（材料加工工程专业论文）不对称结构的气体辅助注射成型研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 气体辅助注射成型( 简称气辅注射成型) 技术是近年来发展起来的一项塑 料成型新技术，具有注射压力低、制品翘曲变形小、表面质量好以及易于加工 壁厚差异较大的制品等优点。与传统的注射成型工艺相比，气体辅助注射成型 有更多的工艺参数需要确定和控制，因而对于制品设计、模具设计和成型过程 的控制都有特殊的要求，而且难度很大。随着计算机硬件和软件技术的发展， 使得c a e 技术在气体辅助注射成型方面有了更大的应用空间。为了有效的使用 这项新技术，一方面要在大量应用和实验研究的基础上，引入一些好的概率统 计和优化的方法，使得加工过程中的人工经验量化；另一方面则应当重视气体 辅助成型c a e 软件的应用。 本文总结了气道设计及布置的要求，气辅模具设计的要求以及气辅工艺参 数对制品成型质量的影响。根据不对称结构制品设计的要求，建立了多个具有 不同制品结构及气道结构尺寸的典型转角类和平板类气辅制件的c a d 模型。利 用目前比较成熟的塑料成型c a e 软件m p i 对上述模型进行了气体辅助注射成型 过程的模拟。研究了相同成型工艺条件下，基板厚度和宽度的变化对气道穿透 长度、气体薄壁穿透、气体穿透体积以及熔接痕长度等的影响规律，发现通过 改变基板的厚度可以有效的控制熔体在型腔中的流动，能够有效的抑制气体向 薄壁的穿透并使得熔接痕的长度变短，从两改善了制件的成型质量。根据模拟 分析的结果，从质量合格的产品中提取相应的气辅工艺参数。 以气道半径、气道长度、气道两侧板宽比及其相应的壁厚比作为自变量， 分别以熔体预注射量、切换延迟时间、气体压力、气体注射保压时间作为因变 量，运用m a t l a b 软件对上述自变量和因变量进行多元线性回归分析，得出了转 角结构和平板结构的气辅工艺参数回归方程。 最后分别对转角结构和平板结构的气辅工艺参数回归方程进行了显著性检 验，验证了气辅工艺参数与制件结构和气道结构参数之间具有明显的线性相关 性。对任意给定的转角类和平板类气辅制件设计参数，利用气辅工艺参数回归 方程预测出了气辅成型工艺参数及其相应的置信区间。 关键词：气体辅助注射成型，制件结构，多元线性回归分析 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t g a sa s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ( g a i m ) ，d e v e l o p e dq u i c k l yi nr e c e n ty e a r s ，i sa n e wk i n do fp o l y m e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl o w e r i n j e c t i o np r e s s u r e ，l e s sw a r p a g e ，b e t t e rs u r f a c eq u a l i t ya n de a s i l yp r o c e s s i n gp r o d u c t w i t hd i f f e r e n tw a l lt h i c k n e s se t c c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a li n i e c t i o nm o l d i n g , g a i m h a sm o r ep r o c e s sv a r i a b l e sn e e d e dt ob es p e c i f i e da n dc o n t r o l l e d ，a n dt h e r e f o r eh a s s o m es p e c i a ld e m a n di np r o c e s s i n gc o n t r o l ，p r o d u c ta n dm o u l dd e s i g n w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e r ew i l lb em o r es p a c ef o ru s i n g c a et e c h n o l o g yi ng a i m f o rt h ep u r p o s eo fu s i n gt h i st e c h n o l o g ye f f e c t i v e l y , o n o n eh a n d w es h o u l di n t r o d u c es o m eb e t t e rp r o b a b i l i t ys t a t i s t i c sa n do p t i m i z a t i o n m e a n st om a k et h ea r t i f i c i a le x p e r i e n c eq u a n t i z e db a s e do np