第8章：排气
排气通常是模具设计中的一个次要方面，经常被忽视，直到试模表明模具存在与排气有关的缺陷。理解排气槽的目的与功能，可以帮助模具设计者在明显需要的位置设计排气槽，并确保模具在需要时能够增设额外的排气槽。
8.1 排气设计目标
8.1.1 释放压缩空气
排气槽的首要功能是释放模腔中正在被高压塑料熔体置换的空气。如果在充填阶段未能排出模腔内的全部空气，则会产生若干种缺陷：
- 第一，滞留的空气会在模腔中形成一个高压气穴，熔体无法流入其中，从而在成型制品上形成短射（充填不足）。
- 第二，被高度压缩的高温气体在塑料熔体存在下可能发生燃烧，产生被称为”dieseling”（柴油效应）的现象，并形成被称为”烧焦痕”的缺陷。如果烧焦痕出现在外观表面上，成型商应判废该成型制品。
- 第三，两股汇合熔体前锋之间存在气体，会因空气干扰两股熔体的熔合而降低制品强度，同时还会在成型制品表面形成 V 形缺口，在制品最终使用过程中成为应力集中点。
8.1.2 容纳塑料熔体
由于排气不足与若干重大缺陷相关联，因此在不同位置设置许多又宽又厚的排气槽似乎是有利于空气排出模腔的。然而，如果排气槽太厚，聚合物熔体就会从排气槽渗出，在排气槽位置形成一条薄而锋利的塑料飞边。在许多注塑应用中，这种飞边需要由机器操作员使用去毛刺工具进行修整。这种去飞边操作是不可取的，因为操作员付出了人工成本却无法保证 100% 的一致性。此外，如果成型商在飞边过量的情况下继续生产，模具的分型面会磨损，需要重新修整表面。基于这些原因，宜采用数量更少、尺寸更小的排气槽。
8.1.3 尽量减少维护
排气槽的使用也为模具增加了更多可能需要维护的特征。许多聚合物在熔融状态下会释放气体，释放出可能积聚并堵塞排气系统的颗粒。使用脱模剂时，这种排气槽堵塞会发生得尤其快。其结果是，成型过程可能间歇性地出现与排气不足相关的缺陷。许多成型商通过将排气槽清理纳入预防性维护计划来解决这一问题。无论如何，模具设计者应努力设计出维护需求最少、且在需要时易于维护的排气系统。
8.2 排气分析
建议采用三步分析流程来分析和设计排气槽。第一步，应相对于熔体流量估算空气置换速率。第二步，必须评估排气槽的数量、类型和位置。第三步，必须确定每条排气槽的宽度、长度和厚度。关于厚度的选取，厚度必须大于某个最小值以确保充分排气，同时又必须小于某个最大值以避免过量飞边。
8.2.1 估算空气置换量与置换速率
被置换的空气量近似等于注入塑料的体积。这里使用”近似”一词，是因为空气在接触到高温塑料熔体时会发生一定程度的膨胀。然而，受热空气流过模具表面时也会有一定程度的冷却。基于这些原因，这里的分析将假设空气的体积流量等于熔体的体积流量。
例题：
前面算得面框（bezel）熔体的体积流量为 125 cc/s。空气流量也将采用这一数值。
8.2.2 确定排气槽的数量与位置
接下来，需要确定需要排气的位置。这些位置看似显而易见，但仔细考虑后会发现，要识别这些位置并非那么简单。通常有三种不同类型的位置需要排气，如图 8.1 所示。第一类排气槽需要设置在熔体于模具分型面边缘或其他封胶面处汇合的位置。第二类排气槽需要设置在两股熔体汇合形成熔接线（knit 或 weld line）的位置。第三类排气槽需要设置在熔体于模具中的死角（dead pocket）处汇合的位置。下面对每种情形分别作简要讨论。
图 8.1：按类型划分的排气槽位置（图略）
图 8.1 给出了面框分型面及封胶面周围许多潜在的困气位置及相应的排气槽位置。其中一些排气槽（包括靠近浇口的四个位置和四个拐角处的位置）可能并非必需，因为熔体流动以径向为主。由于流动是径向的，熔体应在不滞留任何空气的情况下到达模具边缘，并继续将空气进一步排入尚未充填的模腔。因此，这些位置无需设置排气槽。然而，熔体前锋的实际行为可能会略有变化，熔体在分型线上的某些位置困气的情况并不少见，如图 8.2 中 Ê 所示。虽然靠近浇口和拐角处的排气槽可视为可选，但模具设计者仍可选择在这些位置指定排气槽位置，以避免日后潜在的模具修改。图 8.2 左下角所示的流动末端处的排气槽位置应当设置，因为模腔中被置换空气的相当大一部分很可能由此排出。
图 8.2：封胶面上的排气槽位置（图略）
