為了克服傳統(tǒng)注塑成型時厚壁產(chǎn)品收縮變形、表面質量差等缺點,在20 世紀70 年代提出了氣輔注塑成型(Gas2Assisted Injection Molding 簡稱GAIM) 的技術思想,工藝參數(shù)與氣肋設計對氣輔注塑成型的影響該技術在80 年代迅速發(fā)展成為一項新型成型技術。氣輔注塑成型包含塑料熔體注射和氣體注射兩部分。而氣體注射又可分成兩個階段。**階段是將壓縮氣體注射到塑料熔體中,伴隨著氣體的穿透,塑料熔體被吹脹。當塑料熔體開始收縮時,再注入氣體依靠氣體注射壓力來保壓成型,這稱之為**階段。根據(jù)成型的不同工藝過程,氣輔注塑成型可分為標準成型法、副腔成型法、熔體回流法和活動型芯法四種[2 ] 。博思德氣輔工藝參數(shù)與氣肋設計對氣輔注塑成型的影響氣體注入可通過“氣體體積控制"或者“氣體注射壓力控制"兩種方式。氣體體積控制就是將混合氣體按一定比率注射;氣體注射壓力控制就是按一定的壓力規(guī)則(如等壓、分級、等變率等方式) 注射氣體。氣體注入點可以選擇在注射噴嘴處,但不能排氣;也可以設置在分型面、型腔、分流道等任何部位,而且在開模之前也是經(jīng)由該點的氣針來泄壓。
氣輔注塑成型可以增大強度P重量比、縮短成型周期、降低注射壓力和鎖模力、減小應力翹曲、增強制件設計的柔性等[3 ] 。但是,GAIM技術要求很高,雖然這項技術商業(yè)化應用已經(jīng)有了十多年,但由于加工過程中氣固兩相流變性非常復雜,到目前為止對GAIM 加工特性的研究尚未成熟。
GAIM技術可成型刷柄、扶手、方向盤等棒形或管形件,汽車儀表盤等大的板形件,厚薄不均的各種家電外殼和塑料家具等。
2 工藝參數(shù)等對氣輔注塑成型的影響
GAIM 要比傳統(tǒng)注塑成型(Conventional InjectionMolding 簡稱CIM) 復雜多了,因為它增加了氣體注射和氣道設計的有關參數(shù)。氣輔注塑成型工藝參數(shù)包括:欠料注射量( shot size) 、延遲時間(delay time) 、氣體注射壓力和熔體溫度。欠料注射量就是每個工作循環(huán)里的熔體注射量,用制件體積的百分比表示(除掉澆注系統(tǒng)部分) 。當欠料注射量較高時,制件實心段冷卻縮痕嚴重。當欠料注射量偏低時,制件容易發(fā)生充填不足,甚至熔體吹破。延遲時間是指從熔體開始注射到氣體開始注射的間隔時間。它是諸多氣輔工藝參數(shù)中*為敏感、*為關鍵的因素。延遲時間的設置要與熔體注射結束緊密配合。如果延遲時間過長,表面容易出現(xiàn)遲滯紋;如果延遲時間過短,容易引起熔體吹破。氣體注射壓力和熔體溫度都是指入口處的壓力和溫度。氣體注射壓力對制件壁厚有較大影響,而且可調(diào)范圍較寬,但是對氣體穿透長度的影響卻很小。氣輔工藝對聚合物的流動性能要求更高。不同塑料的流動性不同。在注塑成型過程中,熔體溫度是調(diào)節(jié)聚合物流動性的關鍵參數(shù)。升高熔體溫度可降低粘度,增強流動性,但溫度過高,使粘度過低導致熔體吹破的危險性也就越大,而且冷卻費時導致加工周期也變長。溫度作為一個難于控制和保持的工藝參數(shù),易受干擾,容易引起溫度波動。這使熔體溫度對成型過程的影響更趨復雜性。因此更適合選用高熔融流動指數(shù)的塑料進**輔注塑成型。氣道截面的形狀和尺寸在GAIM加工中是至關重要的。以圖1 中五個不同截面設計的氣肋為例,研究氣肋截面對成型的影響。為了使研究結果具有可比性,雖然氣肋幾何尺寸不同,但氣肋上半部分結構設計具有相同的橫截面積(30mm2 ) ,制件長度也一樣,長寬比相等。
