关于模具排气的几个基础性知识


作者:Injection Mold Consulting公司  Jim Fattori 日期:2019/06/18 来源:PT塑料网

有很多文章或是书籍的部分章节会介绍有关排气的内容,但它们很少会详细分析模具内实际情况的复杂性,以及由此对成型部件和模具本身所造成的影响。如果没有这些基础性的理解,那么对于在哪里设置排气口、排气口的数量及其宽度和深度,可能都需要凭经验进行猜测,甚至需要经过反复尝试。而本文将从几个基础性的知识点出发,为实现理想的排气打下基础。

首先,我们需要理解关于排气的两个概念:

1.在塑料熔体进入之前,模具不是空的,而是充满了空气。为了生产出好的部件,必须将空气排出;

2.注塑模具中的排气口排出的是空气,并非熔体。怎么判断排出了空气呢?假设你打开浇水管上的龙头,在开始的几秒钟会听到喷嘴发出嘶嘶声,这就说明有空气排出,而对于模具的排气口也同样如此。

一副模具需要排出多少空气主要受材料流量(flow rate)、部件体积、材料类型和品级、剪切诱导因子以及加工条件几个因素的影响。

流量

在注塑成型过程中,塑料熔体会以特定的流量(通常为in3/s,1in=2.54cm)注入模具。这个数值的计算很简单,只需要用机筒面积乘以注射速度即可。表中列出了在几种注射速度下,采用不同直径的机筒所获得的流量。显然,大直径的机筒和快速注射组合在一起可以实现大流量。而流量是决定你需要排出多少气体的最重要的一个因素。

表 不同尺寸的机筒在不同注射速度下所产生的流量
表中列出了在几种注射速度下,采用不同直径的机筒所获得的流量。显然,大直径的机筒和快速注射组合在一起可以实现大流量

多少个排气口?

很多人都觉得排气口一直不够。有的行业专家为排气口的设置提供了一些建议,比如它们之间要相距1in,或者排气口的数量可以任意但至少要确保部件周长的30%要得到排气。这些经验法则在大部分的时间里可能都很有效,但并不能确保适用于所有情况。

笔者对这个问题的复杂性提出了一些看法。假设你的螺杆直径为3in,并以4in/s的速度进行注射。从表中的数据可以看出,材料是以28in3/s的速度注入模具中。这个速度相当快。如果笔者是模具设计师,可能会建议采用宽5in、深0.002in的排气口。这意味着排气通道共计0.01in2。基于这些数据,通过排气口的空气速度理论上应该是:

28in3/s/0.01in2 = 2800in/s(160mph)

你是不是认为这个速度已经很快了?但实际上还要考虑到一点,一旦物料流过排气口,它就失去了作用。因此,在这个例子中,当充模结束时,空气通过最后一个排气口的速度理论上是1605mph,或略高于2mach(2mach=0.3403km/s)。这与刚才计算的数值有很大的差距。

对于模具排气的一个普遍共识是,空气逸出模具的速度应该等于熔体进入模具的速度。假设以非常慢的填充速度成型一个相对较短且厚壁的部件,那么为了防止空隙的出现,在充模结束时有一两个排气口可能就足够了。相反,如果是以非常快的充模速度成型一个长流径的薄壁部件,那么就需要大量的排气。但事实上你可能无法充分地排气,并且需要降低注射速度以确保空气及时排出。因为如果空气不能以足够快的速度逸出,它会在型腔内造成背压,这是部件出现质量问题的开端。

质量问题

有哪些质量问题与排气不足有关呢?常见的一些包括:煳斑、欠注射、保压不足、表面清晰度差、内部空隙、熔合线弱、尺寸变化和放射斑、光泽问题、材料降解、翘曲、积垢、排气口残留物积聚、死斑以及顶出时的部件粘连或磨损。如此多的潜在问题,可见加强对于正确排气的理解是非常重要的。

燃烧或“自燃”

有些人认为,小部件所需的排气少,大部件所需的排气多。这种观点并不完全正确,排气的多少取决于注射时的熔体流量。换言之,在一个合理的排气过程中,空气排出的速率要与熔体进入型腔的速率相同。即便生产的小部件空气较少,也并非意味着无论采用多慢的排气速度都可以。

如果空气不能以足够快的速度排出,它就会被压缩,这是一柄双刃剑,但大多数情况下带来的都是负面影响。如果加工中所用的是一个带有大量空气的大型腔,那情况尤为糟糕,因为会有更多的空气被压缩。当空气被压缩时,会发生一个术语叫做“绝热加热”的过程,导致空气变得更热,这是因为分子之间的距离更近且碰撞也更多。而空气变热时,它会有膨胀的趋势,这进一步增加了型腔中的压缩量和压力。

