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摘要 气体辅助注射成型工艺及应用研究 摘要 忾体辅助注射成型技术是近年来迅速发展起来的一种新的塑料加工成型工 艺，是塑料加工业的一次革命。传统注射成型不能将厚壁部分和薄壁部分合在一 起成型，且制件残余应力大，易翘曲变形，表面有缩痕。而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造成气泡，且装饰应用时需喷 涂。气体辅助技术通过把厚壁的内部掏空，成功地生产出厚壁、偏壁，而且制 品外观表面性能优异，内应力低、轻质、高强度。因此气体辅助注塑成型是传统 注塑成型技术的延伸，是传统结构发泡成型的突破，是利用高压气体在注塑件内 部产生中空截面，实现气体保压、消除制品缩痕、完全充填过程的一项新颖的塑 料成型技术。与传统意义上的注塑成型工艺相比较具有许多独特的优势，在生产 实际中越来越被广泛应用。由于气体捕助注射成型工艺过程相当复杂，其成型过 程也受到多项工艺参数的影响，本文采用应用计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ，简称c a d ) 和计算机辅助分析( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ，简称c a e ) 技术相结合的方法来研究气体注射成型中充模流动的规律和气体穿透特征，深入 研究了气体辅助注射成型工艺的变化规律，提出了气辅成型中工艺设计原则，结 合电视机外壳气辅制件的分析实例，对气辅工艺应用作了有益的探索。 f 具体研究工作如下： 诠面总结了气体辅助注射成型技术的基本工作原理，工艺特点、实际应用、 研究方法等，针对气辅注射成型的特点，提出了气辅产品设计原则，气道设 置原则、气辅模具设计原则和气辅工艺参数在气辅注射成型过程中变化规 律。 对气辅注射成型过程中的表层熔体形成机理进行了系统分析，针对气辅成型 流动过程的特点，结合工程实际，在粘性流体力学方程的基础上引入理假设 和简化，导出了气体沿圆形截面气道穿透时的数学模型。 研究了气辅注射成型中的c a d c a e 模型转换方法的研究，结合具体应用实 例研究分析，并结合应用c a e 分析软件m o l d f l o w 软件对产品分析模拟基础 上，来验证气辅成型中的工艺规则和设计原则对气辅成型过程中工艺方面的 指导意义。，o 一， 0 一。 ， 关键词：气体辅助注射成型，数值模拟，工艺参数、c a d 4 c a e 一 皇! ! 堕 s t u d yo ng a sa s s i s t e d i n j e c t i o nm o l d i n g p r o c e s sa n d a p p l i c a t i o n 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 ) i san e w t e c h n o l o g yt h a th a sb e e nd e v e l o p i n g i tl i k e ar e v o l u t i o ni np l a s t i cp r o c e s s t h et r a d i t i o n a li n j e c t i o n m o l d i n gc a n n o ts o l v et h ep r o b l e mw h i c h a p r o d u c ti n c l u d et h i np a r ta n dt h i c kp a r t b u tt h ed i s a d v a n t a g ei st h a tt h e r ei sa i rb u b b l eo nt h e s u r f a c eo f p r o d u c t sd u r i n gs t r u c t u r a lf o a m p r o c e s s g a i mt e c h n o l o g yi st h o s ee m p t yt h et h i c kp a r t o ft h ep r o d u c tb y h i g hp r e s s u r en 2a n dp r o d u c et h i c ko rp a r t i a lp r o d u c t st h a th a v eg o o db e h a v i o r s u c ha sl o wi n t e r n a ls u e s s ，l i g h t w e i g h ta n d h i g hi n t e n s i t y g a i mc a nb er e g a r da si n t e n t i o no ft h e t r a d i t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n ga n db r e a ko f t h es t r u c t u r a lf o a m p r o c e s s t h eg a i m p r o c e s si sm o r ec o m p l e xa n dm o r ep a r a m e t e r st h a nt h a ti nt r a d i t i o n a li n j e c t i o n m o l d i n g 。