模具排氣設計公式

1. 前言

模具在未射出成型前，模腔內含有空氣，在材料填滿模腔空間時，期間之氣體必須排出，未排出之空氣，會造成壓縮空氣而產生熱並且使材料燃燒，未燃燒之空氣則會自成氣泡。模腔內中的空氣若無法順利排除，就必須另設計排氣槽(圖1)。這篇文章詳細討論該計算式的推導過程和物理條件，供實用計算時參考。

2. 模具排氣設計

(2-1) 排氣不良的危害

排氣和排氣槽設計不合理，將會產生下述的弊病：

• (a) 增加熔體充模流動的阻力，使型腔不能充滿，會使塑件棱邊不清。
• (b) 在塑件上呈現明顯可見的流動痕和熔合縫，其力學性能降低。
• (c) 滯留氣體使塑件產生銀紋、氣孔、剝層等表面品質缺陷。
• (d) 型腔內氣體受到壓縮後產生暫態局部高溫，使塑膠熔體分解變色，甚至碳化燒焦。
• (e) 由於排氣不良，降低了充模速度，增長了射出成型週期。

越是薄壁製品、越是遠離澆口的部位，排氣槽的開設越重要。對於小型精密製品的射出成型也要重視排氣設計，因為除了能避免塑件的射出量不足和表面灼傷外，還可以消除各種缺陷。對於幾何形狀複雜的製件，模具上排氣槽的開設在試射後確定。

(2-2) 排氣系統設計方法

• (a) 利用分型面排氣是最簡便的方法，排氣效果與分型面的接觸精度有關。減少實際鎖模面有利排氣。利用模塊結構，可減小鎖模接觸面，但鎖模接觸面的寬度不能低於15mm。

• (b) 利用頂針與孔的配合間隙排氣，必要時對頂針作些排氣的結構措施，如(圖2-a)所示。對於型腔的封閉死角，可增設頂針作排氣用。頂針排氣隙的長度為2~3mm，開設排氣槽和溝。推杆與孔的配合長度不小於10mm，或為頂針直徑的2~3倍。頂端利用套筒(套筒頂針)同樣也能排氣，其排氣結構如(圖2-b)所示。型芯也被利用排氣，其排氣結構如圖(圖2-c)所示。這三圖中圖示單向間隙δ可為(圖3)所列的常用排氣槽高度 h的一半。排氣通道表面順氣流方向拋光，無銳角。

• (c) 利用球狀合金顆粒燒結塊滲導排氣，如(圖4-a)所示。透氣鋼塊應有足夠的承壓能力，設置在塑件隱蔽處，並須開設排氣通道。透氣鋼的透氣效果與厚度成反比，鋼塊的排氣方向厚度30~50mm。但透氣鋼塊的強度和剛度較低，既要有足夠截面的排氣坑，又要有較好支承。圖(圖4-b)所示透氣鋼塊的剛性差，透氣途徑長。改用(圖4-c)的高強度鋼支承又作大面積透氣。透氣鋼塊的成型面和出氣底面的精加工，只能用電火花成型。透氣鋼硬度35~38HRC，可以機械切削加工。用脫模劑之類的液體塗在透氣鋼塊的工作面上，從底面吹入壓縮空氣，檢查氣泡湧起。如果透氣鋼塊阻塞，可以清洗後再用。將透氣鋼塊加熱至500°C，保持 1h，冷卻後浸入丙酮至少15min，然後用壓縮空氣吹出殘渣。如效果不好，重複加熱、溶渣和吹氣。

• (d) 在熔合縫位置開設冷料井，在貯留冷料前也滯留了少量氣體。也有在鎖模分型面上，挖貯氣小坑，引留少量氣體。

• (e) 可靠有效的方法，是在分型面上開設專用排氣槽，如 (圖5-a)所示，尤其大型射出模必須如此。排氣槽通常設在分型面的動模一側，應開設在熔體最後充滿的部位。(圖5-a)為單個側澆口的型腔，排氣槽大致設在澆口對面。排氣槽截面尺寸，既要有利於排氣，又要不溢料。因此，對於黏度較低的塑膠熔體應有較小的排氣槽高度h，見(圖3)。高壓塑膠熔體沖著排氣隙口，熔體容易進排氣槽。因而，熔料在排氣槽隙口垂直流過時，排氣槽高度和排氣隙δ容許稍大些。排氣槽流通截面S，應按所需排氣量由式(圖8-1-13)確定，然後計算得排氣槽寬度 W 和槽的數目。槽寬度W取2~6mm,優選了3.2~5mm。氣流方向的排氣槽長度L取1~ 2mm，一般不超過2mm。排氣槽表面應順氣流方向進行拋光。排氣槽後續的導氣溝應適當增大，以減小排氣阻力。其高度h’=0.8~1.6mm，單個寬度W’=W=3.2~5mm。分型面上排氣溝為梯形或半圓截面，優選梯形截面，以便於清除溢進的塑膠。圓筒形塑件，在採用中央澆口時，應在分型面的型腔周圍均勻佈置排氣槽，並設置環形的導氣溝。

