氣輔成型在現代塑料件生產中的應用

黑龍江 王殿君 梁英

氣輔成型在現代塑料件生產中的應用

黑龍江 王殿君 梁英

一、氣輔成型概述

將氣體作為工作介質應用到高分子材料加工技術中來，最先是在注射成型中應用，所以這項技術通常被稱作氣體輔助注射成型技術。

氣輔成型技術在近10年來發展起來的革新成型技術，也可說是注塑技術的第二次革命。氣輔成型作為一項成功的技術，越來越多的應用于電視機外殼、空調器外殼、冰箱外殼等殼體類制品生產。與傳統的注塑成型相比，氣體輔助注塑成型有下列優點：

1.減少內部的殘留應力，從而減弱甚至完全消除翹曲變形狀況，同時增加其機械強度和剛性。

2.成品壁厚部分的中央是中空的，可以減少原料，特別是短射和中空型的模具，塑料最多可以節約達30%。

3.減少或消除加強筋造成的表現收縮凹陷現象。

4.降低制品的收縮不均，提高制品的精密度。

5.設備耗減，大量減少鎖模力，可以用小噸位的注塑機替代大噸位的注塑機。

6.利用氣道來形成加強結構，提高成品的強度。

7.減少射入點。

8.縮短成期。

9.厚薄比大的制品也能通過氣輔一次成型。

10.改變傳統成品設計觀念，能使用一體化設計來減少附屬的零組件。

氣體輔助注塑成型有下列缺點：

1.由于氣體具有壓縮特征因而不容易作精確控制，加上對周圍操作環境敏感，因此工藝的重復性與穩定性比傳統工藝差。

2.國內技術和經驗問題導致資源較浪費（廢品率高）。

目前用于的產品有：汽車門把手、座椅、保險杠、門板、電視機外客、空調、冰箱等

二、氣輔成型的基本原理

氣輔成型技術的主要原理是：先注入一定量的熔融塑膠（通常為90%-98%，以產品的總膠量而言）可通過分析計算+經驗。然后再在熔融塑膠內注入高壓氮氣，高壓氮氣在熔融的塑膠內沿預設的路徑形成氣道（最好是和流向一致當然有特殊具體情況你決定）。使不到100%的熔融塑膠充滿整個模腔，此后進入保壓階段，同時冷卻，最后排氣、脫模。高壓氮氣進入塑料后自然會穿越粘度低（溫度高）和低壓的部位，并在冷卻過程中利用氣體高壓來保壓而緊貼模具壁成型。

一般來說，典型的氣輔成型過程可以分為以下幾個階段：

1.按照一般的注塑成型工藝把熔融塑料注入型腔；

2.在塑料尚未充滿模腔之前，將高壓氮氣射入；

3.高壓氣體推動制品中央尚未冷卻的熔融塑料流動，一直達到型腔的末端，最后將型腔填滿；

4.模腔內塑料件內部的中空部分繼續保持高壓，壓力迫使塑料想外緊貼模具，直到完全冷卻下來；

5.塑料制品冷卻定型后，排除制品內部的高壓氣體，然后開模取出制品。

三、氣輔成型的工藝控制

要進一步體現氣輔成型的優點，關鍵是降低產品廢損率。以下就從高壓氮氣管理、制品及模具設計、工藝參數的設置和氣輔成型制品缺陷與處理等方面，談談如何提高氣輔成型合格率的問題。

1.高壓氮氣管理

根據生產需要合理配置氮氣壓縮機數量。如果配置的壓縮機能力過剩，設備利用率低，浪費生產成本；反之，如果配置的壓縮機能力不足，壓縮機將超負荷工作，從而大大縮短使用壽命，而且出口氮氣壓力也可能無法達到工藝要求的30MPa左右，致使制品表面出現縮痕等缺陷。如果同一車間使用多臺壓縮機，應將其并聯起來協同工作。這樣不但可以平衡各臺壓縮機的工作時間，而且還可以保證出口壓力更加穩定。

氮氣發生裝置產生的氮氣含有大量的油水及雜物，應將其清除。如果油水分離器分離不徹底，將使部分油水及雜物進入氣輔控制裝置，堵塞氣輔控制閥或氣針，造成加氣時升壓慢、排氣時降壓慢的問題，使制件出現縮痕、吹裂等缺陷。嚴重時氣輔控制裝置根本無法工作。所以在氮氣發生裝置后安裝油水分離器并定期排放油水是非常必要的，這樣不但可以大幅度降低氣輔設備的故障率，延長設備使用壽命，而且可以大幅減少批量廢品的產生。

