粉末共注射成形充填过程实验研究与数值模拟

【摘要】：粉末共注射成形技术(Powder Co-injection Molding, PCM)是由传统粉末冶金技术与现代塑料共注射技术相结合产生的新近净成形技术。该技术可以整合不同组分的优越性能,较短的生产周期可内获得功能性和形状复杂性相统一的成形坯,获得芯、壳层具有不同材料及功能的结构,从而为多功能零部件和复杂形状零部件的生产提供了更为广阔的路径。 与塑料共注射成形相比,粉末共注射成形技术由于粉末的存在,其充填过程与成形机理更为复杂。目前,国际上对粉末共注射成形的研究仍处于起步阶段,仍然没有对粉末共注射成形工艺进行系统地研究,也没有成功的理论对芯、壳层喂料充填过程进行解释,更没有对充填过程进行数值模拟。为此,本文选用316L(40%)不锈钢喂料为壳层,316L(60%)不锈钢喂料为芯层,研究了壳层预充填量、注射温度、壳层注射速率等工艺参数对芯层喂料在注射方向上的穿深距离以及厚度方向上的分布情况,并且研究了随着芯层注射过程的进行,芯层厚度的变化情况。研究发现：充填结束时,芯层熔体的形貌呈现“V”形或蘑菇形分布。PCM充填过程,在注射方向上,壳层预填充量、注射温度、注射速度等工艺参数均对芯层熔体在注射方向上的穿深距离存在不同程度的影响。其中,随着壳层预充填量的增大,芯层熔体的最大穿深距离明显减小；芯层熔体在注射方向上的穿深距离随着芯层熔体注射温度的升高而增大；随着壳层熔体注射速度的增加,芯层熔体在注射方向上的穿深距离减小。在厚度方向上,壳层的预填充量对芯层的厚度分布影响最大,其中,在不同的壳层预填充量下,在穿深距离为0-15mm范围内芯层厚度的变化程度一致；不同注射速率下,芯层熔体在同一穿深距离处的最大厚度分数差值为0.16,注射速率对芯层厚度的影响次小；随着芯层穿深距离的增大,芯层熔体厚度变化较大；不同温度下的芯层厚度分数最大差值为0.1,温度的变化对芯层厚度的影响相对最小。在固定的穿深位置处,随着充填过程的进行,芯层熔体在厚度方向上的变化开始时,与注射时间大致呈线性关系,在厚度达到最大值以后,厚度便不再随着注射时间的延长发生变化。 根据上述实验结果,本文从流变学的角度分别解释了芯层熔体的形貌呈现“V”形或蘑菇形分布的实验现象以及工艺参数对芯层熔体形貌的影响。 另外,本文将PCM充填过程视为Hele-Shaw流动,从连续介质所遵循的守恒方程出发,根据实际的充填过程,提出相对合理的假设,简化该流动模型对应的数学模型。然后从运动学和动力学的角度推导出喂料充填过程的场的控制方程,并且利用有限元法求解控制方程,分别利用控制体积法追踪芯／壳层界面以及壳层前沿的运动情况。然后,用Matlab软件进行共注射充填过程的程序开发,实现了共注射过程中芯、壳层前沿界面的追踪,以及压力场、温度场的分布的可视化。最后,本文选用316L(40%)不锈钢喂料为壳层,316L(60%)不锈钢喂料为芯层,对其充填过程进行模拟,并将模拟结果与实验结果进行对比,通过对比发现模拟结果基本上能反映粉末共注射的充填过程。