当空气被压缩时,会发生一个术语叫做“绝热加热”的过程,导致空气变得更热,严重时可能造成部件焦烧
型腔内的空气被过度压缩会导致树脂自燃

如果注塑模具内的空气压缩太多就会过热,导致树脂在型腔内自燃,使成品部件边缘出现燃烧痕迹或造成型腔壁侵蚀。几乎所有的加工商都明白,好的部件和焦烧的部件之间只有一线之差。如果你能看到或闻到焦烧的材料(实际上是碳沉积物),请尽快找出问题并改正。因为这可能很快就会导致型腔腐蚀,并引起部件美观性和顶出方面的问题。值得一提的是,型腔内的空气被压缩所带来的唯一好处是空气变得更密集,使得最终逸出的空气更多。

大多数热塑性塑料在变热时,都会释放出气体,这是一种被称为“非水性挥发物(non-aqueous volatiles,NAVs)”的渗气。这些气体的绝大部分不会粘附在型腔壁上或被塑料所吸收,而是不断被推到熔锋前面。它们在开放的型腔中与O2混合,就如同汽车发动机中的气缸一样,成为了可燃的燃料。热塑性塑料中的某一些会释放更多的NAVs。例如,PS产生的挥发物就很少,而PC、乙缩醛和PVC产生的挥发物很多。另外,各种填料、添加剂和着色剂也会影响NAVs的量。了解哪些材料释放出的气体浓度高有助于确定需要多少个排气口,从而降低部件燃烧和模具腐蚀的风险。

加工

如果加工商遇到排气不足导致的燃烧问题,他们通常会降低注射速度,以确保有更多时间让空气逸出。此方法一般都会奏效,但这是遇到该类问题时首先要做的事吗?降低注射速度会延长周期时间,减少利润,还会导致材料黏度提高,由此而引发诸如欠注射等的其他问题。那么,究竟该如何处理呢?

首先,最好确定一下材料为何会排出这么多的气体:也许材料熔体流动指数太低,因此过于粘稠;也许背压或螺杆转速太高;也许机筒温度太高;也许进料喉太冷;也许机筒尺寸太大;也许喷嘴尖梢或浇口尺寸太小。总之,任何可能导致材料剪切或温度升高的因素都会增加排气量。

检查排气口

在核查了可能导致气体排放过多的各种因素后,还需要检查排气口和排气辅助,因为它们很可能会被残留物堵塞。如果发生这种情况,使用模具清洁剂和铜纱布就可以进行快速、安全的清洁。然后,还要检查排气口是否因为过了磨合期或由于合模力过大而被压碎。降低合模力通常可以解决燃烧问题,并且能保护模具和压板不被切压。一些较新的机器具有独特的合模顺序选项,可以调节初始关闭位置或合模压力,然后在指定的时间点完全关闭或进入高压。这被称为“注射压缩(injection-compression)”或“铸压(coining)”,可以帮助解决排气以及熔合线弱的问题。

 挥发物和着色剂会堵塞排气口,如果发生这种情况,使用模具清洁剂和铜纱布就可以进行快速、安全的清洁
 挥发物和着色剂会堵塞排气口

比较常用的一种检查排气口的方法是利用模具室中的千分表。这个方法很好,但是没有将模具处于压机中并在高压下夹紧时发生的所有其他事情考虑在内。有些人喜欢用压扁的焊料或铅来测量排气口的深度。但实际上,检查排气口最准确的方法之一是将压机中的模具涂成蓝色,然后分几步进行试验。首先从非常低的合模力开始,然后以10%的增幅提高合模力,直至达到当前使用的压力。这一过程将向你传达3个关键的信息,包括:需要多大的合模力才能使模具两个半模的外周都得到理想的密封;防止溢料的最小合模力是多少:当合模处于选定的压力水平时,排气口的状况如何。

检查排气口最准确的方法之一是将压机中的模具涂成蓝色,然后从低合模力开始逐渐提高合模力再进行判断 
将模具涂成蓝色是一种检查排气口状况的好方法

不少成型商常常会在部件燃烧的分模线上放置一条胶带或标签来检查是否排气存在问题。如果模具拥有经过热处理的型腔和型芯,并且合模力也降低了,那么确实可以通过几次注射来证明根本原因,但长时间地在分模线上放置东西并不可取,特别是在型腔或者型芯相对柔软的情况下。

流动分析

我们大多数人都知道,流动分析用于预测型腔内物料的流动模式是非常准确的。它向我们展示了分模线的位置、死区和最后填充的位置。但你可能不知道的是,有的流动分析程序还可以模拟夹气或是没有通过排气口快速溢出的气体的温度和压力。通过改变工艺参数,或在实体模型中添加更多的放气孔,附加的模拟还可以预测问题是否会消失。对于那些喜欢在模具制造完成后进行流量分析的人,可以进行一系列的渐进式欠注射,以确定最后充模的位置以及熔合线或死角。