圖1 不同截面設計的制件(長相等)
2. 1 工藝參數(shù)等對氣泡穿透長度的影響
博思德氣輔工藝參數(shù)與氣肋設計對氣輔注塑成型的影響，欠料注射量是GAIM 加工中影響*顯著的因素。在GAIM加工中希望氣體能夠縱深穿透到制件的邊端區(qū)域。為了避免在重要部分出現(xiàn)凹痕,穿透長度應該大于制件長度的70 %。按照影響氣泡穿透長度的能力排列,分別是欠料注射量、延遲時間、氣體注射壓力和熔體溫度。
不管氣肋截面設計如何,注射量增加都會使氣泡長度變短,因為模腔內(nèi)可供相同體積的氣體穿透的空間相應減少了。盡管這五種結構有著相同的變化趨勢,但實際上各自的氣體穿透程度還是不一樣的。當氣肋橫截面上可穿透區(qū)域增大時,在相同氣體體積下氣泡的穿透長度將近似線性的變短。A 在氣道橫向上的擴張區(qū)域*窄,這使它在縱向上的穿透程度*大,因而可獲得*長的氣泡長度。而B 在橫向上的穿透自由度*大,能形成*大的氣道截面,但得到的氣泡長度卻*短。因此,氣肋截面設計對氣泡長度有著重要的影響。為了爭取*大的氣體穿透,欠料注射量應該減少,而且制件在橫向上應縮小尺寸。
理論上延遲時間增長,靠近模腔內(nèi)壁表面的塑料熔體就更能冷卻固化,固體層厚度增加,從而橫向阻力變大,氣體遵循阻力*小原則沿氣道中央縱深穿透,獲得更長的氣道。但實際當中,氣道隨延遲時間的增長而增長的量是很微小的。
博思德氣輔工藝參數(shù)與氣肋設計對氣輔注塑成型的影響，氣體注射壓力越大,氣體穿透能力越強。由于A和E 的橫向穿透面積小、阻力大,所以當氣體注射壓力升高時,氣體的穿透能力在橫向上增強不大,但在縱向上增強許多。而B、C、D 橫向穿透空間大,當氣體注射壓力升高時,氣道變寬,氣泡長度相應變短。如果想通過升高氣體注射壓力來增加氣泡長度,就應該在制件交叉部位處盡量減少橫向上的穿透空間(如A) 。否則,就應該選擇較低的氣體注射壓力。熔體溫度對氣泡長度的影響不但與氣肋的設計有關,還與制件材料的流動性有關。然而,塑料的熔體溫度對氣體穿透長度影響甚微,而且這種影響是不穩(wěn)定的。如果希望氣泡長度與熔體溫度互不影響,那么制件在設計時要盡量避免厚壁氣道。
2.2 工藝參數(shù)等對彎曲強度的影響
博思德氣輔工藝參數(shù)與氣肋設計對氣輔注塑成型的影響A只能成型*小的氣道截面,其制件卻能承受*大的載荷;而B能成型*大的氣道截面,其制件卻只能承受*小的載荷?？梢娫秸臍獾缹⒌玫皆酱蟮膹澢鷱姸?。
為了減小氣道截面,就應該降低氣體穿透能力。由上述可知增加欠料注射量、增加延遲時間、降低氣體注射壓力、設置較低的熔體溫度都能降低氣體的穿透能力,因此理論上都能提高制件彎曲強度,提高制件性能。
結構設計類似A和E這樣的制件,橫向穿透空間小阻力大,氣道截面擴張受限,容易成型狹窄的氣道截面。因此,當機械強度是一個重要的考慮因素的時候,或者在熔體溫度設置較底的情況下,或者當使用一個較低的氣體注射壓力的時候,制件應該設計成類似A和E的結構。