l e n t yo fa p p l i c a t i o n sa n d e x p e r i m e n t s ；o nt h eo t h e rh a n d ，w es h o f l l dp a ya t t e n t i o nt ot h ea p p l i c a t i o n so fc a e s o f t w a r ef o rg a i m i nt h i sa r t i c l e ，t h ea r r a n g e m e n ta n ds i z ed e s i g no fg a sc h a n n e l ，m o u l dd e s i g na n d g a i mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r st op r o d u c tq u a l i t yw e r es u m m a r i z e d a c c o r d i n gt ot h e d e s i g nd e m a n df o ru n s y m m e t r i c a ls t r u c t u r e , c r e a t e ds e v e r a lt y p i c a lc a dm o d e l sw i t h d i f f e r e n tp r o d u c ta n dg a sc h a r m e ld i m e n s i o n sf o rr o t a t i o na l l g l ea n dp l a n a rs t r u c t u r e u s em p i ，t h em a t u r ep l a s t i cp r o c e s s i n gs o f t w a r e ，t os i m u l a t et h eg a i mp r o c e s so f t h ea b o v ec a dm o d e l s u n d e rt h es a m ep r o c e s s i n gc o n d i t i o n s t h ei n f l u e n c eo f t h i c k n e s sa n db r e a d t ho fb a s ep l a t et og a sc h a n n e lp e n e t r a t i o nl e n g t h f i n g e re r i e c t a n dm e l t i n g - j o i n ti m p r i n tw e r es t u d i e d f o u n dt h a tt h em e l tf l o wc a nb ee f f e c t i v e l y c o n t r o l l e d ，t h eg a sp e n e t r a t i o r tt ot h i nw a l lc a nb ce v i d e n t l yr e s t r a i n e da n dt h el e n g t h o fm e l t i n g - j o i n ti m p r i n tc a nb ed e c r e a s e db yc h a n g i n gt h et h i c k n e s so fb a s ep l a t e s o t h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c tw a si m p r o v e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，e x t r a c t t h ec o r r e s p o n d i n gg a i m p r o c e s sp a r a m e t e r sf r o mt h eq u a l i f i e dp r o d u c t m a k et h er a d i u so fg a sc h a n n e l 。l e n g t ho fg a sc h a n n e l 。r a t i oo fb r e a d t ho f t w o s i d e de a r d i n a lp l a t e sa n dr a t i oo ft h i c k n e s so ft w o s i d e dc a r d i n a lp l a t e sa s i n d e p e n d e n tv a r i a b l e s a l s o ，m a k et h es h o r ts h o t , d e l a yt i m e ，g a sp r e s s u r e ，g a s i n j e c t i o nt i m ea sd e p e n d e n tv a r i a b l e s d ot h em u l t i p l er e g r e s s i o na n a l y s i so ft