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水驱动弹丸辅助注塑管件壁厚的弹丸影响
刊发信息
栏目：加工与应用
作者：
王彦卿1,匡唐清1*,赖家美2,冯强1,刘文文1
1.华东交通大学机电与车辆工程学院
2.南昌大学机电工程学院聚合物成型研究室
通讯作者
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匡唐清tkuang
ecjtu.edu.cn
基金资助/p>
国家自然科学基金项目();江西省自然科学基金项目(BAB)
引用全文：
王彦卿,匡唐清,赖家美,冯强,刘文文.水驱动弹丸辅助注塑管件壁厚的弹丸影响[J].中国塑料,,35(1):60-66.
WANGYanqing,KUANGTangqing,LAIJiamei,FENGQiang,LIUWenwen.EffectofProjectileonResidualWallThicknessofWater?projectile?assistedInjectionMoldedPipes[J].ChinaPlastics,,35(1):60-66.
前言
在弯曲管件的成型上传统注塑工艺存在固有的局限性。流体辅助注射成型（fluid-assistedinjectionmolding，FAIM）在传统注塑工艺基础上引入流体用于生产形状复杂的中空管件。根据流体介质的不同，可分为水辅助注射成型（water-assistedinjectionmolding，WAIM）和气体辅助注射成型（gas-assistedinjectionmolding，GAIM）。WAIM相对GAIM工艺而言，WAIM具有成型周期短内壁光亮不发泡、壁厚更薄更均匀等特点。但是，FAIM所形成的制件残余壁厚很大程度上取决于熔体的流变性。而且，WAIM工艺中壁厚的波动性比GAIM波动更明显。此外，ＷAIM适用于管径较大的管件，其所得到的管件残余壁厚相对较厚，造成管件质量和成型周期都大大增加。
流体驱动弹丸辅助注塑技术（fluid-poweredprojectile-assistedinjectionmolding，F-PAIM）是一种借助压力流体驱动弹丸在熔体中穿透从而得到中空产品的新型注塑工艺。F-PAIM技术的基本思想的提出最早在日本专利中出现。到年，宝马汽车公司成功地将F-PAIM技术应用于其宝马3系车型的冷却管道，这成为F-PAIM技术的首次应用。德国亚琛大学IKV研究所ChristianHopmann等通过理论及实验的方式分别从弹丸注射技术的优势、弹丸设计存在的影响及模具的设计和局限性3个方面阐述了弹丸注射技术，之后ChristianHopmann等探究了工艺参数对弹丸注射技术制品质量的影响。在国内，刘文文等通过注塑机进行了W-PAIM成型实验，并与FAIM工艺进行了对比。匡唐清等对W-PAIM中工艺方法和工艺参数对管件壁厚的影响进行了实验研究。F-PAIM工艺过程中高压流体推动弹丸穿透聚合物熔体形成中空管件，其具体过程如图1所示：在模具型腔一端的流体射嘴上放置上弹丸，然后往模具型腔内部注入一定量的高温聚合物熔体覆盖弹丸，而后在流体射嘴注入高压水推动弹丸向前运动穿透熔体，直至弹丸到达型腔末端，继续保压冷却，最后卸压排水开模取件获得中空管件，至此一个周期完成。F-PAIM通过在FAIM技术中加入固体弹丸有效地克服FAIM技术所存在的问题。
图1 F-PAIM工艺过程
由于水介质比气体高得多的比热容，W-PAIM要比气体驱动弹丸辅助注塑（gas-poweredprojectile-assistedinjectionmolding，G-PAIM）具有更高的成型效率。壁厚是在W-PAIM工艺过程中衡量注塑管件质量的一个重要指标，弹丸是影响其壁厚的主要因素。本文通过自主搭建的实验平台，以实验对比的方式研究弹丸材质与形状尺寸对W-PAIM管件质量的影响，确定其影响规律，以期能够达到更好掌控管件质量。