2.制品及模具設計

對于空調、電視機外殼等塑料件采用氣輔成型后，制品壁厚可減小到2～3mm，同時可設置粗厚的加強筋和設置較長的自攻螺釘柱。在設計加強筋螺釘柱、加強柱等內部結構時，連接處應采用較大的圓弧過渡，以利于氮氣的填充。對于電視機外殼塑料件，其喇叭窗網采用了微孔成型技術。微孔部分的厚度應設計為1.5～210mm，同時應在通孔背面設置加強筋，孔的脫模斜度應為5～10°或更大，以保證制品順利的填充和脫模。

氣道橫截面一般為半圓形，其直徑的設計要求盡量小且保持一致，一般為壁厚的2～3倍，因為過大或過小會對氣道末端的穿透不利；氣道拐彎處應有較大的圓弧過渡，在加強筋、自攻螺釘柱、加強柱等結構的根部可布置氣道，以利用結構件作為分氣道補縮。

進氣方式可采用氣針或噴嘴進氣，現大量采用間隙式氣針進氣。間隙式氣針有如下技術要求：

（1）氣針的配合間隙應小于0.02 mm,以防止熔料進入氣針間隙；

（2）氣針外周與模具的密封必須良好,要求使用耐高溫的密封圈；

（3）氣針的結構形式要求能防止在冷卻過程中氮氣從氣針與制品之間的間隙逸出；

（4）氣針位置離澆口不能太近。因為在充填時澆口附近料溫最高，粘度較低，易使熔料進入氣針間隙，造成制品縮痕、吹裂等缺陷。

在進行流道、澆口的設計時，由于氣輔成型取消了注射補償，故可以設置較少的流道和澆口數量。為保證較快的充模速度，應將流道和澆口適當擴大。潛伏式澆口直徑一般設為1.5mm左右。過大的澆口尺寸，會增加澆口凝固時間，影響生產效率，而且還可能引起氮氣經澆口和流道后串入料筒的危險。

在進行冷卻設計時，由于氣輔成型對冷卻效果要求更高，所以必須保證模具冷卻平衡及冷卻良好因在模具的鑲件上開設冷卻水路較難，故鑲件可采用鈹銅等導熱性好的材料制作。

3.工藝參數的設置

(1)熔料溫度

氣輔成型應采用較高的熔料溫度。一方面，提高料溫可以保證快速充模，提高模內熔料的總體溫度，降低模內熔料的粘度，從而降低加氣時的充填阻力；另一方面，提高料溫有利于減小制品熱應力，保證制品質量。如果使用HIPS塑料，料筒最高溫度可設置在235～245℃。

(2)模具溫度

模溫應按加工的材料要求設定。太高的模溫不利于生產效率的提高，而太低的模溫又無法保證制品的順利充填。另外，不適當的模溫會引起氣輔成型制品表面出現縮痕等缺陷。

(3)鎖模力

氣輔成型由于大大降低了注射壓力，故需要的鎖模力也降低了。但太低的鎖模力會使制品出現毛刺，產生的毛刺不但會影響裝配，而且高壓氮氣在充填時可能會從毛刺逸出，引起制品縮痕。

(4)預充填量

氣輔成型的預充填量應保證90%～95%或更高。預充填量太大，制品中空體積變小，影響氣道的形成，制品易出現縮痕；預充填量太小，制品中空體積變大，可能造成吹穿和自攻螺釘柱吹空等缺陷。

(5)注射速度和注射壓力

氣輔成型一般采用高速注射。高速注射可以產生大量剪切熱，以利于加氣時降低氣體充填阻力，但高速注射應以不發生制品燒焦和排氣不良為原則。氣輔成型可用較低的注射壓力實現高速注射。因為一方面熔體粘度低，充填阻力小;另一方面開設的氣道可起到引流作用。

(7)冷卻時間

對于氣輔成型，冷卻時間的長短應能保證主流道順利脫出，同時保證高壓氮氣卸壓完成。通常，殼類制品要求的冷卻時間比主流道要求的短。

(作者單位：雞西大學)