2.3 工藝參數(shù)等對翹曲度的影響
傳統(tǒng)注射成型工藝中引入氣體輔助的一個原因就是因為能夠減小翹曲度。但氣體輔助是否對各種設計的制件都能起到減小翹曲的作用呢?其實不然,在橫向上有著更大的氣體穿透空間的B、C和D不但能成型較大的氣道截面,而且具有減小翹曲度的作用。而A和E不僅成型的氣道截面狹窄,而且會隨著氣體注射增加而增大翹曲度。
有些制件,尤其是那些具有較大的可供氣體穿透的截面區(qū)域的制件,如果在注塑成型中沒有氣體輔助成型,就容易產(chǎn)生較大的翹曲度,但是如果在成型中采用氣輔成型,那么制件翹曲變形的趨勢就會得到減弱。相反,對那些截面狹小制件,當不注射氣體時能減小翹曲度,而注射氣體時卻會惡化翹曲傾向。因此,有厚壁部分的大制件宜采用氣輔注塑成型。
2.4 手指效應
手指效應一般發(fā)生在大平面制件中,它是指在氣體保壓階段中,制件薄板部分的體積收縮,產(chǎn)生的缺料依靠氣道與薄板之間的熔體來補縮,氣體因此而進入薄板區(qū)域,導致薄板壁厚減小,壁厚不均,降低了制件強度。薄板壁厚越大,體積收縮也就越大,氣道里的氣體就越容易闖入薄板部位,產(chǎn)生手指效應的危險性也就增加。手指效應如圖2 所示。
圖2 手指效應
為了確保氣體不在薄板區(qū)域擴展,薄板部分壁厚不宜超過4mm,而且氣道寬度W與薄板壁存t 應該滿足關系式W= 2t～3t。在材料方面宜選擇收縮率比較小的材料,例如收縮率很小的PS發(fā)生手指效應的可能性就非常小,而收縮率大的PP手指效應就很顯著。另外氣體保壓壓力不能過高(這個界限依不同的聚合物材料而定)。手指效應與氣泡穿透有著內(nèi)在的聯(lián)系。圖1 中五個制件并不都出現(xiàn)手指效應。這與制件材料及氣肋截面設計有關。實驗中只有制件A 和E才出現(xiàn)了手指效應,而且注射量越大手指效應越明顯。這是因為A和E的橫向截面穿透區(qū)域狹小,限制了氣道擴張,而且氣道寬度W < 3mm < 2t～3t = 6～9mm ,不滿足氣道截面設計的要求。另外氣道與薄板的過渡圓角越大,延遲時間越長,手指效應就越小。因為增加延遲時間,就增加了熔體冷卻的時間。于是氣體穿透到薄壁區(qū)域的阻力就越大,這不僅將減小手指效應,而且還能增加氣體穿透長度。
2.5 其他工藝條件對氣輔成型的影響
其他工藝條件包括冷卻時間和模溫等。冷卻時間太短,制件尚未完全固化,厚壁部分中心的熔體溫度還很高,滲透在熔體內(nèi)壁的氣體可能逃逸或者脹大,使制件局部膨脹,甚至脹裂。為了能在較低溫度下氣輔成型,采用流動性良好的塑料,可使冷卻時間大大縮短。模溫可影響氣體穿透能力。模溫越高,貼近模具內(nèi)壁的熔體溫度就越高,所以粘度小流動性好,氣體穿透阻力小,因此可成型寬大縱深的氣道。
3 總結
表1 給出了五個制件在氣泡長度、彎曲強度、翹曲度和手指效應等方面的比較。表中的勾表示該制件具有某方面的良好性能。制件A 具有長的氣泡長度和高的彎曲強度。雖然A的結構設計會使翹曲度隨氣體的注射而輕微的增大,但它整體的翹曲度仍然要比制件B、C和D 的低(盡管模具B、C和D的制品翹曲度隨著氣體注射而下降) 。
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