论文部分内容阅读
气体反压(Gas counter pressure, GCP)技术是一种动态气体压力控制技术,其控制参数包括GCP压力和GCP作用时间。近年来,GCP技术被成功应用于注塑工艺,形成了GCP辅助注塑工艺。根据注塑工艺的不同,GCP辅助注塑工艺可分为GCP辅助常规注塑(Conventional injection molding, CIM)工艺、GCP辅助化学发泡注塑工艺和GCP辅助微孔发泡注塑(Microcellular injection molding, MIM)工艺,上述三种工艺中使用的模具分别为GCP辅助CIM模具、GCP辅助化学发泡注塑模具和GCP辅助微孔发泡注塑模具,统称为GCP辅助注塑模具。在GCP辅助CIM工艺中,GCP技术可对填充过程中的熔体进行反向施压,解决CIM工艺中流动前沿熔体压力不足的问题,从而提高成型塑件的尺寸精度。在GCP辅助化学发泡注塑工艺和GCP辅助微孔发泡注塑工艺中,GCP技术可有效消除发泡注塑件表面的螺旋纹、银纹等气痕缺陷,显著提高成型塑件的表面质量,无需常规发泡注塑件生产中的打磨、罩光及喷涂等二次加工工序,有效降低生产成本和能耗,减少环境污染。但作为一项正在发展中的新型注塑成型工艺,GCP辅助注塑成型工艺尚存在许多亟待解决的科学问题和共性技术问题,尤其是在系统构成、模具结构设计、产品质量控制及作用机理等方面。本文从工艺流程、模具型腔气体压力控制设备及控制系统、模具结构设计、设备及生产线建立、工艺参数优化、影响机理及力学性能等方面对GCP辅助注塑工艺进行了系统研究。基于GCP辅助注塑工艺原理,分析了GCP辅助注塑工艺的基本流程,建立了GCP辅助CIM工艺、GCP辅助化学发泡注塑工艺和GCP辅助微孔发泡注塑工艺成型周期的计算公式。根据GCP辅助注塑工艺要求,提出了模具型腔气体压力的控制方法和控制策略,自主研发了包含手动控制方式和自动控制方式的模具型腔气体压力控制系统,构建了对应的模具型腔气体压力控制设备。开发了一种盒形塑件的GCP辅助化学发泡注塑模具,提出了GCP辅助注塑模具分型面、顶出机构、气体通道等关键部位的设计方案及设计准则。在GCP辅助注塑工艺中,提高模具型腔气体的加压/卸压效率,可有效缩短塑件的成型周期,提高塑件的生产效率。通过在分型面上加工密封凹槽并放置密封圈,实现了GCP辅助注塑模具分型面部分的密封。提出了一种密封圈压板结构设计,实现了GCP辅助注塑模具顶出机构的密封。GCP辅助注塑模具气道采用主气道和分气道的设计方法,可在提高模具型腔气体加压/卸压效率的同时保障成型塑件的质量。通过自主研制的模具型腔气体压力控制设备,与常规化学发泡注塑生产线进行了有机连接,构成了GCP辅助化学发泡注塑生产线,实现了具有较高表面质量的外观塑件的GCP辅助化学发泡注塑生产,验证了研制的模具型腔气体压力控制设备和提出的模具结构设计方法的有效性。针对GCP辅助CIM工艺,研究了GCP技术对熔体填充能力、熔体“泉涌效应”、塑件密度、塑件尺寸精度及塑件力学性能的影响规律,通过正交实验设计和信噪比分析,揭示了GCP压力和注塑参数对GCP辅助CIM塑件收缩率的影响规律,获得了成型具有最小收缩率塑件的最优工艺参数组合。研究表明,在GCP辅助CIM工艺中,提高注射压力和/或减小GCP压力可有效提高熔体的填充能力,提高GCP压力或延长GCP作用时间可提高GCP辅助CIM塑件的密度和冲击性能,GCP技术可有效降低GCP辅助CIM塑件的收缩率,与CIM样条的收缩率相比,GCP压力为9MPa、GCP作用时间为10s时成型的样条收缩率降低了17.2%。GCP技术可大幅度提高有熔接痕塑件的拉伸强度和弯曲强度,与CIM样条相比,GCP压力为9MPa、GCP作用时间为10s时成型的有熔接痕样条的拉伸强度和弯曲强度分别提高了30.51%和23.69%。在GCP辅助CIM工艺中,GCP压力是影响成型塑件收缩率最为重要的参数,其次为保压时间、注射压力、模具温度、熔体温度和保压压力,上述参数对塑件收缩率的百分比贡献分别为61.232%、13.985%、7.260%、5.921%、5.918%和1.569%。针对GCP辅助化学发泡注塑工艺,研究了GCP技术对熔体流动前沿、塑件表面质量和内部泡孔的影响规律,揭示了GCP压力、GCP作用时间、发泡剂含量、熔融温度、注射压力和注射速率与GCP辅助化学发泡注塑样条发泡层厚度、泡孔直径和泡孔密度的内在关系。在GCP辅助化学发泡注塑过程中,GCP压力越大,熔体流动前沿的泡孔破裂行为受到的抑制作用就越大,成型塑件的表面气痕缺陷就越少,塑件的表面光泽度值就越高。研究还表明,在GCP辅助化学发泡注塑过程中,存在两个临界GCP压力,分别为熔体流动前沿泡孔不发生破裂的临界GCP压力和熔体不发生发泡行为的临界GCP压力。当成型过程中GCP压力不小于熔体流动前沿泡孔不发生破裂的临界GCP压力时,塑件表面无任何气痕缺陷。较小的GCP压力和GCP作用时间、较大的发泡剂含量、较高的熔融温度、较大的注射压力和合理的注射速率可成型发泡层厚度较大、泡孔直径较小、泡孔密度较大的GCP辅助化学发泡注塑产品。针对GCP辅助微孔发泡注塑工艺,系统研究了GCP压力及其作用时间对塑件表面质量、泡孔形态和泡孔密度的影响规律,揭示了GCP压力对微孔发泡注塑过程中熔体发泡行为的影响机理,研究了GCP压力和注塑参数对微孔发泡注塑件表面缩痕深度的影响规律。研究表明,在GCP辅助微孔发泡注塑工艺中,增大GCP压力或延长GCP作用时间均有利于提高塑件的表面质量,改善塑件内部的泡孔形态,在GCP辅助微孔发泡注塑生产中,应以熔体流动前沿泡孔不发生破裂的临界GCP压力作为参考,选用等于或稍大于此临界GCP压力的GCP压力进行成型时,可获得表面光泽度较高、表面缩痕深度较小的合格产品。