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气辅注塑成型工艺探索与市场前景 |
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作者：北京中拓机械有限责任公司 |
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多年来，人们一直在研究中空塑料制品的成型加工技术，其中德国Rohm GmbH的Ernst Friederich最先发明气体辅助注射成型工艺。随着中国塑料工业迅速发展，塑料制品的应用范围越来越广，需求量越来越大，气辅技术的应用市场也不断扩大。开发适合中国塑料加工业应用的气辅装置，满足国内注塑件成型加工市场的需求，摆脱国外公司对国内市场与技术的垄断，对提高中国塑料制品的质量、降低其成本有着重要的影响。目前，北京中拓机械有限责任公司已率先完成气辅装置的研制、开发及生产。自2000年投入国内市场后，已协助多个用户成功地进行了气辅模具改进、开发等工作。同时还培养了一支专业的气辅模具服务队伍，为广大客户提供包括模具流动分析、气辅模具设计等技术服务。根据我们对气辅工艺的探讨，以下对气辅成型技术原理、应用前景及市场情况作简单介绍。
工艺原理
气体辅助注塑工艺可分为四个阶段：
第一阶段：塑料注射。熔体进入型腔，遇到温度较低的模壁，形成一个较薄的凝固层。
第二阶段：气体入射。惰性气体进入熔融的塑料，推动中心未凝固的塑料进入尚未充满的型腔。
第三阶段：气体入射结束。气体继续推动塑料熔体流动，直到熔体充满整个型腔。
第四阶段：气体保压。在保压状态下，气道中的气体压缩熔体，进行补料确保制件的外观。 
气辅成型应用
气体辅助注射可以应用在除特别柔软的塑料以外的任何热塑性塑料和部分热固性塑料。利用气辅成型的制品根据结构形状不同，大致分为3类：棒类制品，类似把手之类大壁厚制件；板类制品，容易产生翘曲变形和局部熔体聚积的大平面制件；特殊制品，由传统注塑技术难以一次成型的特殊结构的制件。
棒类制品
气辅成型技术在棒状制件的成型中显示出明显的优势。一般采用中空注射的气辅工艺，即气体穿透整个制件的壁厚部位形成气道。制件的设计主要是气道的设计，应考虑以下方面：
（1）制品截面最好接近圆形。避免尖角，采用大的圆角过渡；避免熔体在角部产生堆积；保证整个制件壁厚均匀。
（2）采用矩形截面时，气道通常为椭圆形。为保证气体穿透的均匀性，截面应满足宽高比≦3-5。
（3）制件长度应大于制件截面高度的5倍，保证沿制件长度方向气体尽量穿透，以得到均匀的壁厚。
（4） 气道转弯处制件应有足够大的圆角半径，避免内外转角处的壁厚差异。
（5）气道截面尺寸变化应平缓过渡，以免引起收缩不均。
（6）气道入口不应设置在外观面或制件承受机械外力处。
（7）进气口位置应该接近浇口，以保证气体与熔体流动方向一致，但两者距离应大于30mm，以避免气体反进入浇口。
板类制品
气辅注塑成型技术的主要应用之一就是板类制件的成型。因为气体总是沿着阻力最小的方向前进，容易在较厚的部位进行穿透，因此，在板类制品设计时常将加强筋作为气道，一般设在制品的边缘或壁的转角处。对制品的设计也就是对加强筋和肋板的设计，即气道的设计。基本原则如下：
对于有加强筋的塑件，有下面两种方案，一个是将加强筋的根部加厚(倒一个大角即可)，沿其根部可设计一个气道，这样可以避免出现收缩痕。或者在条件允许的情况下，将其改为如图1的形状，这样，在同样的情况下，可以减少塑件总厚度的尺寸，且变形和收缩都小。
图1 加强筋
（1）在设计制作加强筋时，应避免设计又细又密的加强筋。尺寸太小无法给气体提供良好的通道，会出现“鼓包”等现象，可改进设计为较厚、较少的加强筋。但尺寸太大又会造成局部的熔体堆积，冷却收缩后形成表面凹陷，甚至当用作气道的边缘筋与中间的薄板部分厚度差异较大时，熔体先进入筋部，注入的气体向最后充满的薄板部分穿透并形成气穴，降低制品局部的表面强度。
