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1、水辅助注射成型技术的发展及应用鲁贵祥(郑州大学力学与工程科学学院，河南郑州，450001)摘要：介绍了水辅助注射成型技术的发展过程、原理及研究现状。并对水辅助注射成型技术的仿真研究和实验研究进行简单的总结。最后，对水辅助注射成型技术的难点、不足及研究方向进行了展望。关键词：水辅助，仿真，实验，原理0 引言塑料加工技术先后依次经历了注射成型、注射压缩成型、气体辅助注射成型和液体辅助注射成型，其中前三种技术已经发展的相当的成熟。液体辅助注射成型技术是最近几年新型的技术，其中液体大多数情况下是指的水，因此也叫水辅助注射成型。水辅助注射成型概念的提出可以追溯到上世纪 70 年代，但由于当时的技术条件达
2、不到水辅助注射成型所需的技术条件而转为发展气体辅助注射成型，气体辅助注射成型在发达国家的塑料制品生产的技术已经非常的成熟，但是由于气体在注射成型的过程中经常会出现穿透熔体和发泡现象，且经常会造成制品表面有收缩痕迹及内表面粗糙等缺点，而且气体辅助注射成型技术的成型周期长，而且气体的储存和高压设备及其昂贵，使得生产成本较高，生产效率较低。近年来随着技术的逐渐进步，原先水辅助注射成型所需的技术条件完全能达到，因此水辅助注射成型技术又重新获得了重视。水辅助注射成型技术具有生产周期短、注射压力低、制品的翘曲变形小、表面质量好以及容易加工壁厚差异较大的制品等优点。1 水辅助注射成型技术1.1 水辅助注射成
3、型技术原理水辅助注射成型技术是利用增压器或空气压缩机产生高压水，经过喷嘴将高压水注射到已预先部分填充熔体的型腔内，利用水的压力将熔体前推充满型腔，水辅助注射成型过程可以分为三个阶段：聚合物的部分填充、注入水及水的保压和冷却。1.2 水辅助注射成型技术的成型方法与气体辅助注射成型过程类似，水辅助注射成型过程有 4 中方法：1）短射法、2）返流法、3）溢流法、4）流动法（1）短射法：其工艺过程是先将塑料熔体部分注入型腔内，其次是水的注入，然后再注入剩余的熔体，推动塑料熔体到达型腔的末端并进行保压，通过各种阀门的控制注射的熔体和注射的水的流动。排水阀打开使水可以排出制品之外。这种方法被认为是制造较厚
4、零件的最好方法，此法没有废料，水的入口和出口可以是一个口。但是缺点是要求必须精确控制：如先期注入的熔体太少，可能会导致水冲破熔体进入磨具型腔；水的注射压力必须比熔体的注射压力大，这样才能把熔体推到型腔的末端；熔体注射和水的注射的阀门会在制品上留下痕迹，难以得到优质的表面，而且熔体在最后容易形成一个可能延长成型周期的较厚截面。（2）返流法：首先将熔体完全充满型腔，其次打开设在熔体流动末端的注水孔，水把那些过多的熔体排挤回注射机料筒的头部空间，这种方法的优点是没有废料，能得到优质的的表面。但是缺点是需要一个特别的喷嘴和一个止水环，用来调节返回的材料进入注射单元且不允许水穿透到注射机料斗的前端。同时
5、返流回来的熔体与注射料筒原有的熔体存在温度和压力的差异，这将会影响下一次注射的制品质量。该方法需要独立的空气和水传送系统。（3）溢流法：首先模具的型腔被熔体完全充满并有一个阀门封闭。然后一个独立的注水孔开启，同时在型腔末端的阀门开启，从而开设一条由主型腔到辅助型腔或称为溢流腔的路径。推进到辅助型腔的熔体被新来的水所取代，溢流腔阀门关闭进行保压。水通过重力或蒸发被排出。这种方法同样可以获得优质表面的制品，但是脱模后制品及溢流腔需增加修整、清理与切除多余材料的工序。（4）流动法：这是短射法与溢流法的结合。合成时先对模腔进行欠量的熔体注射，然后向模腔内的熔体芯部注入水，水推动熔体向前流动充满模腔，打
