多年來，人們一直在研究中空塑料制品的成型加工技術(shù)，其中德國Rohm GmbH的Ernst Friederich最先發(fā)明氣體輔助注射成型工藝。隨著中國塑料工業(yè)迅速發(fā)展，塑料制品的應(yīng)用范圍越來越廣，需求量越來越大，氣輔技術(shù)的應(yīng)用市場也不斷擴(kuò)大。開發(fā)適合中國塑料加工業(yè)應(yīng)用的氣輔裝置，滿足國內(nèi)注塑件成型加工市場的需求，擺脫國外公司對國內(nèi)市場與技術(shù)的壟斷，對提高中國塑料制品的質(zhì)量、降低其成本有著重要的影響。目前，北京中拓機(jī)械有限責(zé)任公司已率先完成氣輔裝置的研制、開發(fā)及生產(chǎn)。自2000年投入國內(nèi)市場后，已協(xié)助多個用戶成功地進(jìn)行了氣輔模具改進(jìn)、開發(fā)等工作。同時還培養(yǎng)了一支專業(yè)的氣輔模具服務(wù)隊(duì)伍，為廣大客戶提供包括模具流動分析、氣輔模具設(shè)計(jì)等技術(shù)服務(wù)。根據(jù)我們對氣輔工藝的探討，以下對氣輔成型技術(shù)原理、應(yīng)用前景及市場情況作簡單介紹。
工藝原理
氣體輔助注塑工藝可分為四個階段：
第一階段：塑料注射。熔體進(jìn)入型腔，遇到溫度較低的模壁，形成一個較薄的凝固層。
第二階段：氣體入射。惰性氣體進(jìn)入熔融的塑料，推動中心未凝固的塑料進(jìn)入尚未充滿的型腔。
第三階段：氣體入射結(jié)束。氣體繼續(xù)推動塑料熔體流動，直到熔體充滿整個型腔。
第四階段：氣體保壓。在保壓狀態(tài)下，氣道中的氣體壓縮熔體，進(jìn)行補(bǔ)料確保制件的外觀。
氣輔成型應(yīng)用
氣體輔助注射可以應(yīng)用在除特別柔軟的塑料以外的任何熱塑性塑料和部分熱固性塑料。利用氣輔成型的制品根據(jù)結(jié)構(gòu)形狀不同，大致分為3類：棒類制品，類似把手之類大壁厚制件；板類制品，容易產(chǎn)生翹曲變形和局部熔體聚積的大平面制件；特殊制品，由傳統(tǒng)注塑技術(shù)難以一次成型的特殊結(jié)構(gòu)的制件。
棒類制品
氣輔成型技術(shù)在棒狀制件的成型中顯示出明顯的優(yōu)勢。一般采用中空注射的氣輔工藝，即氣體穿透整個制件的壁厚部位形成氣道。制件的設(shè)計(jì)主要是氣道的設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮以下方面：
（1）制品截面最好接近圓形。避免尖角，采用大的圓角過渡；避免熔體在角部產(chǎn)生堆積；保證整個制件壁厚均勻。
（2）采用矩形截面時，氣道通常為橢圓形。為保證氣體穿透的均勻性，截面應(yīng)滿足寬高比≦3-5。
（3）制件長度應(yīng)大于制件截面高度的5倍，保證沿制件長度方向氣體盡量穿透，以得到均勻的壁厚。
（4） 氣道轉(zhuǎn)彎處制件應(yīng)有足夠大的圓角半徑，避免內(nèi)外轉(zhuǎn)角處的壁厚差異。
（5）氣道截面尺寸變化應(yīng)平緩過渡，以免引起收縮不均。
（6）氣道入口不應(yīng)設(shè)置在外觀面或制件承受機(jī)械外力處。
（7）進(jìn)氣口位置應(yīng)該接近澆口，以保證氣體與熔體流動方向一致，但兩者距離應(yīng)大于30mm，以避免氣體反進(jìn)入澆口。
板類制品
