塑模排气系统综合设计及标准分析

塑模排气系统综合设计及标准分析

张孝忠

宁波兴瑞电子科技股份有限公司 315300

摘要：为进一步提升汽车零部件塑料模具设计开发的整体效果，在模具中要高度重视排气系统的设计，在注塑灌胶期间将模具内的气体排出来，确保模具综合设计的科学性与标准性，使模具生产质量从根本上得到有效保证。文章围绕模具生产环节的气体来源和排气不良对产品造成的危害完成对塑模排气系统设计的标准分析，从排气部位、排气槽截面尺寸等方面分析其综合设计要点，以供参考。

关键词：塑料模具；排气系统；设计要点

引言：在汽车零部件塑料模具的注塑生产环节，模具内的气体除了空气外，还包含塑料分解产生的水蒸气，若在生产环节无法将这些气体及时排出，可能会导致塑件表面形成缺陷、塑件内部填充不满、熔体填充困难、制品出现烧焦痕迹等问题。因此，在汽车零部件塑料模具的设计开发工作中要完成塑模排气系统的综合设计，适当开设排气槽以降低压力、缩短时间，确保其符合相关生产规范。

1. 塑模排气系统的标准分析
   1. 模具气体来源分析

在精密制品、大型制品生产成形以及易分解产生气体的树脂材料应用中，工作人员要高度重视排气系统在塑料模具设计中的重要作用，将物料逸出气体与模具型腔内的空气及时排出，使产品质量得到保障。在塑料模具生产阶段中，模具气体来源主要包含以下几种：树脂中的残余气体；注射温度过高导致塑料分解产生的气体；进料系统中物料在注入过程中夹带的气体；塑膜系统在产品成型加工期间排出不完全的气体；在添加剂作用下导致原料发生化学反应产生的气体；成型树脂因干燥不足导致其含有一定水分，进而在部分温度条件下因高温蒸发产生的水蒸气[1]。这些气体若不能及时排出，则必然会使产品在生产阶段诱发各种成型缺陷。

1.2排气不良危害分析

随着塑料工业和汽车产业的迅速发展，汽车零部件塑料模具设计开发对其尺寸精度与标准质量的要求不断提高，在设计标准中以确保塑件内应力小、熔接牢固、组织致密、强度高为基本要求，确保其满足各部件的力学性能与物理性能要求。而熔融塑料在注塑生产环节向模具型腔填充的过程中，如果发生排气不良的现象则会导致产品出现诸多缺陷问题。

第一，在较大的压缩作用下，气体会产生一定的反压力导致熔体充模流动阻力增加，进而对熔体正常快速充模产生阻碍作用，使得模具型腔无法完全充满，尤其是在距离注塑口较远的部位，影响塑件的成型效果，出现棱边不清、填充不良的问题。第二，在物料流动过程中，当熔体接合部分出现气体排出不良的问题时，通常会在熔体接合部分的熔接痕内会有所残留，降低熔接部分的结合强度，出现虚假熔接的现象，影响塑件整体的力学性能。第三，在绝热条件下残留在型腔内部的气体会骤然因压缩热量导致其中部分熔体的温度快速升高，最终使其出现分解和颜色变化，严重的话在模腔内部的凹陷部位、物料流动尾部、熔接痕附近位置等局部出现碳化变黑的现象，在其热量的影响下会使熔体局部温度超过600℃，降低熔体黏度，使得塑料产品出现毛刺。第四，如果在注塑生产环节中存在注塑压力过大、物料黏度较低、塑件厚度较高、充模速度快、温度高的情况，受压缩环节的影响，注塑生产系统还会促使气体渗入塑料内部，导致最终的塑料制品出现气孔气泡、组织疏松、黯淡无光等生产品质问题[2]。此外，考虑到塑料模具中多样化的气体来源，在其出现气泡问题时必然会存在差异化分布的现象。通常情况下，在浇口相对位置通常会存在因模具积存空气导致集中分布的气泡；在整个塑件产品机上会随机出现因水蒸气导致的气泡；沿塑件厚度会整体规则出现分解气体产生的气泡。因此，在塑料模具综合设计与标准分析阶段，工作人员可结合实际情况，结合气泡分布位置和特点，判断其具体性质，进而对其排气系统位置的合理性与科学性进行分析。第五，当塑料模具排气不良时会导致成品在分离的瞬间与型腔壁之间的缝隙处于真空状态，再加上部分气化物附着在塑件表面，则会使其存在产品脱模不完整、颜色不均匀等问题。第六， 受型腔气体排出不良的影响，还会提高注射压力，使其冲模速度与保压时间等系统参数发生不同程度的变化，影响单个批次塑件成型的具体周期，随着断续注射问题的发展，严重降低工程整体的生产效率，增加设备运行负担。第七，塑料模具内的部分气体可能具有一定的腐蚀性，进而在型腔内部之间形成积垢，对模具造成污染，延长了模具抛光环节的时间成本，降低其使用寿命。

