Effect of Air on Injection Molding Process and Principle
of Choosing Parameters of Mold Venting Solt

LIU Xiao-ping
（Department of Industrial Equipment and Control Engineering, South China University of
Technology, Guangzhou 510641, China）

Abstract： Injection molding defects, such as underfeeding, burning, gas mark and silver streak etc., can be found mainly because of bad mold venting. This paper studied the air state changing in a mold cavity during mold filling, analysed results of calculation, explainded the reasons for producing injection defects,and finally proposed the principles of choosing parameters of mold venting slot.
Key words： injection molding； mold venting； injection defect； air state▲

　　近年来， 由于精密模具制造技术和精密注射成型技术的发展， 排气问题逐渐成为人们的研究课题. 在精密注射成型中， 采用高速注射技术之前,必须正确解决模腔排气问题. 排气式塑化系统能够排出残留在原材料中的水分和其他低分子挥发物. 而在模具中， 主要通过排气槽或分型面、 型芯周围的空隙排出空气. 过去由于模具制造精度不高,对注射成型制品的质量要求不严格， 忽视了模腔内残留气体对制品质量的影响， 实际上模具中空隙的存在在一定程度上起到了排气槽的作用， 因而在对制品质量要求不高时， 模具上并未专门设计排气槽.
　　在长时间连续注射成型塑料制件的情况下， 塑件熔接线处常出现黑点或黄点， 所出现的位置正好是熔体的最终汇合点. 通常人们认为模腔内的滞留空气被压缩时所产生的高温高压状态是造成这种缺陷的主要原因. 他们通过调整工艺条件： 降低模具温度、 注射压力、 注射速度和熔体温度等方法来降低空气被压缩后的升温^［1］. 然而对于大型薄壁制品， 这样调整的结果， 有时可能同时出现在制品的一部分填充不满， 另一部分被焦烧的现象. 这时如不考虑在模具上开设合适的排气系统,制品质量就得不到保证.
　　在国外， 人们对模具排气的必要性有较深刻的认识： 当熔融料的充模速度太快， 或者模具表面处理太平整， 熔料在模具壁面的流动阻力小， 并且锁模压力太大时， 气体来不及从模具分型面排出， 使模腔内空气被压缩,熔体流动阻力增大， 导致模腔填充不满， 或者因空气温度升高而出现焦烧现象. 原材料中挥发性物质所产生的气体同样也会引起制品的填充不满和焦烧现象， 而且当这种气体冷却之后， 变成液体或固体， 污染模具或制品， 或者以薄膜状附着在模腔上， 从而在制品上出现气痕等^［2～4］.
　　在精密注射成型中， 为了生产高质量的制品， 采用较高的平均注射速度时， 模具排气问题不容忽视^［5］.
　　尽管国内外的学者们都认识到了解决模具排气问题的重要性， 并在模具设计中采取相应的措施， 但他们没有通过模腔内残留气体状态变化的理论计算，进一步探讨模具排气系统设计的有关问题.

　　本文对充模过程中模腔内空气的状态变化过程进行分析计算， 说明排气系统在注射成型中的重要地位， 特别讨论排气槽的各个参数对排气性能的影响， 为排气槽的设计提供理论依据.

1　注射成型过程中注射压力与注射速率的关系

　　要研究模腔内空气被压缩时的压力、 温度和容积的关系， 就必须知道注射压力与注射速率的关系， 因为注射压力是导致空气被压缩的能量来源， 注射压力的变化直接影响空气状态的变化.
　　注射机液压系统所产生的压力是由负载决定的， 随着负载的增大， 注射压力也增大， 但是以最大注射压力为上限. 通过液压系统的油量， 在整个压力范围内不会完全保持一致， 而是随着油泵输出功率的限制而减小. 这种减小在起初并不显著,而是随着压力增加到大约是最大压力的85%以后， 变得非常显著(如图1所示). 这是因为当注射压力达到最大压力的85%时， 液压系统的溢流阀开始工作， 一部分液压油推动活塞前进， 另一部分液压油从液流阀流回油缸， 使注射速率降低^［5］.

图1　注射速率与注射压力的关系
Fig.1　The relation between injection speed and injection pressure
压差相同， 压力范围不同， 流率不同
ΔQ_aΔQ_b

　　如果模腔内存在空气， 在充模阶段， 模腔仍未能充满， 那么在压实阶段， 由于熔体温度下降， 粘度上升， 流动阻力增大， 再加上压缩空气对料流的作用， 推动熔体流动所需要的压力急剧增加， 导致熔体流动速度急剧降低， 最终接近于零.

