章文飛
國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州 215011
摘要：中空吹塑成型（Blow Molding）是一種中空成型制品的方法，是制造塑料制品最重要的成型方法之一，可以獲得各種形狀與大小的中空塑料制品。吹塑能較好地保證制品的外部形狀和尺寸，能成型用注塑等其他方法無法成型的中空制品。吹塑成型是將處于熔融狀態(tài)的塑料型坯置于模具型腔中，借助壓縮空氣將其吹脹，使之緊貼于型腔壁上，經(jīng)冷卻定型得到中空塑料制品的成型方法。吹塑成型在工業(yè)中應用十分廣泛，幾乎所有的熱塑性塑料都可以用于吹塑成型。本文主要對中空吹塑成型吹氣機構技術進行綜述。
關鍵詞：中空吹塑成型；吹氣型芯；吹氣針
01 吹氣機構技術演進
目前，中空吹塑成型的吹氣方式可分為針管吹氣和型芯吹氣。針管吹氣是利用中空針管刺破型坯壁，壓縮空氣通過針管中的流道進入型坯從而吹脹型坯；而型芯吹氣是型芯直接進入開口的型坯內(nèi)并確定頸部內(nèi)徑，型芯內(nèi)部設置有氣體通道和出氣孔，不需要刺破型坯壁。因此，根據(jù)是否需要刺破型坯壁這一特征，可以將中空吹塑成型的吹氣機構分為吹氣針和吹氣型芯兩類。
02 吹氣型芯的發(fā)展史及結構技術
吹氣型芯又稱為吹氣芯棒、吹氣芯軸，還有的稱之為吹氣管或吹氣嘴。
早期的吹塑成型技術借鑒了玻璃容器吹制工藝。玻璃容器吹制工藝主要是采用管對玻璃液進行吹制，因此，早期的吹塑成型技術的吹氣機構就是簡單的吹管。
吹管是一種比較原始的吹氣機構，其應用十分有限，只能成型簡單的吹塑成型制品。例如GB568090A、DIX-ON PLASTICS LTD和FRANCIS HAROLD TONSLEY在1941年3月17日申請的mprovements in or Relating to the Manufacture of Hollow Articles from Thermo-plastic Materi-al。該文獻描述了一種吹塑成型技術，其中，吹氣機構采用吹氣管，吹氣管和熱塑性材料型坯的一端被夾持在一個塞頭中，且吹氣管設置在型坯的端頭內(nèi)，壓縮氣體通過吹管吹入熱塑性材料型坯中，成型制品。
當吹氣型芯完成對塑料型坯材料的吹塑成型后，需要將吹氣型芯旋轉退出。然而，由于熔融狀態(tài)的塑料型坯材料溫度比較高，吹氣型芯在退離塑料中空容器時會出現(xiàn)與塑料中空容器的口部粘連的現(xiàn)象，影響塑料中空容器的質(zhì)量。為了解決上述技術問題，美國菲利普斯石油公司（PhillipsPetroleum Company）在1971年1月4日申請的專利US3717429A公開了一種具有冷卻結構的吹氣型芯，吹氣型芯中間具有吹氣通道，兩側具有氣體回收通道，由此對與模具接觸部的吹氣型芯周側進行冷卻，以使吹針頭與塑料中空容器之間形成顯著的溫差，從而防止粘連現(xiàn)象［1］。
之后的吹氣型芯，在冷卻結構上大體上遵從上述設計方式，只是根據(jù)應用的不同稍有調(diào)整。例如，1973年的US3937610A、1976年的US3955908A等。吹氣介質(zhì)早期多采用空氣，為了提高冷卻效率，也可以采用冷凍的二氧化碳、氮氣用于吹塑。但上述冷卻結構，均是對吹氣介質(zhì)回收后再對吹氣型芯進行冷卻，但由于吹氣介質(zhì)對型坯吹氣后溫度會升高，再對升高后的溫度回收用于對吹氣型芯進行冷卻，其冷卻效果并不太理想，于是設計了一種吹氣介質(zhì)與型芯冷卻分開的吹氣型芯，如1975年的DE2519137A1公開了一種具有單獨冷卻通道的吹氣型芯，吹氣型芯具有獨立的水冷卻循環(huán)系統(tǒng)，該設計使型芯冷卻很快，提高了生產(chǎn)效率。
