山东大学塑性成形工艺与模具技术研究团队



重点实验室研究进展

山东大学塑性成形工艺与模具技术研究团队

编者按：山东大学塑性成形工艺与模具技术研究团队 （以下简称研究团队）立足于国家重要需求，开展塑性成形理论、新工艺及其装备、模具技术等科学与工程应用技术研究，先后承担并完成了一系列国家、省部级及企业委托科研项目的研究任务，攻克了快速热循环注塑、微孔发泡注塑和大型铝合金型材挤压等技术难题，取得了多项创新性成果，其中近5年获得国家科技进步二等奖2项。快速热循环高光注塑成型技术及其成套工艺与模具技术实现了高品质外观塑件的短流程、无污染、低成本的注塑成型制造；研发了高性能铝合金材料成分调控及优质铸锭制备、挤压工艺/模具设计制造和铝型材后续处理工艺与装备等关键技术，研制生产了系列高性能大规格复杂截面铝合金型材，在高速列车、轻轨地铁、轻量化汽车、船舶、大型工程结构等领域获得广泛应用，有力促进了我国高速列车等领域的建设与发展。

快速热循环高光注塑成型技术

常规注塑技术生产的塑件普遍存在熔痕、流痕、流线、浮纤等缺陷，光泽度差，严重影响塑件力学性能和外观质量。因此，高品质外观塑件的生产必须采用打磨、喷涂、罩光等二次加工来弥补外观质量的不足。这不仅增加了生产流程、废品点和成本，而且无法改善塑件的力学性能。更为严重的是，塑件生产过程存在大量的苯、甲苯、二甲苯、铅、镉、铬和汞等废气和重金属污染物排放，造成塑件生产单位能耗高、生产效率低、高污染、产品质量和材料回收性能差。为此，研究团队与海信集团开展产学研合作，提出并开发了具有自主知识产权的快速热循环高光注塑工艺模具、控制设备、生产线建造、产品质量控制等成套技术与装备，实现了高品质外观塑件的短流程、无污染、低成本的注塑生产。

研究团队研究提出了将模具型腔表面快速加热至聚合物玻璃化温度以上进行注射成型的思想。研究发现，当模腔表面温度加热至聚合物玻璃化温度以上时，熔体温度和流动速率高，在汇流处两股熔体产生了很好的融合，且分布均匀，表明熔体充模能力强，汇流处熔体结合性能好，熔体复制模具表面的能力显著提高。研究提出了一种模具温度动态变化的快速热循环高光注塑成型技术，将注塑过程中模具温度控制分为快速加热、高温保持、快速冷却、低温保持等4个阶段，如图1所示，有效解决了常规注塑技术因熔体温度与模具温度差异较大而造成的一系列注塑缺陷，避免了高品质外观塑件生产中的打磨、喷涂、罩光等二次加工过程。

图1 快速热循环高光注塑成型技术模具温度控制曲线

动态模温控制方法是实现快速热循环高光注塑工艺的一项关键技术，研究团队提出了蒸汽加热式模具温度控制方法，适时地控制高温蒸汽和冷却水循环交替地通入模具型腔/型芯内部管路，快速加热或冷却模具型腔/型芯，实现了模具型腔表面温度的动态控制，解决了一个注塑周期内注塑机动作 （熔胶、注射、保压）和模具动作 （合模、开模、顶件）与模具温度变化之间的协调控制难题。研究建立了快速热循环高光注塑模具温度控制策略及其介质的温度、压力规范等，研制生产了具有自主知识产权的不同规格的系列蒸汽加热式、电加热式以及多点式快速热循环高光注塑模具温度控制装备，满足了不同的生产需要。

研发了快速热循环高光注塑精密模具结构、加热冷却管道布局等设计方法，提高了模具加热效率及其型腔表面温度的均匀性。针对高光模具承受的热力载荷高、模具寿命差的问题，系统研究了模具结构与其疲劳寿命之间的关系，建立了提高模具疲劳寿命的设计准则，发明了一种带有 “冷间隙”的快速热循环高光注塑模具结构，通过在外模块和型腔模块之间设置合理的补偿间隙，提高了模具寿命和塑件精度。开发了快速热循环高光精密模具制造与加工技术、高光模具表面抛光技术及高精度检测技术，形成了快速热循环高光精密模具设计制造技术体系，模具表面粗糙度≤Ra0.025μm，合模后分型面间隙≤0.02mm。

塑件成品率是决定快速热循环高光注塑成型技术成败的关键。为此研究了注塑工艺参数和模具参数对成型工艺的影响规律，确定了模具结构参数、注塑工艺参数选择方法和模具型腔温度控制技术规范，通过高光注塑模具与工艺参数的优化以及合理模具温度控制规范的建立，形成了可靠的快速热循环高光注塑成型工艺质量控制技术，成功开发了液晶电视机前壳/后壳/底座、空调面板、音箱、汽车保险杠等近60种高光塑件，如图2所示，实现了规模化生产，塑件成品率达96%以上，塑件表面无熔痕，达到镜面效果，可直接用于最终装配。

图2 设计的蒸汽加热快速热循环注塑生产线和开发生产的部分高光塑件产品

微孔发泡注塑技术

微孔发泡塑料被称为 “21世纪的新型材料”，应用领域非常宽广，市场潜力巨大。微孔发泡注塑成型是生产微孔发泡塑料产品的主要方法之一，但面临微孔发泡注塑技术及其成套工艺与装备、泡孔形核与形态演变机制及塑件质量控制等技术挑战。

