气体辅助注射成型技术原理及应用.doc

气体辅助注射成型技术原理及应用2005-09-20 11:06:10 本文详细介绍了气体辅助注射成型技术的工艺过程与装备，分析了气体辅助注射成型的特点和应用，并对气体辅助注射成型CAE技术作了简要说明。 华中科技大学模具技术国家重点实验室 黄志高 周华民 广东科龙模具有限公司 余敏霞气体辅助注射成型(Gas-Assisted Injection Molding, GAIM)技术最早可追溯到20世纪70年代，该技术在20世纪80年代末得到了完善并实现了商品化。从20世纪90年代开始，作为一项成功的技术，气体辅助注射成型技术在美、日、欧等发达国家和地区得到了广泛应用。目前该技术主要被应用在家电、汽车、家具、日常用品、办公用品等加工领域中。 气体辅助注射成型技术的工艺过程气体辅助注射成型技术的工艺过程是：先向模具型腔中注入塑料熔体，再向塑料熔体中注入压缩气体。借助气体的作用，推动塑料熔体充填到模具型腔的各个部分,使塑件最后形成中空断面而保持完整外形。与普通注射成型相比，这一过程多了一个气体注射阶段，且制品脱模前由气体而非塑料熔体的注射压力进行保压。在成型后的制品中，由气体形成的中空部分被称为气道。由于具有廉价、易得且不与塑料熔体发生反应的优点，因此一般所使用的压缩气体为氮气。根据具体工艺过程的不同，气体辅助注射成型可分为标准成型法、副腔成型法、熔体回流法和活动型芯法四种。1、标准成型法标准成型法是先向模具型腔中注入经准确计量的塑料熔体（如图1a所示)，再通过浇口和流道注入压缩气体。气体在型腔中塑料熔体的包围下沿阻力最小的方向扩散前进，对塑料熔体进行穿透和排空（如图1b所示），最后推动塑料熔体充满整个模具型腔并进行保压冷却（如图1c所示)，待塑料制品冷却到具有一定刚度和强度后，开模将其顶出(如图1d所示)。2、副腔成型法副腔成型法是在模具型腔之外设置一个可与型腔相通的副型腔。首先关闭副型腔，向型腔中注射塑料熔体，直到型腔充满并进行保压(如图2a所示)。然后开启副型腔，向型腔内注入气体。由于气体的穿透，使多余出来的熔体流入副型腔(如图2b所示)。当气体穿透到一定程度时，关闭副型腔，升高气体压力以对型腔中的熔体进行保压补缩(如图2c所示),最后开模顶出制品(如图2d所示)。3、熔体回流法熔体回流法与副腔成型法类似，所不同的是模具没有副型腔。气体注入时，多余的熔体不是流入副型腔，而是流回注射机的料筒, 如图3所示。4、活动型芯法活动型芯法是在模具型腔中设置活动型芯。首先使活动型芯位于最长伸出位置，向型腔中注射塑料熔体，直到型腔充满并进行保压(如图4a所示)。然后注入气体，活动型芯从型腔中逐渐退出以让出所需的空间(如图4b所示)。待活动型芯退到最短伸出位置时，升高气体压力实现保压补缩（如图4c所示）, 最后制品脱模（如图4d所示）。气体辅助注射成型技术的设备配置气体辅助注射成型技术所需配置的设备主要包括注射机、气体压力控制单元和供气及回收装置。1、注射机气体辅助注射成型对注射机的注射量和注射压力的精度要求较高。一般情况下，要求注射机的注射量精度误差应在0.5%以内，注射压力波动相对稳定，控制系统能和气体压力控制单元匹配。此外，气体辅助注射成型有时要求注射机使用弹弓射嘴以防止熔体倒流，并通过反映螺杆行程的位移触发器(电子尺)触发气体压力控制单元。2、气体压力控制单元气体压力控制单元包括压力控制阀和电子控制系统，有固定式和移载式两种。固定式气体压力控制单元是将压力控制阀直接安装在注射机上，将电子控制系统直接安装在注射机控制箱内，即气体压力控制单元和注射机连为一体。移载式气体压力控制单元是将压力阀和电子控制系统做在一套控制箱内，使其在不同的情况下能和不同的注射机搭配使用，如图5所示。3、供气和回收装置供气装置由备用氮气罐、氮气发生器、低压氮气罐、增压装置和高压氮气罐组成。氮气发生器制备的氮气首先进入低压罐，然后经增压装置进入高压罐，高压氮气再经由气体压力控制单元按设定压力进入模具。回收装置用于回收气体注射通路中残留的氮气，回收后的氮气进入低压罐。氮气发生器如图6所示。 气体辅助注射成型技术的特点传统的注射成型不能将制品的厚壁部分与薄壁部分结合在一起成型，而且由于制件的残余应力大，易翘曲变形，表面有时还会有缩痕。通常，结构发泡成型的缺点是，制件表面的气穴往往因化学发泡助剂过分充气而造成气泡，而且装饰应用时需要喷涂。