除了采用單獨的水冷卻系統(tǒng)外，也有采用冷卻氣體代替水對吹氣型芯進行冷卻的，如我國于2012年申請的專利CN102848559A，型芯冷卻循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻介質(zhì)為冷卻氣體。
由于水冷效果比氣冷效果好，采用水冷卻系統(tǒng)對吹氣型芯進行冷卻是主流方式。然而，當吹氣型芯從包覆的型坯中旋出時，氣針主要做周向和軸向運動，這給水路的循環(huán)帶來了難題。李衛(wèi)民等的《大型中空吹塑設備氣針的結構設計和優(yōu)化》公開了一種吹氣型芯，通過在吹氣型芯外套的周向，上下各開8個通孔，上8孔為氣針的入水口，下8孔為氣針的出水口；在支座的一側上下各有1個孔，水從支座的上孔流入，進入上環(huán)槽，通過上8孔流入氣針進行冷卻，冷卻水通過下8孔流入下環(huán)槽，再由支座下孔排出，這樣吹氣型芯可以在周向運動的同時進行流水循環(huán)。同時，上下環(huán)槽用格來圈隔開，吹氣型芯的軸向行程不能超過環(huán)槽的軸向尺寸，即始終保持上、下8孔分別與上、下環(huán)槽相通，這樣就實現(xiàn)了吹氣型芯在軸向運動時也可以流水循環(huán)，而且這種設計避免了傳統(tǒng)設計的冷卻水局部死循環(huán)的不足。
隨著技術的發(fā)展，塑料的應用廣泛，塑料原料可以制造許多產(chǎn)品，例如，桶、燃油箱、雙壁箱、雙臂座椅等，吹氣型芯也根據(jù)成型產(chǎn)品的需要不斷進行改進，吹氣型芯的樣式也越來越豐富。但無論吹氣型芯的結構和樣式如何變化，最根本的結構沒有變化，吹氣型芯既要有氣體通道以便對型坯進行吹氣，還要具有定徑的作用。
吹氣型芯的專利技術發(fā)展歷程如表1所示。
03 吹氣針的發(fā)展史及結構技術
1942年7月15日，SUN RUBBER CO在1942年7月15日申請的Method for Producing Hollow Rubber Articles，公開號為US-2346634A，介紹了一種用于制造玩具娃娃的吹塑成型方法。該方法公開了一種具有錐形尖頭的吹氣針，錐形尖頭上有氣孔。錐形尖頭刺破型坯壁后，氣體從針體內(nèi)的通道吹出進入型坯，使型坯膨脹成型。采用該方法制造的產(chǎn)品外觀美觀，后期處理少。
早期的吹氣針結構均是針頭呈錐形，吹氣通道從針尾延伸至錐形針尖，或者是在錐形針尖的圓周面設置出氣孔，譬如，1949年10月3日申請的US2515093A、1950年9月1日申請的ES194433A1、1965年10月25日申請的US3492106A、1963年3月27日申請的BE -630207A等，壓縮空氣均是從錐形針尖處流出。
吹氣通道從針尾延伸至錐形針尖的方式和在錐形針尖的圓周面設置出氣孔的方式一直被沿用至今。前者用于對產(chǎn)品質(zhì)量要求不高的制品；而后者的出氣孔設計得更巧妙，可以避免堵塞針尖頂氣孔，因而廣受歡迎，在更多吹氣針上被采用。