氣輔注塑成型技術(shù)的主要應(yīng)用之一就是板類制件的成型。因?yàn)闅怏w總是沿著阻力最小的方向前進(jìn)，容易在較厚的部位進(jìn)行穿透，因此，在板類制品設(shè)計(jì)時常將加強(qiáng)筋作為氣道，一般設(shè)在制品的邊緣或壁的轉(zhuǎn)角處。對制品的設(shè)計(jì)也就是對加強(qiáng)筋和肋板的設(shè)計(jì)，即氣道的設(shè)計(jì)?；驹瓌t如下：
對于有加強(qiáng)筋的塑件，有下面兩種方案，一個是將加強(qiáng)筋的根部加厚(倒一個大角即可)，沿其根部可設(shè)計(jì)一個氣道，這樣可以避免出現(xiàn)收縮痕?；蛘咴跅l件允許的情況下，將其改為如圖1的形狀，這樣，在同樣的情況下，可以減少塑件總厚度的尺寸，且變形和收縮都小。
 圖1 加強(qiáng)筋 |
（2）“手指”效應(yīng)是大平面制件容易產(chǎn)生的主要問題。在氣體保壓階段，平板部位體積收縮而產(chǎn)生的缺料是依靠氣道和平板之間的熔體來補(bǔ)償，因此產(chǎn)生了所謂的“手指”效應(yīng)，導(dǎo)致壁厚不均勻。產(chǎn)生手指效應(yīng)的主要因素是平板的壁厚，因?yàn)楸诤裨酱?，產(chǎn)生手指效應(yīng)的危險(xiǎn)性就越大。另一方面，平板部分壁厚越厚，氣道的氣體越易串入平板部位，產(chǎn)生“二次穿透”，因此，設(shè)計(jì)板狀制件時應(yīng)注意平板部分壁厚不宜超過4mm。
（3）當(dāng)制件僅由一個氣針進(jìn)氣而形成多個加強(qiáng)筋或肋板（氣道）時，氣道不能形成回路。
（4）為避免熔體聚集產(chǎn)生凹陷，氣道末端的外形應(yīng)采用圓角過渡。
（5）采用多點(diǎn)進(jìn)氣時，氣道之間的距離不能太近。
（6）氣道布置盡量均勻，盡量延伸至制品末端。
圖2 大平面零件的氣輔注射 |
特殊制品主要是指利用傳統(tǒng)成型技術(shù)難以一次成型的特殊結(jié)構(gòu)的制件。
如果塑件有的地方有大平面，或由于有特殊要求，某處平面的厚度偏厚，采用普通方法，將產(chǎn)生收縮痕、氣孔、扭曲等現(xiàn)象。如果在此處加適當(dāng)?shù)膰娮欤脷怏w進(jìn)行此處的成型和保壓，就可以避免上述缺陷，但會在塑件上留下封氣的痕跡。可將其放在不起眼的位置。如圖2所示，利用四周的加強(qiáng)筋封住氣體，即去除截面為三角形的密封環(huán)。
模具設(shè)計(jì)
模具設(shè)計(jì)基本原則
（1）澆注系統(tǒng)應(yīng)采用點(diǎn)澆口，普通流道、熱流道均可，熱流道必須是針閥式可封閉結(jié)構(gòu)。
（2）氣體輔助注射成型由于氣道可起流道的作用，容易充填，因此澆口數(shù)可大大減少。
（3）一般情況下，氣體往往不能達(dá)到氣道尾部，如氣道必須穿通，可在氣道尾部加設(shè)“溢料井”。
（4）氣輔成型模具由于塑件筋數(shù)減少，因此模具制造容易。但模具加工必須保證塑件和氣道的壁厚，由于氣體對壁厚十分敏感，因此當(dāng)壁厚制造超差時，氣體就可能亂竄。同時，氣輔注射成型模具的冷卻系統(tǒng)十分重要。
圖3 模壁溫度的微小變化差異引起的氣體穿透不均勻 |
