气体辅助注射成型与模具设计优化方案

气体辅助注射是较新的加工方法。其成型的制品用料少，表面不出现凹痕。成型是在低压下注射的，所需的锁模力低，注塑件中的残余应力小。在注射制品结构设计时，就必须考虑进气位置和气道。制品和模具设计与气体辅助注射成型工艺关系密切。

1.气体辅助注射成型工艺

气体辅助注射成型能提高注塑件的质量，节约材料又可提高塑料制品的刚性，但是它需要一套供气和控制设备。

（1）气辅原理 气体辅助注射成型是塑料欠注射工艺。当气体通入熔料时，从阻力最小通道进入压力低、温度高的区域。当气体从塑料中穿行时熔料被重新分布，产生中空的且有一定厚度的截面。充满压缩气体后，具有阻止塑料层收缩的保压作用。

图13-1 气体辅助注射成型的过程

a）塑料熔体欠注 b）气体注入 c）塑料重新充填型腔 1—止回阀 2—气源 3—液压缸 4—气芯

由于氮气具有惰性并来源丰富，贮气罐体积小，成本较低，现大多数采用氮气加压充气。图13-1是中空手柄的气体辅助注射成型的过程。第一步是熔料经浇道和浇口从手柄一端注入，但并不浇满，欠注的空腔体积将是气道的体积。第二步是压缩气体充入熔料中。最终是压缩气体将熔料推进，塑料被布满在型腔与气道之间。气体与塑料熔体在不同位置注入，在注塑件上会留有气孔。

有两种供气方法。常见的是用气体非连续生成系统，恒体积供应。气体被压缩前的体积可控制，每次注射都经增压。在制品冷却时，充气压力下降。另一种是连续的恒压供气系统，在整个注射周期，包括制品冷却期间，保持30MPa左右的较高压力。此种设备可用于大平板注塑件的几个注气点充气，也可用于几台注射机的注气。

（2）气体的注入 气体的注入位置，可分为两种情况。

1）气体通过注射机喷嘴注入，如图13-2所示。经主流道注入气体是气体与塑料熔体以相同位置，注入制品的成型型腔。注气元件置于注射机喷嘴中央。注射塑料和注气的时间由控制系统分别操作。注射完成后，模具开启前必须退回注射座，让制品内的气体排放。当模具打开时，如果气体未被排出，会导致注塑件有局部隆起，而且气体会渗入塑料，引起气泡。

2）气体通过模具注入型腔，如图13-3所示。这种注气方法对壳体或板类制品更为有利。可充分考虑注气孔和气道分布，以有利于提高制品质量；同时考虑注气元件结构和直径，应保证气流通畅，并便于控制气压。

注气元件可以直接安装在定模上，直径为3～5mm，有标准系列长度供选用。在注气方向与开模方向一致时，适宜用固定式注气元件。

可伸缩注气元件，在开模前由气缸将其从模具中抽出。周期性的回缩由控制系统调控。图13-4所示为伸缩注气阀。

图13-2 气体通过注射机喷嘴注入

1—主流道衬套 2—注射机喷嘴 3—氮气 4—塑料熔体

图13-3 气体经模具注入型腔

1—固定式注气元件 2—可伸缩注气元件

在一个注塑件上可以用多根气针，而且这些气针可以在不同时间以不同压力进气。用多个保压程序作用在同一注塑件上可以产生最佳的效果。在多腔模中，可以对每个型腔分别安置气针，控制注气。

（3）注射成型工艺 与传统的注射成型相比，采用气体辅助注射成型的型腔压力要低一些。对于成型中空的杆件，所需型腔压力甚至比结构发泡制品还要低，如图13-5所示。在注气前，充入型腔体积70%～80%的塑料熔体，虽然供气设备可提供48MPa的气压，但气体辅助注射成型所需的型腔压力仅为5～20MPa。只当塑料熔体流程比大，成型困难时，才高达30MPa。

气体注入时间及气体压力控制是成型工艺中两个最重要的因素。在熔体欠注的型腔内，一旦气体压力大于熔体压力，就会有气体穿入甚至穿透塑料熔体的现象。因此，气压需精确控制。

图13-4 伸缩注气阀

a）注射塑料，注气阀关闭 b）气压下针阀注气 c）注气阀缩回排气

图13-5 三种注射压力比较

1—传统的注射成型 2—结构泡沫成型注射成型 3—气体辅助注射成型

气道周边的塑料皮层厚度，与物料的类型和品种有关，还与成型时塑料的黏度有关。高黏度的熔体，气道壁要厚些。采用较高的气压和较长保压时间，有利于减小成型收缩。减小气压和延长气体保压时间，可以减少和避免气道周壁的气泡。

气体辅助注射成型可分为短射和满射两种方式。图13-6所示为短射，适用于厚壁的充模阻力不大的注塑件。适用把手之类的棒状塑料制品，可节省大量原材料。短射时先向型腔注入部分塑料，一般只注入型腔体积的50%～90%，即刻在塑料熔体中央注入气体，靠气体压力推动熔体充满整个型腔，并用气体压力保压，直至注塑件冷却固化，然后排出气体。对于薄壁的、充模阻力较大的注塑件，适宜采用满射成型。满射是塑料熔体完全充满型腔后才注入气体，如图13-7所示。由塑料冷却收缩让出通道，气体沿通道二次充填，不但能弥补塑料的收缩，而且靠气体压力进行有效保压。所形成气道尺寸与注塑件体积和塑料的收缩率成一定的比例。

