伯努利效應在薄壁塑件空氣頂出中的應用

劉 勇

（蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅蘭州 730050）

1 引言

薄壁塑件具有節約材料和成本低的優點，在一次性餐具等領域應用越來越廣泛。航空餐具薄壁杯為一次性用品，使用PP 材料，壁厚為0.5mm。薄壁杯外表面要求平整光滑、線條清晰、無劃傷、無熔接痕、變形、內表面不得有頂針痕、澆口要求盡量小，澆口位置表面平整，薄壁杯內外表面需達到鏡面光潔度。薄壁杯由于薄壁的原因，為了降低成本，縮短注射周期，要求模具注射周期控制在6s以內，對注射成型技術提出了極大的挑戰。因此，薄壁杯的注射成型除了對注塑機提出高的要求外，對注射模也提出了更高的要求。本文通過薄壁杯注射模介紹伯努利效應在壓縮空氣頂出中的應用。

2 模具技術要求

薄壁杯生產批量巨大，要求塑件具有低的成本。為了縮短制件成型周期，注射模需要使用熱流道系統。因沒有澆道系統冷卻時間的限制，塑件成型固化后便可及時頂出。同時在熱流道模具中因沒有流道凝料，所以無原料浪費，塑件經熱流道模具成型后即為成品，無需修剪澆口及回收加工流道凝料等工序，有利于生產自動化。

為了適應薄壁杯的生產批量，塑件型腔排位為多腔模具，本副模具采用1出16的型腔排位。在薄壁杯塑料模具成型過程中，塑料熔體溫度在流道系統里得到準確地控制。塑料可以更為均勻一致的狀態流入各模腔，從而生產出品質一致的塑件。另外，熱流道成型的塑件澆口質量好，脫模后殘余應力低，塑件變形小。因此采用熱流道注射能夠減少廢品，提高塑件質量。

因模具表面的光潔度高，需要采用瑞典一勝百模具鋼材S136，熱處理48～52HRC，使模具具有精密高效長壽命的特點，適應高速高壓注射生產。

薄壁杯模具為多腔模具，注射成型時需要承受高速高壓，為了有效防止模具偏心錯位，每個型腔都需要設計獨立的動定模自鎖結構。針對圓形塑件多腔精密模具，需要每個型腔的零件都具有互換性。

薄壁杯模具要求注射周期控制在6s以內，對動定模的冷卻系統提出了很高的要求。要求冷卻水路設計均勻，氣路與水路交錯排布，壓縮空氣在頂出的同時也具有冷卻作用。

薄壁杯模具要求壓縮空氣頂出，充分利用氣路設計，必須考慮克服伯努利效應對薄壁塑件下落的影響。

3 模具結構設計

圖1 所示為一次性航空杯模具，模具為1 出16 多腔模具，注射成型周期為6s，采用熱流道成型。型腔13 底部設計定模鑲件3，利于排氣和便于加工。在熱嘴襯套與定模鑲件3之間設計了冷卻水路和氣路。密封圈9 和密封圈11 密封冷卻水路以免與氣路泄露。定模側的空氣從定模鑲件3和熱流道板4 之間的氣路通入，然后在定模鑲件3 內分成兩路，一路沿著熱嘴襯套與定模鑲件3之間的縫隙進入型腔，密封圈25、密封圈26 和密封圈27 對定模鑲件3 和型腔13 進行密封；另外一路沿定模鑲件3 和型腔13之間的縫隙進入型腔，密封圈28對定模鑲件3 和熱流道板4 之間進行密封，防止壓縮空氣泄露到模外，確保型腔內氣壓。

圖1 航空杯氣動頂出模具

型芯部分分為兩部分，鈹銅鑲件12 位于型芯15 的頂端，這是最典型的設計方式。冷卻水路從型芯的中心進入后，沿著圓周呈輪輻狀8條運水回路冷卻型芯。密封圈21、密封圈22 和密封圈23 對冷卻回路進行密封。鈹銅鑲件12與型芯15之間的縫隙也設計了壓縮空氣內側回路，氣路同樣沿圓周方向呈輪輻狀設計8條，與冷卻水路錯開角度，避開冷卻運水。