t h ef e a t o fg a i mf i l l i n g f l o w , i n c l u d i n gd i m e n s i o na n a l y s i s i nc o n t r o l e q u a t i o n ， m a t h e m a t i cm o d e la n de q u a t i o no fa n a l y s i si nt h ep r o c e s so fg a i ma r es t u d i e db yc a d c a e m e t h o d t h er u l eo fg a i m p r o c e s si sd e e p l ys t u d i e da n dt h eg a i mp r o c e s sd e s i g nr u l e sa r e p r o v i d e d t h eg a i me x p l o r a t i o nh a sb e e nd o n eb yt h ee x a m p l eo ft h ef r o n tp r o d u c to ft v s e t a n a l y s i s t h ec a r d i n a lw o r ki sn a r r a t e da sf o i l o w s ： i ti ss u m m e d u pc o m p l e t e l ys u c ha st h eg a i mp r i n c i p a l ，p r o c e s sf e a t u r e s ，a c t u a la p p l ya n d r e s e a r c hm e t h o d t h er u l e sf o rg a i mp r o d u c t s ，r u l ef o rt h ea i rf l u ed e s i g n ，t h er u l ef o r ( 3 a i mm o l dd e s i g ni sp r o v i d e di nt h e p a p e r a n a l y s i so f t h em e c h a n i s m so fs k i n - m e l tt h i c k n e s sr a t i oo ng a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n gi s o f f e r e d o nt h eb a s eo ft h ec o r r e c ta s s n m e ，f o r m u l af o rc a l c u l a t i n ga k i n - m i l tt h i c k n e s sr a t i oi s b r o u g h t o u tw h i l eg a sp e n e t r a t i n gt h r o u g hc i r c l ec h a n n e l t h em e t h o do fc a d c a em o d e lt r a n s l a t i o nh a sb e e ns t u d i e d t h ec a es o f t w a r e m o l d f l o ws o f t w a r ea n a l y z e st h eg a i m p r o c e s sp r o d u c ta n ds i m u l a t e t h er e s u l ti su s e df o r c h e c kt h ea n a l y s i so f e x a m p l eo nt h i sa r t i c l ea n ds h o wt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t so f t h i sp a p e r a r eg u i d a n c ei ng a i m k e y w o r d s ：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 ) n u m e r i c a l s i m u l a t i o n p r o c e s s c a d c a m 第一章绪论 1 1c a d c a m c a e 技术与塑料成型工业 塑料是世界上增长晟快的工业之一，也是应用虽广泛的工业之一。塑料注塑成型囡其能 迅速生产大批量产品、制件重复成型公差好的优点在现代塑料工业中得到广泛应用。