南昌大学
硕士学位论文
水辅共注成型过程数值模拟的研究
姓名：闫丽
申请学位级别：硕士
专业：化工过程机械
指导教师：周国发
20071201
摘要摘要本研究首次提出了一种新型先进聚合物水辅共注成型工艺，它先由共注成型机在模腔内填充部分熔体，再由水辅装置注入高压水，使熔体充满整个模腔并保压，最终制成多层内表面光滑的空心复合塑料制品。这种成型工艺融合了共注成型和水辅成型的优点，是一种生产高性能、低成本制品的环境友好成型技术。水辅共注成型技术是最有希望能成为解决未来重大工程材料问题的先进聚合物多组分成型技术。该成型工艺属于三维、瞬态、非等温多相分层流动成型过程，由于多相分层流动存在着各分层界面应力之间的相互耦合，使水辅共注成型过程具有特殊的流动输运规律和动力学特征，其成型机理十分复杂，迄今为止，国内外尚无有关水辅共注成型的工艺、机理模型和数值模拟方法的文献报道。本文对聚合物水辅共注成型充模流动成型过程进行了理论和数值模拟研究，主要取得如下成果：针对水辅共注成型充模流动的特点，基于聚合物流变学理论，流体动力学、热力学等，经合理假设，通过体积加权平均的指导思想，建立了描述水辅共注成型充模流动过程的全三维、纯粘性、瞬态、非等温理论模型，并借助现代CAE技术，研究开发了水辅共注成型过程的数值模拟算法和数值模拟系统，为指导生产实践奠定了科学的理论基础。针对现有水辅注射成型理论模型不能真实反映水穿透动力学问题，基于拟流体假设，首次建立了能真实反映水辅共注成型过程填水区的压力场、速度场、温度场及其水穿透动力学的水穿透动力学理论模型，同时避免了原方程固有的非线性问题，得出了更适于数值计算的水相区控制方程；基于所推导的水辅共注成型充模流动过程的全三维理论模型，采用Mini—Element方法、罚函数方法、SUPG方法等高效稳态混合求解技术，并结合速度场分析、温度场分析和流体体积分数分析相分离的去藕计算方法，建立了基于线性插值函数的全三维、瞬态、非等温水辅共注成型充模流动理论模型的高效稳态有限元数值算法，并提出了水辅共注成型前沿移动界面和分层界面的纯有限元追踪技术和界面重构技术，有效降低了对计算机CPU和存储能力的需求，在现有Pc计算机上，实现了水辅共注成型充模流动过程的高度非线性全三维多相分层流动大型有限元模拟。
摘要基于其数值模拟，系统研究了过程参数与聚合物流变性能参数对水辅共注成型流动过程的影响规律，并揭示了其影响机理。研究
结果表明：随着芯层熔体稠度、芯层熔体流变指数、芯层熔体注射量、芯层熔体注射压力增大，芯层熔体和水的穿透深度均减小，而穿透宽度增加，而随着注水延迟时间、芯层熔体注射温度增加，芯层熔体和水的穿透深度均增加。此外，注水温度对芯层熔体的穿透深度和宽度基本没有影响，而水的穿透深度则随着注水温度增加而增加。研究结果表明分支形状制品的水辅共注成型过程易出现单边不平衡填充现象，当芯壳层熔体的黏度比大于l时，芯层熔体和水的充填总处于平衡填充状态，而当芯壳层熔体的黏度比小于1时，芯层熔体和水的充填总处于不平衡填充状态。随着延迟时间的增大，分支模型的单边不平衡填充现象的趋势加剧。采用芯壳层熔体的黏度比大于1的芯壳层材料组合有利于避免分支形状制品的水辅共注成型过程出现单边不平衡填充现象。关键词：水辅共注成型；充模流动过程；流体体积法；热力学模型；稳态有限元技术；数值模拟II
ABSTRACTAnewadvancedpolymermoldingtechnologyofwater-assistedco-injecfionmolding(shortenedasWACIM)wasputforwardinthisarticleforthefirsttime．TheprocessofWACIMisthattheskinmeltandco他melt黜sequentialpartlyiIljectedintomoldbyaco-injectionmoldingmechine，thenthehighpressurewateris画ectedintothecoremeltinmoldbywaterassistedcontrolequipmentaftersomedelaytimewhichmakestheskinmeltandCOlemeltmlfullymoldandholdstepackingpressureofamold，thehallowmultilayercompositeplasticgoodswithsmoothinnersurfacesisfinallyproduced．WACIMhastheadvantagesofbothCO—injectionmoldingtechniqueandwater-assistedinjeetionmoldingtechnique，anditistheenvirmentalfriendlytecuequebywhichhighperformance．10wcostgoods玳produced．Sothetechniqueshouldhopetobecomeloneofthemostadvancedpolymermoldingtechniquesbywhichthefutureimportantproblemsofengineeringmateialwillberesolved．Becauseofthe3D，transient,non-isothermalmultiphaseandmultilayermoldingprocessandtheinteractionofstressesontheinterfacesbetweelladjacentmeltsofWACIM,therefore，theWACIMhasitsspecialtransportruleofflowanddynamiccharacters，whichmakesitsmoldingmechanismverycomplicated．Uptothepresent，fewofresearchesOnWACIMtechnology,moldingmechanismandsimulationhavebeenreportedathomeandabroad．TheresearchesonthetheoreyandsimulationonpolymerWACIMfillingprocessareconductedinthispaper，whichyieldsthefollowingmainachievements：Onthebasisofrheology,fluiddynamics，thermodynamicsandSOon,reasonableassumptionsWereputforward,the3D，transient,pureviscous，non-isothermalmechanismmodelisestabfishedtodescribethepolymermeltfillingprocessofWACIMbyusingtheideathatvariablefieldsofoneelementcnbedeterminedbythesumofeachphase’Svariablefieldoftheelementweightedbyeachphase’svolume缸ction．Moreover,withthetechniquesofCAE，theefficientandstablenumericalalgorithmandthesimulationsystemofWACIMprocesswLll．edeveloped,whiche