• (f) 對於大型模具，可利用鑲拼的成型零件的縫隙排氣。(圖5-b)所示為點澆口設計的澆口套鑲件排氣間隙和環形導氣溝。

排氣槽的表面、推杆(頂針)和鑲塊的排氣間隙，在射出生產時會留下塑膠的殘餘物。污垢會堵塞排氣截面。壓縮空氣可在每次開模時吹去汙物。可動零件上的排氣槽和排氣隙有 一定的自我清理能力。緊固型芯和鑲塊上的排氣間隙上汙物清理困難，要設計清理的通道，後續的排氣溝的截面要足夠大。

3. 排氣槽的截面尺寸計算

塑膠熔體射出充模時，型腔內氣體被壓縮成氣室，然後經排氣口噴出。

(3-1) 氣體壓縮

射出模排氣過程的第一階段，是充模的高溫塑膠熔體將型腔內氣體驅趕壓縮至死角，形成一個高溫高壓的氣室。此階段既不是等溫過程，也不是絕熱過程，而是氣體動力學的多方過程理想氣體的多方過程中，壓力p和體積的關係滿足下式(圖6)。

氣槽的截面積。此氣室的溫度和壓力，應根據射出工藝(射出條件)確定。此氣室處於熔體料流的末 端，壓力p = 20MPa，被壓後氣體溫度T升高至300°C左右。此時氣室中氣體可能分解和燒焦塑膠物料。有危害狀態的多方指數為(圖7)。

模內氣體從20°C經壓縮升溫達311°C。若按系統不與外界交換熱量的絕熱過程計算，則被壓氣室溫度還要高得多。介於等溫和絕熱過程之間的多方過程是符合射出充模實際的。這裡存在誤差，在形成氣室前，模具中的排氣槽是開放的。但由於氣壓低、充模快，先期被排出的氣體不多，由上述假定推算的氣室溫度和壓力比實際要偏大些。

(3-2) 排氣槽的噴射

推導的第二階段，把排氣槽視為噴氣管。由於排氣過程迅速，來不及與外界有明顯的熱量交換，因此作為絕熱過程處理。有參量比熱容比(圖8-1) (圖8-2) 。

在M給定的情況下，氣體密流m’與滯止壓力p成正比，與滯止溫度T的平方根成反比。如果滯止的壓力p給定，密流m’只是M數和γ、R的函數。如果氣流的M數達到1，出現臨界密流，對應著噴管的臨介面積A，有(圖8-3)(圖8-4)。

式(圖8-1-13)計算關鍵是充模時間的正確估測。建議按(圖9)注射機(射出機)公稱注射量與注射時間，根據模具實際型腔體積V₀來確定t。

(3-3) 計算修正

考慮到有些塑膠品種的熱分解溫度高於或低於前假定Tx=584K，可對式(圖8-1-12)進行氣體溫度的修正(圖10)。

對式(圖8-1-13)和式(圖10-2)的計算結果，常見的修正意見有：

• (a) 當注射模(射出模)有頂針、分型面等其他排氣通道時，截面積A可斟酌減小。
• (b) 排氣槽長期使用後有積垢，會減小有效截面積，A可略大些。

(2-4) 例題計算

有型腔體積V₀=100cm²的模具開設排氣槽。參考(圖9) ，取充模時間 t =1.5s。求排氣槽截面尺寸(圖11)。

再由(圖3)，按塑膠物料取排氣槽高度 h = 0.02mm，高度h 的製造公差為 ±0.005mm。排氣槽總寬度11.5mm，單個排氣槽寬度4mm，需三個排氣槽，排氣方向 的長度取1.5mm。

隨著高速注射的發展，真空排氣系統將被採用。在如(圖4-a)所示的燒結金屬塊後側，配以真空抽氣。以上陳述的是熱塑性塑膠射出模的排氣系統。熱固性塑膠注射模的排氣系統更為重要。排出氣體品質中需計入化學反應產生的氣體品質。

☆ 其他參考資料及文章

★ 【射出成型不良缺陷的燒焦與絕熱壓縮】