在传统 注射模具设计和加工中，设计过程中许多关键数据绝大部分依赖经验判断获得，注塑模具只 有完成所有工序后，在进入试模阶段才能最后验证模具设计合格与否，一方面造成了人力、 物力资源的浪费，另一方面，难以控制模具制造周期，也难以保证塑料制品的精度和性能。 为提高企业竞争力实现产品快速更新换代，必须对注塑成型技术和c a d c a m c a e 技术 进行研究和应用开发【l 】。 在传统注射成型产业及塑料模具工业面临生存挑战的外在大环境下，各种先进 ( a d v a n c e d ) 及革新性( i n n o v a t i o n ) 的注射成型技术已成为国内外塑料产业生存升级的目标。 目前注射成型新技术主要有： ( 1 ) 薄壁注射成型( t h i n w a l l e c t i o nm o l d i n g ) ； ( 2 ) 精密注射成型( p r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n g ) ； ( 3 ) 多材料多工程技术( m u l t i m a t e r i a lm u l t i - p r o c e s s t e c h n o l o g y ) 包括双色或多色注 射成型技术( t w o o rt h r e ec o m p o n e n t i n j e c t i o nm o l d i n g ) ； ( 4 ) 协同注射成型技术( c o i n j e c t i o nm o l d i n g ) ； ( 5 )气体辅助注射成型技术( g a s a s s i s t e d i n j e c t i o nm o l d i n g ) ： ( 6 ) 注射压缩成型( 叫e c t i o n - - - c o m p r e s s i o nm o l d i n g ) ； ( 7 ) 含嵌入物注射成型( i n s e r t - - m o l d i n g ) ； ( 8 ) 覆盖成型( o v e r m o l d i n g ) 及模内涂装成型( i n - m o l d d e c o r a t i o n o r c o a t i n g ) 等。 c a d 技术起步于5 0 年代后期，6 0 年代，随着计算机软硬件的发展，进入迅速发展期。 8 0 年代初，c a e 、c a m 技术有了较大发展，由于表面模型技术只能表达形体的表面信息， 难阻准确地表达零件其他特征如质量、质心、惯性矩等，对c a e 发展十分不利基于对 c a d c a e 一体化技术发展的探索，s d r c 公司第一个开发了基于实体造型技术的大型 c a d c a m c a e 软件i - d e a s 。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 ) 技术是以现代计算 力学为基础以计算机仿真为手段的工程分析技术，是实现产品优化设计的主要支持模块。 c a e 技术从6 0 年代开始研究，7 0 年代末引入塑料工业行业，促进了注射成型工艺的科学化 大大改变了传统设计方式。借助c a e 技术，设计人员可以在设计阶段评估设计方案的优劣， 及早发现潜在问题。通过c a d 软件生成塑件与模具设计的几何模型，通过数据转换和在c a e 系统中的网格模型生成等过程，构成了c a e 系统的前处理( p r e - p r o e e s s ) 口l 。 注塑成型过程c a d c a e 是有关产品设计、制造、工程分析、仿真等信息处理以及包括 相应数据库和数据管理在内的计算机集成系统。它能解决塑料加工工业中最为芙心的三个问 题：( 1 ) 高效性、高精度、低成本地制造模具；( 2 ) 优化工艺参数，提高成型质量，减少注 塑制件缺陷：( 3 ) 缩短产品研发周期。应用c a e 技术，可进行塑件结构的应力分析，分析 型腔成型过程中塑料流动、保压和冷却，同时预测制件翘曲变形，达到优化成型工艺参数和 模具结构目的。c a d c a e 技术在注塑模具中的应用，实现了塑料加工业中产品设计模具 设计、模具制造和工程分析一体化，即：应用c a d 技术，实现了塑件设计模具设计，剑 最后模具各类图纸和数据几何模型；应用c a e 技术，实现了在计算机中对各项塑料成型过 程中各项工艺参数、模具结构、流道布置和冷却系统的分析达到了最终提高产品质量的目 的。因此，c a d c a e 集成技术已经成为国内外塑料成型加工技术的重要发展方向和研究重 点。 注塑成型过程是一种非牛顿特性，通过浇口、流道在一定形状的腔体中的非等温、菲稳 态的复杂流动的物理过程。同时，在注塑成型过程中伴随着塑料从熔融态向固态转化塑料 产生体积收缩、分子取向与结晶等现象，均对最后成型制件产生影响。因此对注塑成型过 程分析必须结合运用运动学、传热学、传统注塑成型工艺学等方面知识，采用数值仿真技术、 来模拟注塑成型过程中的塑料流动、充填、保压、冷却等过程，优化工艺参数和模具结构， 预测各项成型缺陷。6 0 年代，t o o t 、b a l l m a n 和c o o p e r 首先应用数值方法计算了塑料熔体 简单形状的充填过程模拟p 。