实验部分
在一个充满阳光的早晨醒来
1.实验方法
（1）实验技术方案
本文主要考察弹丸材质及弹丸形状尺寸对其穿透的影响；弹丸材质会影响弹丸穿透过程中与熔体的界面作用，从而影响内表面质量；弹丸的形状尺寸会影响到弹丸在高温熔体中穿透的平稳性及弯曲处的光顺性，并最终影响管件残余壁厚及壁厚均匀性问题；弹丸的形状尺寸可分为头部形状、直段长度和截面直径3个方面；弹丸材质及形状尺寸的选择如表1所示；采用逐因素考察逐因素确定的方式，先确定合适的弹丸材质，再确定合适的弹丸头部形状，后面再依次确定弹丸的直段长度和截面直径；括号内为缺省选项；弹丸使用CK车床进行制备。
表1弹丸因素及选择
（2）实验工艺参数
参照匡唐清、刘文文等对W-PAIM技术的相关研究成果，结合成型材料PP的属性确定最佳工艺参数，如表2所示。
表2工艺参数表
（3）残余壁厚测量方法
残余壁厚是W-PAIM管件质量的重要评价指标；实验中残余壁厚的测量方法如下：每组实验取4个样件，每个管件按照一定的距离分成5段进行分段测量，如图2（a）L1~L5，每段截面再取4个均匀分布的点进行测量，如图2（b）中对P1~P4，一组实验同一位置所测得结果取算术平均值作为该组管件该位置的平均残余壁厚；一组实验所有测的结果取算术平均值作为该组管件总体残余壁厚；
图2 横截面位置和测量位置
对同种材质弹丸成型管件的残余壁厚均匀性进行测量计算；每组实验取2个样件，从管件2个弯角处的前30mm和后30mm处截取相应弯曲段，对弯曲段进行纵向剖切，在每个纵剖面上测量14个点的壁厚值，如图3中E1~E14；计算标准偏差来衡量管件均匀性，公式如（3）所示。
图3 弯管段的壁厚测量
结果与讨论
1.材质对管件壁厚的影响
分别选用PA6、ABS、PTPE、PP材质弹丸进行WPAIM实验制取管件，4种弹丸前端形状为抛物线形、直段长度7mm、截面直径12mm。按上述测量方法测得管件总体残余壁厚如图4所示；各截面位置的壁厚图5所示。
图4不同材质弹丸成型管件的残余壁厚
图5不同材料弹丸制成的管件沿流动方向的残余壁厚
由图4与图5可知，不同材质弹丸所成型管件的总体残余壁厚均在1.65mm以下。材质为PA6、ABS、PTFE的弹丸所成型管件的残余壁厚沿着弹丸流动方向有着较小的波动，而材质为PP的弹丸成型管件的残余壁厚在60o后的直段出现大幅度降低，管件整体残余壁厚0.95mm，这是因为PP材质弹丸在PP熔体中穿透，弹丸与熔体间相容，使得弹丸与熔体界面间作用力较大，从而导致PP材质弹丸的穿透截面最大，残留壁厚最薄。
实验所用型腔直径16mm，弹丸截面直径12mm，在理想状态下所制管件残余壁厚为2mm。造成管件实际壁厚比理想状态下小是因为热熔体会包覆在弹丸表面，使得弹丸实际穿透截面比其设计截面大。4种材质弹丸在高温熔体中穿透，弹丸与熔体之间发生较强剪切作用，产生剪切热，热变形温度较低的弹丸易发生变形。PA6为强极性、PTFE为中性、ABS为弱极性、PP材料为非极性，4种材质中PA6弹丸与PP熔体界面间剪切作用力最小，并且PA6的热变形温度最高，因而PA6的穿透截面最小，残留壁厚最大。
2.头部形状对管件壁厚影响
采用图6所示的弹丸考察弹丸头部形状对W?PAIM管件壁厚影响。弹丸材质PA6、直段长度7mm、截面直径12mm，头部形状分别为半球形、抛物线形、圆弧形、锥体形。
图6 不同头部形状的弹丸
按测量方法测量管件残余壁厚，计算总体残余壁厚和偏差，数据整理如图7所示。
图7 不同头部形状弹丸成型管件的残余壁厚及标准偏差
由图7可知抛物形弹丸所制得管件的平均残余壁厚比其他形态弹丸都小，其残余壁厚值为1.44mm，同时壁厚标准偏差也是最小。在实验条件下抛物线形弹丸穿透过程更平稳，不易偏离中心线，壁厚更均匀，管件质量更好，这是因为抛物线形弹丸与熔体前沿及高压水前端有较高契合度。
3.直段长度对管件壁厚影响