气体辅助注射成型则将结构发泡成型与传统的注射成型的优点结合在一起，可在保证产品质量的前提下大幅度降低生产成本，具有良好的经济效益。气体辅助注射成型技术的优点主要体现在： 所需注射压力小。气体辅助注射成型可以大幅度降低对注射机吨位的要求，使注射机投资成本降低，电力消耗下降，操作成本减少。此外，由于模腔内压力的降低，还可以减少模具损伤，并降低对模具壁厚的要求，从而降低模具成本。 制品翘曲变形小。由于注射压力小，且塑料熔体内部的气体各处等压，因此型腔内压力分布比传统注射成型均匀，保压冷却过程中产生的残余应力较小，使制品出模后的翘曲倾向减小。 可消除缩痕，提高表面质量，降低废品率。气体辅助注射成型保压过程中，塑料的收缩可由气体的二次穿透予以补偿，且气体的压力可以使制品外表面贴紧模具型腔，所以制品表面不会出现凹陷。此外，该技术还可将制品的较厚部分掏空以减小甚至消除缩痕。 可以用于成型壁厚差异较大的制品。由于采用气体辅助注射成型可以将制品较厚的部分掏空形成气道从而保证制品的质量，因此采用这种方法生产的制品在设计上的自由度较大，可以将采用传统注射成型时因厚薄不均必须分为几个部分单独成型的制品合并起来，实现一次成型。 可以在不增加制品重量的情况下，通过气体加强筋改变材料在制品横截面上的分布，增加制品的截面惯性矩，从而增加制品的刚度和强度，这有利于减轻汽车、飞机、船舶等交通工具上部件的重量。 可通过气体的穿透减轻制品重量，节省原材料用量，并缩短成型周期，提高生产率。 该技术可适用于热塑性塑料、一般工程塑料及其合金以及其他用于注射成型的材料。气体辅助注射成型技术的缺点是：需要增加供气和回收装置及气体压力控制单元，从而增加了设备投资；对注射机的注射量和注射压力的精度要求有所提高；制品中接触气体的表面与贴紧模壁的表面会产生不同的光泽；制品质量对工艺参数更加敏感，增加了对工艺控制的精度要求。气体辅助注射成型CAE分析过去，在确定气体辅助注射成型工艺时，主要是通过尝试法，即依靠设计人员的经验来设计产品和模具，凭技术人员的经验来确定工艺参数，然后通过多次实验，不断修正已有的方案。其结果是，在增加生产成本的同时，还延长了产品的开发周期。目前，可借助计算机辅助工程（CAE）实现上述过程。气体辅助注射成型CAE分析的主要作用是： 分析产品的成型工艺性； 评价模具的设计是否合理； 优化成型工艺参数； 预测制品可能出现的缺陷。目前国际上知名的气体辅助注射成型CAE软件是MoldFlow。我国气体辅助注射成型CAE技术的研究与应用起步较晚，华中科技大学模具技术国家重点实验室和郑州大学对该项技术进行了较深入的研究，并开发了相应的软件。下面以成型把手为例，介绍气体辅助注射成型CAE分析的过程。如图7所示的把手材料为ABS，手柄位置壁厚为14mm。由于是外观件，对其成型要求很高。在进行模具设计之前，利用MoldFlow MPI 5.0对设计方案进行了模拟。分析模型如图8所示，在该分析模型中确定了浇口及进气口位置。在模拟中，设定预注射量为70%，熔体温度为230，注射时间为3s，延迟时间为1.5s，气体压力为20MPa。模拟结果比较理想，如图9所示。采用此种方案进行模具设计，模具结构图如图10所示。实践证明，采用气体辅助注射成型技术成型的把手不仅重量得以减轻，而且缩短了成型周期，表面质量达到了要求，单个零件的生产成本也大幅度减少。气体辅助注射成型技术的应用气体辅助注射成型技术可应用于各种塑料产品上，如电视机或音箱外壳、汽车塑料产品、家具、浴室、厨具、家庭电器和日常用品、各类型塑胶盒和玩具等。具体而言，主要体现为以下几大类： 管状和棒状零件，如门把手、转椅支座、吊钩、扶手、导轨、衣架等。这是因为，管状结构设计使现存的厚截面适于产生气体管道，利用气体的穿透作用形成中空，从而可消除表面成型缺陷，节省材料并缩短成型周期。 大型平板类零件，如车门板、复印机外壳、仪表盘等。利用加强筋作为气体穿透的气道，消除了加强筋和零件内部残余应力带来的翘曲变形、熔体堆积处塌陷等表面缺陷，增加了强度/刚度对质量的比值，同时可因大幅度降低锁模力而降低注射机的吨位。 形状复杂、薄厚不均、采用传统注射技术会产生缩痕和污点等缺陷的复杂零件，如保险杠、家电外壳、汽车车身等。生产这些制品时，通过采用气体辅助注射技术并巧妙布置气道，适当增加加强筋数目，同时利用气体均匀施压来克服可能的缺陷，使零件一次成型，不仅简化了工