分型面的吹氣由通氣桿31 承擔。分型面打開后壓縮空氣由通氣孔29 進入，高壓氣體將通氣桿31 吹起，空氣從其頂部吹氣口噴出，沿圓周方向呈輪輻狀8條氣流將塑件托舉，定模的氣流從航空杯底部和靠近底部側面吹出，杯內的氣流與外部氣流形成合力，將塑件實現脫模。

進氣座37 和進氣座41 固定在定模，閥桿38 固定在動模。壓縮空氣通過進氣座37和進氣座41連接軟管進入模具。閥桿38 沿開模方向移動，控制進氣口40啟閉。

4 伯努利效應

任何一個在開模時有真空現象產生的型腔和型芯都應設計引氣裝置。氣動頂出時利用壓縮空氣在模具上設置氣道和細小的頂出氣孔直接將塑件吹出產品上不留頂出痕跡適用于薄件或長筒形塑件。

壓縮空氣頂出適用于任何杯型塑件，當壓縮空氣進入型芯與塑件之間時，有足夠的壓力將塑件推出型芯。對于薄壁杯型件，塑件由于受力可能會從型芯吹出后飛向型腔內，影響注射成型周期。使用空氣頂出時，必須考慮伯努利效應。側壁在一定的角度范圍內，如果空氣進入型芯的位置設計不正確，將會發生這種效應。空氣沿著型芯與塑件之間流出，在塑件的開口端，在塑件內側將會形成低壓狀態，這將抵消壓縮空氣施加在塑件上的力。

這種效應帶來的后果是塑件頂出一段距離后停止，然后漂浮在空氣中，不從模芯上落下，吹氣口可防止伯努利效應的發生，氣壓和氣流引發的空氣流動可以有效解決這個問題，從定模型腔側和型芯側吹氣是常見的作法。另一種做法是除了定模型腔側和型芯側吹氣外，在分型面處增加吹氣，復合氣流可有效將塑件吹落脫模。

5 壓縮空氣頂出設計要點

壓縮空氣頂出的設計要點如下：①進入型腔和型芯的空氣壓力可以調節，通氣孔尺寸可調；②依據開模行程計算閥桿的移動距離，自動控制進氣口啟閉；③根據注射周期的要求，控制通氣時間，一般在1s以下；④型腔和型芯的吹氣時序要設計合理，同時能夠調節；⑤吹氣孔的位置設計要合理，便于形成托舉合力。

此外，壓縮空氣頂出的模具型腔需要提高加工精度，避免塑料溢入型腔之間的間隙，壓縮空氣必須經過凈化，無水分、油污和雜質進入空氣通道。生產高級食品包材和醫療用品的容器，壓縮空氣直接接觸塑件表面時，在接入前應對空氣進行消毒。

氣動脫模常用于大型、深腔、薄壁或軟質塑件的推出，這種模具必須在模具中設置氣路和氣閥等結構，開模后，壓縮空氣（通常為0.5～0.6MPa）通過氣路和氣閥進入型腔，將塑件脫離模具。

薄壁塑件對定模鑲件的黏附力以及對動模的包緊力都很大，由于真空吸附，這種塑件開模時很容易留在定模一側，或者留在哪一側不確定。為了保證塑件開模時留在動模，必須在定模側設置進氣閥結構，開模時打開定模進氣閥，將塑件推出定模。對于深腔類塑件無法利用推桿推出，設計引氣裝置克服真空，采用氣壓推出的辦法，效果明顯。

薄壁塑件對注射工藝要求非常高，要求高速高壓，必須要使用高速注塑機才可以注射。

6 結束語

薄殼成型通常使用高性能專用模具，此模具必須能承受高壓、高速注射，具有高剛度、高強度和極好的排氣性、冷卻性及良好的頂出性能。根據薄壁深腔塑料件的結構特點，通過設計合理的冷卻回路和壓縮空氣氣路，有效地克服伯努利效應的不利影響，利用伯努利效應的積極因素，使塑件推出過程平穩，模具能夠高速高效運行。通過模具投產以來的使用來看，各項指標完全達到了模具式樣書的規定。