stablishedthescientificfoundationoftheorytoguidethedesignofIIl
processtechnologyandmoldforWACIMprocess．Aimattheproblemwhichtheexistingtheoryofwaterassistedinjeetioneouldn’treflecttheWattl"penetratingdymmies，basedOntheassumptionofafictitiousfluid,theeontrolingequationdescribingwaterpc棚珩蛐gdynamicswitheasynumercalsimulationisestablishedforthefirsttimewhelacouldreflectthepressurefiel血velocityfield，temperaturefieldinfillingwatera聆aandwatel-penetratingdylaamies，atthesametime，avoidstheconnaturalnon-linearproblemofprimaryeontrolingequationofdescribingWlIlCI"peneIeatingdymmiesBased0111the3D，tramient’non-isothemalWACIMprocessmechanismmode，thecorrespondingmixedstablemtmeriealalgorithmbased0nthelow-orderinterpolationwithfastconvergencewasestablishedbythestablefiniteelementmethodsofMini-Elementmethod，SUPGmethod(Streamlineupwind／pen'ov·Galerkinmethod)，penaltyfunctionmethodandtmeouplingsolutionofvelocityfield、temperaturefieldandfl'actionoffluidvolume，andthepurefmiteelementfronttrackingmethodandinterfaealreconstructiontechniqueofmovingfrontinterfaceandstratifiedinterfaceWel'eptforward，whicheffectivelydecreasestheneedsofthecomputerCPUandmemorycapacity,thethreedimentionallarge-scale，higllnon-linearfiniteclementsimulationOilmul吐pbaseandmultilayerWACIMprocesswasimplementedincommonpersonalcomputer．Based∞simulationofWACIMprocess．theinfluencesofprocessparametersandpolymerrlaeologicalparameters013．WACIMptOC粕Lweresystemcallystudi吐andtheinnueneingmechanismswe他diselosuredbytheoreticalanalysis．Researelaresultsshowedthat、】lritllincreasingoftheconsistencyfactor,rl蚴logieaiindex,thepie-fiUingvolume丘actonandinjeetionpressureofCOlemel，thepenetratinglengthofcoremeltandwaterdccl'Case，butthel,曲etratingwidthofC,Olremeltandwatel"increase，andwiththeincreasingofdelaytimeofwaterandtheinjeetiontemperatureofCOlemelt,thepenetratinglengthofC01"emeltandwaterincrease，InⅣldition,waterinjectingtemperatureaffectspenetratinglengthandpenetratingwidthofcoremelthardly,butwaterpeneuatinglengthincreaseswiththeincreasingofthewaterinj∞血19temperature．ResearchresultsshowedthatinWACIMmoldingprocessofpolymerbifurcationIV
goods，theunbalancefiningphenomenaofcoremeltandwateroccuresindifferentbrancheasily．whentheviscosityratioofcoreandskinmeltishigherthan1，theceremeltandwatertillingprocessalwaysareinbalancefallingstatewhichoorcmeltandwaterpenetratinglengthofdifferentbranchareequal．Butwhentheviscosityratioofc0代andskinmeltislowerthan1．thecoremeltandwaterfillingprocessalwaysareinunbalancerulingstatewhichcoremeltandwaterpenetratinglengthofdifferentbrancharenoteqal．Coremeltandwaterunbalancefillingtrendincreasedwiththeinereasingofwaterdelaytime．Inordertoavoidtheunbalancetiuingphenomenaofco∞meltandwater,theviscosityratioofcoreandskinmeltofWACIMmoldingprot瑚smustbehigherthan1．Keywords：Water-assistedCO-injectionmolding；Fillingprocess；VOF；Thermodynamicmodel；Stablefiniteelementmethod；Numercalsimul
ationV