（1）模具型腔的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量保證流動平衡以減小氣體的不均勻穿透，保證流動平衡也是普通注射成型模具的一條設(shè)計(jì)原則，但對氣輔成型制品來說這一點(diǎn)更重要。
（2）模具設(shè)計(jì)應(yīng)考慮對工藝參數(shù)的影響，因?yàn)闅廨o成型對工藝參數(shù)比普通成型敏感得多。在氣輔成型中，模壁溫度或注射體積的微小不同會導(dǎo)致對稱件中氣體穿透的不對稱，例如成型如圖3（a）所示的對稱制品，開始上下兩側(cè)注入相同體積的塑料熔體（圖3（b）），但假設(shè)由于冷卻水管串聯(lián)布置導(dǎo)致上下兩側(cè)模壁溫度上冷下熱，則上側(cè)熔體粘度將比下側(cè)大，使下側(cè)氣體穿透較上側(cè)強(qiáng)，有效流長較上側(cè)短（圖3（c）），隨著氣體的注射這種傾向越來越強(qiáng)，最后上下兩側(cè)將出現(xiàn)不同程度的氣體穿透（圖3（d））。
氣體輔助注塑設(shè)備
（1）普通注塑機(jī)（計(jì)料精度稍高些為好）。
（2）氮?dú)饪刂葡到y(tǒng)，包括自封閉式氣輔噴嘴。
（3）高壓氮?dú)獍l(fā)生器。
（4）工業(yè)氮?dú)怃撈恳约疤峁┰鰤簞恿Φ目諝鈮嚎s機(jī)。
（5）為氣體輔助注射設(shè)計(jì)制造的模具。
這五個部分的關(guān)系框圖如圖4所示。
圖4 氣體輔助注塑各設(shè)備的關(guān)系 |
噴嘴進(jìn)氣方式，即使用專用的自封閉式氣輔噴嘴，在塑料注射結(jié)束后，將高壓氣體依靠噴嘴直接進(jìn)入塑料內(nèi)部，按氣道形成一個延展的封閉空間—?dú)馇徊⒈３忠欢▔毫?，直至冷卻，在模具打開之前，通過座臺后退使噴嘴與制品料道強(qiáng)行分離，使氣體排出制品。
（7）氣針
氣針進(jìn)氣方式即在模具的某個特定位置，安裝排氣裝置—?dú)忉?。?dāng)塑料注入型腔后，即將氣針包裹在塑料內(nèi)部；此時高壓氣體排出，氣針在塑料內(nèi)部按氣道形成一個延展的封閉空間—?dú)馇?，并保持一定壓力，直至冷卻，在模具打開之前，氣腔內(nèi)的氣體依靠氣針由控制裝置排出塑料內(nèi)部。
氣輔工藝
氣輔成型的工藝特點(diǎn)
（1）決定工藝參數(shù)時應(yīng)考慮其對氣體穿透的影響，氣輔成型的一次穿透主要取決于塑料熔體體積在型腔中所占的比例，并受流體力學(xué)規(guī)律的支配，二次穿透發(fā)生在較厚的部位并向各個方向擴(kuò)展。工藝參數(shù)對氣體穿透的強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在氣體穿透長度和氣道表層塑料厚度上。一般來說，較高的氣體注射壓力、較高的熔體溫度、較低的熔體粘度和較短的切換延遲時間導(dǎo)致較短的穿透長度和較薄的氣道壁厚。
（2）充模時建議采用低壓氣體，保壓時再增加壓力補(bǔ)償收縮，原因是熔體與氣體接觸的邊界層中會溶解一些氣體，如果保壓結(jié)束后塑料尚未完全固化，則瀉壓時這些氣體會膨脹造成氣道內(nèi)表面氣泡，充模時氣體壓力越大，熔體表界層中溶解的氣體越多，保壓結(jié)束后氣體的膨脹效應(yīng)越強(qiáng)。
（3）要注意避免卸壓太陡在氣道內(nèi)表面引起廣泛的氣體膨脹。