5 1 。7 0 年代中期，b r o y e 、g a t f i n g e r 、t a d m o r d 【“1 等人利用流动 网格分析法对二维等温流动进行了研究和实验。c a h i c b c r 和s e s h a n 则利用有限元闩芎限 差分混合法【”。8 1 模拟塑料熔体非等温二维流动过程，将h e l e s h a w 流动法则”摊广到非 牛顿流体的非等温流动情况，为开发实用性流动分析软件奠定了基础。9 0 年代以来，c a e 技术研究和应用日益成熟，分析范围概括了塑料充填流动模拟、保压分析、冷却分析、应力 分析、翘曲变形等领域。为新的注塑成型工艺如气体辅助注射成型、共注射成型、多色成型 等技术的数值过程模拟的研究提供了保障。 1 2 塑料模c a e 软件系统简介 目前，在注塑模c a e 应用软件中，比较成熟和已经商品化的软件有澳大利亚的m o l d f l o w 注塑模c a e 分析软件和美国的c - m o l d 注塑模c a e 分析软件两种。( 1 9 9 9 年，c m o l d 软件 所属的公司已被m o l d f l o w 公司收购) 。 c m o l d 软件是美国a ct e c h 公司利用美国c o m e l l 大学p r o k k w a n g 领导的c i m p ( c o m e l lh l i e c t i o nm o l d i n gp r o j e c t ) 研究小组的科研成果研制开发的。该系统主要包括三个 层次，第一层次为c d e s i g n 用于数据模型构建，它包括前后置处理，材料和工艺参数数据 库等；第二层次包括三维流动模拟c f l o w 、冷却分析c c o o l 、保压分析c p a c k 、气体辅助 注射成型分析c g a s f l o w ；第三层次c p a c k w 可用于流动保压冷却的耦台分析及 残余应力的估算。该软件的特色是能够较好地模拟注塑成型的充填过程合理预测熔接线、 2 皇l 二堕一 气穴、保压时间、熔体收缩、模具及塑件温度分布、冷却效率、残余应力分布等内容。是一 种用途根广的c a e 软件之一。 m o l d f l o w 软件是澳大利亚m o l d f l o w 公司开发的专业注塑模c a e 分析软件。其主要功 能模块有： 1 m f f l o w ( 流动保压分析：主要分析塑料熔体在模具内的流动，优化型腔及浇注系 统的设计、材料选择。包括：材料数据库：二、三维流动分析( 充填保压流动状 态分析、流道平衡分析等) ；三维数据造型( 包括数据结构转换器，单元网格自动 生成器等) 。 2 m f c o o l ( 冷却分析) ：用于塑料成型后在模具中冷却以及模具冷却系统分析。 3 - m f w a r p ( 翘曲分析) ：提供三维翘曲、三维收缩分析及制件承载和刚度等方面分 析。 g m f s t r e s s ( 玻璃纤维增强分析) 5 m f g a s ( 气体辅助注射成型分析) 包括： ( 1 ) 聚合物流动分析，与m f f l o w 一样，此时聚合物可以部分或全部充满型腔。 注塑加工工艺、流道及型腔的流动平衡、材料选择等得到优化。 ( 2 ) 气辅填充阶段流动分析，完成聚合物注射阶段的分析后在用户定义的时间上 或达到用户定义的型腔充填程度时，m f g a s 自动转向气辅注射分析，直到型 腔完全充满。 ( 3 ) 气辅注射成型模拟，模拟加气的前期过程和高压气体注入聚合物熔体中过程。 模拟注入阶段压力的升降，考虑气体在熔体中膨胀、构成气体压力变化的过程。 ( 4 ) 分析结果图形可视化，可以将聚合物冲天模式，充填阶段气道路径；气体“吹 破”塑料层的位置：气陷位置；气体穿透情况：气体通道，聚合物壁厚分布 成 型过程中气体与聚合物的压力曲线；型腔充满程度等图形显示。 m o l d f l o w 软件是塑料工业中应用最广的c a e 软件，它强大的材料数据库和良好的 数值模拟技术能很好预测塑料成型中的各项性能指标，优化了注塑工艺参数和修正 模具结构。口1 。q 在注塑模c a e 技术研究和开发方面，国内以华中理工大学的模具技术国家重点实验室， 如李德群等课题组自主开发了h s c a d 系统，并在企业中成功投入应用。浙江大学基于u g i i 软件开发的注塑模c a d c a m 系统，应用m o l d f l o w 实现c a e 分析过程。北京航空航天大 学c a x a d m 和c a x a i p d 系统等。对于开展注塑模c a e 应用技术研究的单位则更多 如郑州工学院的注塑模国家工程中心的申长雨、中国科学院化学研究所工程塑料国家重点实 验室的梁瑞风等，四川联合大学塑料工程系的董祥忠，南昌大学机电工程学院的辛勇博士等 等。总体上来讲，在c a e 技术方面研究国内与国外先进国家相比仍然有相当大差距，理论 性研究多，应用性技术相对较少，已开发的c a e 软件商品化程度低，实用性和局限性较大， 需要进一步研究和实践检验。 