学位论文独创性声明学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名(手写)：问丽签字日期：砷年12月7．6日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解直昌盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：词而导师签名：f柏_、签字日期：∞订年fz月彩日签字日期：矿7年，。月}613
第1章绪论第1章绪论塑料是当今世界新发展起来的三大合成材料之一，具有密度小、质量轻、比强度高、绝缘性好、介电损耗低、化学稳定性高、耐磨性强、减震隔音性能好、成型性好、生产率高和价格低廉等优点，因而在国民经济和人民生活的各个领域得到了日益广泛的应用。注射成型是生产外形复杂、尺寸精确、带嵌件的塑料制品的重要加工方法。随着工业技术的发展，注射成型用的塑料的种类越来越多，而且注塑制品越来越广泛用于汽车、电子、包装、光学、机械、家具等各行业。随着人们对注塑制品质量要求的提高，传统的注射成型技术由于自身工艺特点的局限性在很多场合己很难满足生产要求。因而，人们纷纷寻求先进新型聚合物成型技术。聚合物多组分注射成型(Multi．Material坷ectionMolding)是先进聚合物成型技术之一，该成型技术是将不同流体按一定的顺序或是同时注入成型模腔，从而成型出包含多种聚合物材料成分的复合塑料制品。白20世纪60年代起，国外许多研究者便开始了多材料成型技术的研究和开发。到目前为止，多组分成型技术主要有：共注成型技术(Co-injectionMolding)、包塑成型技术(Overmolding)、多阶段成型技术(Multi—shotMolding)、共挤成型技术(Co-extrusionMolding)、气体注射成型技术(Oas-assistedInjectionMolding)、水辅注射成型技术(Water-assistedinjectionMolding)、气辅共注成型技术(Gas-assistedCo．injectionMolding)和
近年新兴的气辅共挤成型技术(Gas．assistedCo-extrusionMolding)等。近年来，聚合物多组分注射成型理论和工程应用研究日益受到重视。为了结合水辅成型和共注成型的众多优点，迎合塑料制品的发展趋势，本次研究首次提出了一种新型的成型工艺一水辅共注成型工艺。1．1聚合物多组分成型技术简介1．1．1共注射成型技术(Co-InjectionMolding)共注成型(co-珂ectionMolding，又称作夹心注塑成型或多层共注成型)工艺
第1章绪论是英国的ICI公司首先提出的【Ⅲ，但一直都没有得到广泛应用。这并不是由于其本身的适应性差造成的。相反，共注塑的适应性很好，并有诸多优点。不能广泛应用是由于共注成型对设备的特殊要求131。现在，随着人们环保意识的增强、对注塑制品性能要求的提高，以及注塑机械工业自动控制技术水平的发展，共注成型工艺日趋受到人们的重视，应用也越来越广泛。1．1．1．1工艺过程共注成型过程中，壳层和芯层的材料同时或顺序地通过一个流道和浇口注入模腔㈣，在模腔内，聚合物熔体以分层多相流动充模成型，最终固化成多层复合注塑件。先注入的熔体为壳层，而后注入的熔体为芯层。共注成型具体工艺过程如图1所示：#尊哪旧(a)注入壳层熔体(”、(c)注入芯层熔体(d)注入壳层熔体图1-1顺序共注成型工艺流程简图图1．1为顺序共注成型工艺流程，先注入壳层熔体(图1-1a)，壳层材料注射量取决于壳层与芯层的比例，该比例由制品的工艺及所要求的性能所决定；壳层熔体注入完毕后，转动熔料切换阀，开始注入芯层熔体(图卜lb)；芯层熔体推动壳层熔体填充模腔(图1-1c)；芯层熔体注入完毕后，熔料切换阀回到起始位置，再注入壳层熔体封口(图1-1d)，同时将流道中芯层材料推入塑件芯中，此时也清除芯层材料，也为下一个循环做准备153]。2‘一
第1章绪论1．1．1．2优点多层共注成型技术由于其特殊的工艺，因而具有许多其它塑料成型技术所不具有的特殊功能和优点：(1)可部分解决废旧塑料回收利用问题，实现可持续发展。多层共注成型技术可将废旧塑料作为芯层材料，将优质塑料作为壳层材料【8,91。这样在满足表面质量要求的前提下，既降低了产品成本，又解决了环境污染问题。(2)可生产低成本高表面性能的塑料制品。工程上往往需要塑料制品具有高强度、耐热、耐腐和耐磨等优良的物理化学性能，或表面装饰美观和软接触的感观性能。而满足这些性能的工程树脂其材料价格高，如用传统的单相注塑成型技术，其产品价格昂贵，使其应用受到限制。而共注成型可将具有高表面性能的工程树脂作壳层材料，用普通聚合物材料作芯
层，这样就可生产高表面性能的低成本注塑件，从而拓宽普通塑料的应用范围；若芯层材料采用发泡材料，则在保留发泡结构成型的优点外，还具有其所没有的良好表面质量【71。(3)可满足对塑料制品功能多样化的要求。多层共注成型综合各层材料的独特性能，生产具有多种功能的复合注塑件，这是传统的单相注塑成型技术和气辅注射成型技术所不能实现的。例如具有自润滑的高性能塑料齿轮。如PA齿轮壳层是具有耐磨性和高润滑性能的非填充PA，芯层是热变形小、具有高强度特性的玻璃材料一填充PA，玻璃材料收缩率很小，尺寸稳定，PA润滑性好并避免玻璃材料产生磨蚀。又如表层为彩色及表面质量好的表观层，芯层为电磁屏蔽材料或导电树脂的电磁波屏蔽零件【n121。生产具有隔光、隔氧、隔水蒸汽的多功能保鲜食品容器等等【1346】。1．1．1．3主要应用多层共注成型技术这种注射成型方法主要是为了生产一些有特殊要求(如耐磨性、化学稳定性、气体阻隔性、导电性、屏蔽电磁波性等)的塑料制品而开发的。主要用于生产增强复合注塑件，功能复合注塑件(屏蔽罩)和再生塑料制品。由此可见，共注成型技术有着广阔的应用前景。共注成型工艺的应用取决于二个因素：①由制品的性能决定；②由制品的经济效益决定。受性能驱使的应用场合是指共注射部件具有某种使用性能，而由单一材料制成的制品不具备这种性能。受经济效益支配的应用场合是指将低成本的芯层与较昂贵的壳层材料结合起来并用。从这种技术得益的主要应用领域包括汽车、电子、包装、家3
第1章绪论具、化工和医疗器械等行业。随着该项技术的日益推广，还会出现更多的应用领域们。1．1．1．4对材料及设备的要求根据制品的功能要求，在共注成型工艺中两种材料的性能差异可以很大，如弹性体可以模塑到刚性材料表面。两种材料的界面分层和脱落与两种材料的界面之间作用力有关。就共注成型制品材料的选择来说，应注意以下几点：(1)壳／芯层原材料间具有一定的相容性和相互自粘性。材料粘合性能好，界面层的作用力大，不容易分层、脱落。(2)壳／芯层原材料粘度差异不宜过大。粘度差异过大，会破坏壳层／芯层结构均匀性。一般说来，芯层的粘度应大于壳层材料的粘度。(3)壳／芯层原材料的线膨胀系数和收缩率不能有太大差异，尽量做到完全匹配，通常要求芯层材料的收缩率略小、线膨胀系数略大。共注成型工艺由于其特殊的工艺要求，需要两套(或多套)的往复螺杆注塑装置，分别塑化和注塑不同的物料，各套注塑装置协同完成同一个注塑循环，完成同一个