2　全封闭的空气状态变化过程

　　假设一个矩形模腔， 其长、 宽、 高分别是A=100 mm、 B=60 mm、 C=4 mm， 在宽度边（边长为60 mm）处采用侧浇口进料. 假设除浇口外， 模腔全封闭， 模腔内的空气不能排出， 并且在压实阶段， 模腔最后被填充处的最大压力是23.5 MPa(约为234 kg/cm²). 本来， 在达到20.0 MPa(即23.5×85%)以前， 注射速率约恒为4.0×10^-5 m³/s， 也就是说， 当推动熔体前进所需要的压力不超过20.0 MPa时， 用0.6 s时间能够使熔体充满模腔， 但是为了方便起见， 假设模腔末端压力达23.5 MPa之前， 注射速率为4.0×10^-5 m³/s， 当压力达23.5 MPa时， 注射速率等于零.
　　在压缩过程中， 空气的压力p， 温度T和容积V均发生变化. 当压缩过程非常迅速时， 空气不能及时把热量传给模腔壁， 空气压缩过程可近似看作是绝热过程， p、 V、 T之间的关系可以用下列的绝热过程方程表示：

p₀V^r₀=p₁V^r₁(1)

V^r-1₀T₀=V^r-1₁T₁(2)

p^r-1₀T^-r₀=p^r-1₁T^-r₁(3)

其中p、 V、 T的下标0表示初始状态， 下标1表示终了状态， r是等压比热容c_p与等容比热容c_v的比值， 空气的r值约等于1.40.
　　当压缩过程非常缓慢时， 空气的温度可看作是恒定的. 其压缩过程可视为等温过程， p和V的关系可以用下式表示：

p₀V₀=p₁V₁(4)

　　当空气受到恒定的压力作用时， 其状态变化过程是等压过程， 空气的容积随温度的降低而减小， V和T的关系可以用下式表：

V₀/T₀=V₁/T₁(5)

　　(1)模腔内空气的绝热压缩过程
　　设p₀=1.013×10⁵ Pa(一个大气压)，V₀=A×B×C=2.4×10^-5 m³， p₁=23.5×10⁶ Pa代入(1)式， 得

V₁=4.9×10^-7m³.

　　可见， 在绝热压缩过程中， 当模腔压力到达最大压力值时， 仍有4.9×10^-7 m³的空间仍未被填充， 占模腔总容积的2.04%. 在最大模腔压力的推动下， 随着空气温度的下降， 熔体才能缓慢前进， 此时空气的压缩过程是等压过程， 当空气温度等于模具温度时， 熔体停止流动， 模腔填充不满.
　　把p₀=1.013×10⁵ Pa， T₀=300 K， p₁=23.5×10⁶ Pa代入(3)式， 得

T₁=1 427.5 K=1 154.5 ℃.

此温度远超出高聚物的分解温度， 在制品上表现为焦烧现象.
　　(2)模腔内空气的等温压缩过程
　　把p₀=1.013×10⁵ Pa， V₀=2.4×10^-5 m³， p₁=23.5×10⁶ Pa代入(4)式， 可得

V₁=1.013×10^-7m³.

未被填充的容积占模腔总容积的0.431%.
　　由上述两种情况下的计算结果可知， 当模腔内空气完全被滞留时， 如果快速充模， 制品上常会出现焦烧现象. 但此时， 无论快速充模或是缓慢充模， 都会出现填充不满的现象.
　　当模具型腔较复杂时， 由于熔体流动阻力大， 所以能够传递到模腔末端的压力很小， 即p₁很小， 焦烧现象变得不太严重， 但填充不满现象变得更加突出.
　　在实际生产中， 空气总是能够或多或少地从模腔排出， 因为分型面处或型芯附近等存在间隙.

3　锁模后分型面存在间隙时空气的状态变化过程

　　由于在充模过程中排出一部分空气， 所以， 模腔内空气的状态变化过程比较复杂. 下面只讨论空气等温压缩的情况.
　　假设由于模具分型面上存在形位误差， 在锁模力作用下， 模腔末端出现截面积B×2h为60×0.001mm²， 深W为70 mm的排气槽， 如图2所示.
　　空气作为一种流体， 符合柏努利方程式

Z₁+p₁/ρg+u²₁/2g=Z₂+p₂/ρg+u²₂/2g+∑Hf　(6)

图 2　模具分型面处的间隙示意图
Fig.2　Schematic of gap between mold typing surfaces

式中， Z_i称为位压头， p_i是压力， u_i是速度， ∑Hf是压头损失， i=1， 2.
　　由于空气质量很小， 所以Z_i项和u²_i/2g可以近似相等. 又由于分型面处的间隙很小， 所以空气流动时产生压力降主要是因为空气具有一定的粘度， 压力能转化为空气的热能， 散失在模具中. 空气在窄缝中流动的流量公式为

Q₀=(h³×B×Δp)/(12×η×W)　　(7)

式中， Δp是模腔内空气压力与外界空气压力之差， h是窄缝高度的一半， W是窄缝深度， B是窄缝宽度.
　　假设大气压为p₀， 充模速率为Q， 在充模过程的第t秒后一段时间Δt内， 压力增加Δp， 容积减小ΔV， 设窄缝中空气的平均压力是(p+p₀)/2， 于是有

p×V=(p+Δp)×(V+ΔV)+(p+p₀)×Q₀×ΔT/2.　(8)

忽略高阶微量项， 并且令ΔV=Q×Δt， 得

V×Δp=［p×Q-(p+p₀)×Q/2］×Δt.

