一、气辅注射成型原理及其工艺过程[1]

    气辅注射成型早是由“塑料发泡”派生出来的一门技术，它来源于“发泡”这一概念。它的基本过程如图1 所示，首先把一定量的塑料熔体（一般为模腔的7 0%~ 9 6%，根据产品的具体情况确定其百分比）注射到模腔中，然后将定值压力或定量体积的惰性气体（一般为氮气，因其易于取得并且价格低廉）通过附加的气道注入模腔里，借助于气体压力的作用来推动塑料熔体运动、从而使熔体充满模具的整个型腔。由于靠近模腔表面的塑料熔体温度低、黏度大、表面张力提高、抵抗流动的阻力增加，而处于中心部位的塑料熔体温度高、黏度低、抵抗流动的阻力小，因而气体易在中心部位形成空腔，使制品膨胀紧贴于模腔壁面，从而得到表面质量优良的产品。气辅注射成型与“塑料发泡”相比，更易于控制，而且外表面不会出现由发泡造成的缺陷，适用于所有热塑性塑料（增强或未增强）、部分热固性塑料以及一般的工程塑料，但对于一些极柔软的塑料结果还不能令人满意。

    气辅注射成型的周期一般可分为6 个阶段：

    1、塑料熔体填充阶段塑料熔体首先由浇口注入模具型腔，一般熔体填充至模具型腔体积的70%~ 96% 时，停止熔体注射，该过程被称为“缺料注射”。具体注射的塑料熔体量由经验或进行模拟充填来确定。

    注入量过大，不能体现气辅注射成型充气减重、改善制品质量和节省生产成本的作用，注入量过小，填充较晚的部分熔体在注气后易被吹穿，从而造成气辅注射成型的失败。这一阶段与传统注射成型基本相同，只是在传统注射成型时塑料熔体充满整个模具型腔而气辅注射成型时塑料熔体只填充部分模具型腔，其余部分须依靠气体来补充。

    2、延迟时间阶段这是指塑料熔体注射结束到气体注射开始的一段时间，这一段时间称延迟时间，其过程非常短暂。延迟时间对气辅注射成型制品的质量有重要影响，通过延迟时间的改变可以改变制品气道处的熔体厚度分数。

    3、气体注射阶段这是指从气体开始注射到整个模具型腔充满的一段时间，这一阶段相对整个成型周期来说虽然很短，但是对于塑料制品的成型质量却非常重要。控制不好会产生许多缺陷，如产生气穴、熔体前沿吹穿，注射不足和气体向较薄的部分渗透等缺陷。

    4、气体保压阶段气体压力保持不变或略有升高使气体在塑料熔体内部继续穿透（称二次穿透）以补偿塑料熔体冷却引起的材料收缩。

    5、气体释放阶段随着冷却周期的完成，气体入口压力降为大气压，排出气体，其中约7 0 % 的气体可以重复利用。

    6、顶出阶段当塑料制品冷却到具有一定刚度和强度后开模将其顶出，完成一个工艺循环过程。

    二、气辅注射成型的优点[2-4]

    气辅注射成型工艺与传统注射成型工艺相比较具有如下突出优点。

    1、可以保证壁厚差异较大的塑料制品的成型质量。传统注射成型制品的设计准则之一就是制品的壁厚需相对均匀，否则制品在出模后因各部分收缩的不均匀会导致制品产生严重的翘曲变形，而气辅注射成型则可以通过将制品的厚壁处“挖空”形成气道，从而保证壁厚差异较大制品的成型质量。由于气辅注射成型具有这种特性，所以气辅注射成型制品在设计上自由度较大，可简化制品的形状，将在传统注射成型中因为制品壁厚差异较大分成几个零件成型然后组合的制品，实现一体成型，从而简化工艺，降低生产成本。

    2、成型所需注射压力相对比较低。气辅注射成型技术是采用“缺料”注射填充型腔，并且由于气体能有效传递压力，所以需要的注射压力较低， 仅为传统注射成型注射压力的1 0%~ 7 5%，相应的锁模力也仅为传统注射成型的1 0%~7 5%，从而大大降低设备的费用和节省能源。