制品的一个注塑生产周期。在共注射机头处将二种注射的部件结合在一起。并且要求有协调它们动作步骤的自动控制装置。I．1．1．5应用与研究现状共注成型工艺的发展经历了从单料道到双料道及叁料道的发展过程。共注成型工艺最常见的、也是最具有代表性的是双色注塑工艺、夹心注塑工艺。目前，共注成型工艺的理论研究和工程应用研究在国外日益受到重视。1．1．2水辅注射成型技术(Water-AssistedlnjectionTechnique)水辅助注射技术(Water-AssistedhjectionTechnique，WIT)[tTl是一种新型的生产中空或者部分中空制品的成型方法。这种方法形成空腔的原理与气体辅助注射技术(oAnvl)基本相似【协191。WIT有着一个独特的优点：能够直接在制品内部进行冷却。由于水的热传导率是气体的40倍，热焓是气体的4倍，所以，WIT的冷却能力可以使制品的冷却循环时问降至GAIM的25％。除了明显缩短成型周期外，w11r能够成型壁厚更薄和更均匀的中空制品，更加节省原料。此外，WIT还可以生产内表面非常光滑的制件，这在GAIM中很难达到。虽然20世纪70年代初期，人们已提出了采用液体如水、油或聚合物溶液4
第1章绪论的注射作为形成空心体的方法【2们。但由于所用的柱塞和注射装置产生的压力太高，而达到的流速太低，故结果并不令人十分满意【211。如今，在德国亚琛市的德国塑料加工研究所(IKV)开发的WIT使这一古老的想法成为现实。IKV从1998年开始研发这种技术。德国Herford市的Sulo公司是第一个实施这种技术进行塑料加工的厂家。尽管如此，直到2000年10月底，在Falmma展会上展出的一辆用wIT技术加工的全塑料超市手推车，才正式宣告WIT在商业中得到应用。2001年在德国Dusseldorf[22-231举行的展览会上，水辅助注射成型技术引起不小的轰动。在IKV，一种由两种材料构成的球拍被制作出来。这是一个三次注射工艺：两种材料和水。水的流动分割出球拍的框架，第一次注射是用含20％玻璃纤维的PP材料成型手柄和框架，第二次注射是用来成型没有填充物的PP材料的网，第三次注射是用来向框架内注水。不可压缩的水在PP注射时，对中空的框架起支撑作用。德国的PME公司分别用气体和水辅助注射成型技术制造出材料为玻璃纤维填充尼龙的细管，内径6～8mm，而用前者制造的制品壁厚是后者制造的2～3倍。在2001年，P啪E公司有12个水辅助注射成型系统实现商业化运行。P姬公司还在为德国宝马(BMW)汽车公司做一种尝试，试图把汽车上各种管路的生产由气体辅助注射成型转换成水辅助注射成型。1．1．2．1工艺过程水辅助注射成型的原理是利用空气驱动往复式液体增压器产生高压水，经过水
针将高压水注射到已经部分预充填熔体的型腔内，利用水的压力将熔体往前推而充满型腔。其成型过程如图1-2所示，图卜3为水针结构图。图1-2水辅助注射成型的原理5
第1章绪论以水不会蒸发的这种方式进行注射，水的前沿象一个位移柱塞那样作用在制品的熔融芯上，水的前沿与熔体接触界面，由于水的冷却作用，熔体内表面形成一层高粘度固化膜层，它将进一步推动聚合物熔体前进填充模腔。待熔体冷却完成后，利用压缩空气将水从制品中压出，然后将制品顶出，形成中空的成型制品[24-25]。即熔体注射、水的注入，水的排空与脱模。利用在高速的熔体流动过程水不会蒸发的这种特性，配合完善的工艺控制手段将水的优点完全展现出来，并且确保水的循环利用【2111231。图1-3水针结构图按照具体成型工艺过程的不同，目前水辅助注射成型有4种工艺方法【2611281(1)短射(2)回流注射法(3)益流注射法(4)流动注射法图1．4水辅注射成型的四种不同方式示意图6
第1章绪论(如图1—4所示)。四种水辅成型方式的实施过程及各自的特点如下：短射(Shortshot)：模具型腔首先被部分注入熔体，在熔体注射停止前，将水注入模腔，推动熔体到达型腔的末端。接着切断熔体和水的注入，打开排水阀，将水从制件内排出。排水阀安装在型腔的末端或附近，以便可以利用压缩空气进行排水。短射对非常厚的制品尤为适用，可节省材料。水和气体的进出口可以在同一个地方或相邻位置设置。这种方法的缺点是需要精密控制。如果注入的熔体太少，水有可能穿透熔体进入模腔。水注射的压力必须高于熔体压力才能将熔体推到型腔的末端。在熔体注射和水注射切换处的制品表面可能产生迟滞痕；因此，用于表面质量要求高(A级)的注射成型是不可行的。同时，短射末端的熔体可能形成一个相对较厚的部分，从而延长循环时间。回流注射(Pushback)：熔体完全充满型腔后，打开安装在熔体型腔末端的水阀，推动多余的熔体回流进料筒。这种方法的优点是没有材料残渣，能够实现A级表面质量注射。不足之处是需要一个特殊的喷嘴和检测环以使熔体能够回流到注射单元。使用时还应注意不要让水渗入到机筒内。这对吸湿材料(比如尼龙)的成型就是一个很大的问题。加工过程的每个部分必须在控制压力之下，以得到一个连续的、回流量可知的回流。回流的熔体可能与保留在料筒内的熔体有不同的温度和压力，这可能影响下一次的注射，同时回流注射需要单独的水输送系统。溢流注射(Overflow)：注射前关闭型腔末端的溢流阀。待熔体完全充满型腔后，打开注水阀的同时，将溢流阀部分
打开，从而使注入的水能够推动中间的熔体进入一个辅助的或称作溢流的型腔。溢流型腔是封闭的，可以实现保压。然后水通过重力或汽化排出。据报道，溢流注射可以成型A级表面质量的制品。该方法最接近普通的注射．能够提供更宽的加工窗口。所需的水压比短射时低，溢流型腔多余的物料需要通过二次加工使其与制品脱离。流动注射(Flowproce蟠)：这种方法综合了短射和溢流注射的长处，使水完全从制品内部通过，以增加冷却效果。开始模腔被部分充满，接着引入水，推动熔体到达型腔的末端。打开安装在末端的特殊阀，使水击穿熔体，通过阀而流入水循环系统。该方法的优点是节省原料，冷却速度快。缺点是在制品末端有表面缺陷。同时低的水压可能使水渗入制品和模具内表面之间。1．1．2．2优点与气体辅助注射成型技术相比较，其根本差别在于二者使用的辅助介质性7
第l章绪论质不同。水是不可压缩的，水不但粘度高于气体，而且水的热传导率比气体大。其热容量也比气体高4倍【2”。由于水的流体特性，使得水辅助注射成型具有如下特点：(1)缩短循环时间。水辅助注射成型是将一定温度(10～80℃)[30l的高压(30I旧a)水注入模腔内熔体的芯部。因此水可直接从制品壁厚的芯部对制品进行冷却，而且这种冷却是随着制品形状由内到外均匀作用的，冷却充分，效果好。因此，可大大缩短制品的成型周期。研究表明，水辅助成型的冷却循环时间只有气体辅助成型的25％[22][3”，甚至更低。如成型直径为lOm，壁厚1．O衄～1．5咖的制品，气体辅助成型时为60s，而水辅助成型时问只需10s；成型直径为巾30mm，壁厚2．5mm～3．Omm的制品，气体辅助成型时间需要180s，而水辅成型时间只需40s。(2)制品表面无缩痕。水辅助成型中注入模腔的熔体。是在高达近30MPa的水压力作用下紧贴模腔壁流动与冷却固化的。制品的整个成型收缩与冷却定型过程始终受到来自制品芯部的水压力的作用。制品壁厚密度高，冷却均匀，收缩一致，表面平整无缩痕，没有翘曲与扭曲变形，外观质量好。(3)可成型薄壁和内表面光滑的制品。由于水辅助成型所用的水温度远低于熔体温度，因此注入模腔的水与高温熔体接触的界面会因熔体温度迅速降低而立即形成一层光滑的高粘度固化膜，固化膜内侧的水在压力作用下向外均匀掩压，使尚未凝固的制品壁厚受压而减薄，但水不会穿透固化膜进入壁厚。同时水流前锋面的熔体在水压力作用下向前推进，使更多的熔体向前流动，从而获得壁厚较薄且内表面光滑的制品。图卜5所示为水辅助成型与气体辅助成型制品内表面的比较。因水
