气体辅助成型综述.doc

注射成型产品及模具设计综述引言：人们很早就开始研究如何彻底消除裂痕而又能节省材料的有效方法。曾经研究过的方法有低压注塑、气体补压注塑、混合注塑、气体发泡成型等，但效果都不很理想。气体辅助注塑工艺是将气体直接注入熔胶中，气体内的压力抵消了塑料在冷却过程中的体积收缩。用这种方式注塑出来的制品，不仅没有裂痕，而且还有许多其他的优越性。气体辅助注射成型技术(简称 :气辅成型)是20世纪80年代在结构发泡成型工艺基础上发展起来的一项新兴的塑料注射成型技术，是塑料注射成型工艺技术中的一项革命。气辅成型应用在最近一、二年来有强劲的增长趋势，它具有多种优点，但因为经验不足和气体不易控制，增加了气辅成型产品开发上的困难。简要介绍： 气辅注射模塑，又称气体注射模塑是一种创新的注射成型工艺。它是自住复式螺杆注射机问世以来注射成型工业上最重要的发展之一，它能用于生产无内应力、表面光滑且无凹陷的大型制件在生产较厚的制件时，气辅注射模塑还可以通过减少所需的夹紧吨位、用材量和循环时间来降低制件成本 气辅注射模塑的工艺过程如图1所示。首先把部分熔融的塑料注射到模具中我们称此为“欠料注射”。紧接着再注入一定体积或一定压力的惰性气体(通常为氮气)到熔融塑料流中。由于靠近模具表面部分的塑料温度低、表面张力高而处在制件较厚部分中心的塑料熔融体的温度高、粘度低，致使气体易于在制件较厚的部位(如加强筋)形成空腔而被气体所取代的熔融塑料被推向模具的末端，形成所要成型的制件。在气辅注射模塑中由于气体的压力始终使塑料紧贴着模具的表面制件较厚部分的外表面不能形成“凹陷”大大提高了制件的质量。此工艺不但简化了模具设计，降低了模具成本还增加了制件设计的灵活性。在合理的设计下，可使制件的重量比传统注射模塑减少10-50%，且使制件得到较高的强度与重量比。另外。氮气充满制件的气体压力与传统注射模塑所需的压力柑比要小得多因此所需的模具夹紧力也较小。图1气辅注射模塑工艺的工作原理气辅注射模塑制件的设计特点和设计原则：此注射模塑系统虽是氮气注射工艺但也同样可以作为其它气辅注射模塑系统的设计参考。下面就气辅注射模塑制件的壁厚、加强筋、凸台、角撑板等分别加以阐述。1壁厚的设计是充分利用气辅注射模塑优越性的主要方面。在传统注射模塑中一股是制件的尺寸越大其所需的壁越厚，以使制件得到足够的强度、刚度和适当的充模。但在气辅注射模塑中制件的壁厚可以较薄p因为气体可以利用内部加强筋等作为压力分布的通道在制件中均匀地分布压力。气辅注射模塑制件的厚度一般为36毫米。只要气体能通过它的浇道或流道填充制件，在一些流动距离较短或尺寸较小的制件中，壁厚还可设计得更薄(0.525毫米)。但为了增加制件的强度、刚度和适当的充模，一般应将流道、内部加强筋和浇道设计得大些。2厚薄壁之间的过渡 。 在传统注射模塑中，壁厚的设计原则是保持壁厚均匀，而在气辅注射模塑中，这个原则限制较少，如果在过渡处设置气体通道，薄壁厚壁可以同时设计于同一制件中。图2所示是用气体通道作为管状边缘以及厚薄壁相交处安排气体通道过渡的情况。图2 气体通道用于管状边缘和薄厚望相交处3 加强筋 要使气体能在制件中形成空腔和使塑料充满整个模具，合理地布置加强筋是非常重要的，适当的加强筋设计可以增加制件的刚度和强度，但并不增加制件许多重量。在传统注射模塑中，为了减小外表面的凹陷，在相接处，加强筋的厚度一股不大于与此相接壁壁厚的50，在气辅注射模塑中，加强筋的壁厚可以达到与其相接壁厚的100-125而不导致表面凹陷。传统注射模塑加强筋几何形状的设计如图3a所示。图3b和3c为气辅注射模塑制件加强筋几何形状的设计。