6、开模腔端部的控制阀，水流穿透熔体前锋面的固化膜通过型腔末端的控制阀，流回到供水系统回路，这种方法节省原料，同时水从制品芯部流向循环回路，增加冷却速率。但是制品的出水口处会产生缺陷。1.3 水辅助注射成型技术仿真研究水在穿透过程中涉及前端流体的流动，大多数数学模型仿真研究是基于 Hele-Shaw 的基本原理，将聚合物熔体视为广义牛顿流体，考虑七参数的 Cross-WLF 黏度模型建立起水辅助注射成型充模过程的数学模型。华东交通大学机电工程学院的匡唐清，周建源，熊国良等人建立了三维薄壁塑件的水辅助注射成型充模过程的数学模型，采用有限元/有限差分/控制体积法求解。对薄壁平板塑件的水辅助注射成型充模
7、过程进行了模拟，模拟得到的熔体前沿位置与前人实验结果吻合较好，浇口压力的变化、水的厚度分布及平均温度分布合理，验证了所建立的模型和采用的数值模拟方法的有效性。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室和中国船舶重工集团第七七研究所九江分部的张增猛，周华，高院安及杨华勇是基于现有气体辅助注射成型充模流动模型、非定常流场数学方程和湍流模型，突破未考虑高雷诺数水相区湍流特性、小尺度薄壁建模、初始化壁厚人为影响以及未考虑熔体前沿喷注效应等局限，建立了水辅助注射成型充模流动的仿真模型。比较湍流模型，分析了水辅成型多相分层流动界面不稳定现象。针对主要工艺控制参数进行仿真分析。1.4 水辅助注射成型技术的研究及应
8、用在技术方面，德国亚琛大学塑料加工中心 IKV 研发的水辅助注射成型可通过注射活塞、蓄压器或液体泵进行，采用组合式结构，制造费用低，按零件尺寸大小，可连接多达 3 台的液压泵，水由一台温度可控的水蓄压器供应。华南理工大学黄汉雄等自主研发了一套水附属注塑设备以及新型喷嘴，病通过实验法研究短射法成型聚丙烯管时，主要工艺参数对制品水穿透长度和沿水道的残余壁厚以及聚合物结晶的影响，获得最佳的工艺参数。在相同的工艺参数下，分别采用孔型喷嘴和自锁式喷嘴，比较了弯曲圆管制品的参与壁厚及其偏差率。发现自锁式喷嘴成型壁厚更小，同时壁厚偏差更均匀。台湾长庚大学 Liu Shih-jung 等自主研发了一套水辅助注
9、射成型设备，并采用可视化技术，采用正交实验和信噪比分析，研究多种工艺参数对不同聚合物材料水辅助注射成型性能以及制品性能的影响，得到最佳的工艺参数，并与气辅注射成型进行比较。并且分别使用了材料为 PP 和 PS 的变截面圆管，研究了孔型，环形水针和气针对中空率和壁厚偏差率的影响。发现高压高流率环形水针中空率大，壁厚偏差均匀；低压低流率孔形水针易出现不规则穿透，成型质量较差。同时还研究了含不同玻璃纤维的 PP 材料、工艺参数、水道的几何形状和尺寸对指形化大小的影响，并对比了水辅和气辅的指形化现象。实验发现，水辅助注射成型比气体辅助注射成型指形化缺陷更严重，影响指形化的主要参数有水压、延迟时间和短射
10、量。通过降低熔体、模具、水的温度和水压，提高延迟时间和熔体注射量，采用具有大的高厚比、半圆形或矩形水道可减少指形化缺陷。M ichaeli W ater 等研究了水辅注射与气辅注射相比的优越性关键技术。2007 年 L Mulvaney-johnson 等采用集成的超声传感器系统实时观测研究了气辅和水辅注射的充填行为和残余壁厚，预测流体泡前沿流动的速度，并进行； 实验验证，结果十分吻合。近年来这种新型的水辅助注射成型技术倍受人们的广泛关注，其应用范围正在不断的扩大。从理论上讲，凡是气辅注射能成型的零件也可以用水辅助注射技术加工，但目前水辅助注射只是气体辅助注射的一个有力的补充。水辅助注射成型主
11、要应用于厚壁中空制品的生产。目前全球大约有 60 家公司采用水辅助注射成型技术进行商业化生产，应用范围涉及汽车工业、生活用品、办公用品、运动休闲以及玩具用品等，如汽车工业产品如把手、门柱、扶手、驾驶杆支持架、介质导管等；运动休闲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连续热水器、把手等；医疗扩张器以及童车的某些零件等。到目前为止，有许多的科研单位和公司都致力于该技术的研发和应用，并取得一些研究成果。从整体上看，欧美发达国家的技术比较先进，而且已经商业化生产，应用范围日益广泛，而我国还处于刚开始的研究阶段，相对比较