的粘度高于气体，以及熔体固化膜的作用，使水不会像气体那样容易渗人到熔体内，因此可获得内表面光滑的制品。而气体则容易渗透到制品内表面并产生气泡或形成空隙，致使制品内表面粗糙。a一水辅助成型制品的内表面川体辅助成型制品的内表面图1-5制品内表面的形貌3
第1章绪论(4)减小壁厚，节省材料。水辅注射成型可成型比气辅注射成型所能达到的壁厚更薄的制品，因而更节省材料[321，减轻制品重量，降低成本p扪。研究表明水辅注射成型可节省材料30％～40％。气辅注射成型在用于直径较大的制品成型时，其壁厚仍较大，易造成制件内表面产生气泡。当成型直径超过由40mm的制件时，气道形成后，因壁厚较大及气体不具有冷却作用，易造成壁厚不均。而水辅注射成型具有高于气体的水压力及快速冷却的作用，可使壁厚薄而均匀。用气辅注射成型和水辅注射成型分别成型直径为由6哪～由8咖的玻璃纤维增强的PA管状制品的对比试验表明，水辅注射成型的制品壁厚可比气辅注射成型的壁厚薄50％以上。(5)水介质可重复利用，且易于控制与获得。水辅注射成型过程中，制品中排出的水，可回流到供水系统循环使用。同时水的温度、压力、流量等易于准确控制，有利于保证成型制品的质量。水的来源比气体辅助成型用的氮气方便易得，经济有效。(6)增加排水工序。水辅注射成型的制品冷却固化后，需排空排净制品芯部的水，然后脱模。目前有四种方法，①加入压缩空气；②通过加入可以溶解在水里的发泡剂(如碳酸)；⑨用共注的方法加入液体发泡剂；④蒸发水分，依靠水蒸气所产生的压力，当水温大于IOOX2时，可以通过在减压后水蒸发来产生排出水分所需的压力。水的温度取决于原来水的温度、熔体的温度、熔体的热性能以及制品外表厚度。如果产品的弯曲程度较高，则水辅注射成型的水很可能留在产品中，因此必须在脱模之后才使用其他方法排出。(7)承受较高的注射压力。由于水是不可压缩的，这样水辅注射成型就可以承受较高的注射压力。水辅注射成型一般的工作压力在4350psi。一般来说，较厚和较长的制品更适合水辅注射注射成型技术。(8)细化结晶结构。气辅注射注塑时，由于产品空腔内部的传热性差以及低冷却率，因此内侧会形成较粗大的结晶结构。相反，水辅注射注塑时，因为水对内侧的良好冷却作用，制品的内部结构与普通注塑相似，印制品断面内材料结构比较对称，制品具有较小的晶相结构。1．1．2．3对设备的要求正在商业化的水辅注射成型系统通常含有独立的带着压力、温度、流速控制的水输送器，在加工中对水阀
和气阔进行控制。很多系统还设有水过滤器和专门的水注射喷嘴或喷头。一些设备还能执行双重作用，使水进入和流出模具。9
第1章绪论不同设备的最大流速和水压有所不同。多数设备则需要一个从注射装置传来的信号来触发循环开始。以下是几种国外已商品化的WIT装置：IKV公司的WIT实验装置：水辅助注射成型可通过注射活塞、蓄压器或液体泵进行。气体辅助技术的早期是借助螺杆进行注射的。但对WIT，问题可能发生在磨损、泄漏、成本和可重复性诸方面。蓄压器用水液压系统，并可通过商业途径获得。下游控制阀可用于控制水的体积流率，而蓄压器可通过用一台预压缩泵从储水槽再填充。也可用有空气压缩泵的水液压单元。IKV的试验设备是与Herzogenrath的FindersAnlagenbau设备制造公司合作研制的，设计目标为制造费用低及组合式的结构。按零件尺寸大小，可并行连接多达3台液压泵，水由一台温度可控的水蓄压器供应。m一。AllianceGasSystems公司的WIT装置：配备了HMP23型多种流体电动注射机。它既能注射水也能注射空气。该公司的研究人员称：“清除水的最快方法是用空气”，喷头也用来使水反吸回去。气、液并用装置使用16～2l℃的水循环。Battenfeld公司的水辅模具：它是从气体辅助注射模具演变而来。其机动单元有一个触摸式屏幕控制面板，可通过注射压缩机构上的调整系统来控制。带有标准组件的设备可提供不同规格的压力发生器，可以产生30MPa的水压力和60L／min的流速。c呻GasIrIjection公司水辅助注射设备：由德国汉堡市的开发商Maschinen&Anlagentechnik公司发明。该公司宣称即将推出自己新研制的另一种WIT设备，但迄今尚未透露任何相关资料。Engel公司的水辅助注射设备：采用水在制品内部流通的方式。这种新的移动式注水装置的最大压力可达20Mpa，最大流速可达36L／min。FerromatikMilacron公司的wIT装置：既可把水注出，也可把水吸回是基于AirpresflⅢsystem气压设备的水压技术来输送压力为30MPa的水。该公司正在探讨使水压达到100肝a的优点。Maximator公司的水辅助注射设备：是从气体辅助技术改造得来的。该公司提供了一种弹簧式注水喷嘴，可在液压力驱动下打开，通过弹簧使之闭合。该公司还与德国BayerAG公司在共同研究一种全新的全液压驱动喷嘴。PME公司的电脑控制系统和喷嘴：为水辅助注射和水循环模温控制设计了有触摸式屏幕的电脑控制系统。该公司为Wrr注射成型提供了18种不同的喷嘴设计。其标准的27／210系统可输送压力为24MPa，流速为27L／min的水。lO
第1章绪论1．1．2．4主要应用根据w11r技术的特点，它将主要应用于厚壁中空制品的生
产，例如直径较大的介质导管。可能的应用领域包括04-39]：汽车工业产品如把手、扶手、离合器踏板、驾驶杆支持架、介质导管、门柱、仪表盘、缓冲器、油管等；运动休闲行业产品如室内曲棍球棒、高尔夫球棒等；办公用品如办公椅的把手和靠手、复印机和打印机的输纸辊等；家用电器产品中的洗衣机和洗碗机的介质导管、连续热水器、把手等等。另外，对于某些制品，例如需要通过二次注塑包覆柔性装饰表皮的制品，水辅注塑中注入制品中的水也可以暂时保留在制品内，以作为耐压“型芯”使用，待表皮注射完成后再排出。对于某些透明制品，水辅注塑时注入彩色的水，可使最终制品有一定的装饰效果。1．2聚合物多组分成型技术的研究进展先进注塑工艺的应用比较成熟，而目前还没有关于水辅共注成型工艺的实验研究报道。因而在此只对共注成型和水辅注塑成型的实验研究概况进行回顾。1．2．1共注成型的实验研究概况衡量多组分成型产品质量的关键技术指标是各聚合物熔体的层厚分布及均匀性(即层间分层界面形状)。有关聚合物共注成型技术的试验研究主要集中于研究成型过程的层厚分布和界面形貌的影响因素[404”。层厚分布和界面形貌的影响因素很多，目前主要通过试验定性研究流变学性能、工艺参数和模具结构对多相分层流动成型的层厚分布及其均匀性的影响。(1)聚合物熔体流变性能的影响有关两相注射成型方面的试验报道最早是1975年Donovfln【42】等人的研究。他们最先用共注成型来回收热塑性塑料。。Young和White等人[43郴】对顺序共注成型进行了实验研究。研究表明，黏度比是聚合物熔体流变属性中影响共注制件界面形貌的主要因素。如果黏度比太大，后注入熔体不易在先注入熔体中穿透，壳层厚度不均，后注熔体囤积在近浇口处；如果黏度比太小，后注熔体易于完全穿透先注熔体造成突破；只有适当的黏度比才能获得好的壳／芯层结构和均匀的壳层厚度，在零剪切时黏度比在