（2）“手指”效应是大平面制件容易产生的主要问题。在气体保压阶段，平板部位体积收缩而产生的缺料是依靠气道和平板之间的熔体来补偿，因此产生了所谓的“手指”效应，导致壁厚不均匀。产生手指效应的主要因素是平板的壁厚，因为壁厚越大，产生手指效应的危险性就越大。另一方面，平板部分壁厚越厚，气道的气体越易串入平板部位，产生“二次穿透”，因此，设计板状制件时应注意平板部分壁厚不宜超过4mm。
（3）当制件仅由一个气针进气而形成多个加强筋或肋板（气道）时，气道不能形成回路。
（4）为避免熔体聚集产生凹陷，气道末端的外形应采用圆角过渡。
（5）采用多点进气时，气道之间的距离不能太近。
（6）气道布置尽量均匀，尽量延伸至制品末端。
特殊制品
特殊制品主要是指利用传统成型技术难以一次成型的特殊结构的制件。
如果塑件有的地方有大平面，或由于有特殊要求，某处平面的厚度偏厚，采用普通方法，将产生收缩痕、气孔、扭曲等现象。如果在此处加适当的喷嘴，利用气体进行此处的成型和保压，就可以避免上述缺陷，但会在塑件上留下封气的痕迹。可将其放在不起眼的位置。如图2所示，利用四周的加强筋封住气体，即去除截面为三角形的密封环。 
图2 大平面零件的气辅注射
模具设计
模具设计基本原则
（1）浇注系统应采用点浇口，普通流道、热流道均可，热流道必须是针阀式可封闭结构。
（2）气体辅助注射成型由于气道可起流道的作用，容易充填，因此浇口数可大大减少。
（3）一般情况下，气体往往不能达到气道尾部，如气道必须穿通，可在气道尾部加设“溢料井”。
（4）气辅成型模具由于塑件筋数减少，因此模具制造容易。但模具加工必须保证塑件和气道的壁厚，由于气体对壁厚十分敏感，因此当壁厚制造超差时，气体就可能乱窜。同时，气辅注射成型模具的冷却系统十分重要。
气辅成型模具技术特点
（1）模具型腔的设计应尽量保证流动平衡以减小气体的不均匀穿透，保证流动平衡也是普通注射成型模具的一条设计原则，但对气辅成型制品来说这一点更重要。
（2）模具设计应考虑对工艺参数的影响，因为气辅成型对工艺参数比普通成型敏感得多。在气辅成型中，模壁温度或注射体积的微小不同会导致对称件中气体穿透的不对称，例如成型如图3（a）所示的对称制品，开始上下两侧注入相同体积的塑料熔体（图3（b）），但假设由于冷却水管串联布置导致上下两侧模壁温度上冷下热，则上侧熔体粘度将比下侧大，使下侧气体穿透较上侧强，有效流长较上侧短（图3（c）），随着气体的注射这种倾向越来越强，最后上下两侧将出现不同程度的气体穿透（图3（d））。
图3 模壁温度的微小变化差异引起的气体穿透不均匀
气体辅助注塑设备
（1）普通注塑机（计料精度稍高些为好）。
（2）氮气控制系统，包括自封闭式气辅喷嘴。
（3）高压氮气发生器。
（4）工业氮气钢瓶以及提供增压动力的空气压缩机。
（5）为气体辅助注射设计制造的模具。
这五个部分的关系框图如图4所示。
图4 气体辅助注塑各设备的关系
（6）气辅喷嘴
喷嘴进气方式，即使用专用的自封闭式气辅喷嘴，在塑料注射结束后，将高压气体依靠喷嘴直接进入塑料内部，按气道形成一个延展的封闭空间—气腔并保持一定压力，直至冷却，在模具打开之前，通过座台后退使喷嘴与制品料道强行分离，使气体排出制品。
（7）气针
气针进气方式即在模具的某个特定位置，安装排气装置—气针。当塑料注入型腔后，即将气针包裹在塑料内部；此时高压气体排出，气针在塑料内部按气道形成一个延展的封闭空间—气腔，并保持一定压力，直至冷却，在模具打开之前，气腔内的气体依靠气针由控制装置排出塑料内部。
气辅工艺
气辅成型的工艺特点
（1）决定工艺参数时应考虑其对气体穿透的影响，气辅成型的一次穿透主要取决于塑料熔体体积在型腔中所占的比例，并受流体力学规律的支配，二次穿透发生在较厚的部位并向各个方向扩展。工艺参数对气体穿透的强度的影响主要表现在气体穿透长度和气道表层塑料厚度上。一般来说，较高的气体注射压力、较高的熔体温度、较低的熔体粘度和较短的切换延迟时间导致较短的穿透长度和较薄的气道壁厚。
（2）充模时建议采用低压气体，保压时再增加压力补偿收缩，原因是熔体与气体接触的边界层中会溶解一些气体，如果保压结束后塑料尚未完全固化，则泻压时这些气体会膨胀造成气道内表面气泡，充模时气体压力越大，熔体表界层中溶解的气体越多，保压结束后气体的膨胀效应越强。