    3、可以消除制品在冷却时因收缩而造成的表面缩痕，提高塑料制品的表面质量。在传统注射成型中，由于在保压阶段熔体收缩得不到补偿，从而造成制品表面缩痕。而在气辅注射成型中，由于气体压力的作用，收缩的部分可以由熔体芯部的部分来补偿，从而使得塑料熔体紧贴模具壁，保证了制品的表面质量。

4、气辅注射成型可以减小塑料制品成型的内应力，从而减小塑料制品的翘曲变形。采用传统注射成型需要很高的注射压力，才能使塑料熔体填满整个模具型腔，并且因为从浇口处至填充末端的压力梯度很大而产生内应力，而气辅注射成型能大大降低注射压力，从而减小制品的内应力。

    5、气辅注射成型可以通过增设附加的加强筋来提高塑料制品的强度和刚度。采用气辅注射成型技术可以在制品上设置中空的加强筋，即通过设计气道增加制品截面的惯性矩，可做到不增加制件重量，而又能提高制品的刚度和强度。

    三、气辅注射成型的影响因素[5]

    气辅注射成型虽然具有很多优点，但由于在成型过程中增加了注入气体这一过程，也使得更多因素影响气辅成型的结果，如产品的形状、气道的布置及其截面形状、熔体的预注射量、熔体注射温度、气体注射的延迟时间、熔体及气体的注射压力、保压时间、冷却时间等。

    下面逐一讨论各工艺参数对气辅注射成型的影响，主要以气体穿透深度为衡量指标。

    1、熔体注射温度的影响

    实验研究表明塑料熔体温度是影响气辅注射成型的一个重要参数。国外有学者做过这方面的试验，得出的结论不尽相同。有的结论是气体在熔体里的穿透长度随着熔体温度的增加而增加，而有的却相反。这是因为二次穿透对实验结果的影响而造成的。所谓二次穿透就是当模具型腔被熔体填满以后，在保压阶段，由于熔体的冷却收缩，气体在熔体里的穿透长度。

    本文不考虑气体在熔体中的二次穿透，仅仅考虑气体填充阶段的气体穿透长度与熔体温度的关系。用PP 作注塑材料，通过CAE 分析，气体穿透深度随着熔体温度的增加而减小，当温度值增加到一定的范围内，气体穿透深度随温度变化趋于缓和。从流变学角度分析，这是因为随着温度升高，熔体黏度会变小, 从而熔体流动阻力变小，气体就容易推动更多的熔体，使气道的横截面积增大，由于熔体的体积不变，从而造成气体穿透深度减小。熔体厚度分数为熔体的厚度与模具型腔半径之比，如图2 所示，大小为a /b 。温度升高时，熔体被气体推走得更多，因而熔体厚度分数随着熔体温度的升高而减小,即气体穿透的截面变大，而熔体的体积可以近似看作不变，故气体穿透的长度变短。气体穿透深度随熔体温度升高而减小。温度升高，一方面有利于熔体的流动，这对成型有利，但另一方面温度太高，气体进入薄壁的机会增加，因而很容易发生熔体吹穿和薄壁穿透现象，并且温度升高会增加冷却时间，从而使生产周期增长， 不利于生产率的提高。

    塑胶熔体是一种黏弹性熔体，其黏度是随着温度的变化而变化，而黏度是表征流体流动的重要参数。温度对气辅注射成型的影响实际上是通过影响熔体黏度而发生的，实验研究还表明温度对气辅注射成型过程的影响规律还与其他工艺参数的选择有很大关系。

    2、气体注射压力的影响[3]

    气体注射压力是气辅注射成型特有的参数，很多情况下制品的缺陷是由于气体注射压力的不适当造成的。气体注射压力对气辅注射成型的影响和熔体温度对气辅注射成型的影响相似，气体穿透深度也是随着气体注射压力提高而减小。这是因为气体压力增高，会产生更大的压力梯度，从而使得熔体推进的速度提高，这样气体就会向前推动更多的塑料熔体，造成更薄的熔体厚度，也就是塑料熔体被更多地推向型腔未填充的地方，但由于模具型腔里熔体体积近似不变，故气体的穿透深度自然就减小。

