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復合纖維材料中的纖維沿著同一方向高度分布時，能使復合纖維材料在該方向上擁有優異的機械性能。然而在注塑成型過程中，復合纖維材料的纖維取向分布具有較大隨機性，使產品性能差異較大?；谏鲜鲈?，通過對非牛頓流體hele－shaw流動理論的研究分析，設計出一種動態注塑模具來解決復合材料纖維分布隨機性較大的問題，并設置實驗對樣本的性能和纖維組織分布進行分析研究，從實驗角度驗證注塑模具的優越性。
1動態注塑模具設計
1．1動態注塑模具設計原理
根據復合纖維材料的非牛頓流體hele－shaw流動理論，注塑時，流體通過主流道與分流道進入模腔的過程中受到摩擦力的影響，速度方向會發生改變，在側壁附近的纖維將趨于平行側壁。而在流體流動渠道中央，纖維的取向分布是隨機的。因此通過注塑成型得到的試件，在試件表面區域纖維的分布會高度定向（模腔的邊界層），但在模腔中心區域（中心層），橫截面上纖維是隨機的。由此得出，模腔厚度會對纖維定向層的分布產生影響。通過控制模腔的厚度，既給予一個初始型腔厚度，并在注射成型過程中設置活動型芯以實現型腔厚度隨注射量的逐步增大而增大，直至達到型腔厚度的最終尺寸（即該注塑模具生產塑件的厚度尺寸），以此實現纖維定向層分布增大、隨機層分布減少的目的，從而增強注塑產品的機械性能［4］。
1．2動態注塑模具
圖2為動態注塑模具的可活動式型芯?？苫顒邮叫托九c彈簧相連，通過彈簧限定型腔的初始厚度，注射壓力推動活動型芯向定模方向運動，直至與定模板緊密貼合，達到最終型腔尺寸。圖3為動態注塑模具整體結構。動態注塑過程：合模后，活動型芯11在彈簧的推動作用下進入型腔中，并保留一定初始型腔厚度，另一側則與定模固定板3緊密相連；注塑機固定在定位環1，緊接著開始注塑，熔融料從噴嘴處通過主流道襯套9注射進入型腔中；在初始型腔被充滿以后，活動型芯11會在注塑壓力的作用下開始逐漸向定模方向移動，直至與定模固定板3緊密接觸，達到試件所需的最大型腔尺寸，經過一定時間保壓和冷卻，完成注塑階段；注塑完畢，由頂桿14將試件頂出，此時凝料也在拉料桿5的作用下被一同頂出，取出試件，在復位桿6的推力作用下頂桿固定板15和頂桿底板16回復原位，同時活動型芯11也在彈簧力的作用下回復原位。
2動態注塑模具實驗研究
實驗所選復合纖維材料為改性聚己二酰己二胺（含30％高模量玻璃纖維），以尼龍－66作為基體材料，玻璃纖維作為增強材料。注塑機為臥式注塑機，型號為hs－120。將設計的動態注塑模具加工、裝配完成后，裝夾到注塑機上，通過前期的CAE模擬結果，得到最佳注塑工藝參數（表1）。設置好參數后，通過注塑成型得到了相應的標準拉伸試件。傳統注塑成型中則是沒有初始型腔厚度這一參數設定。在制備傳統注塑成型試樣中，要保證其除初始型腔厚度以外工藝參數的一致性，以確保實驗驗結果具有對比性。
2．1復合纖維材料機械性能分析
2．1．1實驗設備
設備為萬能拉伸試驗機，型號為UTM5108，其性能如表2所示。2．1．2實驗數據記錄試驗機UTM5108與電腦相連接，繪制出應力－應變曲線（圖5），圖5中左側三組曲線為傳統注塑試樣曲線，右側三組為動態注塑試樣曲線。從圖5可見，動態注塑成型試樣的應力應變峰值均明顯高于傳統注塑成型試樣。在保證實驗的單一變量前提下，實驗數據得出的應力應變曲線圖說明了基于模腔流體理論而設計的動態注塑成型模具能夠增強塑件的力學性能，提高塑件強度。
2．2復合纖維材料橫斷截面分析
從拉伸實驗中可以看到，相比于傳統注塑生產的塑件，動態注塑生產的塑件，其力學性更加優異。為進一步研究其力學性能的增強是否與塑件的纖維取向分布相關，從而驗證動態注塑模具原理的可行性，還需對其橫斷截面進行觀察。
2．2．1實驗設備
偏光顯微鏡一臺，型號為HPL－18，用做觀察復合纖維材料橫斷截面的組織樣本［8－10］。
2．2．2斷面實驗分析
動態注塑成型是為了實現增加纖維定向層的分布，減少隨機層的分布，通過偏光顯微鏡能夠更加直觀地看到動態注塑成型和傳統注塑成型兩種塑件纖維的分布情況。從圖6可見，傳統注塑成型試樣的橫斷截面上纖維有明顯分層現象，分布較不均勻，而動態注塑成型試樣的橫斷截面上纖維無明顯分層，分布較均勻。顯微鏡觀測結果驗證了動態注塑模具的可行性。結合機械性能實驗研究結果得出：動態注塑成型模具能夠通過變型腔設計，在注塑過程中提高復合材料中纖維的定向化程度，得到具有優越性能的各向異性塑件，從而使得生產的塑件較傳統注塑模具生產的塑件力學性能有明顯增強。
3結論
通過機械性能實驗得出，相比于傳統注塑成型試樣，動態注塑模具生產的塑件，其力學性能有明顯增強，證明了動態注塑成型技術的優越性；從顯微鏡觀察實驗得出，動態注塑模具生產的塑件，其纖維分布相比于傳統注塑模具生產的塑件定向化程度更高。符合動態注塑模具原理，證明了動態注塑模具的可行性。
作者:黃晶 周細枝 周業望 單位:湖北工業大學機械工程學院
