微孔发泡注塑成型工艺与关键设备的研究

摘要

国内外众多研究表明，微孔发泡注塑制品的性能主要取决于所生成的泡孔形态即泡孔直径和密度，所以如何控制泡孔形态以保证注塑制品的质量是该领域的研究方向之一。影响微孔发泡注塑成型制品泡孔形态的因素主要有三个：(a)原料的配方设计；(b)螺杆、超临界气体注入系统等关键设备及模具设计的合理性；(c)正确的工艺条件。本文以改善微孔发泡注塑制品的泡孔形态，提高制品质量为主要目标，对微孔发泡注塑成型的工艺因素与关键设备进行了研究。本文的主要工作包括：
　　 (1)在分析微孔发泡注塑成型机理的基础上，建立了聚合物熔体充模流动过程的数学模型，重点以泡孔长大为研究对象，建立了物理模型，并通过引入合理的假设和简化，采用泡孔单元模型（细胞模型）并根据流体力学基本方程修正了泡孔长大的数学模型，并以薄壁框型零件为研究对象，通过Moldflow模拟实验，从填充时间、注塑压力、熔体流动前沿温度、熔体取向和翘曲变形五个方面分析了微孔发泡注塑成型的充模流动情况。
　　 (2)采用单因素试验法，即在保持其它参数为恒定值的情况下，改变目标参数（熔体温度、模具温度、减重、注射时间、气体含量、初始泡孔半径及初始泡核浓度），研究分析该参数对考察目标的影响，得到了主要影响因素对最终泡孔尺寸及密度的影响规律，从机理层面分析了其产生的原因。同时利用模拟退火算法，建立约束条件，目标经验函数及初始解，经过数次迭代取得全局最优解即工艺参数组合的最优数值解，并通过软件模拟验证其准确性。
　　 (3)分析研究了注塑螺杆的几何参数及结构对塑化混合效果以及熔体温度均匀性的影响；在螺杆几何参数优化的基础上，选择合理的结构（主要是混炼元件和常规三段）开发设计了微孔发泡注塑成型专用螺杆，并建立一个始终恒定的螺杆背压的液压系统；通过ProE/Mechanica功能模块对专用螺杆的混合效果进行了间接模拟分析。同时在原有简单的设备基础上，建立了基于电气控制的超临界气体注入系统。
　　 (4)通过对各个工艺参数的比较分析，选取对泡孔平均直径影响较大的工艺参数作为研究对象。首先利用单个实验观察在充模流动方向不同位置上的泡孔平均直径，其次采用单因素实验法考察所选的工艺参数对泡孔形态的影响规律以及通过正交实验表验证模拟退化方法所优化的最优工艺参数组合的准确性。
　　 研究结果表明，利用单因素实验法和模拟退火法相结合的微孔发泡注塑成型工艺参数优化，以及螺杆、超临界气体注入系统等的改进有助于改善微孔发泡制品的泡孔形态、有效地提高微孔发泡产品质量、降低生产成本、提高产品竞争力。