令Δt→0， 方程两边取微分， 然后求积分， 得

∫^p_p0｛p×Q-［(p+p₀)/2］×［(h³×B)/(12×η×W)］×(p-p₀)｝^-1dp
=∫¹₀1/(A×B×C-Q×t)dt.

于是得到压力p与时间t的关系式

t=A×B×C×｛1-［(a+b×p-Q)×(a-b×p-Q)/(a+b×p₀+Q)×(a-b×p₀+Q)］^-Q/a｝/Q　(9)

　(10)

式中， a=｛Q²-［(h³×B×p₀)/(12×η×W)］²｝^1/2，
　　　b=h³×B/(12×η×W).
　　(1)把p=23.5×10⁶ Pa， 空气粘度η=12.9×10^-6 Pa^．s代入(9)式， 得

t=0.597 7 s.

可见， 当充模至0.5997 s时， 模腔压力已达到最大值， 此后， 空气在等压情况下排出模腔， 熔体的推进速度取决于空气的排放速度.
　　假设模腔形状复杂， 熔体的流动阻力大， 模腔末端最大的压力值有2.35×10⁵ Pa(约为2.35 kg/cm²)， 由(9)式可得

t=0.372 2 s.

计算结果表明， 当充模至0.372 2 s时， 模腔压力达到最大值. 在这种情况下， 螺杆注射速率过早降低， 熔体的体积流率近似等于空气排出的体积流率Q₀， 由(7)式可得

Q₀=5.451×10^-11 m³/s.

　　模腔内熔体的平均推进速度约为2.271×10^-7 m/s. 由于熔体平均推进速度几乎等于零， 以及模腔壁对熔体的冷却作用， 不可避免的出现填充不满现象.
　　(2)若要求模腔顺利填充， 即要求充模时间是0.6 s(即A×B×C/Q)， 那么t=0.6 s代入(9)式得

p=1.962×10¹¹ Pa≈196 200 kg/cm²，

说明顺利充模所需要的压力是充模末端最大压力的8 350倍. 可见， 如果空气滞留于模腔内， 造成了填充不满现象， 想通过提高液压系统压力的方法， 使熔体顺利充模， 几乎是不可能的.
　　上面讨论的等温过程适用于缓慢充模的情况. 在快速充模情况下， 虽然有部分空气排出模腔， 但是空气压缩过程仍然可以看作是绝热压缩过程. 快速充模会使模腔末端的压力更快达到最大值， 可能出现焦烧现象. 当模腔压力升到最大值后， 随着空气温度的降低和空气在等压条件下的排出， 熔体缓慢推进， 直至被模腔壁冷凝为止. 在制品上常常留下缺料的痕迹.

4　排气槽参数的选择

　　如果熔体能够顺利充模， 则在充模结束的瞬间， 模腔末端压力不应该超过该处在压实阶段的最大压力.
　　根据(10)式， 选择排气槽参数时应该满足下列的要求：

　(11)

由(11)式可知， 当充模速率Q恒定时， 选择排气槽参数时应该使h³×B/(12×η×W)尽可能大. 具体地说， 就是尽可能地增加排气槽的高度和宽度,减小排气槽深度， 考虑到制品不应出现飞边， 以及机械加工的可能性， 一般， 排气槽高度在0.01至0.03 mm的范围内. 采用全周排气时的排气槽宽度是排气槽宽度的最大值^［4］. 尽量减少排气槽深度是发挥排气槽性能的有效方法. 排气槽深度以不小于1.5 mm为好.
　　根据文献^［4］， 令排气槽高度2 h=0.02 mm， 深度W=1.5 mm(如图3所示)， 宽度B=60 mm， 则充模结束的瞬间， 模腔末端压力是：

p=(a+Q)/b=5.053×10⁵ Pa.

远远小于模腔末端的最大压力， 因此能够顺利充模.

图 3　排气槽示意图
Fig.3　Schematic of mold venting slot

5　结　论

　　滞留于模腔中的空气在充模过程中对熔体产生反压力， 这种压力的影响是不容忽视的， 它可能使制品出现缺料和焦烧现象.
　　模腔内空气压缩过程可分为等温压缩和绝热压缩两类， 充模速度较大时， 可近似看作是绝热过程， 焦烧现象较易出现， 充模速度较小时， 可看作是等温压缩过程， 填充不满现象在两类压缩过程中均会出现. 在实际生产中， 模腔内空气的状态变化过程介于这两类压缩过程之间.
　　由于空气存在粘度， 所以空气通过窄缝隙式排气槽时受到较大的阻力. 窄缝高度对排气性能影响最大， 其数值越大越好， 但要避免使制品出现飞边， 排气槽深度越小越好， 排气槽宽度也应该尽可能取大一些.