（4）必須盡力避免噴射，因?yàn)槌霈F(xiàn)噴射現(xiàn)象時熔體會發(fā)生閥合和自由表面冷卻，氣體在這樣的非均勻熔體中穿透到第一個閥合處時就會吹穿熔體表面，造成成型失敗。可以采用型腔按逆重力方向充填，在制品最薄處開始充填等方法來避免噴射。
（5）在熔體注射結(jié)束后氣體注射尚未開始時的切換時間內(nèi)應(yīng)盡力避免熔體流動速度發(fā)生較大變化，因?yàn)檫@種變化會在制品表面引起遲滯線和光澤改變。
（6）料量及計(jì)料精度：影響實(shí)際氣輔工藝的核心就是料量，料量的多少以及注塑機(jī)的計(jì)料精度，都會影響氣輔工藝的效果及穩(wěn)定性。原因是：當(dāng)模具型腔內(nèi)充滿塑料時，氣體是很難在塑料內(nèi)部形成空腔的。只有在缺料的狀態(tài)下，留出氣腔的位置，當(dāng)氣體注入型腔后，缺省的塑料在內(nèi)部氣體的膨脹推動下，充滿整個型腔。因此，料量多少直接關(guān)系到氣輔工藝的成型效果，塑機(jī)計(jì)料精度的誤差將關(guān)系到氣輔工藝生產(chǎn)的穩(wěn)定性。
（7）影響氣輔工藝的還有注塑速度、料溫、注射壓力等因素。因?yàn)槿笔〉乃芰弦瓿沙錆M型腔的運(yùn)動過程，則料的流動性也會影響成型的效果，通過調(diào)整注射速度、料溫、注射壓力等參數(shù)可使料的流動性得到提高。
氣輔工藝的調(diào)整方法
氣輔工藝在調(diào)整時，建議按照以下順序進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整：
(1) 在不注氣的情況下，先將制品打滿并觀察塑料的流動狀態(tài)以及模具的狀態(tài)；
(2) 逐漸減少料量，觀察缺料時各澆口料流的分配平均性，應(yīng)當(dāng)盡量保證模具的料流對稱性；
(3) 通常的氣輔工藝一般采用兩段或三段式注氣，薄壁零件壓力適合高壓力注氣2500-4000psi，厚壁或棒狀制品適合低壓力注氣1000-2500psi。
(4) 當(dāng)缺料達(dá)到90%左右時開始注氣，若制品局部仍有收縮現(xiàn)象，建議再適當(dāng)減少料量直至出現(xiàn)制品不滿現(xiàn)象后，再添加料量至打滿狀態(tài)。
(5) 適當(dāng)調(diào)整氣體壓力，氣體保壓時間以及啟動延時達(dá)到適合的狀態(tài)。
(6) 噴嘴進(jìn)氣方式中務(wù)必注意采用后退座臺方式排氣。
(7) 氣針進(jìn)氣方式中務(wù)必注意氣針排氣是否通暢，如排氣不暢需及時清理。
應(yīng)用前景及市場情況
氣輔技術(shù)可在家電、汽車、家具、日常用品、辦公用品等幾乎所有塑料制件領(lǐng)域得到應(yīng)用。采用氣輔技術(shù)可以減少成型的鎖模力，縮短成型周期，減少翹曲變形。同時，由于成型所需注射壓力的降低，從而可以在較小的注塑機(jī)上成型較大的制品。從表面上看，氣輔技術(shù)的優(yōu)勢源于利用高壓氣體把厚壁的內(nèi)部掏空；從工程力學(xué)的原理上看，氣輔技術(shù)的應(yīng)用改變了材料在制品斷面上的分布，使制件剛性和強(qiáng)度得以改善，承載力增加，這在汽車、飛機(jī)、船舶等交通工具的輕量化方面顯示出了巨大且誘人的應(yīng)用優(yōu)勢和前景。
 氣輔技術(shù)可用于電腦顯示器及打印機(jī)等生產(chǎn)。 |
北京中拓機(jī)械有限責(zé)任公司
（轉(zhuǎn)載）