第二类排气槽需要设置在两股熔体前锋汇合处，如图 8.3 中 Ë 所示。在这种情况下，两个凹形熔体前锋相遇，会形成空气无法逸出的困气。因此，如图 8.3 所示，需要在模腔的内表面上设置排气槽。通常，设计顶杆来在模腔表面上提供此类排气功能。
图 8.3：制品内部的排气槽位置（图略）
第三类排气槽出现在模具的死角处。其确切位置并不总是显而易见，因此在图 8.4 中给出了三个例子，如 Ì 所示。在左侧细节中，熔体从型腔表面沿凸台（boss）的长度方向流动，最终在凸台端部困住空气。在中间细节中，两股熔体前锋在筋位（rib）处相遇，把空气推向筋位的顶部死角。在右侧细节中，熔体前锋斜向流过一条筋位。由于筋位上有一个缺口，空气可能被困在模腔的这个角落中。面框设计中大约有二十个这样的死角可能需要排气。
图 8.4：死角中的排气槽位置（图略）
上述讨论及进一步的观察表明，模具设计者可能需要考虑的排气槽位置大约有三十六个。这些排气槽位置不太可能全部都是必需的。此外，增设排气槽通常是一项相对简单的操作，可以在模具制造并试模之后完成。因此，模具设计者最初只在最关键的排气位置指定排气槽是相当普遍的做法。
例题：
对于面框模具，模具设计最初将指定七个排气槽位置，如图 8.5 所示。
图 8.5：初始排气槽位置（图略）
8.2.3 确定排气槽尺寸
一旦确定了排气槽的数量，就可以计算通过每条排气槽的空气流量。将总体积空气流量除以排气槽数量来估算每条排气槽的空气流量，似乎是合理的。然而，这种做法并不保守。原因是充填末端的确切位置是未知的。因此，大部分空气流量有可能不成比例地偏向制品每一侧四个位置中的任何一个。一种更保守的做法是假设所有局部空气流量都经由每一条可用的排气槽排出。
例题：
面框所假设的空气流量为 125 cc/s。这一总流量肯定会分成两股气流，各以 62.5 cc/s 的流量流向顶部和底部的两组排气槽。由于流向每条排气槽的确切流量未知，分析中将假设每条排气槽均按 62.5 cc/s 的体积流量进行设计。
一般而言，排气槽的长度和宽度由应用场合的几何形状决定。排气槽的最小厚度与为排出被置换空气所需的排气槽两端压降有关。最小厚度可以按照前面介绍的牛顿模型，将空气作为层流黏性流动进行分析推导得出。虽然流经排气槽的空气也许更适合用可压缩湍流来建模，但下面的分析更为简单，同时也极为保守 [1]。牛顿流体在矩形流道中的压降为：
排气槽的最小厚度可由排气槽的宽度和长度求得：
其中，
例题：
求在较低空气压力下排出被置换空气所需的典型排气槽的最小厚度。
保守的分析假设空气以 100 cc/s 的流量通过一条宽度为 10 mm、长度为 5 mm 的排气槽。为避免压缩气体而对塑料熔体施加更高的压力，将排气槽两端的允许压降规定为一个大气压（14.7 psi 或 0.1 MPa）。室温下空气的黏度为
Pa·s。于是，最小厚度为：
分析表明，对于该情形，0.05 mm 的排气槽厚度已经足够；如果排气槽更宽或更短，或者空气流量更小、或允许更高的压降，该厚度还可以进一步减小。这一由分析推导得出的结果，是工业界的常见推荐值 [2–5]。
需要再次强调的是，前述分析和例题是保守的，因为：
- 分析假设空气为层流，因此与湍流相比会得出更高的压降，并意味着需要更厚的排气槽；
- 几何条件和工艺条件针对的是单条小型排气槽，且空气流量相对较高；
- 所假设的室温下空气黏度高于空气被聚合物熔体加热或被压缩时的实际黏度。基于这些原因，排气槽的最小厚度通常不会成为限制性设计约束。
排气槽的最大尺寸与排气槽位置可容忍的最大飞边量有关。在排气槽这类极薄流道中飞边的形成是一个前沿研究课题，需要耦合传热与流体流动的瞬态仿真，并采用高度细化的网格和非常小的时间步长。目前不存在简单的解析解。然而，仅为讨论之目的，考虑应用层流黏性流动。飞边形成期间熔体的平均体积流量为：
将此关系代入式 (8.1) 的牛顿流动模型并求解厚度，可得排气槽厚度的上限约束：
其中，
对于大多数注塑成型工艺，熔体压力上升速率小于 100 MPa/s。飞边时间与排气槽中聚合物熔体的凝固时间有关。
例题：
用式 (8.3) 求典型排气槽的最大厚度。