h e d e p e n d e n ta n di n d e p e n d e n tv a r i a b l e sr e s p e c t i v e l yw i t hm a t l b ，s ot h er e g r e s s i o n e q u a t i o no fg a i mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sf o rt h er o t a t i o na n g l ea n dp l a n a rs t r u c t u r e w e r eo b t a i n e d f i n a l l y , b yt e s t i n g t h e s i g n i f i c a n c e o ft h e r e g r e s s i o ne q u a t i o n o fg a i m p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s v e r i f e dt h a tt h e r ew a sc o n s p i c u o u sl i n e a rc o r r e l a t i o nb e t w e e n g a i m p r o c e s sp a r a m e t e r sa n dp r o d u c ta n dg a sc h a n n e ls t r u c t u r ep a r a m e t e r s f o rt h e d e s i g np a r a m e t e r so fa n yr o t a t i o na n g l ea n dp l a n a rs t r u c t u r e ，u s i n gt h er e g r e s s i o n e q u a t i o no fg a i mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r st op r e d i c tt h eg a i mp r o c e s sp a r a m e t e r s a n di t sc o n f i d e n c ei n t e r v a l k e yw o r d s ： g a i m ，p r o d u c ts t r u c t u r e ，m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i s n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垦望焦日期： 关于论文使用授权的说明 婴2 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复韦手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：陈努够 导师签名：垒堡垒 日期：翌：! 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 气体辅助注射成型的简介n 一“一1 3 1 1 气体辅助注射成型( g a s a s s i s t e d i n j e c t i o n m o l d i n g ，g a i m ，简称“气辅成型”) 技术是国外8 0 年代研制成功，9 0 年代开始进入实用阶段的一项新型成型技术。 该技术综合了发泡成型和注塑成型的优点，为塑料产品的设计和生产提供了更 大的灵活性和自由度。其原理是将适量的塑料熔体注入模腔，然后再辅以高压 惰性气体注射到熔融的塑料中形成中空截面并推动熔料前进，从而实现气体保 压、消除制品缩痕、完全充填等过程，气辅成型原理如图l 一1 所示。 熔体注射阶段气体填充阶段 冷却保压阶段最终排气阶段 图1 一l 气辅注射成型原理图 气辅注射成型周期可分为以下几个阶段( 如图1 - 2 所示) ： ( 1 ) 料熔体充填阶段：这个阶段与传统的注射成型相同，就是将塑料熔体通 过喷嘴注入到型腔，直至充满型腔的6 0 9 5 ，具体注射量随产品而异， 需通过实验确定。 ( 2 ) 切换延迟时间：就是指熔体注射结束到气体注射丌始时间隔的时间，简 武汉理工大学硕士学位论文 称为延迟时间。延迟时间是气辅成型过程中非常重要的一个工艺参数。 注射阶段：将压缩气体通过注气组件从主流道或直接由型腔进入制件， 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，作为动力推动塑料熔体充满模具型腔，高压气体取 代熔体在制件内部形成中空截面。 保压阶段：气体保持较高的压力水平，使制件在均匀的保压压力下逐渐 冷却。在冷却过程中，气体由内向外施加压力，以保持制品外表面紧贴 模壁，并通过气体二次穿透( 气体在塑料内部继续穿透) 从内部补充因熔 体冷却带来的体积收缩。 排出气体和制件项出：当制件冷却到具有一定刚度和强度后，排出气体。 顶出阶段：开模顶出制件。 