图4为典型的气辅注射模塑制件在加强筋与所接表面处设置气体通道的例子。其中，加强筋的高度(图3c中的H)可以大于相接壁壁厚的3倍；加强筋的宽度(固3c中的W)可以是相连壁厚的2倍；加强筋的过渡圆角半径(图3c中的R)可以是壁厚的12；两个加强筋之间的宽度应该不小于相连壁厚的2倍，加强筋两侧面的脱模斜度应该每边为1度。较深的加强筋需要更大些。 图3a 在持续注射模中的加强筋的设计 图3b 在气辅注射模塑中加强筋的设计 图3c 在气辅注射模塑中另种形式的加强筋的设计 图4 在加强加底部台空心气体通道的典型气辅注射模塑部件对于气辅注射模塑制件，加强筋的宽度应等于或小于相接壁厚的3倍；加强筋的高度应等于或大于相接壁厚的3倍；在薄壁制件中，制件的几何形状必须能使气体较容易地通过加强筋。也就是说，加强筋附近的壁厚不应太大。4凸台 凸台一般用来做为制件的定位或其它机械固定，凸台承受应力和应变，如果其壁厚不足以承受其应力，凸台会碎裂。在传统注射模塑中，一般设计准则是凸台的外径是凸台内径的2倍，而在气辅注射模塑中，外径可以是内径的3倍而不引起表面凹陷和较高的注模内应力。在传统注射模塑中，为了减少在凸台背面的表面凹陷，不削弱在高应力处制件的强度，凸台的芯柱一般只能延伸到连接壁处。但在气辅注射模塑中，制件的设计则有些不同，较厚的凸台壁可以提供更多的余量，且加强筋的厚度仍可是所连接壁厚的100-125，芯柱的长度比传统的注射模塑短2025，因为气体占据了较厚截面部分，从而消除了表面凹陷，降低了制件内应力，一些凸台设计的对比例于如图5a-5d。图5a 在传统注射模塑中凸台的设计图5b 在气辅注射模塑中凸台的设计4 角撑板 角撑板是用于侧壁加强的。在传统注射模塑工艺中，角撑板的设计准则与加强筋的设计准则是相同的，在气辅注射模塑中，设计则不同。传统注射模塑制件的角撑板与气辅注射模塑制件角撑板的设计分别列于图6a和6b。 图5c 在传统注射模塑中带有中心销的凸台设计 图6a 在传统注射模塑中角撑板的设计 图5d 在气辅注射模塑中带有中心销的凸台设计 图6b 在气辅注射模塑中角撑板的设计二. 气辅成型标准工艺过程 气辅技术的标准工艺过程主要包括4个阶段：熔体注射阶段(见图la)。将高分子熔体注射到模具型腔内，直至充满型腔的90-95，具体注射量因产品而异，需经分析和实验确定；气体注射阶段(见图)。把高压惰性气体(一般为N2)注入熔体的芯部i熔体流动前沿在高压气体的推动下继续向前流动，最终充满整个型腔。高压气体取代熔体在制件内部形成中空截面；气体保压阶段(见图1c)。气体保持较高的压力水平，使制件在均匀的保压压力作用下逐渐冷却。在冷却阶段，气体由内向外施医，保证制品外表面紧贴模壁，并通过气体二次穿透从内部补充因熔体冷却凝固带来的体积收缩。从图中可以看到二次穿透的情况。气体保医一股包括高压保压和低压保压两个阶段；排出气本和制件顶出阶段(见图)。经过高低压冷却，制件具有了足够高的刚度和强度，此时排出气体，制件进一步冷却，随后顶出。利用回收装置可以使一部分气体重复使用，其余排入大气。三.在气辅注射模塑制件和模具的设计中，下面几个一般的设计原则应该引起足够的重视。在制件中气体流道必须确定。沿气体通道部位的制件壁应较厚，从而限定气体的流动，避免气体在望薄处穿透。 为适当地选择注射浇口的位置，应对塑料流入模具中的流动情况进行分析，一般只使用一个浇口，该浇口的设置应该使“欠料注射”的塑料可以均匀地充满模腔。由气体所推动的塑料必须有去处，且必须足以将模腔充满。通常气体通道的几何形状相对于注射浇口应该是对称的或单方向的。