【摘 要】
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流体驱动弹头辅助注塑技术(Fluid Projectile-Assisted Injection Molding,F-PAIM)是一种新型的注塑成型工艺,其通过加压流体推动弹头穿透熔融聚合物来成型中空管件,该工艺生成的管件具有更薄更均匀的壁厚及更光滑的表面。本文基于水驱动弹头辅助注塑技术(Water Projectile-Assisted Injection Molding,W-PAIM)工艺参数
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流体驱动弹头辅助注塑技术(Fluid Projectile-Assisted Injection Molding,F-PAIM)是一种新型的注塑成型工艺,其通过加压流体推动弹头穿透熔融聚合物来成型中空管件,该工艺生成的管件具有更薄更均匀的壁厚及更光滑的表面。本文基于水驱动弹头辅助注塑技术(Water Projectile-Assisted Injection Molding,W-PAIM)工艺参数研究的基础上,进一步对该技术中弹头的穿透行为、弹头的材料及形态与成型质量的关系进行研究,揭示不同工艺之间的差异及弹头对成型质量的影响规律,从而将该技术推广到实际生产应用中。本文主要工作如下:(1)阐述了W-PAIM工艺的成型原理及特点,简要介绍了国内外WAIM技术和WPAIM技术的研究现状,确定本文的研究内容与思路。(2)基于模型假设构建W-PAIM的流动模型,同时结合实际情况,对Fluent中的相关参数进行设置来模拟W-PAIM工艺的穿透过程。研究发现:在管件的入口附近,湍流强度较大,且越靠近管件的壁面,湍流强度越大。剪切作用主要集中在弹头的外轮廓与熔体之间。在穿透过程中,管件和高压水的温度沿着熔体的流动反方向逐渐降低。模拟的结果可以较好地反映实际的流动情况,验证了模型与方法的合理性与可靠性。(3)基于模拟技术对弹头的形态及尺寸进行选择和优化,主要从管件的残余壁厚、残余壁厚标准偏差两个方面分析,研究发现:前端形态是抛物线型的弹头穿透的平稳性及对中性较好,最后穿透后形成的残余壁厚也较为均匀。当弹头的直段长度偏小时,其穿透到型腔末端时会出现较大的偏心和翻转现象。当弹头的直径偏小时,在熔体中穿行时会出现偏心现象,而直径偏大时,平均残余壁厚太小,导致管件的力学强度及刚度不足。(4)从残余壁厚、速度场、压力场、应变场等方面对W-PAIM工艺过程进行分析,通过与WAIM工艺比较,研究发现:在管件的弯曲段之前,WAIM和W-PAIM工艺中水和弹头的穿透过程相对稳定。在弯曲段之后,二者的RWT呈现下降趋势。另一方面,W-PAIM和WAIM中心的速度都比0.34m/s大得多。在W-PAIM和WAIM中,离型腔中心越近,应变率越低,且两者的应变率峰值位于管件的内壁面附近。(5)搭建实验平台,并制备不同材质与不同形状大小的弹头来成型管件。通过计算和观测管件的残余壁厚、壁厚的标准偏差值以及内壁面的质量发现:穿透成型后的弹头变形量的大小排序为PP>PTFE>ABS>PA6,而材料的热变形温度大小排序为PA6>ABS>PP>PTFE,除了PP材料外,其它三种材料基本遵循热变形温度越高,变形量越小的规律。同时按照一定的测量方式测量不同编号管件的残余壁厚,发现热变形温度较高的材料比较适合制备弹头,在弹头的几何形态方面,前端为抛物线型、直段长度为7mm、截面直径为13mm的弹头成型外径为16mm的管件的质量较好。(6)选取PA6和PP弹头成型的管件及WAIM-O成型的管件为样本,观察其微观形貌以及分析其成因。研究发现:W-PAIM-O工艺成型的试样的微观形态总体表现为片层状的晶体结构,而WAIM-O工艺成型的试样的微观形态总体上表现为长条丝状及块状结构。另一方面,PP弹头成型试样的微观结构中出现了长条形的、薄片状的结构,主要是因为基体材料黏附在弹头的外轮廓上。
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