1 、 l - 2 2 、 2 3 、 3 3 4 4 4 巧， 5 、 5 - 6 图1 - - 2 气体辅助成型周期示意图 1 2 气辅注射成型技术在国内外的应用5 2 6 3 1 3 盯 气辅注射成型技术最早可以追溯到1 9 7 1 年美国人尝试加气注射成型制造厚 中空鞋跟，但以失败告终。后来在1 9 8 3 年英国人从结构发泡成型制造机房装修 材料衍生出“c i n p r e s ”控制内部压力成型过程，即气辅注射成型过程。该过程 与传统的注射成型工艺比较，熔体注射压力大为降低而且均匀分咖，在1 9 8 6 年 德国国际塑料机械展览会上展出后很快就被人们作为新工艺加以接受，并称之 为塑料加工业的未来技术。气辅成型技术在8 0 年代末的几年内得到不断完善和 ) ) ) ) “ 佰 武汉理工大学硕士学位论文 发展并商品化，9 0 年代才作为一项成功技术开始进入实用阶段。目前，g a i m 技术主要应用于汽车、家电、家具、日常用品等领域，尤其在汽车和家电行业 为塑件成型开辟了一个全新的应用领域。 在汽车领域，美国d e l p h i 内饰件和照明系统公司，将原来由6 1 个零件组成 的以金属为主体的汽车门板，通过g e 公司的g a i m 技术并采用添加3 0 玻璃纤 维的聚碳酸酯与聚酯的合金一次成型，产品单件质量仅为1 5 9 k g 。该零件厚度 从3 m m 到2 0 m m 不等，从而使一次成型形状复杂的零件成为可能。美国c h r y s l e r 公司的复合概念车计划以聚对苯二甲酸乙二酯( p e t ) 为材料采用g a i m 技术进行 一次成型整个车身，其模具费用2 0 0 万美元，质量为1 6 5 t ，在9 k t 注塑机上生 产，使一辆传统汽车的零件总数从4 0 0 0 件减少到11 0 0 件。c h r y s l e r 公司的概念 车d o d g ei n t r e p i de s x 2 整个外壳由6 个通过g a i m 技术成型的p e t 为材料的塑料 覆盖件组成，同时采用了混合动力( 电力和传统发动机) 和流线型设计，开创 了自然环保型汽车的新形象。g a i m 技术在其它汽车零件的成型中也发挥着巨大 的作用，如保险杠、仪表盘、货箱内饰、气流引导板、雨擦、防擦条、后视镜 等。 在家用电器行业尤其是彩色电视机外壳成型中，g a i m 技术的应用也取得了 极大的成功。日本东北宗形公司是一家模塑厂，它充分利用气辅成型技术可将 不同壁厚起成型的优势，设计出和传统模具有很大差异的电视机外壳气辅模 具，生产松下大型电视机外壳( 7 4 c m ) ，不但模具费用和机器成本降低，同时取 得了令人难以相信的工艺效果。电视机外壳平均壁厚从0 3 6 0 c m 减少到0 2 5 4 c m ， 质量减少3 5 ，注塑时间减少5 0 ，生产周期大为缩短。表面缩痕、凹陷彻底避 免，产品外观、内在质量和合格率大大提高。因设计自由度增大，完整电视机 外壳所需的管子支撑和外部饰件的数量从常规注塑工艺的1 7 个减少到8 个，装 配时间减少一半，产品总成本大大降低。 g a i m 技术在我国尚处于起步阶段，在彩电、冰箱、空调等家电产业以及汽 车行业得到了一些应用。目前国内生产大屏幕彩电的企业如长虹、康佳、海信、 福日、熊猫、菲利浦、厦华等都引进了g a i m 技术用于产品外壳的生产：在汽 车行业，成都航天塑胶集团公司首先引进气辅技术生产汽车门内饰件。东风集 团引进了美国公司的气辅技术，成立了气辅产品生产线，生产轿车保险杠、杂 物箱等内、外饰件。上海别克的协作厂也使用了气辅技术。一汽集团下属的轿 车分厂和一汽大众公司的产品装配了使用气辅技术生产了导流板。如何缩短生 武汉理工大学硕士学位论文 产周期、降低生产技术成本、加快新产品开发周期已经成为汽车厂家能否面临 这场挑战的核心问题，而气辅注射成型技术将在这种竞争中发挥着不可替代的 作用。 1 3 气辅注射成型c a e 技术应用的现状及发展趋势乜5 2 6 甑引1 相对于传统的注塑成型工艺两言，气辅注射成型技术引进了气体注射压力， 切换延迟时间、气体注射时间等新的工艺参数，这些工艺参数之间的干扰和制 约相对于传统注塑成型更明显，传统的经验和技术已远远不能有效而准确的对 该工艺进手亍控制。c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 技术从字面上理解是计算机 辅助工程，准确地讲就是工程设计中的分析计算和模拟仿真。注射c a e 技术是 c a e 技术中一个重要的组成部分，它是根据塑料加工流变学和传热学的基本理 论，建立塑料熔体在模具型腔中流动、传热的物理、数学模型，利用数值计算 理论构造其求解方法，利用计算机图形学技术在计算机屏幕上形象、直观地模 拟出实际成型中熔体的动态填充、冷却等过程，定量地给出成型过程中的状态 参数( 如压力、温度、速度等) 。注射c a e 技术可以在模具制造之前，在计算 机上对模具设计方案进行分析和模拟，预测设计中潜在的缺陷，为设计人员修 改设计提供科学的依据。应用注射c a e 技术带来的直接好处是省时省力，减少 试模、修模次数，缩短模具设计制造周期，降低成本，提高产品质量。 由于气辅注射成型c a e 在实际生产中发挥了良好的指导作用，并产生了预 期的经济效益，已经引起越来越多的国内外同行都进行了较为深入的研究，也 取得了阶段性的成果，并应用到实践之中。 