    气体压力增加一般来说是不利于成型的，因为这不仅会造成气体穿透长度的减小，而且会使气体渗透到薄壁的地方，从而造成气辅成型的失败。但若气体压力过小，气体可能推不动熔体，从而造成模具型腔充不满；因此，适当的气体压力是取得良好制品一个重要参数。目前，主要是根据经验，用计算机模拟得出合理的气体注射压力。

3、气体注射延迟时间的影响

    气体注射延迟时间是指熔体注射结束到气体注射开始之间的一段时间，气体注射延迟时间若过短，气体就有可能吹破熔体前沿和形成指进现象，若过长，有可能造成制件的表面缩痕以及熔体注不满模具型腔等问题，所以延迟时间的合理取值是气辅注射成型制品良好质量的重要保证。数值模拟研究表明, 在一定范围内随着延迟时间的增加，气体相对穿透深度增大。

    这是因为延迟时间增加以后，熔体的冻结层变厚，气体的穿透半径减小，而熔体的预注射量是一定的，所以气体相对穿透深度增大。延迟时间增加虽然会使气体穿透长度增加，但是如延迟时间过长，塑料熔体在模具型腔中温降严重，凝结层加厚，气体的穿透阻力加大，反而造成穿透不足，出现短射现象。

    4、熔体预注射量的影响

    熔体预注射量是指熔体预先注入的体积占模具型腔的体积百分比。预注射量过大，不能发挥气辅注射成型注气的诸多优势，过小会使气体吹破熔体的前沿以及熔体填不满型腔等问题，从而造成气辅成型的失败，数值模拟表明气体的穿透深度随着预注射量增加而减小。当预注射量增加以后，气体在模具型腔中所占的体积将减小，因此气体的穿透半径和穿透深度都会变小。

    5、制品中气道的影响

    气辅注射成型不同于传统注射成型就是在设计制品时要考虑气道的设计，气道是注塑时气体将要走过的通道。气道设计是气辅注射成型技术中关键的设计因素之一，它不仅影响制品的刚性同时也影响其加工行为，由于它预先规定了气体的流动状态，所以也会影响到初始注射阶段熔体的流动，合理的气道选择对成型较高质量的制品至关重要。由于气体总是沿着阻力小即压力梯度大的方向前进，因此容易在较厚的部位进行穿透，在制品和模具设计时常把加强筋和肋板等较厚的部位作为气道，对气道的设计也就是对这类加强筋和肋板的设计，根据对气辅注射成型在不同形状、不同尺寸截面的气道时进行数值模拟结果，总结出以下气道的设计基本原则。

   1) 气道的截面好接近圆形。由于黏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倾向于圆形，所以气道的形状接近圆形可使成型后气道部分的壁厚比较均匀。

    2) 气道转弯处和变向处要有足够大的径向尺寸，以免引起内外转角壁厚的差异。

    3) 气道应该是连续的，以保证气体穿透的畅通性，应当避免形成回路，因为气道形成回路会使气体的穿透形成分支，后在支路前端熔体交汇处形成熔合纹。如图3 （e ）所示，由于该产品气道（ 即较厚的部分）是连续的，故成型后，在B 处形成熔合纹。

    4) 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，这是因为气体是非黏性的，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。

    5) 气道应布置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。

    6) 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，冷却收缩后形成表面凹陷，甚至若气道加强筋与基板厚度相差太大，会造成熔体先充填筋部，后充满薄壁部分，形成气穴，从而降低了制品的局部强度。如图3 （d ）所示，由于该产品气道部分和基板厚度相差太大, 导致产品形成气穴。

    四、结束语

    气辅注射成型技术虽然是一项具有很强优势的新技术新工艺，但是由于在注塑过程中增加了注气这一过程，使得其工艺过程更加复杂，熔体温度、气体压力、延迟时间、气道的设计及布置等各种参数都对气辅成型结果产生影响。

    在实际生产中气辅成型模具的结构与成型工艺更难把握，并且传统注射成型的设计和制造经验难以完全适用，因此需要对气辅成型各种影响因素进行研究，相信通过研究的不断深入，这种技术必然会在更多领域得到更广泛的应用。