第1章绪论1．5～2．0内可以获得最均匀的壳层厚度。R．Selden和P．Somnuk等人【4“7l研究了共注成型的壳层和芯层熔体的黏度差对共注成型层状分布的影响规律。实验结果表明：随着黏度比R增加，芯层厚度增加，而芯层熔体在壳层熔体内的穿透深度减小。此外，较低的芯壳层黏度比R(R<1)还会使多相分层流动区域不稳定，这会导致层厚分布不均匀。黏度比太高时，壳层熔体厚度也会产生不均匀问题。芯壳层熔体黏度比存在一个最佳范围，实验所获得的合格共注件的最佳芯壳层熔体黏度比R范围为0．82～1．83。Weltgen札等人【48】的实验结果表明，芯层
熔体前沿界面形状明显受芯壳层熔体黏度比R的影响，芯壳层熔体黏度比R增加时，芯层熔体前沿界面形状变尖突(即前沿曲面曲率半径减小)，而当芯壳层熔体黏度比R减小时，芯层熔体前沿界面形状趋于变平坦。BenoitDebbaut等人【49．“】对多相分层流动成型的研究发现：在成型过程中，存在二次流动现象。二次流动是一种与熔体推进方向垂直的熔体流动。二次流动主要是由法向应力不平衡引起，显然这与熔体的黏弹性有较大关系。黏弹性流体的法向应力差引起的界面不稳定由于黏弹性包围现象相互作用，必将加剧多相分层流动过程的层间界面的不稳定，造成三维不规则波形界面，从而导致层厚分布不均。由此可见，聚合物熔体的黏弹性对聚合物多相分层流动成型过程的层厚分布有较大影响。M．Kadota[4]等人对PS／PP共注成型制件的结晶定向进行了实验研究，发现注射顺序的不同期结晶定向的差异较大，PP作为壳层材料先注入时，其内部的结晶定向较高；而PP作为芯层材料后注时，其内部结晶定向较低。这主要是由于冷却固化的时间不同以及二次剪切的影响。在低速注射时容易获得均匀的芯层厚度分布。这是由于芯层熔体低速注射时增加了先注入熔体的黏度。LawrenceR．Sxchmidt等人【55】研究了注射成型中的熔体的黏弹行为。他们发现：可以通过选择工艺条件来控制熔体黏弹行为。也就是采用高的熔体温度和低的注射压力。这使得聚合物的松弛时间短，利于熔体的流动。他们认为：随着新的工程树脂和高性能聚合物在承载用品中的应用，在注射成型中熔体黏弹行为变得越来越明显。这些树脂增强的物理属性也增强了熔体的弹性。为得到高质量的制件，模具的设计、工艺的制定和控制策略都需要考虑更为复杂的弹性反映和松弛行为。和树脂的高弹性特征有关的熔体有关的熔体不稳定也变得12
第1章绪论越来越常见。注射成型中高的瞬态条件经常会导致表面属性的不均和缺陷，在过高的成型条件下还可能出现表面瑕疵。除了考虑粘度比的影响之外，Derdouri【婀等人于1999年采用单流道顺序共注成型专门研究了壳层／芯层体积比对熔体流动过程的影响。他们认为，对于芯层熔体前沿突破，除了粘度比影响之外，壳层／芯层体积比存在一个临界值(在35％～40％之间)，低于这个临界值，就会造成芯层熔体突破壳层熔体。在同样的环境下，与熔体温度相比，模壁温度对芯层熔体突破的影响更敏感。他和合作者在2000年【57喇用可视化技术，发现由于芯壳层两种熔体粘度差引起的指进现象更容易造成芯层熔体突破和壳层熔体层厚的不均匀。(2)工艺参数的影响共
注成型是非稳态多相分层流动过程的典型代表，工艺参数对共注成型的非稳态多相分层流动成型过程的影响主要体现在注射速度、延迟时间和注射温度等。Young和White【43书】等人的实验发现可以通过控制芯层注射量、增加壳层注射量来减小共注成型过程中芯层突破现象的发生。同时他们也分析了注射速度对层厚分布的影响，高的注射速度将产生较大的粘性耗散热，从而使得模壁附近及高黏性熔体的温度升高非常明显，进一步导致芯壳层黏度比发生变化，最终影响层厚的分布。G．Schlatter等研究了熔体注射速度对注射成型层厚分布的影响规律。他们得出结论：随着注射速度提高，芯层厚度增加而壳层厚度减薄。注射温度对共注成型的层厚分布的影响主要体现在黏度上，因为熔体的黏度是温度的函数。如果壳层黏度具有较强的温度依赖性，那么模具温度也会影响充型【451。R．Seldent9l等人认为是因为高的注射速度使得壳层的固化时间更短，因而更多的壳层熔体被推向远浇口处，结果在近浇口处壳层较薄，在远浇口处壳层较厚。同时共注成型中，延迟时间是影响层厚分布的主要因素之一，它是指壳层熔体开始注塑时间与芯层熔体开始注塑时间的时间间隔。D．J．LeeH71等研究表明同时共注成型工艺的延迟时间主要取决于壳层与芯层前沿的相对推进速度以及芯层穿透深度。如果芯层熔体黏度远高于壳层熔体黏度，则芯层前沿推进速度相对壳层前沿的推进速度慢，而且芯层熔体在壳层熔体内的穿透深度小，因而同时共注成型工艺的延迟时间应适当缩短。反之，如果芯层熔体黏度远低于壳13
第1章绪论层熔体黏度，则芯层前沿推进速度相对于壳层前沿的推进速度要快，而且芯层前沿穿透深度大，因而同时共注成型工艺的延迟时间应延长。如果太短，则芯层熔体前沿由于推进迅速而赶上或者超过壳层前沿，这会导致突破现象。Selden[58]研究了三维情况下熔体层厚分布和制品力学性能如弯曲强度和冲击强度等，发现影响壳层／芯层熔体分布最主要的因素是熔体注射速度、芯层熔体温度和芯层熔体填充量。在较高的芯层熔体温度下，可以获得恒定的芯层熔体厚度，芯层熔体填充量是影响芯层熔体前沿突破最主要的因素。降低熔体注射速度、提高芯层熔体填充量和芯层熔体温度，芯层沿流道方向可以得到较均匀和稳定的层厚分布。此外，弯曲强度和冲击强度与壳层／芯层熔体在厚度方向的分布有很大的关系。增大芯层熔体厚度，弯曲强度增强，而冲击强度下降。Watanabe等人【591利用螺旋状模型，研究了芯层熔体的流动过程和前沿突破现象。他们得出结论，芯
层熔体前沿突破不仅与壳层熔体固化层强度有关，还与壳层熔体前沿的流动速率有关。壳层固化层越厚、壳层熔体温度越高，其粘度变低，就更不容易发生芯层熔体突破现象。1．2．2水辅注射成型的实验研究概况水辅注塑相对于传统注塑有很多优势，但是新的工艺参数的引入也使得该工艺的实现更为复杂。衡量水辅注射成型制品质量的关键指标是水的穿透深度及其残留层厚度(residualthickness)分布及均匀性。水辅注射成型的实验研究主要集中于水前沿穿透的动力学研究以及各种工艺参数对成型质量的影响规律。2003～2004年期间，Liu和Chen[∞．6l】研究了热塑性塑料在水辅助注塑横截面为矩形的螺旋弯管中工艺参数对水穿透长度的影响，结果表明熔体注射量、注水延时等对水穿透长度的影响较大：一定含量的玻璃纤维对水辅注射成型过程中聚合物的流动具有导向作用。2003年，Protte等【葩】的研究结果表明，工艺参数对水辅助注塑制品残留壁厚的影响并不重要，而材料本身的特性对残留壁厚的影响较为明显。2005年，R．Y．Chang等人【63l用PP和PS材料对水辅成型中聚合物熔体的流动行为进行了数值模拟和实验验证。研究结果表明，PP和PS这类材料的水辅注射成型中水的流动具有对称性、均匀性。因而，具有对称性的零件更适宜使用这类材料的水辅注射成型工艺。此外，水在不同材料里流动的紧凑性不同。14