从2 0 世纪9 0 年代初期，国外的一些研究机构开始对气辅成型填充流动模 拟展开了研究，t u r n g ，l s 等人借鉴传统注射成型充填流动分析的研究，采用粒 子跟踪算法( p a r t i c l et r a c i n g a l g o r i t h m ) 对熔体前沿和气体界面进行跟踪，来确 定充填过程中熔体气体的空间分布，从而对气体穿透机理和形成树脂皮层厚度 的预测有了进一步的认识。d m c a o ，k t n g n e y e n ，g s a l l o u m 等人利用控制体积 法来确定气体辅助注射成型充填过程中熔体前沿和气熔界面的位嚣。s c c h e n 等人分别对薄板上加肋。应用c a e 软件对环形圆管等气辅制件进行了气辅注射 主要穿透和二次穿透的理论和实验研究。从制件的结构性能、注塑压力及温度 影响、气道形状设计、数值计算方法等多方面研究了气辅注塑成型流动过程的 4 武汉理丁大学硕士学位论文 规律和特点，取得了较好的研究成果。 上海交通大学国家模具c a d 工程研究中心的辛勇教授利用计算机模拟，在 广义h e l e s h a w 流动模型基础上，通过引入合理的简化和假设，建立了气辅 充模的数学方程和气体穿透的边界条件，针对薄壁气辅注塑件沿圆形截面气道 穿透推进，形成模壁表层熔体的充模流动过程中的气体注射压力、熔体温度、 非牛顿指数影响气体穿透充模过程进行了实例数值模拟研究，同时还对模具中 的浇口数、气道数及其布局等进行了优化，得到了质量更优豹塑件。华中科技 大学的周华民等人在研究熔体流动和气体穿透数值模拟时，把一种类似于传统 注射成型模拟的混合有限元法用于气体辅助注射充填分析，并利用研究成果对 带有3 个m52m m 圆形肋骨零件的成型过程进行了实地考察，改进了成型方 案，结果获得了较为均匀的气体穿透壁厚。张波m 1 利用c a e 技术对轴对称的平 板类制件进行气辅注射成型过程的模拟，研究了气体在气道中穿透的机理并总 结了出气体注射延迟时间、气体注射压力及气体注射时间与气体穿透质量之间 的规律，最后利用回归分析得出了气体注射工艺参数与气道结构尺寸之间的函 数关系式。袁乐健对结构对称的转角类制件进行了模拟分析，利用回归分析 得出了气体注射延迟时间、气体注射压力、熔体预注射量及气体注射时间与气 道结构尺寸之间的函数关系式。 目前，国内外许多的科研机构已经推出了气体辅助注射成型模拟的商业化 软件，国外如美国m o l d f l o w 公司的m o l d f l o w ，美国a c t e c h 公司的c m o l d ， 德国i k v 公司的c a d m o u l d 等，使用较普遍的是m o l d f l o w 软件；在国内华中 科技大学开发的h s a c e 软件，郑州大学推出的z - m o l d 软件，台湾的m o l d e x 3 d 软件在国际上均达到了一流技术水平。 尽管在气辅成型的计算机模拟的基础上，可以了解各种工艺参数对成型的 影响规律、获得工艺参数的匹配设置，借此达到对气辅成型工艺进行优化，但 要想更加有效地将这种技术应用于实践中，指导实际生产仍有很多方面需要继 续探讨和研究。今后气体辅助注射成型c a e 技术的发展趋势主要为以下几个方 面： ( 1 ) 采用更加简单的单元技术和合理高效的网格划分方法，提高分析的准确 性；例如改善在分析形状复杂，多型腔结构的制件时，对于厚度突变的制品， 只有当厚度变小区域的网格细化的情况下才能得出合适的结果，加大分析难度， 增加计算资源支出的情况。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 目前商品化气辅c a e 软件与c a d c a m 软件之间数据传递主要依靠文 件的转换，容易造成数据的丢失和错误；因此在设计制造过程中采取单一的模 型，建立c a d a c e c a m 系统的统一数据库，加强三者之间的联系是今后的发 展方向； ( 3 ) 引人更多更好的概率统计、优化方法，使设计加工中的人工经验量化。逐 渐实现和完善实体建模零件的气辅成型数值模拟研究的应用。 ( 4 ) a u t o c a e 概念的引入，将人工智能技术，如专家系统等加入设计计算中， 使模拟程序能“智慧”地选择气辅工艺参数，提供修正制品尺寸、气体流道布 置方案，改变目前c a e 分析仍“被动”依靠人的经验提供设计方案的局面。 4 , 4 本课题研究主要内容 由于气辅工艺过程对工艺条件具有很大的敏感性，许多科研工作者利用气 辅c a e 技术对产品的气辅注射成型工艺过程模拟分析，对气体在气道中的穿透 过程进行了深入地研究，取得了些可喜的成果。但是目前大多数气辅注射成 型的研究只是注重研究工艺参数对制品成型质量的影响，关于制件结构对气辅 注射成型的影响鲜有定量或定性的规律性研究，如何通过给定的制品设计参数 直接获得正确的气体工艺参数的配置是广大从事气辅注射成型的工作人员最为 关心的问题。 本文建立了多个具有不同制品结构和气道结构尺寸的典型转角类和平板类 制件的c a d 模型，利用目前比较成熟的塑料成型分析软件m p i 对其进行气辅注 射成型过程的模拟，主要进行以下几个方面内容的研究： ( 1 ) 研究在相同的成型条件下，基板宽度的变化对气辅制品成型质量的影响 规律。 ( 2 ) 研究在相同的成型条件下，基板厚度的变化对气辅制品成型质量的影响 规律。 ( 3 ) 利用数理统计中的多元线性回归方法，分别对转角类和平板类的制件结 构参数及气道结构参数与气辅工艺参数迸行统计分析，得出气辅工艺参数的控 制公式，并对其进行显著性检验，对于任意给定的制品尺寸预测出相应的气辅 工艺参数和置信区间。 6 武汉理丁大学硕士学位论文 第二章不对称结构气辅注射成型工艺设计 众所周知，气辅注射成型技术广泛应用在汽车、家电等行业，如电视机外 壳、打印机外壳、笔记本电脑外壳等，该技术的应用不仅节省了原料，缩短了 产品成型周期，还解决了降低了制件内应力，减少了翘曲变形，消除了缩痕， 提高了制件表面的质量，取得了良好的成果。此外，该技术还简化了制品和模 具的设计，降低了模具加工难度，提高了制件设计的自由度。 2 1 不对称结构的制品及气道设计要求阳一“纸a 3 3 7 1 2 1 1 气辅成型制品设计 本文通过研究气辅注射成型技术在电视机、笔记本电脑外壳等的应用特点， 发现气道一般在拐角处、筋根部和气道连接处”，气道的各种截面形状及尺寸 参数如表2 1 所示。 表2 - 1 气道截面形状及尺寸参数( 单位：r a m ) 气道位拐角处筋根部气道连接处 置 气道截 赢盈 嚆 面形状 葩盈 彪盈 血 l 卫一f 房( 1 2 ) t 2庐( 2 4 ) 庐( 2 4 ) t = ( 1 2 ) 南肛( 0 5 o 7 ) b胆( 0 5 0 7 ) b 尺寸参 庐( 1 2 ) t庐( 0 5 o 7 ) b庐( 0 5 o 7 ) 占 数 f ( o 2 0 5 ) tf ( o 2 0 5 ) t f ( 0 2 0 5 ) t 卢( t | + tz ) 2胆( 5 - l o ) h t 4 t l 、t2 4t 2 = ( 0 5 1 ) 6 4 武汉理下大学硕士学位论文 尺寸参数说明：当用于塑件拐角处或加强筋根部时，应根据塑件结构具体 选取截面形式，根据塑件大小选取尺寸参数，塑件大者取上限，塑件小者取下 限：当用于塑件中气道的连接，截面形式和尺寸参数应与所连接的气道相一致。 从表2 1 中可以看出气道的结构尺寸与制品的厚度有很大的关系。基板的 厚度设计是制品设计的一个重要方面，当基板的厚度过大时，容易造成气体向 其穿透产生明显的手指效应，从而降低了制件的强度。 2 1 2 气道设计及布置要求 气道是气辅成型制品所特有的，它是气辅成型制品中预先设置的希望气体 沿设定方向进行穿透相对制件壁厚较厚的部分，制件决定气道截面形状，气道 形状决定制件成型质量的好坏，其几何尺寸的大小、截面形状的确定和位置的 布置都会影响到气体的穿透和气体对熔体流动的干涉，从而最终影响成型制品 的质量。因此，气道的设计是气辅制件设计有别于传统注塑件设计的关键，对 气道的设计也就是对加强筋和肋板的设计，应遵循以下原则： ( 1 ) 气道的截面最好是接近圆形，如图2 - 1 所示。由于粘性熔体表面张力的 作用，气体在气道中穿透形成的中空部分的截面形状倾向于圆形，所以气道的 截面接近圆形可使成型后气道部分的壁厚比较均匀。 差好最好 豳囝。 口固 图2 - 1 气道截面示意图 ( 2 ) 气道应是连续的以保证气体穿透的畅通性，但应避免形成回路，因为气 道形成回路会使气体的穿透形成分支，最后在支路前端熔体的交汇处形成熔接 痕。气道尺寸要求，其理论壁厚与气道直径至少为2 ：1 或者2 5 ：1 ，最大直径则 根据制品的几何尺寸及其在制品中的位置来确定。 ( 3 ) 气道的几何形状相对于浇口是对称或单方向的，当气道分支时，支气道 武汉理- t 大学硕士学位论文 末端可以阶梯式缩小以阻止气体加速。 ( 4 ) 气体喷嘴应置于距塑料最后充填处最远的地方，并置于壁厚处，要与浇 口保持2 0 咖以上的距离。由于气道在一定程度上起到分流道的作用，所以浇 口数量可适当减少。 ( 5 ) 气道径向尺寸变化不应太陡，并且其预计壁厚应与制品壁厚具有相同的 量级以避免引起收缩不均。 ( 6 ) 气道部分尺寸大小要合适。一般情况下气道体积应小于制品整体体积的 1 0 ，气道开得太小无法给气体提供良好的通道，不利于气体的穿透，会产生制 品注射不足或要求提高注射压力等问题，并且容易产生手指效应。气道丌得太 大会导致气穴和气体向较薄的部分穿透，使熔体产生堆积的可能，引起熔接痕 和困气现象。 ( 7 ) 当气流通过塑件拐角部位后，拐角内侧壁厚会减薄。如图2 - 2 所示， 在设计塑件时就应该注意到这个问题。气流一般会选择路径最短的方向流动， 于是在气流通过拐角时便会靠内侧流动从而造成壁厚不均匀。为了避免这种情 况发生，需要在拐角处采用尽可能大的气孔直径。 矧汽 肛n 2 目8 图2 - 2 在拐角处的气道设计示意图 1 气体通道 2 一壁厚减少 3 一熔体堆积 4 一壁厚均匀 ( 8 ) 气体会沿着阻力最小的方向也是物料中温度最高的区域向前流动。塑件 壁厚部分通常会比薄壁部分温度高一些。物料内的压力最低的区域往往也是保 压压力最小的地方。于是，为使气体按照预期的路线移动，必须对物料的填充 方式进行控制。在物料进入模具之后，模腔中压力最小的地方必须靠近气道的 末端。