气体通道必须是连续的，但不能自成环路。最有效的气体通道是圆形截面，一般情况下，气体通道的体积应小于整个制件体积的10。在模具中应设置调节流动平衡的溢流空间，以得到理想的空心通道。部件的结构、模具的使用和工艺优化的同步进行是成功地生产气辅注射模塑制件的保证。随着研究的深入及其成果的应用，气辅注射模塑在塑料加工成型领域中将占有非常重要的地位。四.气辅成型原理气体辅助注射成型是熔融塑料在模具中充填到一定阶段，充人惰性气体，借助于气体的压力达到保压的目的。其原理如图1所示。 成型工艺参数除传统注塑工艺参数外，惰性气体的充填曲线尤为重要，曲线在很大程度上决定了产品的质量。曲线如图2所示。 延迟充填时间，指熔融塑料开始充填到完成充填9095的这段时间，取决于气道在产品中的位置等参数。充填阶段，在这段时间内气道形成，充填动作全部完成；保压阶段，充填完成后在高压下保压并冷却；降压阶段，产品冷却成形，降压并准备开模。气体的充填曲线是气辅成型中的重要参数，曲线控制的正确与否决定了制件的质量。过早的延迟充填时间会导致气道破裂，制件报废；延迟时间过长，气道不能完全形成，充填不饱，影响外观。如果气道较长且离浇口的位置较近，延迟时间应较短；相反，延迟时间较长。充填阶段气压上升的斜率取决于流体的粘度和进气道壁的厚度，由于气道是由气体穿透而形成的，所以气压上升的斜率应使得气道不破裂且壁厚均匀，一般来说，流体的粘度越大，气道壁的厚度越厚，斜率可以取得大一些，反之，应该小一点，一般在60120MPas之间。保压阶段主要是为了达到良好的外观，防止产生缩水等缺陷。五.气辅模具设计气辅技术一般应用在中大型模具上，比如生产的大尺寸彩电等，我们曾在液晶显示器的底座上应用了气辅技术，要求在产品的内部形成空腔，但要保证产品表面的饰纹清晰，也取得了较好的效果。气体辅助注射模具与普通的注射模具的区别就在于如何引入进气口，进气口的位置决定了气体的穿透方向，其中最重要的原则就是气体的穿透方向必须与熔融塑料的流动方向一致，不建议采用与熔融塑料的流动方向成垂直方向的气道。有的气道可以借用产品结构上的角部和筋位来实现，有的须开设专门的气道。如图3所示。气体总是沿着最短的路径从高压往低压处穿透，在进口处压力最高，在末端处压力最低。在布置气道时需考虑以下几点：(1)气道要避免形成回路； (2)尽量利用产品上的筋位或转角处作为气道，使设计尽量简单； (3)不要使用转直角的气道，可以考虑大弧度的转角或多段气道，否则产品的表面质量难以保证； (4)气道的末端避免是模具上的死角，应留有一定的空间。图3 气道的位置(形状) 气针是气辅模具上的重要元件，它的作用是将气体从模具引入产品的气道，而阻止熔融塑料倒流入模具的气孔内，防止损坏模具。一般来说气针本身要能调节气流的大小，可以控制气流量，达到多个进气点之间的平衡；其可调部分与固定部分的间隙一般在0.020.04mm之间。气针是作为标难件来使用的，市场上有各类标难的气针供选用。其一般原理如图4所示。气辅模具设计的基本要点 ： 气辅技术的应用为产品设计和模具设计提供了很大的弹性，同时对产品及模具的设计者提出了更高的要求。采用气辅技术时，产品的设计不必遵循等壁厚的原则，而应在满足使用要求的条件下尽量简单化，还可以将以前必须分开的零件组合在一起，同时应选用更经济的材料及更薄的乎均壁厚。采用气辅技术对注塑机及操作者也有一定要求。注塑机必须性能良好，能保证准确的塑料射出量，这点很重要。注塑机的注射压力、注射速度、注射时间等必须能够精确调整。同时，操纵者必须熟练掌握注塑机及气铺设备的性能，对它们之间的关系作出正确调整，才能保证生产出最佳的合格产品。