氣體輔助注射成型中溢料井對翹曲的影響

周大路

（華東交通大學工程訓練中心，江西南昌330013）

加工與應用

氣體輔助注射成型中溢料井對翹曲的影響

周大路

（華東交通大學工程訓練中心，江西南昌330013）

采用數值模擬和正交實驗方法對聚丙烯（PP）氣體輔助注射成型（GAIM）制品的翹曲缺陷進行分析，分別研究了氣體注射延遲時間、氣體注射壓力等工藝參數以及設計輔助溢料井結構影響因素之間的交互作用對GAIM制品翹曲變形缺陷的影響。結果表明，氣體注射壓力與溢料井結構的相互關系是影響翹曲程度的關鍵；選擇合適的注射壓力和設計輔助溢料井結構可以顯著降低制品翹曲變形的程度。

氣體輔助注射成型；溢料井；翹曲；工藝參數；正交試驗

0 前言

GAIM的工藝是先將熔融塑料注入模具，然后向熔體內部或模具與塑件之間注入高壓氣體。氣體被注入原料內部，形成中空部分，熔體被氣流推向型腔盡頭，形成中空塑件。GAIM具有低成本、翹曲變形小、可加工厚薄一體件、結構剛度高、設計自由度高等諸多優點［1］。周文偉等［2］基于GAIM過程的數值模擬，利用Taguchi試驗方法設計了L18（37）試驗矩陣，采用標準方差分析方法，分析了GAIM工藝參數對制品翹曲缺陷的影響。

關于GAIM的研究多是關于設備、原理、計算機輔助工程（CAE）設計等方面的內容，即使有針對GAIM相關工藝的介紹，主要也是從模具溫度、熔體溫度、注射時間、保壓壓力、注塑壓力和注氣時間、延遲時間等注塑參數方面進行研究，鮮有關于GAIM中溢料井結構設計對制品翹曲程度影響的報道。

本文基于數值模擬和正交試驗法對GAIM中氣體注射延遲時間與氣體注射壓力等工藝參數及增加輔助溢料井結構的交互作用對PP制品翹曲缺陷的影響進行了探討，溢料井結構可大大改善PP制品翹曲變形，提高產品品質［3-5］。

1 工藝參數優化

實驗材料選擇PP（Hostacom G3 N01），實驗制品為一個T形棒，如圖1所示。外形尺寸為300 mm× 30 mm×20 mm，模型中間作為氣道。Moldflow軟件在前處理模型時把氣體入口做了簡化。如圖2所示。

圖1 T形棒Fig．1 T shape stick

圖2 澆口、進氣口的設置方案Fig．2 Runner，air inlet establishment plan

GAIM過程中，在氣體射流沖擊區和氣體均勻穿透區較容易形成“氣指”缺陷。而“氣指”是導致產品翹曲的直接原因。影響“氣指”缺陷有4個可控的工藝參數：氣體注射延遲時間、氣體注射壓力、熔體溫度以及熔體預注射量。本文只對氣體注射延遲時間、氣體注射壓力兩方面工藝參數進行探討分析。

1.1 延遲時間

首先，設定延遲時間以1 s為單位順序展開，根據模擬結果得到變形量和延遲時間的關系曲線如圖3所示。可以看出，PP制品的翹曲變形量呈上下震蕩關系，當延遲時間超過4 s時，產品翹曲變形量增大。分析可能是由于隨著延遲時間的延遲，靠近模腔內壁表面的PP熔體更能冷卻固化，固體層厚度增加，從而橫向充填阻力變大，氣體遵循阻力最小原則沿氣道中央縱向延伸，使氣道的長度加深，直徑變細，氣泡穿過制品氣道之外的薄壁區域形成“氣指”缺陷的程度減小。當延遲時間少于4 s時，PP制品的熔狀態使制品外形還不確定。當延遲時間等于4 s時，PP制品的翹曲變形最小，與最大翹曲變形量相比降低了3．14％。

圖3 延遲時間對制品翹曲變形量的影響Fig．3 Influences of delay time on warpage deformation

1.2 氣體注射壓力

由圖4可知，當氣體注射壓力大于90 MPa時，PP制品的翹曲變形量會陡然增大；當氣體注射壓力小于90 MPa時，翹曲量依然會增大。當氣體注射壓力等于90 MPa時制品的翹曲變形量最小，較最大翹曲變形量降低了5．39％［6］。

圖4 氣體注射壓力對制品翹曲變形量的影響Fig．4 Influences of pressure on warpage deformation

分析可知，在氣體注入初期，由于熔體黏度較低，氣體所受到的阻力較小，很容易使氣體射流沖擊區及氣體射流緩沖區擴大，在氣體注入口附近形成“氣指”缺陷。在氣體保壓階段，氣體壓力過大會使氣體繼續穿透熔體，形成氣體二次穿透區，同時“氣指”的程度也會繼續擴大。因此，90 MPa是介于氣體注入初期和保壓階段初期的一段壓力值。

利用以上參數設定的正交設計實驗方法，可以很快地得到優化工藝參數，用于實踐操作。翹曲變形量最低的工藝參數為：延遲時間為4 s、氣體注射壓力為90 MPa，其優化后制品的翹曲變形量Moldflow模擬結果如圖5所示。如果需要得到翹曲變形量極低的制件時，僅通過優化GAIM過程中的工藝參數顯然無法達到要求。