这个压力差会促使气流沿着预期流道前进，从而推动物料充满整个模腔。 ( 9 ) 在设计加强筋时应避免又细又密的加强筋，截面尺寸太小无法给气体提 供良好的通道，会出现鼓包现象，但尺寸太大又会出现局部熔体堆积，冷却收 9 武汉理工人学硕士学位论文 缩后形成表面凹陷，甚至当用作气道加强筋与基板厚度相差太大，会造成熔体 先充填筋部，注入的气体向最后充满的薄壁部分穿透并形成气穴，从而降低了 制品的局部强度。当制件仅有一个引入口而要形成多个加强筋时，气道须不能形 成回路，否则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，如图2 3 所示。 注射嘴气体 口 n髟 n 图2 - 3 制件表面的加强筋布置 岐管式通道布置 ( 1 0 ) 气道应布胃在熔体汇聚的地方以减小缩痕，因为保压冷却时熔体聚集 的区域收缩较大，如果没有熔体给予及时的补充，很容易引起缩痕，在这些地 方布置气道就可以由气体进行保压补缩。 一一( 1 1 ) 气道的布置应在不产生气穴和吹破的情况下使气体在制品内尽量穿 透，这是因为气体是非粘性，可以有效地把入口的压力传到气体和熔体的交界 面而不产生明显的压力降，因此气体的穿透程度越高，制品内部的压力分布越 均匀，保压冷却过程中产生的残余应力越小，出模后的翘曲倾向也越小。 ( 1 2 ) 对于复杂件，由于气体在气道内均匀施压在冷却过程中使熔体不断向 收缩部位补充，使其收缩率低，而其他部位由于熔体流动后形成分子定向效应， 使沿流动方向产生了较大的收缩率，不一致的收缩率导致最终的翘曲。如图2 4 所示，为抑制复杂件成型的翘曲变形，应将气道和加强筋沿着与收缩相同的方 向布置。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) a - 气辅制件三维造型；b 一二维翘曲情况： 卜高收缩率：2 一低收缩率；3 一熔体流动方向 图2 - 4 复杂件的翘曲 2 2 气辅注射成型模具设计要点n 一0 侣朋2 “3 2 h 6 5 0 1 气辅注射成型模具与传统注射成型模具相比，除同样具有基本模架、浇注 系统、冷却系统、成型机构、脱模机构等部分之外，还必须有气体注入系统。 因此在模具设计时，与传统注射成型模具设计并无差别，只是在涉及到气道及 注气系统的部位应作一定的修改。 1 、浇口设计 设计浇口时要考虑到进气方式的不同，当采用主流道注气方式成型制品时， 在浇口设计上无法采用膜状浇口形式；采用布点式气针注气方式成型制品时， 气体入口与熔体入口不在同一通道刚可采用任何形式的浇口。在浇口设计时要 注意以下几点问题： ( 1 ) 若气体入口设置在树脂入口同一通道的分流道上，则浇口截面的最窄处 一般要大于2 5 m m ，并且为了防止气体窜入料筒，应在分流道上设置扼流段。 ( 2 ) 一般情况只使用一个浇口，其位置的设置要保证欠料注射部分的熔体均 匀充满型腔并避免产生喷射。若气针安装在注射机喷嘴和浇注系统中，浇口尺寸 必须足够大，防止气体注入前熔体在此处凝结。特别是潜伏式浇口一般要比普通 模具的浇口大一些。侧浇口和扇形浇口内部有气道时，其截面尺寸也要足够大， 以便气体能顺利地进入型腔。 ( 3 ) 浇口设计应尽力避免喷射。出现喷射现象时熔体会发生叠合，造成叠 合部分熔体表面温度下降，这样气体穿透到第一个叠合面处时会吹穿熔体表面。 对此可采用按逆重力方向充填型腔或在制品较薄处设置浇口等方法来避免产生 喷射。 武汉理t 大学硕七学位论文 2 、注气位置设置 注气位置的设置同样要考虑到进气方式的不同。当采用从主流道注气方式 时，则气体入口位置是唯一的，只能从喷嘴进气，若采用埋入式气针注气方式， 气针的位覆可设置在分型面、型腔、分流道等任何部位。对于注气位置的设定 一般应注意以下几点： ( 1 ) 相对传统注射成型而言，气辅注射成型对模具结构变化更加的敏感，因 此在气道的布置时，尽量保证流动的平衡，以减小气体的不均匀穿透，导致制 品壁厚的不均匀。 ( 2 ) 注气点要尽可能靠近浇口部位，使气体的穿透方向和熔体注射方向相 同，但也应该保持一定的距离，防止气体的反灌。注气位置还应该避免气体穿 透时形成回路，导致熔接痕的产生。 ( 3 ) 有气道交叉的制品成型时，如果交叉气道不能避免，则在交叉结构上只 能设置一个注气体口，以避免在气体穿透过程中形成气道分支。 ( 4 ) 由于气辅注射成型一般为欠料填充方式，所以注料及注气最好均采用自 下而上的注入方式或水平注入方式，避免采用自上而下的注入方式，防止因树 脂自重产生流涎。 ( 5 ) 注气点应避免设置在与熔体注入口轴线相对位置，防止气针堵塞。 ( 6 ) 注气点位置应选择在不影响制品表面美观和不承受外界载荷的地方。 ( 7 ) 型腔进气可以采用薄膜浇口，或通过浇口位置加速冷却的方法，加快浇 口处熔体的凝固，以防止熔体回流。 ( 8 ) 对形体结构简单的成型制品，其注气位置可根据确定注气位置的般原 则及经验设定，对于形体结构复杂的成型制品，其注气位爱则需借助c a e 系统 分析后设定。 3 、型腔数量设计 由于气辅注射中预注射量、气体注射压力、延迟时间等参数很难控制一致， 对于某些要求气体穿透质量较高的制件一般要求一模一腔，可以在制件末端设 置次级溢料腔，使得气体穿透时排空的熔体能排入该腔，减小气体穿透时的阻 力，保证气体对气道的完好穿透。