国内企业注塑模c a e 应用主要以引进国外成熟技术和成套设备，在注塑l 艺参数优化、 c a e 关键技术应用研究，成套设备生产等方面做的很少，气辅注射成型技术方面情况更是 如此。 1 3 气体辅助注射成型技术研究状况 1 3 1 国外气辅注射成型技术应用 气体辅助注射成型( g a sa s s i s t e di n j e c t i o n m o l d i n g ) 是从传统塑料注射成型【艺上发展 起来的一种创新工艺形式，它克服了传统工艺上的局限性。气辅技术作为一种新兴技术自 8 0 年代开始进行相关的实验和理论研究，到9 0 年代初，该技术被投入实际应用，是白往复 式螺杆注射机问世以来。注射成型工业中虽重要、最有意义的发展之一【2 ”。 气体辅助注射成型技术，晟旱可追溯到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，即气辅注塑成型过程。气辅注塑成型工艺和传统注塑成型丁= 艺比较， 熔体注射压力大为降低而且分布均匀，该过程在1 9 8 6 年德国国际塑料机械展览会上展出后 很快被人们所作为新兴工艺加以接受，并称为塑料加工业的未来技术。对气辅技术研究和应 用较早的国家有美国、德国、日本和英国等。 德国b a t t e n f e l d 公司是具有上百年历史的生产塑料机械设备的大型集团公司。早在1 9 8 9 年，b a t t e n f e l d 公司就开始开发气体辅助注塑成型工艺，简称a i r m o u l d 气辅工艺，当初主要 耳的是协助用户生产出合格产品用于厚壁制件和扁平制件生产。现在已经能够提供较完整 的气辅成型设备，包括气体发生器、电路控制箱、气路控制箱、便携式控制器和注气技术。 晟初，b a t t e n f e l d 公司将气体辅助技术用于生产塑料衣架生产，注塑机所连接气辅设各配有 n ：发生器与回收系统，配接在注塑机上，工艺参数通过控制器设定，主要研究了延迟时闯、 气体压力、熔体温度和材料粘度、模具温度对制件中空效应的影响及气体在不同几何形状流 道中的穿透情况。 英国g a s 删e e t i o n 公司创建于1 9 9 2 年，一直致力于气辅注塑成型新工艺研究和开发 目前能够提供最完整的全套集成化气辅成型设备( p p cp l u sm i n i p r e p ) ，内部注气技术( s i g ) 和表面气辅成型工艺( e g m ) ，模具设计和工艺设计技术支持有效及时售后设备维护服务。 公司从事气辅控制单元( p p c ) 的生产和组装，原先生产高压气动元器件、现在主要生产气 辅控制单元的生产任务。控制单元最多可包括四组独立气路的电路控制系统和气路控制系 统。控制单元还可以安装空气驱动增压系统，用于提高n 2 钢瓶中n 2 压力实现气辅工艺。 g a s c o t ( o n 公司拥有自己的n 2 发生器和回收系统( m i n i p r e p ) 生产和制造工厂。 美国n i t r o j e c t i o n 公司，是一家拥有生产和销售n i t r o j e c t i o n 气辅成型工艺专利技术公司。 公司前身石油美国塑料技术协会( a p t ) 注射成型部门s a j a r 公司的气辅技术开发中心， 4 从8 0 年代中期开始发展气辅技术，1 9 8 7 成立n i t r o j e c t i o n 公司，至9 0 年代初气辅技术开 发成功得到商品化。从1 9 9 3 年开始，全方位发展气辅注射成型技术，提供的气辅设备包 括增压器、简单控制单元和进气技术，多采用注塑机喷嘴进气，气体不回收】。 ( 1 ) 气辅装置方面 德国h a t t e n f e l d 、英国g a s i n j e c t i o n 和美国n i n 叫e c t i o n 三家气辅公司都能提供有效的气 辅成型装备t 实现气辅工艺成功应用。但是英国气辅注射公司气辅设备商品化程度高，完整 性好，可以提供有关气体辅助技术硬件和软件全方位的支持2 “。 在控制单元部分英国g a st n j e e t i o n 公司的气体辅助注射系统p p c 2 0 0 0 属于多功能型 控制单元，采用先进的美国摩托罗拉公司3 2 位微处理器并以闭环方式控制气体的分段压 力，使气体在注射期间的压力提升速度更快和更精确，可控制4 组气路，十段压力储存 2 5 套不同工艺数据。彩色显示，中文软件，可检测在模具内的温度、压力和气体参数数据 配接卫星式连接器，还可给更多的注塑机配各气辅注塑功能。b a t t e n f e l d 公司气辅工艺的设 计出发点主要为常规注塑机提供一种辅机以实施气体辅助注塑工艺，因此某些特定型号的 b a t t e n f e l d 注射机的操作控制箱本身带有气辅成型工艺控制程序，一般牌号b a t t e n f e l d 注射 机和其他厂家注塑机气辅功能的实现通过加配便携式电路控制箱、歧路控制箱和参数设置控 制器，外加一个电路控制箱和注塑机之间的接口完成。一对电路控制箱和参数设置控制器可 控制4 路气路控制箱，5 个阶段、存储8 组n p u 控制单元，这种设计应用灵活，但设备整 体感觉欠佳。