设计气辅模具时，必须注意以下基本要点： (1)要考虑哪些壁厚处需要注气掏空，然后再决定如何用气道将它们连接起来。 (2)气道应均衡布置，并且不能形成回路。气道的布置应与主要的塑料流动方向一致，转角处应采用较大的圆角半径。 (3)气体喷嘴应置于距塑料最后充填处最远的地方，并置于壁厚处，要与浇口保持20mm以上的距离。由于气道在一定程度上起到分流道的作用，所以浇口数量可适当减少。 (4)气体注入时要有明确的流动方向(气体的流动遵循由高压向低压沿阻力最小的方向流动)，不能让气体的推进有第二种选择。必须使气体局限于气道内，并穿达到气道末端。 (5)气道的大小很重要，一般为平均壁厚的2至4倍。气道太大会产生融合线及气陷，并且浪费材料；气道太小会产生渗透使气体流动失去控制。 (6)模早的冷却要尽量均匀，塑件内壁的温差要尽量小以到达最佳冷却效果，减少冷却时间，相应缩短成型周期。气辅成型(GAM)是指在塑胶充填型腔到适当的时候(9099)，注入高压惰性气体(一般为氮气)、气体推动熔融塑胶继续充填满型腔、用气体保压来代替塑胶保压过程的一种注塑成型技术(如图1所示)。图1 气辅成型原理凝固层 2气道 3熔融塑胶气体的功能有两个方面： (1)驱动塑胶流动以继续填满模腔。 (2)形成中空管道，减少塑料用量，减轻成品重量，缩短冷却时间及更有效传递保压压力。气辅成型可降低压力而同时使保压更为有效，所以更能防止成品收缩不均及变形。六.气辅注塑的成型过程及优点：气辅注塑技术有体积控制与压力控制两种形式。体积控制式气辅注塑，是将一定量的气体经升压器升到一定的压力，被压缩后注入模腔内的塑料中。由于在实际应用中的效果不尽如人意，已很少采用。现在所采用的气辅注塑工艺都是压力控制式，其最重要的特征是气体压力是连续的，并且压力可以控制。打开压力阀后，气体不但可以立即到达设定压力，还可以有多级升降压控制。由于气体内部压力相等，所以可将压力通过气道一直传递到模腔深处，而损失很小。气辅注塑工艺的主要优点有： （1）可以消除塑件表面缩痕。气辅注塑可以成型壁厚差异较大的产品，而不会在塑件表面产生缩痕。因为可以将气体通过气道引入壁厚处，通过气体的保压来抵消塑料的收缩，这为产品的设计带来了极大的方便。(2)可以减小塑件的变形翘曲及内部应力。由于气道可以深入注塑流程末端并且气体内部的压力基本相等，所以保压压力均匀，塑件的变形翘曲及内部应力大大减小。 (3)可以减轻塑件重量。采用气辅技术可以将塑件的整体平均壁厚减薄，而采用加强筋和引入气道的方法来增加塑件的强度和刚度，同时由于不必考虑壁厚是否均匀，还可以将以前必须分开制作的零件组合在一起，这就减少了塑料的用量。(4)可以缩短成型周期。由于壁厚减薄用料减少，冷却时间相对减少，成型周期也相应减少。 (5)可以降低产品成本。由于气辅注塑采用气体保压，保压压力大为降低，所以模具体积可以适当减小机床锁模力也有所减小，可以选用较小的机床成型较大的产品。七.气辅注塑成型设备的结构：气辅注塑成型设备主要由以下3部分组成： (1)压力发生器部分。包括空气压绍器、氮气发生器、低压氮气容器、高压氮气容器等。 (2)喷嘴部分。喷嘴安装在模具中，通过管道及阀门与高压氮气容器连接。 (3)控制部分。连接注塑机与压力器，控制注塑与注气的转换、气体压力的升降、气阎的开关等。八.气体辅助注射制品滞留痕缺陷产生的原因和解决的办法8.1气辅注射成型气体压力控制曲线 气辅注射成型气体压力控制曲线如图3所示c图中，横坐标为注射时间，纵坐标为注入熔体和气体的控制压力。