假设排气槽厚度约为 0.06 mm，可用表 7.4 给出的浇口冻结时间公式估算熔体在形成飞边期间凝固所需的近似时间为 0.003 s。给定该凝固时间，飞边应在熔体压力达到下值之前凝固：
由于排气槽很薄，会产生显著的剪切变稀，因此假设较低黏度为 10 Pa·s。代入这些数值，排气槽的最大厚度为：
例如，如果允许 0.2 mm 的飞边长度，则排气槽的最大厚度为 0.08 mm。作为对比，提供充分空气流量所需的排气槽最小厚度为 0.06 mm。如果希望飞边更少，可以使用数量更多、更宽的排气槽以降低所需的空气流量，之后即可减小排气槽厚度，从而在保证充分排气的同时减少飞边。
鉴于上述分析所需的假设较多、可能难以应用，表 8.1 列出了来自各种手册的若干排气槽厚度推荐值。各推荐值之间的差异颇为有趣，且在一定程度上可以得到解释。差异的大部分很可能源于塑料工业长期以来的趋势：向更薄的壁厚、更快的注射速率和更高的注射压力发展；排气槽的最大厚度随熔体压力的增大而减小。与此同时，材料制造商一直在努力降低塑料树脂的黏度，同时改善其结构性能。因此，排气槽的技术标准不断变化、近来趋向于推荐更薄的排气槽，也就不足为奇了。
表 8.1 推荐排气槽厚度（mm）
| 塑料 | Glanvill (1965, [2]) | Rosato (1986, [3]) | Menges (2001, [4]) |
|---|---|---|---|
| 低黏度材料：PP、PA、POM、PE | 0.08 | 0.1 | 0.015 |
| 中黏度材料：PS、ABS、PC、PMMA | 0.2 | 0.3 | 0.03 |
8.3 排气设计
8.3.1 分型面上的排气槽
首先要考虑的排气槽类型是分型面上的排气槽。这类排气槽通常以极薄流道的形式直接设置在流动末端。许多模具的分型面上设有从分型线边缘向外延伸至更厚的排气”释放段”（relief）或排气”通道”（channel）的排气槽。图 8.6 给出了面框的排气系统设计，其中在型腔镶件的内、外表面上各设置了两条排气槽。排气槽的宽度
图 8.6：分型面上的排气槽设计（图略）
虽然排气槽应设置在分型面上的充填末端，但在型腔周边周期性地布置排气槽也并不罕见。对于中心浇口的圆柱形制品的成型，排气槽可沿整个模腔周边布置，如图 8.7 所示。在该设计中，盖子的型腔采用中心浇口，如三板模或热流道模具中那样。沿模腔整个周边设置了一条排气槽。鉴于排气槽宽度充裕，该排气槽的厚度定为 0.015 mm，长度为 1 mm。一条排气通道将排气环连接至镶件侧面及后续的出口。
图 8.7：圆柱形制品周围的排气槽设计（图略）
尽管上述设计在排出被置换空气方面无疑是有效的，但应指出，当模板发生弯曲时，这些设计容易产生飞边。正如将在第 12 章结构设计中讨论的那样，熔体压力会对模具型腔和型芯施加很大的力。任何显著的挠曲都会倾向于增大排气槽的厚度，从而增大飞边的可能性和飞边量。事实上，图 8.7 的设计可能问题尤为突出，因为盖子的外侧底面是最终用户会观察和接触到的区域。如后文 11.3.4 节的设计所示，在推件板（stripper plate）周边采用内侧排气槽可以解决这一问题。为避免过量飞边及相关的维护，建议谨慎使用分型面上的排气槽，厚度取 0.02 mm 左右。如果随后发现排气不足，可以增设排气槽或增大现有排气槽的厚度。
8.3.2 顶杆周围的排气槽
一种非常常见的做法是利用顶杆周围的间隙来实现排气。这种排气设计有许多优点。第一，顶杆的动作至少可以部分清理顶杆与型芯之间的排气通道。第二，顶杆应用普遍且为人所熟知。既然顶杆周围本来就需要规定间隙以提供滑动配合，那么将该间隙规定为适合排气的尺寸是经济的。
顶杆孔通常先钻孔、后铰孔。在模具制造中，顶杆与顶杆孔之间的直径间隙典型值为 0.13 mm（0.005 in），即每侧留有 0.065 mm（0.0025 in）的厚度用于排气。虽然这比前面建议的排气槽厚度略大，但出于若干原因，推荐在顶杆周围采用这一较厚的间隙。第一，该间隙有助于避免滑动摩擦增大和顶杆屈曲。第二，顶杆通常是在实体钢材中加工出来的，因此因分型面挠曲而产生过量飞边的可能性不大。第三，顶杆处与飞边相关的任何痕迹线通常位于非外观表面上。