在精密塑件、容器塑件和大型塑件的生产阶段，塑模排气系统的设计标准会在极大程度上对塑件的生产品质造成影响，特别是在高速成型中，其发挥的重要作用会更加突出。针对部分脱模斜度较小的容器类塑件中，在开模和顶出环节由于其与型芯之间形成真空条件导致其脱离难度大幅提升，则可借助一定的引气设施为其顺利脱模提供一定的压缩空间，保证脱模效果。

2. 塑模排气系统综合设计要点
   1. 明确塑模排气部位

首先，选择熔合痕部位加强排气系统的完善设置。由于该部位在整个塑膜系统中相对特殊，在系统运行期间会汇集大量气体，使得产品出现高温灼伤或毛边等问题。因此，可在该部位加强排气系统的合理设计。其次，选择配合面设置排气系统。受材料类型差异的影响，若部分材料中含有少量挥发物，则会在生产环节出现汽化进而沿着模具间隙逐渐排出，由于其内外温差过大，在与外部空气发生接触时会在配合面上凝结产生结晶，随着其长期积累结晶物不断增多，会阻碍气体的逸散进而压伤配合面，但如果一味采用清洁模具对这些结晶物进行处理，则会影响塑料成型效果，使其出现毛边。因此，需在配合面适当设计排气系统，避免结晶物沉积，促进模具使用寿命不断延长，使塑料制品品质得到有效保障，并选择长、窄、深的筋部设置排气系统

[3]。考虑到在脱模阶段，该部分很难导入充足的气体达到良好的脱模效果，进而随着制品的形成会促使其余模腔壁产生负压，进而在制品顶出时发生质量问题，影响制品的生产效果，因此应在长、窄、深的筋部加强塑模排气系统的合理设置。另外，选择加强筋数量较多、成型部位面积较大的位置完成排气系统的适当设计。当镶块成形面积相对较大时，在成形这一阶段会影响气体置换效果，进而出现气泡、填充不足等缺陷问题，故应在此处加强排气系统的合理设置。最后，考虑到小型精密模具对制品尺寸精度的较高要求，在选择塑模排气部位时应将其与其他类型的塑模排气系统区别开来，综合考虑其成型周期与填充速度等要求，合理控制排气槽的设置数量。在具体的排气系统设置过程中，还应考虑部分特殊排气系统，采用减排排气装置排出型腔内的气体。

为尽量减少塑模排气不良造成的危害，要合理设置排气槽，将模具注胶环节模腔内的空气与胶料在加热过程中产生的各种气体及时排出，同时保证其排气完全且迅速。在综合设计塑模排气系统的过程中不仅要合理选择排气部位，还要严格控制其排气速度，保证与充模速度相适应，通过科学的尺寸设计避免物料向槽内溢入，并避免其出现堵塞现象。在具体的设计过程中应深入分析溢料产生毛边对后续脱模环境造成的影响，选择分型面部位合理设置排气系统。同时围绕模具制造与清理环节的实际需求，将排气槽尽可能更多地设置在凹槽一侧，在塑件成型厚度较大的位置，选择背向操作面的方向，避免溢料对人员安全造成威胁，在冷料井、流道的末端完善料流终点的设置。在排气孔、槽设置完成后应确保是否存在死角进行检查，同时通过激光处理的方式保证其表面的光滑度，避免其出现积存冷料的现象。在塑模排气系统的综合设计环节，工作人员要综合考虑模具大小与胶料溢边值，对其宽度、深度、长度等提出参数标准，将胶料类型作为明确排气槽前端尺寸A值的重要依据，结合不同的塑料类型控制好排气槽厚度。

2.2科学计算排气槽截面尺寸

考虑到模腔中塑料熔体的充模时间相对较短，在标准化设计中可视其气体物理性质为绝热条件，然后根据如下公式计算排气槽截面尺寸。

式中，F代表排气槽截面面积，单位为㎡；m1代表模具内气体质量，单位为kg；T1代表模具内被压缩空气的温度；单位为K；θ代表胶料充模时间；单位为s；P0代表模腔内气体初始压力，单位为MPa。在具体的计算过程中可设置P0=0.1MPa。