（3）要注意避免卸压太陡在气道内表面引起广泛的气体膨胀。
（4）必须尽力避免喷射，因为出现喷射现象时熔体会发生阀合和自由表面冷却，气体在这样的非均匀熔体中穿透到第一个阀合处时就会吹穿熔体表面，造成成型失败。可以采用型腔按逆重力方向充填，在制品最薄处开始充填等方法来避免喷射。
（5）在熔体注射结束后气体注射尚未开始时的切换时间内应尽力避免熔体流动速度发生较大变化，因为这种变化会在制品表面引起迟滞线和光泽改变。
（6）料量及计料精度：影响实际气辅工艺的核心就是料量，料量的多少以及注塑机的计料精度，都会影响气辅工艺的效果及稳定性。原因是：当模具型腔内充满塑料时，气体是很难在塑料内部形成空腔的。只有在缺料的状态下，留出气腔的位置，当气体注入型腔后，缺省的塑料在内部气体的膨胀推动下，充满整个型腔。因此，料量多少直接关系到气辅工艺的成型效果，塑机计料精度的误差将关系到气辅工艺生产的稳定性。
（7）影响气辅工艺的还有注塑速度、料温、注射压力等因素。因为缺省的塑料要完成充满型腔的运动过程，则料的流动性也会影响成型的效果，通过调整注射速度、料温、注射压力等参数可使料的流动性得到提高。
气辅工艺的调整方法
气辅工艺在调整时，建议按照以下顺序进行相应调整：
(1) 在不注气的情况下，先将制品打满并观察塑料的流动状态以及模具的状态；
(2) 逐渐减少料量，观察缺料时各浇口料流的分配平均性，应当尽量保证模具的料流对称性；
(3) 通常的气辅工艺一般采用两段或三段式注气，薄壁零件压力适合高压力注气2500-4000psi，厚壁或棒状制品适合低压力注气1000-2500psi。
(4) 当缺料达到90%左右时开始注气，若制品局部仍有收缩现象，建议再适当减少料量直至出现制品不满现象后，再添加料量至打满状态。
(5) 适当调整气体压力，气体保压时间以及启动延时达到适合的状态。
(6) 喷嘴进气方式中务必注意采用后退座台方式排气。
(7) 气针进气方式中务必注意气针排气是否通畅，如排气不畅需及时清理。
应用前景及市场情况
气辅技术可在家电、汽车、家具、日常用品、办公用品等几乎所有塑料制件领域得到应用。采用气辅技术可以减少成型的锁模力，缩短成型周期，减少翘曲变形。同时，由于成型所需注射压力的降低，从而可以在较小的注塑机上成型较大的制品。从表面上看，气辅技术的优势源于利用高压气体把厚壁的内部掏空；从工程力学的原理上看，气辅技术的应用改变了材料在制品断面上的分布，使制件刚性和强度得以改善，承载力增加，这在汽车、飞机、船舶等交通工具的轻量化方面显示出了巨大且诱人的应用优势和前景。 
气辅技术可用于电脑显示器及打印机等生产
气辅技术在美、日、欧等发达国家和地区正日益得到广泛应用，短短几年，该技术用于注塑制品成型的模具配套率已达10%。随着时间的推移，在市场竞争极为激烈的情况下，更加完善的气辅技术一定会为更多的塑料制件制造商所接受。气辅技术在国内的应用首先体现在壳类制品和轿车内饰件等家电、汽车、仪器、仪表、家具等行业。气辅技术的最大应用领域是家电产品，就日本电视机行业来说，64cm以上大屏幕彩电几乎90%以上采用气辅成型技术。目前，中国年产电视机2500万台，其中彩电1200万台。在彩色电视机份额中，占20%左右的64cm以上大屏幕彩电有240万台，而且大屏幕彩电的数量随市场的需求正逐年递增。在汽车注塑件方面，美国福特汽车公司用气辅技术成型了汽车保险杠、汽车内饰件面板、仪表板等，还有美国克莱斯勒复合概念车整个车身以气辅注射成型，这些都为气辅技术在汽车注塑件上的应用开了先例。仿硬木家具在外观上需要模拟木质材料较粗的圆柱或立方结构，而普通塑料加工厂中必须采用的扁平板片结构具有冷却速度慢、材料收缩不易控制、制品翘曲变形严重等难以克服的障碍及料量大、成本高等缺点，传统的注塑工艺很难解决这些问题，采用气辅注塑则可迎刃而解。
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(11/1/2006) |
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