气体辅助注塑设计

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传统的注塑方法不适用于生产厚壁零件，这是因为塑料的低导热性和相对较高的收缩率导致较长的工作周期和严重的收缩痕迹。因此，制品的厚壁表面出现凹陷，甚至整个制品产生翘曲变形。另外，传统的注塑方法也不适用于封闭的中空零件，因为不可能抽出型芯。
气体辅助注塑成型(简称气辅成型)技术是20世纪90年代末才进入实用阶段的一项新技术，它解决了以上问题，并广泛地应用于家电、汽车、航天、日常生活用品中，显示出强大的优势和广阔的发展前景。
2气体辅助注塑成型原理
在气体辅助成型过程中，将压力气体(一般为氮气)注射到模具型腔的熔料内，气体作为临时的无比柔韧的型芯件，可在任意厚度截面上形成中空。
2 ]( p' n$ v8 @$ p& I% j; |) N/ J# n# X2.1气体的引入形式
9 S) N( l0 S7 \. {: _) v: Q气体辅助成型的气体引入形式一般分为三种：
4 h. V2 u3 O  K  x* ?, X6 z+ h$ k, q(I)气体可通过注射喷嘴进入流道系统内，再进入制品中。
; {* O) S1 T% h' I& J(2)气体可通过注射销进入流道系统内，再进入制品中。
(3)气体可直接注射到模腔内。
2 u& C: n7 l- o0 C$ r4 P( {2.2气体辅助成型基本步骤
0 x5 q1 v, \# Y, d* S. H气体辅助成型一般可分为以下四个阶段(如图1所示)：
(1)熔体注射阶段：在模具中注射填充量不足的塑料熔料。
' ?: Q- @% Q- s; t9 N3 K6 }(2)气体填充阶段：在熔融塑料未完成充满模腔前，将计量的定量气体由特殊喷嘴注射入熔体中央部分，形成扩张的气泡，并推进前面的熔化芯部，从而完成填充模具过程。气体注射时间、压力、速度非常重要。
) z  I8 H3 a& X8 j(3)冷却保压阶段：在工作循环的冷却阶段，气体将保持较高的压力，气体压力将补偿塑料收缩导致的体积损失。达到某种程度时，气泡将进一步渗透到熔体中，即二次气体渗透。
( e" c0 f! D. k% E! _5 Z(4)最终排气阶段：塑料冷却定型后，将气体从最终模制件中抽出。
气体在辅助注塑的开始阶段称为初始气体渗透，在这个过程中，气泡首先渗透到模具中聚合物熔料可以流动到的尚未填充的区域。特别是在之后的二次气体渗透阶段，气泡将趋向于在熔化塑料芯部沿阻力最小的路径渗透。熔料压力最低或者温度最高的地方，其阻力最小。其结果是，气体辅助产生的中空截面的壁厚通常不会均匀一致(图2)。当流动通道为圆形时则是一个例外情况(图2a)，若模具均匀冷却，流动条件在整个圆周都很相似，零件壁厚将基本一致，芯部与外表面同心；其它形状则会产生不同的结果，在矩形通道中(图2b)，在边角区域的流动阻力较大，冷却作用较强，气体通道将构成近似椭圆形，使零件的边角部分壁厚较大，这一般不是问题，因为在二次渗透阶段，气体压力作用可避免在表面形成收缩痕迹。此原理也适用于不规则形状通道(图2c)，芯部形状将不会与通道形状完全一致，边角部分将相对较厚。
) a* p2 w- r  K. `# }7 m 3气体辅助注塑制品的分类
气体辅助成型的制品可根据结构形式与截面形状不同分为两大类(图3)：
5 M! U$ N! ^9 y( e2 H* r& J% R6 p (1)“封闭式通道”零件：截面很厚的物体，如汽车的扶手和手柄基本是由气体形成整个芯部，由于气体容易流过通道，要求气体不渗透的区域很少，因此，这些零件容易加工。
  ^& I! J- [3 A(2)“开放式通道”零件：该类零件从设计上更加灵活多变。普通的薄壁零件其上有较厚的气体流动通道，其作用类似于普通的筋板，但不会产生收缩痕迹。这些成为“开放式通道”零件。“开放式通道”经常用于有强度、刚度稳定性和良好外观要求的大中型零件，如盖、壳、和面板即为典型应用。
# f% j9 V8 \1 O4 制品设计原则
4.1“封闭式通道”制品设计原则
(1)制品截面最好是圆形或接近圆形，避免尖角，采用大的圆角过渡(图4)。
(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，应满足b≤(3-5)h(图5)。
* z5 m2 ?$ w3 Y4 d6 n5 ]8 e2 T0 ]  [(3)气道转弯处制件应有足够大的圆角半径，应避免内外转角处壁厚差异。
(4)气道截面尺寸变化应平滑过渡(图6)。
- @' n) g7 n0 I (5)气道入口不应设置在外观面或制件承受机械外力处。
$ \9 ~: p- d) J* ]' H(6)气道入口应接近浇口，以保证气体与熔体流动方向一致。
0 Q, h6 l/ [/ s% L4.2“开放式通道”制品设计原则
(1)在设计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“鼓泡”现象，可改进为较厚、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。图7给出了气道的几何尺寸的推荐值。
8 A0 U' R. D% |: Z3 d+ o, d(2)平板的厚度不宜超过4mm，否则易产生“指印效应”—气体窜入到平板部位，降低零件的强度(图8)。
(3)当制件仅有一个引入口而要形成多个加强筋时，气道不能形成回路。因为会在分支前端熔体交汇处形成熔接痕，可采用“放射状”通道或“歧管状”通道(图9)。

# z; {, D* ]0 ~) n (4)气道布置应均匀，尽量延伸至制品末端。因为气体为非粘性的，入口至末端的整个气道空间压力分布完全一致，因此气体穿透程度越高，制品的压力分布越均匀，冷却出模后的残余应力越小，则翘曲变形倾向越小。
& O% f: c8 w; M3 {- O! m5 气体辅助注塑成型的应用实例
* q# m+ o4 ~3 ~9 `: ?- f) p* }" F5.1 手柄
' v2 e' `2 `- ^! C在生产手柄时，我们希望手柄相对较厚，以便适合手握并且足够坚固。在传统注塑中，为保持截面较薄，我们不得不使手柄的型芯适合模具设计，这意味着从外部取出型芯，一般形成H截面。结果是，手柄握感不舒服、难以保持清洁，外型也不美观。气休辅助注塑则使我们能设计厚的、中空的、平滑手柄，易于手握及美观(如图10所示)。
4.2 汽车扶手
在传统注塑中，需在一组模具中制作两个匹配的薄“壳”件，然后将它们装配在一起，形成最终的扶手。这需要精密模具以保证零件的相互匹配，但这样会由于装配操作而增加成本。气体辅助注塑使我们能够生产单一的中空零件，而且外观相同，并降低了装配操作的成本(如图11所示)。
7 r; v  P  i# `# V文章关键词： 模具、注塑设计