纖維作為增強(qiáng)材料。注塑機(jī)為臥式注塑機(jī)，型號(hào)為hs-120。

將設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)注塑模具加工、裝配完成后，裝夾到注塑機(jī)上，通過(guò)前期的CAE模擬結(jié)果，得到最佳注塑工藝參數(shù)(表1)。設(shè)置好參數(shù)后，通過(guò)注塑成型得到了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件。傳統(tǒng)注塑成型中則是沒有初始型腔厚度這一參數(shù)設(shè)定。在制備傳統(tǒng)注塑成型試樣中，要保證其除初始型腔厚度以外工藝參數(shù)的一致性，以確保實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果具有對(duì)比性。實(shí)驗(yàn)樣本如圖4所示。

表1 動(dòng)態(tài)注塑成型最佳工藝參數(shù)

圖4 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣

2.1 復(fù)合纖維材料機(jī)械性能分析

2.1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)備為萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)為UTM5108，其性能如表2所示。

表2 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)參數(shù)

2.1.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄試驗(yàn)機(jī)UTM5108與電腦相連接，繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖5)，圖5中左側(cè)三組曲線為傳統(tǒng)注塑試樣曲線，右側(cè)三組為動(dòng)態(tài)注塑試樣曲線[6-7]。

圖5 試件應(yīng)力應(yīng)變曲線

從圖5可見，動(dòng)態(tài)注塑成型試樣的應(yīng)力應(yīng)變峰值均明顯高于傳統(tǒng)注塑成型試樣。在保證實(shí)驗(yàn)的單一變量前提下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖說(shuō)明了基于模腔流體理論而設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)注塑成型模具能夠增強(qiáng)塑件的力學(xué)性能，提高塑件強(qiáng)度。

2.2 復(fù)合纖維材料橫斷截面分析

從拉伸實(shí)驗(yàn)中可以看到，相比于傳統(tǒng)注塑生產(chǎn)的塑件，動(dòng)態(tài)注塑生產(chǎn)的塑件，其力學(xué)性更加優(yōu)異。為進(jìn)一步研究其力學(xué)性能的增強(qiáng)是否與塑件的纖維取向分布相關(guān)，從而驗(yàn)證動(dòng)態(tài)注塑模具原理的可行性，還需對(duì)其橫斷截面進(jìn)行觀察。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備偏光顯微鏡一臺(tái)，型號(hào)為HPL-18，用做觀察復(fù)合纖維材料橫斷截面的組織樣本[8-10]。

2.2.2 斷面實(shí)驗(yàn)分析動(dòng)態(tài)注塑成型是為了實(shí)現(xiàn)增加纖維定向?qū)拥姆植迹瑴p少隨機(jī)層的分布，通過(guò)偏光顯微鏡能夠更加直觀地看到動(dòng)態(tài)注塑成型和傳統(tǒng)注塑成型兩種塑件纖維的分布情況(圖6)。

圖6 兩種塑件橫斷截面

從圖6可見，傳統(tǒng)注塑成型試樣的橫斷截面上纖維有明顯分層現(xiàn)象，分布較不均勻，而動(dòng)態(tài)注塑成型試樣的橫斷截面上纖維無(wú)明顯分層，分布較均勻。顯微鏡觀測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)注塑模具的可行性。結(jié)合機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果得出：動(dòng)態(tài)注塑成型模具能夠通過(guò)變型腔設(shè)計(jì)，在注塑過(guò)程中提高復(fù)合材料中纖維的定向化程度，得到具有優(yōu)越性能的各向異性塑件，從而使得生產(chǎn)的塑件較傳統(tǒng)注塑模具生產(chǎn)的塑件力學(xué)性能有明顯增強(qiáng)。

3 結(jié)論

通過(guò)機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)得出，相比于傳統(tǒng)注塑成型試樣，動(dòng)態(tài)注塑模具生產(chǎn)的塑件，其力學(xué)性能有明顯增強(qiáng)，證明了動(dòng)態(tài)注塑成型技術(shù)的優(yōu)越性；從顯微鏡觀察實(shí)驗(yàn)得出，動(dòng)態(tài)注塑模具生產(chǎn)的塑件，其纖維分布相比于傳統(tǒng)注塑模具生產(chǎn)的塑件定向化程度更高。符合動(dòng)態(tài)注塑模具原理，證明了動(dòng)態(tài)注塑模具的可行性。