第1章绪论结果表明，在相同工艺参数下，水在PS材料中的流动更为紧凑。2005年2月，Shih-JungLiu等人【删采用含有玻璃纤维的聚丙烯材料的短射成型工艺，对水辅注塑制品的成型进行了实验研究。实验结果表明，水辅注射的制品存在指进效应，指进效应会极大地降低制品的硬度。同时，通过对各工艺参数的研究发现，延迟时间和熔体注射量是影响水辅注射成型指进效应的主要参数。2006年8月，邓志武等人[391自主研发的一套水辅助注塑设备以及一款经过大量实验后得到了新型喷嘴，并通过单因素实验法研究了短射法成型聚丙烯弯管时工艺参数对制品水穿透长度和沿水道的残留壁厚的影响。结果表明，熔体注射量对水穿透长度影响最大，当其增加13．5％时，水的穿透长度减小了153m。提高注水压力与增加注水延迟时间，注水后填充部分的残留壁厚略有减小。2006年9月，Shih-JungLiul65l等人使用含有15％玻璃纤维的PBT材料进行了水辅注射成型的实验研究。研究表明，熔体的注射压力、熔体温度和熔体注射量是影响水的穿透深度的最主要因素。同时，在制品成型后，模壁附近材料的晶粒比水辅内部材料的结晶度大，气辅成型的结晶度比水辅成型的结晶度大。此
外，制品表面附近的玻璃纤维对熔体的流动具有良好的导向作用。但是，随着距表面垂直距离的增加，玻璃纤维对熔体的导向作用，突出地表现为对流动垂直方向上导向作用的增强。1．3C址技术在聚合物多组分成型领域的应用1．3．1CAE技术对注塑工艺的意义随着市场经济的不断发展，高科技的不断涌现，塑料加工这一现代工业后起之秀，越来越广泛地应用于各个领域【66】。许多制品都可利用塑料加工制造，例如汽车、飞机的零部件，家用电器的外壳等都是注塑成型的。在注塑成型一一主要塑料加工手段中，工艺参数的选择，注塑模具的好坏，对提高塑料制品的质量，降低生产成本，加快新产品的开发起关键性作用。我国大部分厂家，以多年积累的经验和大胆尝试相结合，进行了模具设计和塑料制品生产，但同时也带来如下问题：(1)模具的设计、制造时间长；15
第1章绪论(2)模具的废品率高，返工工作量大；(3)不能对材料、设计方案选择过程进行全面分析、评价，产品质量无法达到最优；(4)不能指出成型过程中哪些地方可以改进，无法找出最优工艺参数，影响了技术进步。注塑成型CAE(Computcr-AidedEngineering)可以解决注塑成型技术中所有问题。它能模拟整个注塑流动、冷却过程，对产品质量和生产过程进行优化。注塑模CAE的计算机模拟系统可用图卜6表示吲。图1．6注塑CAE的总体结构目前的商品化软件多限于注塑成型过程分析，包括填充(流动)、保压、冷却的数值模拟，而微结构预测、几何形状预测、塑件性能预测尚处于研制试验阶段嘲l。相信随着科学的不断发展，注塑CAE在模型建立、数值方法上将日趋完善169-78，使模拟结果更接近于真实情况。该技术将在全世界各个领域被广泛应用，给我们带来可观的经济效益。1．3．2注塑领域的0AE软件CAE技术的出现，为注射模设计提供了可靠的保证，是模具设计史上的一次重大变革。如今国际市场上涌现出大量的注射模CAE商品化软件。C．MOLD软件是美国AC-Tech公司开发的，是在全球工业界有着广泛应用的注塑工艺和模具CAE软件。该软件是直接应用和推广了著名学者kkWang16
第1章绪论教授所领导的美国Comell大学CIMP的科研成果176-791。根据分析对象和分析结果所面向的应用对象的不同，C．MOLD可以划分为三个层次：第一个层次的软件ProcessSolution，用于初始阶段的设计，第二层次为单独运行的三维流动与冷却分析软件，第三层次将流动，保压与冷却分析的结果耦合起来，用以分析注射制品出模后的变形和翘曲，所以称为产品性能解决方案。MoldFlow软件是美国MOLDFL0w公司的产品，该公司自1976年发行了世界上第
一套塑料注塑成型流动分析软件以来，一直主导塑料成型cAE软件市场。goldFlow软件包括三部分：@MoldFlowPlasticsAdvisers(产品优化顾问，简称MPA)；②MoldFlowPlasticshlsight(注塑成型模拟分析，简称肝I)；③Mold-FlowPlasticsXpert(注塑成型过程控制专家，简称gPX)。一般情况下，最常用的是MoldFlowPlasticsInsight，主要用来对注塑过程进行模拟。从而得到最佳的浇口数量与位置，合理的流道系统与冷却系统，并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸和冷却系统尺寸进行优化，并且还对注塑工艺参数进行优化。C—MOLD和MOLDFLOW这两个著名的CAE软件是功能强、应用范围广、影响大的注塑模专业化软件。2001年MoldnOW与C．Mold合并，推出了MPB．0，该软件综合了Moldflow和C．Mold的功斛则。德国IKV研究所的cAD，cAE软件CADMOULD。该软件包括模架方案构思和设计、二维流动分析、三维流动分析、二维冷却分析和模具强度刚度分析。该所推广和应用的是Aachen大学GMenges教授领导的研究成果。在1990年，基于Hele．shaw流动模型的共注成型的数值分析引入该软件。美国EDS公司的ProPENGINEER的PlasticAdvisor软件。PIasticAdvisor(塑料顾问)属于计算机辅助工程(CAE)分析软件，专门用来仿真塑料射出成型。在模型设计阶段，辅以射出过程仿真，能迅速掌握产品生产特性。PlasticAdvise,or特点分述如下：①直接读取ProPE3D模型数据，为STL格式。②将塑料视为牛顿流体，即为线性假设。③内建丰富的塑料数据库，包括世界知名大厂。(4)快速充填分析，可得知是否欠射、充填时间、气泡及熔接线位置、压力、温度分布等【3l-s21。美国sDRc公司的I-DEAS系统。该系统原为通用机械CAD／CAE系统，后来又集成恶劣塑料注射成型流动、冷却和翘曲分析程序，推出了适用于注塑模的I．DEAS软件包。英国Delcam公司在原有软件DUCT5的基础上，为适应最新软件发展及实17
第l章绪论际需求，向模具行业推出了可用于注射模C胱AM的Delcam’sPowerSolution。该系统覆盖了几何建模、注射模结构设计、反求工程、快速原型、数控编程及测量分析等领域。系统的每一个功能既可以独立运行，又可通过数据接口作集成分析。美国GRAFTEK公司的注塑模CAD，CAE／CAM系统。该系统包括二维流动分析模块SIMUFLOW、三维流动分析模块SIMUFLOw3D、冷却分析模块smfUCoOL及几何造型和模具结构设计模块0P1MOLD。其中二维和三维流动分析模块直接利用了ComeU大学CIMP研究组的科研成果。美国和意大利的PlasticandComputers公司的CAD／CAE／CAM软件TMCO--NCEPT。之后该公司又推出了气体辅助注射模拟软件fa／Gaim(831。华中科技大学模具技术国家重点实验室是国内较早进行注塑模CAD／CAE／CAM系统研究的