研究团队针对微孔发泡注塑成型超临界流体发泡剂注入过程的精确计量问题，发明了超临界流体发生与计量装置，解决了微孔发泡注塑超临界流体的定量均匀注入问题，提出一种先定量后稳流的超临界流体注入装置设计方案与控制系统，并且改进优化了一种恒压恒流超临界流体注入装置设计方案与控制系统，达到了定量控制、均匀注入、精确计量的效果。研究超临界流体计量注入时间、注入压力等工艺参数与注塑机螺杆复位时间、螺杆转速等注塑机参数之间的配合关系，确定了合理的超临界氮气注射器、压力传感器以及爆破片等在机筒的开孔安装位置；研究得到了螺杆螺纹类型、螺纹角度等参数对气体-聚合物单相体系形成的影响，确定了最优的螺杆结构参数，设计了微孔发泡注射专用螺杆和料筒；根据微孔发泡注塑的工艺要求，开发了注塑机控制器程序，实现了微孔发泡注塑成型过程的协调可靠控制。

建立了超临界氮气-聚合物材料单相体系形成模型，分析获得了高温高压下超临界氮气在聚合物熔体中的溶解度、扩散系数以及气体溶解后对体系玻璃化转变温度等的影响。建立了不可压缩、非等温和非稳态三维多相流数学模型，揭示了泡孔变形、破裂和溃灭机理以及泡孔形态演变规律与塑件质量的内在关系。开发了模具型腔反压控制技术与装置，研究了模具型腔反压和模具温度变化对气泡成核、长大和定型过程等的影响规律，揭示了模具型腔压力对泡孔演化的影响机理，得到了制品质量与模具型腔压力曲线间的关系，通过模具型腔压力控制显著提高了注塑件表面和内在质量。

图3 型腔压力对微发泡塑件表面质量影响　

图4 气泡在流动前沿界面上的破裂过程

高性能大规格复杂截面铝合金型材挤压成形技术

高性能大规格复杂截面铝型材结构力学性能优异，具有高强高韧、壁薄中空等特点，是高速列车车体制造的主体材料，也是地铁轻轨、汽车、船舶、军工、工程结构等领域的关键轻量化结构材料。研究团队与龙口市丛林铝材有限公司、南车青岛四方机车车辆股份有限公司合作，围绕高强高韧、耐腐蚀、裂纹倾向性低、抗疲劳和抗应力腐蚀的高性能大规格复杂截面铝合金型材的成形制造技术所涉及的科学与工程问题，建立了高性能大规格复杂截面铝合金型材的挤压成形工艺与装备技术体系，研制出系列高性能大规格复杂截面铝合金型材产品，满足了我国高速列车、城市轨道交通、船舶、汽车、军工、大型工程结构等领域的迫切需求。

研究揭示了合金成分对高强度铝合金材料组织和力学性能的影响规律及其机理，研制了系列高性能铝合金材料，明显降低了材料的应力腐蚀倾向，显著减少了材料表层的脆性带厚度。优化了熔炼精炼工艺，难溶元素得以充分溶解和合金化，研发了熔炼炉、静置炉氩气加精炼剂联合喷吹精炼和在线除气的三级熔体净化技术，有效控制了铝液氢含量和氧化夹杂物含量，建立了控制炉料新料率和在线加入Al-Ti-B丝的晶粒细化方法，使结晶组织更加细密。研发了大规格铸锭的两级均匀化处理工艺，优化了大规格铸锭的两级均匀化处理工艺参数，与传统的低温均匀化处理相比，两级均匀化处理使铸锭难溶性化合物钝化，且呈断续、珠链状分布，有效解决了大规格挤压用铸锭存在的易开裂、晶粒粗大、纯净度和均匀性差、难以满足成形及其性能要求的问题。

研究了分流桥形状和焊合室深度对横向焊缝演变过程和长度的影响规律以及对纵向焊缝形成过程、微观组织及其力学性能的影响规律，发现带有平面型分流桥的挤压模具挤出的型材存在双凸型横向焊缝和十字型纵向焊缝，而尖角型分流桥的挤压模具挤出的型材存在单凸型横向焊缝和直线型纵向焊缝，如图5所示，焊合平面上存在有效焊合平面，只有位于有效焊合平面内的金属才能流入模具工作带并最终形成型材纵向焊缝，揭示了挤出型材纵向焊缝及其宏观缺陷的形成过程，提出了一种新的基于应力三轴度、等效应变速率、温度和接触时间的固态焊合准则数学模型。

图5 焊合界面及其焊缝形貌

建立了三维稳态和非稳态铝型材挤压过程数值建模方法与系统，揭示了挤压工艺与模具参数对型材质量的影响规律，建立了大型挤压模具结构多目标优化设计模型及方法，图6为模具优化前后型材断面流速分布对比，开发了模具结构优化设计系统，解决了挤压过程中材料体积分配难题，研制出系列大规格复杂精密模具。解决了锭坯感应梯度加热、模具氮气冷却、温度在线测控、挤压速度调控等难题，实现了等温挤压；研发了系列型材后处理专用设备和技术，建立了不同铝型材的多级时效处理工艺规范，开发了型材质量检测装置等，提高了生产效率，保障了型材组织和性能的均匀和稳定，提高了大规格复杂截面铝型材的成品率。

图6 模具优化前后型材断面流速分布对比

研究成果广泛应用于我国高速列车、地铁轻轨、汽车、船舶、军工、大型工程结构等领域，为我国CRH2及CRH380A高速列车制造研制并提供了系列高性能大规格复杂截面铝型材，并为西门子、阿尔斯通、庞巴迪、韩国DU等研制了系列高性能大规格复杂截面铝型材，如图7所示，项目技术与产品在国内外市场上形成了突出的竞争优势。

图7 研发的系列高性能大规格复杂截面铝型材

（山东大学材料科学与工程学院 赵国群教授）