圖5 GAIM中延遲時間和氣體注射壓力優化后的制品翹曲變形量Fig．5 Warpage deformation variation in GAIM after delay time and barometric pressure optimization

2 溢料井結構設計

圖6所示為設有溢料井結構的T形棒制品照片。可以看出，在最后填充處設置溢料井，可促進氣體穿透，增加氣道掏空率，消除熔接痕，穩定塑件品質。而在型腔和溢料井之間加設閥澆口，可確保最后填充發生在溢料井內［2］。利用該特征，必需在工藝參數設置模板上設置其參數，在有限元網格分析中相關的閥澆口的開關時間也必需指定。所以，在設置溢料井結構之前，要進行必要的工藝參數設定。

圖6 帶溢料井的T形棒制品Fig．6 T shape stick with belt flash well

如圖7所示為增加溢料井結構設計的制品翹曲變形量Moldflow模擬結果圖。溢料井可連接在氣道的末端，以便獲得理想的氣體穿透效果。在材料注射階段，材料填充型腔的其他區域，而到溢料井的通道是關閉的，在材料注射結束后，可設定一個延遲時間，讓材料松弛、薄壁區域材料固化。在注氣之前必須立即打開溢料井，創建多余的一部分體積，與被注入的氣體代替的材料相當。當制件被頂出型腔后，溢料井如不需要可修剪掉。設計溢料井結構的優點可減少材料和氣體充填時動力學方面的復雜性問題，同時，還提供了另一個控制氣體穿透的方法。但該設計也存在兩方面缺點：一是需要進行二次修剪工作；二是要增加額外的用料來填充溢料井［7］。

圖7 不同延遲時間條件下帶溢料井結構的制品翹曲變形量變化Fig．7 Warpage deformation variation with belt flash well at different delay time

將T形棒制件的溢料井布置在氣道的末端，選擇氣體壓力控制，延遲時間為1～10 s、氣體注射時間為10 s、氣體注射壓力為90 MPa。再次進行正交試驗分析，結果如圖8所示。可以看出，當延遲時間為2 s，制品的翹曲變形量為0．1168 mm，達到最小值；當延遲時間為9 s時，制品的翹曲變形量達到最大值0．9903 mm，比最低值高出了88．2％。

圖8 溢料井結構對制品翹曲變形量的影響Fig．8 Influence of flash well on warpage deformation

3 結論

（1）普通T形棒制品在氣體輔助注射成型過程中氣體注射壓力與延遲時間之間的交互作用對翹曲變形量有影響，但效果不明顯；

（2）溢料井結構設計能顯著降低制品翹曲變形量，且正交實驗結果與模擬結果基本吻合。

［1］陳艷霞，陳如香，吳盛金．Moldflow2012完全自學與速查手冊［M］．北京：電子工業出版社，2010：367．

［2］周偉文，黃漢雄．工藝參數對氣輔注射制品翹曲的影響［J］．模具工業，2009，35（12）：38-41．Zhou Weiwen，Huang Hanxiong．Effects of Process Parameters on the Warpage of Gas Assisted Injection Molded Part［J］．Die＆Mould Industry，2009，35（12）：38-41．

［3］周大路．氣輔成型中成型工藝對制品翹曲的影響［J］．塑料工業，2014，（10）：65-67．Zhou Dalu．Effect of Molding Process on the Warpage of Product in the Gas Assistance Formation［J］．China Plastics Industry，2014，（10）：65-67．

［4］陳 旭，申長雨．氣體輔助注射成型沖模流動CAE技術［J］．工程塑料應用，1999，27（2）：8-11．Chen Xü，Shen Changyu．The Gas Assistance Injection Formation Dies Flows the CAE Technology［J］．Engineering Plastics Application，1999，27（2）：8-11．

［5］Chien R D，Chen S C，Lin M C，et al．Effect of Channel Design on the Molding Window of Gas-assisted Injectionmolded Polystyrene Parts［J］．Journal of Applied Polymer Science，2003，90：2979-2986．

［6］Shen C Y，Ming Z．An Improved Algorithm for the Simulation of Injection-molding Filling Process［J］．Journal of Reinforced Plastic and Composites，2005，24（7）：691-698．

［7］郭建民，申開智．氣體輔助注射成型制品常見缺陷及其改進措施［J］．現代塑料加工應用，2001，13（5）：22-24．Guo Jianmin，Shen Kaizhi．Gas Assistance Injection Formation Product Common Flaw and Improvement Measure［J］．Modern Plastics Pocessing and Application，2001，13（5）：22-24．

Influence of Flash Well on Warp in Gas-assisted Injection Molding Process

ZHOU Dalu
（Engineering Training Center，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

The warp defects of a gas-assisted injection-molded polypropylene（PP）part were analyzed by numerical simulation and orthogonal experimental method．The effects of gas-delay time，gas pressure and the structure of flash well on the warp defects were investigated．The results indicated that the relationship between the gas-injection pressure and the structure of flash well played a key role in determining the degree of warps for the PP part．A rational structure of flash well along with a certain gas-injection pressure could reduce the degree of warps significantly．

gas-assisted injection molding；flash well；warp；process parameter；orthogonal experiment

TQ320．66

B

1001-9278（2017）01-0066-04

10．19491/j．issn．1001-9278．2017．01．012

2016-06-29

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