图 8.8 给出了使用顶杆的一些典型排气设计细节。细节 B 显示了一个扁顶杆（ejector blade）和一个顶杆，均被赋予了用于排气的间隙 H。对于这两种顶出元件，排气通道从距模腔表面至多 3 mm 处开始，此后通道逐渐缩小至顶杆孔的公称孔径。在良好的顶杆设计中，这两个要素都应具备。较大的通道用于降低空气的流动阻力，同时也有助于顶杆与模具的装配。锥度有助于在模具装配时引导顶杆头部。
图 8.8：顶杆与扁顶杆周围的排气槽设计（图略）
排气槽长度
8.3.3 死角中的排气槽
对于死角处困气的排气，一种方法是使用专门用于排气的模具镶件。图 8.9 所示的设计中，在型芯镶件中加工出一个矩形凹槽，其中放置了一个排气镶件。如细节 A 所示，排气槽仅跨越预期会出现困气的筋位宽度。如细节 B 和 C 所示，排气槽的厚度
图 8.9：型芯镶件中的排气槽设计（图略）
应当指出，图 8.9 中镶件所提供的排气功能，也可以通过在同一位置使用扁顶杆来实现。扁顶杆很可能成本更低，同时还有助于制品的顶出。因此，排气镶件并不特别常见。
另一种设计替代方案是采用烧结排气塞（sintered vent），如图 8.10 所示，它是一种可用于在死角处释放气体的模具镶件 [6]。这类器件尺寸相对较小，直径通常在 2 mm 至 12 mm 之间，并含有许多直径在 0.03 至 0.1 mm 之间的小排气孔。鉴于其尺寸小且顶面不可加工，烧结排气塞最适合以其排气表面与平坦的模腔表面齐平的方式安装。此外，烧结排气塞可能需要间歇性更换或维护，因为其微通道可能堵塞，且没有简便的模内清理方法。
图 8.10：型芯镶件中的排气槽设计（图略）
8.4 本章回顾
在模具设计过程中，排气设计与分析经常被忽视，排气通道往往在模具试模并发现问题之后才设置。这种做法有一定道理，因为在验证模具充填模式之前，可能无法知道所有必需的排气位置。然而，对排气完全缺乏分析和预见，会导致严重的模具缺陷、耗时的模具修改以及代价高昂的产品开发延误。
读完本章后，你应理解：
- 所需的三种不同类型的排气：1）分型面上沿制品周边的排气；2）型腔内部两股或多股熔体前锋可能形成困气处的排气；3）空气无法逸出的死角处的排气。
- 可设计的不同类型排气槽，包括分型面上的排气槽、顶杆周围的排气槽以及型芯镶件旁的排气槽。
- 如何在给定所需空气流量且不产生飞边的条件下计算排气槽的厚度。
下一章将考察模具冷却系统，其目的是从高温聚合物熔体向模具冷却介质提供最大且均匀的传热。此后，将对模具的顶出系统和结构系统进行设计与分析。
8.5 参考文献
[1] Munson, B. R., T. H. Okiishi, W. W. Huebsch, and A. P. Rothmayer, Fundamentals of Fluid Mechanics, Wiley Global Education (2012)
[2] Glanvill, A. B. and E. N. Denton, Injection-Mould Design Fundamentals, Industrial Press (1965)
[3] Rosato, D. V. and D. V. Rosato, (Eds.), Injection Molding Handbook, Van Nostrand Reinhold Company, New York (1985)
[4] Menges, G., W. Michaeli, and P. Mohren, How to Make Injection Molds, 3rd ed., Hanser (2001) p. 409
[5] Tang, S., Y. Kong, S. Sapuan, R. Samin, and S. Sulaiman, Design and thermal analysis of plastic injection mould, J. Mater. Process. Technol. (2006) 171: pp. 259–267
[6] Wieder, K. A., Mold vent and method, U.S. Patent 6,827,569, issued Dec. 7 (2004)