無論是吹氣通道從針尾延伸至錐形針尖，還是在錐形針尖的圓周面設置出氣孔，上述設計結構都存在一個缺點，即當吹氣針刺破比較厚的型坯壁時，刺破時會產(chǎn)生碎屑，碎屑難免會進入出氣孔，從而對出氣口造成堵塞，影響出氣質(zhì)量。而且，刺破時會有型坯壁的碎屑掉落在型坯內(nèi)部，對型坯質(zhì)量造成影響。
為了避免型坯碎屑堵塞出氣口，保證制品質(zhì)量，1991年4月30日，F(xiàn)ORD MOTOR CO在美國申請了一項專利， 即US5078948A。該項專利記載了一種具有切割刀片的吹氣針頭，其在錐形的針尖部分設置多個刀片，而出氣孔設置的位置與針尖有一段距離。通過這樣的設置，吹氣針工作時，切割掉的坯料碎屑既不會堵塞出氣孔，也不會掉入型坯內(nèi)［2］。
該項專利在錐形針頭上設置了多個刀片，利用刀片對型坯壁進行切割，避免了刺破時產(chǎn)生碎屑，而出氣孔設置在距錐形頭有一段距離的針桿體上，而不是設置在錐形針尖的圓周面上，即使產(chǎn)生碎屑，碎屑也不會進入出氣孔，避免了堵塞。
后期很多專利中的吹氣針都采用了這樣的設置，該設計方式對之后吹氣針結構影響深遠。例如，1995年12月28日 (KYKO) KYORAKU CO LTD在日本申請的JPH09183150A就采用了這種出氣口在針桿側面的設計， 而2008年09月29日申請的US2010078842A1采用錐形針頭上設置多個刀片、出氣口在針桿側面的設計。
人們對吹氣針只能實現(xiàn)吹氣并不滿足，開始對吹氣針的結構和功能進行改進，希望賦予吹氣針更多的作用和功能。
現(xiàn)在，人們在制造中空塑料制品時經(jīng)常采用的是吹氣型芯，吹氣針已經(jīng)逐漸出了人類的視線，但吹氣針在塑料吹塑歷史上起到過很重要的作用，而且在制作精細的吹塑制品時，仍會采用吹氣針。吹氣針的專利技術發(fā)展歷程如表2所示。
4 結語
中空吹塑成型吹氣機構在國外已相當成熟并實現(xiàn)了大規(guī)模的工業(yè)化應用。目前，日本在吹氣機構上的專利是最多的，而我國吹氣機構的專利近十年來才開始起步，自有技術不多。但隨著吹塑技術的發(fā)展和進一步完善、提高，吹氣機構又是吹塑成型必不可少的部件，我國吹氣機構技術會得到進一步發(fā)展。目前，三維吹塑成型工藝已經(jīng)興起，相信吹氣機構隨著吹塑技術的推廣和應用，其結構改造也會越來越好，希望我國技術人員能發(fā)揮創(chuàng)造性，對吹氣機構進行更加優(yōu)化和完善的改進，從而對促進模具工業(yè)本身的改革和發(fā)展產(chǎn)生積極作用。
和進一步完善、提高，吹氣機構又是吹塑成型必不可少的部件，我國吹氣機構技術會得到進一步發(fā)展。目前，三維吹塑成型工藝已經(jīng)興起，相信吹氣機構隨著吹塑技術的推廣和應用，其結構改造也會越來越好，希望我國技術人員能發(fā)揮創(chuàng)造性，對吹氣機構進行更加優(yōu)化和完善的改進，從而對促進模具工業(yè)本身的改革和發(fā)展產(chǎn)生積極作用。
參考文獻：
［1］魏剛，彭必友，廖永衡.塑料成型理論與技術基礎［M］. 成都：西南交通大學出版社，2013.
［2］李衛(wèi)民，李銘.大型中空吹塑設備氣針的結構設計和優(yōu)化［J］.機械設計與制造，2013（8）：233-236.
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