美国n i t r o j e c t i o n 只提供增压器和控制部分，总称为n p u 控制单元( n i t r o j e e t i o r - p r o c e s s i n g u n i t ) 。结构比较简单、简洁，功能也较简单，只有可扩展的二个阶段控制，目前 无氮气发生装置及回收装置。 ( 2 ) 注气技术方面 三家气辅公司都能提供从注塑机喷嘴注气技术和模具形腔气嘴进气技术。英国气辅公可 设备用模具进气方法多，而美国气辅公司设备用喷嘴进气方法多，德国公司气辅设备两种进 气方法兼用。 从应用效果看，德国公司的气针设计容易堵塞。注塑机喷嘴进气和模具形腔或流道进气 各有优缺点。总的来说，喷嘴进气因不改动模具虽较为方便但应用局限性较多，如不能用_ r 多腔和热流道系统、气体无法回收、工艺参数设计自由度小，模具进气则无须改动注塑机、 气嘴数目和位置选择方便、工艺设计自由度大、优点很多。英国气辅公司有三种气嘴可供选 择，s i g i 适用于分模线注气，s i g 2 适用于成品表面注气，s i g 3 适用于不平表面制件注气。 英国气辅公司还可独家提供用于特殊结构制件的表面气体辅助注塑成型技术。可根据产品要 求，采用单点或多点进气。三种气嘴和表面进气也可单独或同时使用设计灵活应用方便。 德国公司在模具进气气针方面可提供固定式或移动式两种设计尺寸有3 m m 和5 m m 两种， 在喷嘴进气方面有三种不同设计。 ( 3 ) 工艺技术方面 英国g a s i n j e c t i o n 公司成功开发的功能化气体辅助注射工艺操作软件，能够同时用数字 式和棒圈系统方式跟踪气辅注射工艺控制过程，并图示工艺参数实际测定值和设定值差异， 有助于工程技术人员理解和掌握气体辅助注塑工艺特点，有利于气辅注塑制件工艺开发。 1 3 2 国外气辅技术研究 国外在气辅技术的理论研究和应用已有相当长历史，专业从事此技术研究人员和单位也 很多。比较著名的人员和研究成果有： s c c h e n 等4 7 1 人利用同一个几何模型应用c a e 软件对气辅成型中的充填和保压阶 段进行数值模拟，同时也应用在冷却分析中。分别对薄板上加肋。环形圆管等气辅制件进行 了2 d 和25 d 的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 规律和特点，取得了较好的研究成果。 s y y a n g 等【”3 人对气体辅助注射成型中零件的筋板几何形状及位置对成型结果的影响 进行了研究，实验结果表明增加筋板宽度有利于提高成型质量，在筋部增加过渡圆角明显提 到成型能力。增加其强度。 s m c h a o 等p 9 1 人研究了在气辅控制单元中的气体成型压力动态模型。首次引入了非 线性动态模型并得到实验认证。在预测和检测方面，非线性动态模型可以很好预测气辅注射 成型中各种现象，其结果对工艺特征和不同工艺参数之间关系理解很有帮助，但实用性差。 因此，又提出了基于非线性模型基本特征的两次模型，实验结果表明该模型能够精确预测气 体注射压力短暂变化。 e m o r t i z e r 等应用物理数学模型对气体辅助注射成型制件中气泡现象进行了研究，研 究认为在气体注射成型中，气泡效应能减薄制件壁厚，削弱光学质量。 其他还有k k w a n g ，y i n i e ，l s t u r i n g 等对气辅注射成型过程中的“指纹”现象、 制件的机械性能、气泡形成与发展等方面进行了理论及实验上的研究。 1 3 3 国内气体辅助注射成型技术研究状况 国内对气辅注射成型技术研究的起步相对较国外晚，到8 0 年代中期，我国科学家注意到 气体辅助注射成型技术的优势以及其将对未来塑料加工业产生革命性影响，开始对它进行理 论和应用上的研究。 梁瑞风是国内较早从事气辅技术研究的人员之一，利用引进英国全套气辅设备在对塑料 家具制件进行了气辅注塑工艺开发和研究，考察了塑料转椅扶手的气辅加工中七嘴位置、熔 6 绪论 体注入量、熔体注射温度、延迟时间、气体注射压力等对充模过程的影响应用c - m o l d 软 件对该制件的气辅设计和不同工艺条件对气辅之间的影响做了模拟，并与实际生产进行了比 较。得出了气嘴位置、熔体注射量、注射温度和延迟时问对制件实心段位置，表面质鼍有重 要影响，而气体压力对制件质量的影响不大的研究成果。 华中理工大学模具国家重点实验室是较早开展气体辅助注塑成型技术研究单位，对气辅 注塑成型研究中应用c a e 技术方面进行了研究和探索。基于修正c r o s s 黏度模型和非牛 顿、非等温状态下的广义h e w - s h a w 流动数学模型，研究了薄壁制件的气辅成型充模流动规 律- 并经适当假设和简化，建立了求解本构方程。在开发注塑模c a d c a m 系统h s c 基础 上研究开发了专用气辅分析系统。 气辅注塑技术的应用也有很大发展，突出表现电视机行业纷纷引进气辅技术生产人屏幕 电视机外壳。至今，国内如长虹、康佳、海信等厂家。在汽车行业，随着新车型的引进和对 高质量注塑件的要求，气辅技术开始得到应用，成都航天塑胶集团公司引进气辅技术开始生 产车门内饰件。在洗衣机行业，台肥容事达塑模厂引进技术生产冰箱盖板提高强度和刚度。 