气辅成型也可以采用一模多腔的设计，每个 型腔应采用单独的注气点，需要注意的是模腔个数不可过多，因为气辅成型要 求每个型腔欠料注射量必须相等，模具型腔数量越多，对进入各型腔的树脂量 就越难以控制，欠料注射的精确控制有时可能难以达到。因此气辅成型模具一 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 般以一模一腔为佳，最好不要超过一模四腔。 4 、冷却系统设计 气辅注射成型模具的冷却系统设计与普通注射成型模具的冷却系统设计有 一些差异：普通注射成型模具的冷却系统设计，一般应遵循制品各部位同时冷 却固化的原则，而气辅注射成型模具设计应考虑充气效果的需求，在不需要充 气的薄壁部分应先期冷却固化，防止气体窜入。作为气道部位的冷却状态与注 气延迟时间有密切关系。所以设计此部位的冷却结构时，要考虑在注气滞后时 间内形成冷凝层的厚度，以保持气体的规则流动。 5 、其他设计 由于气辅注射成型采用相对较低的注射压力和锁模力，所以除可采用一般 模具钢制做模具外，还可采用锌基合金，锻铝等轻合金材料制造。此外，气辅 注塑脱模结构的设计基本上与普通注射成型模具的脱模结构设计相同，只须注 意在设计推杆时，应避免设置在制品的气道部位。 2 3 气辅工艺参数对制品成型质量的影响“7 ，j 3 ”棚1 相对于传统的注射成型而言，气辅注射成型引入了气体注入的过程，使得 工艺参数倍增，工艺控制难度增大，因此了解和掌握这些工艺参数对气辅注射 成型过程的影响有着很重要的作用，下面我们就来看一下气辅成型主要工艺参 数对它的影响： 1 、气体压力 气体压力一般指入口的压力，由于气体良好的压力传递性，在熔体内部穿 透时压力损失很小，因此将入口的压力作为气体的压力。根据气体穿透熔体的 过程将气体压力分为两部分，包括注气压力和保压压力。注气压力对应于气体 的一次穿透阶段，它对于气体能否顺利地进行熔体穿透有着比较重要的作用， 当注气压力太小时，易造成难以穿透熔体或者是气体穿透的距离太短而产生严 重的缩痕；当注气压力太高时，容易造成熔体的吹穿或产生鼓泡，影响了制件 的质量。保压压力对应于气体的二次穿透阶段，气体从内部对制件进行施加压 力，用来补偿制件由于冷却而产生的收缩并且对其进行压实，若保压压力太小 则起不到补缩压实的作用易导致制件产生缩痕翘曲变形：若保压压力较高有利 于保证制品紧贴模具冷却防止缩痕的产生，但保压压力过高，会引起制品吹裂等 武汉理： 大学硕士学位论文 缺陷。在实际的生产中可以采取对气体压力分段控制的方法进行操作。 2 、延迟时间 所谓延迟时间是指熔体注射结束与气体开始注射之前的间隔时间，它是诸 多气辅工艺参数中最为敏感、最为关键的因素。延时的主要目的是使浇口、薄 壁等处先行冷凝固化，防止气体反灌及乱串形成“手指效应”。它对于气辅制件 的实芯段位置及壁厚有很大影响：延迟时间越长，气辅制件的实芯段就越短，中 空壁厚越厚，延迟时间过长，致使熔体流动的较大变化，在制品表面引起明显 的模糊线条和光泽改变，从而在制品表面形成“桔皮纹”、迟滞线等制品缺陷； 延迟时间越短，越利于气体穿透熔体，但若延迟时间过短，容易造成高温低粘 度下的熔体被吹穿以及“手指效应”的产生。 3 、气体注射保压时间 它对成型结果的影响与气体注射压力的作用基本相似，当气体注射保压时 间太短的时不能保证较大的气体穿透率和补缩作用，容易造成气体穿透过短导 致缩痕，随着气体注射保压时间的延长，气体穿透率有所增大，有利于制件的 充分冷却，减少制件的体积收缩和变形，但是过长的气体注射保压时间对气体 穿透率没有明显的影响，反而会延长制件的成型周期。 4 、预注射量 预注射量，也叫欠料注射量，就是每个工作循环里的熔体注射量，用制件 的体积百分比表示( 除掉浇注系统部分) 。当欠料注射量较高时，制件的重量较 大，制件的实心段冷却缩痕严重。当欠料注射量偏低时，制件的重量较低，制 件容易发生充填不足，甚至熔体吹破。因此预注射量的选择要恰当，一般在 6 0 9 5 之间，具体注射量随产品而异，需通过实验确定。 5 、熔体温度 在注塑成型过程中，熔体温度是调节聚合物流动性的关键参数。升高熔体 温度可降低熔体的粘度，增强流动性，有利于气体的穿透，但温度过高易导致 粘度过低，使得手指效应加剧，严重时造成熔体的吹破，而且冷却费时导致加 工周期也变长。温度作为一个难于控制和保持的工艺参数，易受干扰，容易引 起温度波动这使熔体温度对成型过程的影响更趋复杂性。因此更适合选用高熔 融流动指数的塑料进行气辅注塑成型。 6 、熔体注射时间 熔体注射时间与材料性质、注射温度、注射速率、型腔大小、浇口数量和 1 4 武汉理： 大学硕士学位论文 浇口大小等因素有关。熔体注射时间太长，材料在型腔中易冷却。型腔难以完 全充满，皮层聚合物增加。并容易产生迟滞痕等不良外观，影响制件质量，熔 体注射时间太短，则易造成喷射，形成蛇皮纹等，影响制件外观质量和机械强 度。 7 、模具温度 模具温度也是一个对制件质量有重要影响的因素。一般而言，当模具温度 太低的时候，会使得与模壁最先接触的高温物料过早凝固，产生较厚的凝固层， 这样就容易使物料流动的阻力增大，需要较大的注射压力才能推动熔体的前进， 而且凝固层的变厚也会使得气体穿透体