氣體反壓控制設備應用研究

李帥，孫成通，孫雪梅＊，劉守奎

（1.臨沂大學機械與車輛工程學院，山東 臨沂 276000；2.山東豪門鋁業有限公司，山東 臨沂 276022）

近年來，隨著注塑產業的發展，人們對注塑產品的質量有了更高的要求，這對注塑成型技術提出了新的挑戰，并逐漸發展出許多新型注塑工藝，如發泡注塑、快速熱循環注塑、雙色注塑、表面氣輔注塑、模內轉印注塑等。發泡注塑可有效減少原材料使用量，但常規發泡注塑產品表面存在氣痕缺陷，無法直接作為外觀產品應用，需經二次加工后方可作為外觀產品使用，造成環境污染和資源浪費。為解決上述問題，人們利用提高模具溫度、減少發泡機制含量、新型發泡劑等方法，提高了發泡注塑件的表面質量。除此之外，氣體反壓技術可在消除發泡注塑產品的表面氣痕缺陷的同時，提高塑件尺寸精度。目前，人們針對氣體反壓注塑在數值模擬、泡孔質量、塑件性能及表面質量等方面進行了諸多研究。

目前，市場上氣體反壓設備價格昂貴，操作較為復雜。因此，本文在研究氣體反壓注塑技術原理的基礎上，研制相應的控制裝置和控制系統，構建注塑試驗線，實現化學發泡注塑外觀產品的生產。

1 氣體反壓技術原理與系統

氣體反壓注塑與常規注塑的本質區別在于模腔氣體壓力的控制策略不同。常規注塑采用的是自排氣控制策略，模腔內的氣體隨熔體填充過程被逐漸排出，而氣體反壓注塑需滿足模腔氣體壓力動態變化的技術要求，其過程可分為快速加壓、高壓保持和快速卸壓三個階段。

圖1 所示為本文提出的氣體反壓注塑系統，包括氣體反壓控制系統和注塑系統，兩者既相對獨立，又相互關聯。上述設計可在保證現有注塑系統穩定性和安全性的同時，通過信號通訊實現控制過程匹配，保障氣體反壓注塑工藝各過程的順利進行。

2 氣體反壓控制裝置

2.1 氣體反壓控制系統結構組成

圖1 氣體反壓注塑系統的結構框架示意圖

氣體反壓控制系統主要由高壓氣體發生裝置、氣體回收裝置（或排空）、報警裝置、閥門管路轉換裝置、控制單元等組成，其與注塑機和模具的組成如圖2 所示。閥門管路轉換裝置主要由加壓閥、穩壓閥、卸壓閥和高壓管路組成。控制單元選用電路集成的智能數控表，實現信號通訊及下達控制指令，確保各執行元件的協調動作；通過模具附近的氣體壓力傳感器和控制單元，實現對模腔氣體壓力的閉環控制。

圖2 氣體反壓注塑技術的結構組成

2.2 控制單元硬件設計

控制單元主要控制閥門管路轉換裝置中各部件的動作，實現模腔氣體加壓、穩壓和卸壓控制，并完成與注塑機系統的信號通訊。本文通過外部電路控制技術和注塑機信號通訊技術，提出了一種基于智能數控表控制的模腔氣體壓力控制單元。注塑機系統與智能數控表之間的信號通訊包括合模信號、氣體加壓信號、氣體卸壓信號和開模信號，兩者通過信息通訊進行動作匹配，有效確保整個成型過程的順利進行。圖3 所示為自主設計的外圍接線電路。

3 生產驗證

3.1 試驗設計

以常規注塑機為基礎，將氣體反壓控制系統與注塑機系統進行通訊連接，構建氣體反壓發泡注塑試驗線。以盒形產品為研究對象，進行氣體反壓化學發泡注塑成型。選用PP作為成型材料，選用偶氮二甲酰胺（Azodicarbonamide，AC）作為發泡劑。化學發泡注塑參數取值如下：熔體溫度210℃，熱流道溫度210℃，模具溫度50℃，注射時間1.6s，冷卻時間60s，AC 含量1.5%wt。氣體反壓參數取值如下：反壓壓力0.6MPa，反壓作用時間1.6s。

3.2 結果分析與討論

為研究氣體反壓技術對不同塑件表面的影響，盒形件表面設計成光滑表面和皮紋表面兩種。圖4 給出了成型產品的對比照片，其中I 部分為光滑表面放大照片，II 部分為皮紋表面放大照片。

圖3 控制單元主要接線示意圖

圖4 不同工藝成型的產品對比照片

由圖4 可以看出，皮紋表面設計可在一定程度上掩蓋塑件的表面氣痕缺陷，但塑件表面質量仍較差。對于光滑表面和皮紋表面，氣體反壓技術均可有效消除塑件表面氣痕缺陷，提高產品的表面質量，獲得可直接作為外觀件應用的發泡注塑產品。

氣體反壓化學發泡注塑產品整體表面質量良好，表明研發的氣體反壓控制設備可滿足技術要求，保證填充過程中模腔氣體壓力的穩定，從側面驗證了研制設備的有效性。

4 結語

（1）基于智能數控表、時間繼電器和外部控制電路，研發了氣體反壓控制系統的控制程序。對于光滑表面和皮紋表面的塑件，氣體反壓設備均可成型直接作為外觀件使用的化學發泡注塑產品。

（2）研發的設備可滿足成型技術要求，能夠保證熔體填充過程中模腔氣體壓力的穩定。