在包装行业，大连三鼎工业集团用于周转箱气辅注塑开发，在农用器具方面、玩具生产方面， 都已经应用了气辅技术”。】。 1 4 气辅注塑成型应用前景 气辅注射成型技术具有巨大的应用技术优势和制件优势，能产生显著的经济效益，如减 轻制件重量，可节省原材料用量高达4 0 ；缩短时间可加快生产周期高达3 0 ，生产率 大大提高：消除收缩痕迹，提高制品表面质量，产品报废率低；降低注塑压力锁模力减少 高达6 0 ，注塑机投资成本降低：生产电力消耗降低，操作成本减小；降低模腔内压力， 减少模具损伤，降低模具制造成本，甚至某些产品可采用铝合金模具；可采用如粗根、厚筋、 连接板等更稳固的结构，增加了模具设计的自由度等。如表1 1 所示。 表1 1典型气辅小制件的玩具小锤的气辅注塑工艺和常规注塑工艺的对比。 测试项目常规注塑工艺气辅注塑工艺效率评估 塑化时间s 4 12 8减少3 1 7 1 填充时阃s 3 51 8减少4 8 5 7 生产周期s 7 7 75 5减少2 9 2 1 锁模力m p a 8 02 9减少6 3 7 5 料头重量幢 4 4 63 6 7减少1 7 7 1 锤子重量幢 8 1 0 65 2 6 0减少3 5 1 1 总重量g 8 5 5 25 6 2 7减少3 4 2 0 成本价格￥ 1 4 00 9 0降低3 5 7 1 收缩情况严重没有制件质量提高 7 由上表可见，和常规注塑工艺对比，采用气辅注塑工艺塑化时间减少31 7 1 ，填充时 间减少4 8 5 7 ，生产周期缩短2 9 2 1 ，锁模力降低6 3 7 5 ，制件质量减少3 5 1 1 ，制什 质量提高。制件成本价格从传统注塑的1 4 0 元降至气辅注塑的o 9 0 元，降低了3 5 7 1 。 在大型复杂制件方面的应用所产生的经济效益更为显著。e t 本利用气辅：j ：艺生产松下 ( p a n a s o n i c ) 大型电视机外壳( 7 4 c m ) 取得了巨大成功，模塑厂家东北宗形( t o k u k um u l l e k a t a c o ) 充分利用气辅工艺可选择制件厚、薄壁可结台在一起成型的优势，设计出和传统模具 有很大差异的电视机外壳气辅模具不但模具制造费用和机器成本降低，而且得到了令人难 以相信的气辅工艺效果。电视机外壳平均壁厚从0 3 6 e m 减少到o 2 5 4 e m 导致质量减少3 5 注模时间减少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和外部装饰部件的数量冲常规 注塑工艺的1 7 个减少至8 个，装配时间减少了一半，产品总成本有很大的降低。 1 5 选题依据和研究主要内容 气辅技术作为在传统注射成型基础上发展起来的一种创新工艺，是塑料加工业的一次革 命。传统注射成型不能将厚壁部分和薄壁部分合在一起成型，且制件残余应力大易翘曲变 形，表面有缩痕。而结构发泡成型的缺点是制件表面的气穴往往固化学发泡助剂过分充气造 成气泡，且装饰应用时需喷涂。气体辅助技术通过把厚壁的内部掏空成功地生产出厚壁、 偏壁，而且制品外观表面性能优异，内应力低、轻质、高强度。因此气体辅助注塑成型是 传统注塑成型技术的延伸，是传统结构发泡成型的突破，是利用高压气体在注塑件内部产生 中空截厩，实现气体保压、消除制品缩痕、完全充填过程的一项新颖的塑料成型技术。 1 5 1 气体辅助注射工艺的优点： ( 1 ) 节省原材料用量。通过气体穿透在制件内部形成中空结构，或者利用g a i m 技术的 优点来成型更薄的制件，可咀大量节省原材料，最高可以达到5 0 。 ( 2 )注塑压力降低，锁模力大大减小。普通注射机在注射和保压时需要很大的模腔压力， 尤其在解决缩孔和凹痕的时候，要求有很大的锁模力来保证。由于气辅成型中，气 体是非粘性介质，它可以将压力均匀地传递到气体连续存在的任何地方而不产生大 的压力损失因此当气体推动熔体前进时，有效流长减小，入口压力降低，造成所 需的注塑压力降低锁模力也减小最多可降低7 0 。由于锁模力降低，使较小的 注塑机可以成型较大的制品，降低了加工成本。 ( 3 )制件质量提高。由于气体均匀地由近到远，由里到外地对熔体施压，使型腔内压力 分布均匀，保压冷却过程中产生的残余英里减小，翘曲变形程度减少。同时，气体 在保压阶段的二次穿透弥补了熔体在冷却时产生的体积收缩，有效地抑制了缩痕的 产生。另外，通过合理的气道布置掏空了厚壁部分，使壁厚更趋于一直，也会有效 绪论 地抑制缩痕的产生。 ( 4 ) 使薄壁不均、形状复杂、体积庞大的制件成型成为可能。 珍 * # _ b 2 52 5 t 羚。 i + i ! - l+h瑚- l+ i 瑚 - i 制品体积( c m 3 ) 2 5 02 0 02 2 0 轻量化率( ) 1 0 08 08 8 ( 气道)无无r 5 半圆 截面二次惯性矩1 。 2 6 01 3 34 1 2 最大注射压力n i p a 5 3 97 522 82 图1 1 气道的增强效果 ( 5 )制件的强度和刚度得到加强。采 用气辅技术可使壁厚差异较大 的中间实现均匀填充，避免了普 通注射成型产生较大的内应力 的缺陷，并在不增加制品重量 下，通过气道设计增加制品截面 的二次惯性矩从而增加制品的 强度和刚度。