采用图8所示的弹丸考察弹丸直段长度对W?PAIM管件壁厚影响。弹丸材质PA6、头部形状为抛物线形、截面直径12mm，直段长度分别为5、6、7、8、9mm，头部高度为4.8mm。
图8 不同直段长度的弹丸
按测量方法测量管件残余壁厚，总体残余壁厚和偏差如图9所示，各截面位置的平均残余壁厚如图10所示。对直段长度7、8、9mm弹丸所制管件弯曲段进行纵剖，如图11所示。
图9 不同直段长度弹丸成型管件的残余壁厚及标准偏差
图10 沿流动方向管件残余壁厚
图11 管件弯曲段的纵剖图
由图9可知直段长度6、9mm的弹丸成型管件的残余壁厚相对较小，9mm直段长度弹丸成型管件壁厚标准偏差最小。从图10可知随着弹丸推动熔体向前流动，不同直段长度弹丸制得管件的残余壁厚均呈现先缓慢增长后大幅度减小的趋势。直段长度6、9mm的弹丸成型管件的各段壁厚相对较小，管件后半段的力学强度被削弱。由图11看出60o弯曲处的内外侧壁厚差呈现加大趋势，直段长度8、9mm弹丸所制管件弯曲处出现较多气泡。
造成上述现象是因为弹丸在穿透弯曲角度前的直管段，管件壁厚由弹丸外径决定，所以在较大弯曲角前管件壁厚相差较小。当弹丸直段长度较小时，弹丸过弯曲段有较大活动区域容易发生翻转，此时弹丸内外侧受力均衡，处于浮动状态，内外侧壁厚差小，也不利于弹丸保持稳定的穿透；当弹丸直段长度较大时，弹丸穿透到管件后半段绕着重心旋转，使其尾部翘起，出现偏转或卡滞的现象，为顺利通过弯曲处弹丸会向管件内侧偏，推动更多熔体堆积到外侧，导致弯曲处内侧壁厚值小，外侧壁厚大，当弹丸长度达到某一值后就会在管件弯曲处卡滞，因此在60o弯角处的内外侧壁厚差随弹丸长度增加呈现加大趋势，弯角后的直管壁厚大幅度减小。实验中直段长度7mm弹丸成型管件残余壁厚比直段长度8mm的薄，内壁质量光滑，壁厚合适，管件的力学强度也符合要求。可见直段长度为7mm弹丸成型管件的质量较好。
4.截面直径对管件壁厚的影响
采用图12所示弹丸考察弹丸截面直径对W?PAIM管件壁厚影响。弹丸材质PA6、前端形态抛物线形、直段长度7mm，其截面直径分别为10、11、12、13、14mm。
图12 不同截面直径的弹丸
按测量方法测量管件残余壁厚，计算平均值和偏差，如图13所示。为更直观观察内壁质量，对截面直径10、11、13、14mm弹丸所制得管件进行纵剖，如图14所示。
图13 不同截面直径弹丸成型管件的残余壁厚及标准偏差
图14 不同截面直径弹丸成型管件的纵剖图
从图13可知随着弹丸截面直径的增加，其所制管件残余壁厚逐渐减小，平均残余壁厚较大的管件由截面直径10mm弹丸所制，平均残余壁厚最小管件由截面直径14mm弹丸所制。由图14看出残余壁厚较大管件在其内表面存在较明显的壁厚波动和气泡，残余壁厚最小的管件内壁质量比较粗糙。截面直径13mm弹丸所制管件内壁质量光滑，没有气泡，其壁厚也比较均匀。
造成管件残余壁厚越来越薄其内壁质量粗糙是因为弹丸截面直径达到14mm时，管件的理想残余壁厚应为1mm，但实际残余壁厚为0.78mm，弹丸基本上是贴着模具的内壁面运动。弹丸侧面为拖曳流，由于近壁面熔体黏度很大，熔体流动性差，近乎为凝固层，弹丸侧面对其刮擦较为明显，并迅速被后续的高压水冷却，因而导致其内壁粗糙。实验条件下截面直径13mm弹丸所制管件质量最佳。
结论
（1）PA6、ABS、PTPE、PP4种材质弹丸成型管件质量对比发现，PA6弹头成型管件质量相对较好，最接近管件理想残余壁厚值；
（2）半球形、抛物线形、圆弧形、锥体形4种头部形状弹丸中抛物线形能在穿透中够保持平稳状态，成型管件壁厚更均匀；
（3）弹丸长度过长在穿透过程中在管件弯角处会出现偏转或卡滞现象，长度过短会出现翻转现象，从而影响管件质量；7mm长度弹丸能顺利穿过弯角，成型管件内壁光滑，质量较好；
（4）弹丸截面直径与其成型管件残余壁厚成反比关系；截面直径13mm弹丸所制管件内壁质量光滑，没有气泡，其壁厚也比较均匀。
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