图13-6 短射气体辅助注射成型

a）注射塑料 b）充气 c）气体保压 d）排气

图13-7 满射气体辅助注射成型

a）注射塑料 b）充气 c）气体保压 d）排气

满射成型时，气体通道是在塑料熔体冷却收缩中形成的。气道长度取决于塑料材料的体积收缩率、型腔体积和气道截面。对于ABS和聚苯乙烯PS等无定形塑料，其成型收缩率只有0.5%～0.8%，但气体辅助注射时熔体的体积收缩率有10%。对于聚乙烯PE和聚丙烯PP等结晶型塑料，其注射成型收缩率只有2%左右。但气体辅助注射时，熔体体积收缩率有20%。气体可占20%的体积，据此可估算气体通道。

2.气体辅助注射制品和模具设计

气体辅助注射要提高注塑件的质量，还取决于制品和模具设计中的气道布置。

（1）制品性能 传统注射成型的所有热塑性塑料，包括添加填料和玻璃纤维增强的塑料，都适用于气体辅助注射成型。其中熔体黏度较低、熔融温度范围较大的聚丙烯和聚酰胺等物料，气体辅助注射较为方便，已经有某些热固性塑料应用了气体辅助注射。

气体辅助注射主要适用于杆棒类和大面积板类制品，可使塑料量减少30%～40%。把手等杆棒（如图13-1所示），气流推进途径清楚，中空的气道明显改善了厚截面杆的注射条件。板类塑料件，有的用含气道的宽肋条替代窄肋，有的在板中央设置长气道，又在板的周边设置宽的凸边，替代板或壳体上翻边的设计，如图13-8所示，但四周宽凸边中央的气道不能相通。(www.xing528.com)

图13-8 在板或壳体上设置宽凸边替代翻边

气体辅助注射制品的质量提高表现在以下两个方面：

1）尺寸稳定性好。借助气体压力，降低了注塑件的残余应力和收缩，有效减小了翘曲变形。依靠调节气道方向气压和气体保压时间，可得到平直制品，可消除收缩产生的凹痕。

2）力学性能改善。可少用或不用加强肋来提高制品刚性，能减少用料，可采用中空框式截面来提高惯性矩和刚性。但对某些塑料，特别是玻璃纤维增强的塑料，气道周边塑料材料的弹性模量和拉伸强度有所下降。

（2）制品中的气道设置为适应塑料熔体表面张力的作用，气道截面应接近圆形。通常气道设计必须满足下列条件：

1）对于棒杆类注塑件要避免在熔合缝的位置上设置气道。

2）对于板类注塑件，气泡扩展方向要与塑料熔体的流动方向一致。熔体和气体的注入口设在注塑件的厚壁部位。

3）不同的气体通道，其壁厚可以不同。但气道周边壁厚应大到足以使气体能在塑料气道中通过。

4）整个制品的基体壁厚t不可太厚，以免出现如图13-9所示的气体穿入注塑件的基体厚壁。制品的基体壁厚不可过薄，以免出现气体被密封，不能沿气道流动。同一气道周边的壁厚应该均匀，如图13-10所示，有助于气体推进。气体辅助注射的板类制品的基体壁厚t应该为2.5～3.5mm为宜，不能超过4mm。

图13-9 气体穿入注塑件的基体厚壁

图13-10 气道周边壁厚均匀

a）h=0.5t b）l/b=1.5～2，h=0.5t

5）加强肋的内置气道如图13-11所示，可以防止制品表面的缩痕，通过加强肋，也向塑料板面传递了保压压力。

图13-11 加强肋的内置气道

注：h/t=2～3，h/b=1.5～3。

6）塑料板上气道的设计如图13-12所示，可提高塑料制品的刚性。

图13-12 气道的设计

注：气道宽B=（2～3）t。

图13-13 气道拐角和型腔截面变化的设计正误

7）制品上有拐角时，应该是圆弧过渡。在型腔截面变化时应该是流线型的，使气道周边的壁厚均匀，如图13-13所示。

8）应尽量避免两气道相会交错，否则会造成气体压力不足，流向紊乱。各气道应分离，单独充气，便于控制各气道注气时间和压力，确保塑料完全充满型腔。

（3）气道长度的控制 短射前期注入塑料太多，将会使气体通道的长度不够，见图13-14a；但如果注入塑料量太少，气体迅速穿破塑料熔体的前沿，造成废品，如图13-14b所示。

图13-14 短射时气道长度的控制

a）气体流动长度不足 b）气体穿破熔体的前沿

过溢法气体辅助注射可较正确地控制气体流道长度。气体将过剩的塑料推入溢料腔，在注塑件内形成足够的气道，如图13-15所示。短射注气时，迫使熔体流速失常，造成注塑件表面流痕，过溢法改善了注塑件的质量。

图13-15 短射时的过溢法气体辅助注射

a）型腔充满后注气 b）用溢料腔引导气道

抽芯法形成气体流道如图13-16所示。当塑料熔体充满型腔后，型芯开始退缩，同时注入气体，形成所需气道，然后在气压下，注塑件固化后，气针退出。

图13-16 抽芯法形成气体流道

a）型腔充满 b）充气同时型芯退缩 c）气压下固化后气针退出

气体辅助注射的流动分析可以采用CAE软件。塑料熔体充模和注气全过程的计算机模拟，可以帮助决定注射浇口和注气点的位置，决定短射的熔体注射量，确定注射和保压时间、料温和压力等工艺参量，并优化制品和模具的设计。