其中po为塑料熔体注射压力，t1为熔体注射结束时刻，t2为气体注射开始时刻；T1=t2-t1为熔体注射结束、气体注射开始的延迟时间; p1为气体预定注射压力；t3为气体预定注射压力产生的时刻；p2为气体精确控制的注射压力，也可称为气体保医压力值；t4为气体保压压力产生的时刻；T2t4t3为气体控制压力作用时间。在这段时间内，气辅注射装置的控制单元要对注射气体进行分阶段多级压力控制，控制精度依据产品要求和装置的控制能力确定，图中为逐级降压，也可按要求逐级升压；T3为气体保压时间；P3为注射气体压力降至稍高于大气压力或接近于大气压力时的值，t6为气体排放时刻。8.2 气辅注射制品滞留痕缺陷产生的原因 滞留痕是指熔体流动速度突然降低时注射件表面留下的相应痕迹。对于用矿物质填充的聚合物熔体，表现为表面光泽度阴暗小于玻纤增强的聚合物熔体，表现为表面粗糙。由图3可以看出，熔体注射结束、气体注射开始有一段时间(T1t 2t1，称为延迟时间)，在这段时间内存在于从熔体克模压力向气体充模压力的转换过程。在这一过程中，气体注入前，由于熔体停止注射熔体所受的压力急剧下降，熔体前沿流动速度随之下降，之后高压气体快速冲入，结果在注射件表面留下滞留痕。另外，如果熔体注入口和流道的直径很小，在气体开始注入时，气体压力损失大大，导致熔体未被驱动从而也留下滞留痕。8.3 消除气辅注射件滞留痕的方法 根据以上分析找出的解决办法为：首先缩短熔体注射结束、气体注入开始这段延迟时间但这一延迟时间又不能过短，否则易产生气体吹穿。如果在熔体满射条件下缩短延迟时间，甚至采用模具喷嘴同时注射，可以消除注射件上的滞留痕。另外采取加大熔体注入口和流道直径的办法也会消除滞留痕，但是如果要求将排气口封上那么在要求大直径流道的同时，还要求尽量缩短其长度。对原材料进行改良也能减轻滞留痕。也可用表面花纹遮盖表面粗糙度的差异。气辅成型壳类制品除具有大多数普通注射成型缺陷外,还具有气辅成型特有的成型缺陷。要提高产品质量,必须能准确识别气辅成型缺陷的产生原因,并提出切实有效的解决措施。表1 列出了在生产中频繁出现的气辅成型缺陷及其应对措施。缺陷类型缺陷描述产生原因措施缩痕由于制品不能较好地紧贴模具均匀冷却,造成收缩不均现象。模温不平衡预充填量太大锁模力不足,从制品毛刺逸出氮气两路气道末端压力抵消,其中间部位无法进气。气辅控制装置的减压阀堵塞,气压无法准确控制。气针被熔料或杂物堵塞。注气延迟时间太长或太短,造成熔体堆积。氮气充填压力太小,气道难于完全形成。氮气充填时间太短。氮气保压压力太小。氮气保压时间太短。清洗模具水路,更换冷却水,延长冷却时间减小预充填量增加锁模力。改变气路,加设分气道。清洗减压阀,检查氮气油水分离器是否正常清洗气针。调整注气延迟时间。延长氮气充填压力。延长氮气充填时间。延长氮气保压压力。延长氮气保压时间。吹裂制品表面出现裂纹,此裂纹一般出现在气道上。模温不平衡,局部模温太低，气针堵塞。加气延迟时间太长,造成熔体冷却过度。氮气充填压力太大、充填时间太长。氮气保压压力太大及保压时间太长。开模时,氮气卸压未完成。清洗模具水路,更换冷却水;缩短局部冷却水流量。卸压不及时清洗气针。缩短加气延迟时间。降低氮气充填压力、充填时间降低氮气保压压力及保压时间。延长冷却时间,降低注气时间。鼓包因制品内部包裹高压氮气,开模后,制品内部气压高于外界气压,引起制品局部突起或爆裂模温不平衡,局部模温太高，加气延迟时间太短,气体过多地渗入熔体，氮气充填压力太大,气体渗入熔体，氮气充填时间太短,卸压时熔体堵塞微气道。氮气保压阶段,卸压速度太快,局部排气不良。清洗模具水路,更换冷却水，延长加气延迟时间，降低氮气充填压力，延