如图1 1 所示为一 板状零件采用气辅技术后增强 及轻量化效果。 ( 6 ) 复杂制件成型的可能增加了产 品设计自由度和产品生产的集 成化程度。由于气辅技术可以有 效地成型传统注射成型不能复 杂结构制件，原先往往为了适合 传统注射成型不得不采取多个 零件组合的模式，现在通过气辅 技术可以在一个零件上完成，减 少了产品的零件数量和重量。如图1 3 所示。 ( 7 )生产周期大大缩短，提高了生产效率。气辅注射成型周期与普通注射成型周期相比， 缩短了射胶时间，去除了补缩保压时间，冷却时间也有所减少，因此，大大缩短了 成型周期，减低了制品成本，提高效率。 9 绪论 ( 8 ) 由于注塑压力降低，模具损耗随之减少，模具寿命延长。这也使铝材模具的使用成 为现实。为今后提高模具制造水平，缩短模具制作周期，提供了保证。 ( 9 ) 材料适用性好。适用于热塑性塑料，一般工程塑料及其台金和其他用于注射成型的 材料。 1 5 2 气体辅助注射工艺的不足之处 ( 1 )需要增加气辅装置，增加了设备投资。 ( 2 )对注塑机的注塑量和注塑压力的精度要求有所提高。 ( 3 )制品质量对工艺参数更加敏感增加了工艺控制的精度要求 ( 4 )对于厚壁制品虽然因有上述气体通道减少原材料用量，但上述残余空穴并非为一般 产品所必需，另外还存在成型后进行堵塞或修整之类的加工。 ( 5 )用该法所得产品，在空穴之上的表面会产生一定的色泽差异，须用有花纹模型或额 外涂饰加以掩饰。 ( 6 )该技术难以在多模腔模型上应用，这主要是用气辅技术难以控制熔体量均匀地分配 到各个型腔中。 ( 7 )对模具温度控制要求严格，因制件内部气体通道的形成主要取决于注气时的熔体 温度和模具温度 ( 8 )对模具设计要求严格，设计时应考虑到气体通道在何处形成，气体通道应内部相互 连接，且能够良好排气，咀避免制品起泡等缺点。 ( 9 )不宜生产超大型、中空薄壁制品。因气辅成型所得此类制品厚度偏差大和会发生吹 穿等缺陷。 1 5 3 论文研究主要内容 阐述了气辅成型基本原理和装置构成，着重研究了气辅注射成型主要工艺参数：气体注 射压力、熔体温度、延迟时间等控制参数对成型流动和制品的可能带来的各种缺陷及影 响，总结了气辅制品设计基本原则和气辅模具设计的基本要点。 实现了在c a d 与c a e 之间数据模型及数据信息传递一种新方式。 应用m o l d f l o w 软件，通过对气辅成型过程的模拟分析，应用气辅设计中各项原则和工 艺参数关系，在彩电机壳的气体辅助注射成型模具实现过程。 1 6 本章小结 本章主要阐述了注塑成型c a d c a m c a e 的应用现状和重要意义介绍了国内外气体辅助 注射成型技术产生、发展及研究应用状况，并指出了气辅技术与传统塑料加工工艺具有优势 与不足，最后提出了本次选题的主要研究内容。 0 气体辅助注射成型技术 第二章气体辅助注射成型技术 2 1 气辅注射成型技术 2 1 1 气辅注射成型技术构成 气体辅助注射成型( g a i m 或g a m ) 是在传统注塑成型工艺基础上，结合结构发泡r 艺发展而来的一种创新注射成型工艺。该技术主要包括气辅成型设备，气辅流动分析软件及 工艺开发和应用技术三大部分。“。如图2 - 1 所示。气辅设备一般包括氮气发生器、增压 装置、控制单元和进气元件，可由不同厂家提供。气辅流动分析软件通常自常规注塑成型的 计算机分析软件发展而来，注气模块等，目前主要有澳大利亚的m o l d f l o w 软件和美国的 c m o l d 分析软件。气辅注射成型应用技术和新产品气辅注塑工艺开发是气辅注塑技术构成 图2 - 1 气体辅助注射成型技术构成 中最为核心内容需要用户进行自主开发。目前主要有气辅设备供应商协助用户进行制件工 艺开发，用户购买气辅硬件设备的同时可以委托供应商进行产品模具和工艺设计的分析，甚 至同时引进气辅模具和成型工艺。气辅注射成型技术应用市场量大面广大力发展国内气辅 成型技术应用和工艺开发的能力，对新产品的自主研制和开发，满足国内塑料成型加市场 皇堕塑墅垄堑盛里垫查 的需要，和摆脱国外企业对国内市场与技术的垄断有着重要作用。 2 1 2 气辅注射成型工作原理 气体辅助注射成型技术( 简称g a i m 或g a m ) 是在传统注塑成型工艺中，先注入一定 a 充模阶段：1 周期开始；1 2 注射期；2 注射期结束；2 - 3 延 迟时间；3 充气期开始；3 4 气体充填；4 型腔充填完毕 b 保压阶段：4 - 5 气体压力保持；5 气体压力降低；6 脱模 c 脱模阶段 图2 - 2 气体辅助注射模塑生产周期 量的聚合物熔体，然后从浇口或者预留的气嘴和气路中以定量或定压强注入高压惰性气体 ( 如氮气等) 于模具型腔中流动的熔融聚合物的核心。气体会依照流动阻力最小的路径和由 高压向低压处流动的规律流动，并迅速而均匀分布。借助气体的辅助可将压力传递至远离浇 i ：1 部分的模腔来推动熔融态聚合物在型腔内流动成型，并最终在制件内部形成中空截面。 其工艺循环过程有三个阶段组成，见图2 2 。 皇苎塑壁苎塾堕型垫查 第一阶段是熔体注射( 如图2 - 3 ) 。把高分子熔体注入模具型腔，这和传统注射成型方 式相同t 直至熔