按照常温常压20℃氮气密度和模具型腔体积得出模内气体质量；应用气体状态方程，根据模内气体的初始温度和被压缩气体的排气压力得出被压缩气体的最终温度，进而结合上述公式完成排气槽截面面积具体数值的计算。结合一般经验来看，排气槽厚度通常设置为0.02mm，因此，结合其面积大小和厚度标准则可获取其相应的总宽度。

在设置塑模排气系统的过程中，主要以工作实践经验作为选定排气孔、槽大小与位置的重要依据，优先在比较明显的部位完成排气孔、槽的开设，进而经过试模环节对其设计方案进行不断优化和调整，通常情况下由于模具长时间应用会在旧模具上不断积累越来越多的挥发性气体积垢，使其实际有效排气面积缩小，因此，应使排气槽的理论值与实际值存在一定偏差，在理论值的基础上适当增大排气槽截面尺寸，或采用连续或多个宽度保证其排气效果。

2.3合理选择排气形式

为了促进模具内气体快速排出，在综合设计塑料模具排气系统中，通常会在分型面处开设排气槽，但这种排气形式往往对排气量较大的情况下具有良好的使用效果，对于部分小型塑件排气量相对较小的情况，可直接利用如图1所示的分型面间隙实现排气目的，或选用模具顶杆以及入子与模具配合间隙也能起到排气作用。为确保熔融塑料注入型腔过程中排气的通畅性，避免产品出现烧焦、困气的现象，在应用分型面排气设置排气槽的过程中应选择在型腔或型芯周围做环形排气，在封闭型的排气槽设计中，需使其外端与排气沟相连，便于导气。通常在浇口对侧部位和流道也要设置排气槽[4]。选择易于加工的一侧完成排气槽的设置，在做分型面的过程中对排气槽的加工进行综合考量。当前模分型面枕位凹陷时会对磨床加工造成不利影响，而凸起的前模设计形式也可为其加工提供便利，并考虑胶料溢边值，确保排气槽前端设计尺寸参数的合理性。

图1 利用分型面间隙排气

在大中型塑件成型模具中由于气体排出量相对较大，通常会选择分型面的凹槽一侧完成排气槽的开设，以处于熔体流动末端位置为最佳。以顺利排出气体且不出现溢料为排气槽尺寸设计的基本原则，在其加工环节通常会将其设置为曲线状，从模腔内表面向模腔体外缘方向测量，其宽度不低于1.5mm，不超过6mm。厚度不低于0.02mm，超过0.05mm，长度控制在6-12mm的范围内。同时，在排气槽的开设过程中还要按照由细到粗的标准逐渐扩大其截面形状，通过这种方式降低塑料熔体从排气槽溢出的动能，降低其溢出过程中的流速。应用透气钢完成塑模排气系统设计时，由于透气钢的厚度与其透气效果成反比，厚度越高，透气效果越差，因此，在应用这种形式完成排气系统设计工作时需对其厚度进行严格控制，使其不超过30-50mm的标准范围。对透气钢透气部分进行粗加工处理的过程中，可做任何机械加工，但在其精加工中不可除电蚀外开展任何机械加工。同时，在镶件底做透气坑，若对开运水提出需求，则要对运水孔进行处理，根据相关标准控制好透气钢的出厂硬度，并对其透气性能进行检查。

2.4规范应用CAE技术

为切实解决塑模排气系统设计中存在的问题，还要对其设计方案的实际效果进行仿真分析，基于相对准确的数学模型，应用计算机辅助分析计算与仿真系统作为分析工具，为塑膜排气系统的实际生产效果提供指导。在塑料注射模排气系统设计中可利用CAE技术对其设计结果进行科学分析，明确系统设计参数的标准范围，同时结合具体的制品特点了解不同因素对生产效果产生的影响，结合分析结果优化系统设计，保证产品生产质量和生产效率。

结论：综上所述，排气系统作为塑模设计的重要组成部分，在具体的设计过程中要综合考虑注射时间、注射压力、生产效率，结合其气体来源与排气特点选用适宜的排气系统设计方案，并使用CAE技术进行仿真模拟，降低试模成本，提高塑件质量。

参考文献：

[1]陶哲,季宁. 基于CAE的复杂薄壁抑爆球热流道模具设计[J]. 塑料工业,2023,51(3):90-95. 

[2]王春国. 注塑模具的优化设计与数值模拟[J]. 自动化应用,2023,64(4):34-37.

[3]谢俊杰. 车灯装饰罩注射模设计[J]. 模具工业,2022,48(4):47-51. 

[4]陈杏妹,李海林,王寅飞,等. 覆盖件冷热流道注塑模具设计[J]. 机电工程技术,2022,51(11):80-83,189.