12、落后，绝大部分处于试验研究阶段，没有开发自主的商业化设备，还没有相应的商业化应用软件，水辅助注射成型技术在我国的推广应用还受到一定的限制。2 结束语目前，人们对水辅助注射成型机理、发展行为还没有清晰而完整的认识。国内外对水辅助注射成型技术的研究以工艺试验为主，数值模拟相对较少。数值模拟主要集中在充填阶段，而且模拟的准确性有待提高。成熟的数值模拟软件较为匮乏，这限制了仿真模拟的应用，而饰演研究主要集中在水穿透长度、残余壁厚分布及其均匀性、指形化等方面，制品的内应力及翘曲变形还是实验的盲点。要成熟的应用水辅助注射成型技术尚有许多问题需要解决，还需要做进一步的研究。现有的水辅助注射成型数学模拟将水的
13、作用视为等压，忽略了水和熔体之间的热量交换，模拟与实际存在误差，需对模型做进一步的完善；已有的材料并不是所有的都适合于水辅助注射成型技术，需要对材料进行改性，减缓结晶；设备方面也需要进一步的研发；利用计算流体力学方法模拟水针内的流场，优化水针结构；目前的实验研究多停留在假想制品上，未针对实际 的产品提出合理的工艺设定，成型工艺稳健优化设计是将来的研究重点。参考文献1 Mikell Knights.Water injection molding makes hollow parts faster J.Lighter Plastic technology,2002,48 (4):42-47.2 周
14、建源，匡唐清，熊国良.水辅助注射成型技术及其研究现状 J.模具工业,2007,33 (2):40-44.3 熊爱华，柳和生.新型注射成型技术-水辅助注射成型 J. 塑料,2009,38 (5):34-37.4 贾振华 ,郑国强. 水辅助注射成型技术的特点及研究进展 J. 现代塑料加工应用, 2009,21 (5) :60-65.5 申长雨. 注塑成型模拟机模具优化设计理论与方法 M. 北京科学出版社, 2008 :25-32.6 周润恒, 黄汉雄 , 刘旭辉等 . 水辅助注塑制品残余壁厚和穿透长度影响因素的研究 J. 中国塑料, 2008, 22 (3) :52-56.7 张世勋. 水辅成型穿
15、透机理及微观结构演化研究 D. 博士学位论文. 河南：郑州大学, 20118 周华,陈英龙,张增猛等. 水辅助注射成型非圆截面制件残余壁厚的仿真与试验研究 J. 机械工业学报, 2010,46 (48) :169-176.9 Liu Shih-Jung, Shih Chang-Chi. An experimental study of the water-assisted injection molding of PA-6composites J. journal of Reinforce Plastics and composited, 2008, 27 (9) :985-99910 Mik
16、ell Knights. Water injection its all coming together J. Plastic technology, 2005 (9) :54-61.11 Liu Shih-jung, Lin Ming-Jen. An experimental study of the water-assisted injection molding of glass fiber filled poly-butylene- terephthalate (PBT) composites J. Composites Science and Technology, 2007,67 :1415-1424.12 Liu Shih-Jung, Lin Shih-Po. Study of finger in water assisted injection molded composites