单位，他们较早涉足注塑一维、二维、三维流动分析和冷却分析及模拟的研究[s4-s61，并逐步深入到对气辅注塑成型CAE技术的研究和探索，取得不少成果。他们也是基于修正的Cross黏度模型和非牛顿、非等温条件下的广义Hele．Shaw流动数学模型，研究薄壁制品的气辅注射成型充模流动规律，并作适当的简化和假设，建立其能进行求解的本构方程【.7删。在求解方法上采用有限元／有限差分／控制体积法对熔体和气体数学模型进行数值模拟，获得气辅注射成型过程中熔体的流动状况和气道的形状、尺寸，并在原开发的注塑模c觥觥AM系统HSC的基础上开发了气辅注射成型流3．0G。该系统输入的信息为塑料制品几何形状、流道及气道的设置，以用于构造型腔。流道及气道的几何模型并生成网络。系统输出的信息包括充填过程中各时刻的流动前沿和气体穿透前沿、型腔内的温度场、压力场、剪切应力场和剪切速率场、各单元气体穿透的厚度比例等[90-9“。郑州工业大学橡塑模具国家工程研究中心对塑料充填过程CAE、保压过程分析、冷却系统分析方法、气辅注塑成型CAE技术等进行了深入研究，并取得了阶段性成果。他们开发了注塑模CAE软件Z．MOLD[921。并在Z-MOLD系统基础上，编制了气辅注射成型冲模流动分析模块程序[93J。Moldex3D为科盛科技公司研发的三维实体模流分析软件，它不但能将Skin．Surface分析法与Midplane分析法没有考虑的实际状况列入分析。更拥有计算快速准确的能力，并且搭配超人性化的操作界面与最新引入的三维立体绘图技术，真实呈现所有分析结果，让用户学习更容易，操作更方便。在分析模型方18
第1章绪论面，Moldex3D采用三维实体元素网格，依塑料件实体来建造，完全符合真实情况，并且可完全自动化生成网格，轻松建模。自2002年来，红地公司与台湾科盛公司全面合作，在许多地区推广Moldex3D模流分析技术，目前已经应用于众多企业。虽然目前CAE系统所提供的模拟功能已经越来越完善，但所有功能的实现都是通过大量的人工干预才得以完成地。任何一个层次的分析中的许多工艺条件需要由设计分析人员指定，模型的处理也需要由分析人员根据所针对制件和工艺特点做出适当的处理，CAE系统目前所能实现的只是根据指定的或认可的工艺条件进行过程模拟阴】。1．3．30AE的发展概况流动模拟的目的是预测塑料熔体流经流道、浇口并充填型腔的过程，计算流道、浇口及型腔内的压力场、温度场、速度场、剪切应变速率场和剪切应力场，并将分析结果以图表、等值线图和真实感图的方式直观地反映在计算机屏幕上。通过流动模拟可优化浇
口数目、浇口位置及注射成型工艺参数，预测所需的注射压力及锁模力，并发现可能出现的注射不足、烧焦、不合理的熔接缝位置和气穴等缺陷。(1)一维流动分析一维流动分析采用有限差分法求解，可得到熔体的压力、温度分布以及所需的注射压力，一维流动分析计算速度快，流动前沿位置容易确定，可根据给定的流量和时间增量直接计算出下一时刻的熔体前沿位置，但仅局限于简单、规则的几何形状，在生产实际中的应用很受限制。对一维流动分析的研究始于二十世纪六十年代，研究对象主要是几何形状简单的圆管、矩形或中心浇注的圆盘等。Kamal和Kening等人瞵l研究了中心浇口圆盘一维发散充模流动。Lord和William等人[961用一维模型分析了矩形模腔内的充模流动。Mumn和Fenner[9H分析了圆管内的一维流动。Hieber等人【冁1则模拟了在等温条件下非圆管的流动。1975年，Donovan等人唧】首先用一维模型模拟了共注成型充模流动。随后，Schlatter和V'mcent等人【1001在圆管内模拟了幂率流体的顺序共注成型一维流动，结果表明界面位置主要取决于两种熔体的流变性能，还发现采用润滑近似的一维模型在一定的粘度比范围内能够较精确预测19
第l章绪论熔体界面、压力场和温度场。L∞等人【4刀基于幂率模型采用有限差分法对非等温条件下的一维同时共注进行了模拟和试验研究。(2)二维流动分析对二维流动分析的研究始于二十世纪七十年代。在二维流动分析中，除数值方法本身的难点外，另一个新的难点是对移动边界的处理，即如何确定每一时刻的熔体前沿位置。1974年，Tadmor[IoH提出流动分析网格法FAN(flowanalysisnetwork)法对共注成型的填充进行模拟。1978年，Hieber和shen【1∞4031将Hele-Shaw流动推广到非牛顿流体的非等稳流动分析。得到广义Hele．Shaw模型。它适用于非等温、非牛顿、非弹性薄壁型腔的充模过程。对于具有类似壳体几何形状三维多层成型件，可以认为多相分层流动成型的各层熔体均遵循Hele—Shaw流动模型的控制方程。Turing和Wang[1041、1、蚰g【10卯、MeIj盯及其合作者Ⅱ061、peters等人【107】基于Hele-Sha,近似模拟了顺序共注成型的填充过程。2000年，JameT．Wang[1憾】利用C-Mold软件模拟了共注成型过程。Manogg[1叫采用有限元法对非等温条件下的广义牛顿流体在轴对称杯形模腔内的共注成型过程进行了模拟。C．T．Li等人【“ol采用广义Hele．Shaw模型对圆盘在非等温条件下的同时共注成型中的界面形貌以及界面包围现象进行了二维模拟，他们把流体视为非牛顿流体，研究了流变性能和工艺参数对材料层厚分布、熔体穿透和突破现象的影响，模拟结果和实验测量吻
合得很好。(3)三维流动分析三维流动分析因采用模型不同而形成了如下两种基本的方法：①基于中性层模型的三维分析。基于中性层模型的分析是在二维流动分析的基础上发展起来的准三维分析方法，其基本思想是将型腔简化为一系列具有一定厚度的中性层面片，每个中性层面片本身是二维的，但由于其法向可指向三维空间任意方向，因此组合起来的中性层面片可用于近似描述三维薄壁制品。②基于三维有限元模型的三维分析。三维有限元方法是在三维实体模型基础上，用三维有限元网格取代二维有限元与一维有限差分混合算法来分析流动过程的压力场和温度场。这种方法不需要生成中性层模型，但注射成型中绝大部分是薄壁制品，厚度方向上的尺寸远小于其他两个方向的尺寸，温度、剪切速率等物理量在厚度方向上变化又很大，要保证足够的分析精度，势必要求网格十分细密(网格尺寸应与壁厚的1／10相当)，因而数据量相当庞大，计算效
第1章绪论率非常低下，并不适合开发周期短并需要通过CAE进行反复修改验证的注射模设计。Khayat等人【川】是最早进行气辅成型的三维模拟研究。他们采用边界有限元法，对等温、不可压缩的牛顿流体的三维流动进行分析。Hetu等人【¨2J采用三维有限元法模拟了注射成型过程。Ilinca和Hem[113。117】提出了非等温条件下广义牛顿流体的顺序共注成型、气辅成型的三维有限元模拟算法。2005年，M．Q．Nguyen等人【11卅用数值方法模拟研究了三维共注成型制品的力学性能。1．4水辅共注成型技术的提出在传统成型工艺中，虽然水辅注射成型和共注成型都具有各自的优点，但是也存在一些不足之处。为了结合水辅成型和共注成型的众多优点，迎合塑料制品的发展趋势，并结合气辅注射成型、水辅注射成型、共注成型、气辅共注成型的理论，本次研究首次提出了一种新型的成型工艺一水辅共注成型工艺(Water-assisedCo-injectionMolding)。'．4．1成型工艺水辅共注成形技术是水辅注射成型技术和共注成形技术相结合的一种新型成型技术，其成型工艺是通过共注成型机在模腔内先注射壳层熔体，然后注入芯层熔体，最后通过水辅注射装置在芯层熔体内注入水，在模腔内聚合物熔体以多相分层流动充模成型，最终聚合物熔体固化成内表面光滑的多层复合中空塑料制品。其成型工艺如图1-7所示。图1-8为水辅共注成形技术成型的多层复合中空塑料制品。这种成型工艺融合了共注成型和水辅成型的优点，是一种生产高性能、低成本制品的环境友好成型技术。水辅共注成型技术即具有循环时间短、制品表面无缩痕、可成型薄壁和内