章文飛
國家知識產(chǎn)權(quán)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(yīng)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(gòu)技術(shù)進(jìn)行綜述。
關(guān)鍵詞：中空吹塑成型；吹氣型芯；吹氣針
01 吹氣機構(gòu)技術(shù)演進(jìn)
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(jìn)入型坯從而吹脹型坯；而型芯吹氣是型芯直接進(jìn)入開口的型坯內(nèi)并確定頸部內(nèi)徑，型芯內(nèi)部設(shè)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(gòu)分為吹氣針和吹氣型芯兩類。
02 吹氣型芯的發(fā)展史及結(jié)構(gòu)技術(shù)
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(shù)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(jìn)行吹制，因此，早期的吹塑成型技術(shù)的吹氣機構(gòu)就是簡單的吹管。
吹管是一種比較原始的吹氣機構(gòu)，其應(yīng)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(xiàn)描述了一種吹塑成型技術(shù)，其中，吹氣機構(gòu)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(shè)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(dāng)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(zhuǎn)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(shù)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(jié)構(gòu)的吹氣型芯，吹氣型芯中間具有吹氣通道，兩側(cè)具有氣體回收通道，由此對與模具接觸部的吹氣型芯周側(cè)進(jìn)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(jié)構(gòu)上大體上遵從上述設(shè)計方式，只是根據(jù)應(yīng)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(jié)構(gòu)，均是對吹氣介質(zhì)回收后再對吹氣型芯進(jìn)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(jìn)行冷卻，其冷卻效果并不太理想，于是設(shè)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(shè)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(jìn)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(jìn)行冷卻是主流方式。然而，當(dāng)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(shè)備氣針的結(jié)構(gòu)設(shè)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(cè)上下各有1個孔，水從支座的上孔流入，進(jìn)入上環(huán)槽，通過上8孔流入氣針進(jìn)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(jìn)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(shè)計避免了傳統(tǒng)設(shè)計的冷卻水局部死循環(huán)的不足。
隨著技術(shù)的發(fā)展，塑料的應(yīng)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(jìn)行改進(jìn)，吹氣型芯的樣式也越來越豐富。但無論吹氣型芯的結(jié)構(gòu)和樣式如何變化，最根本的結(jié)構(gòu)沒有變化，吹氣型芯既要有氣體通道以便對型坯進(jìn)行吹氣，還要具有定徑的作用。
吹氣型芯的專利技術(shù)發(fā)展歷程如表1所示。
03 吹氣針的發(fā)展史及結(jié)構(gòu)技術(shù)
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(jìn)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(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置出氣孔，上述設(shè)計結(jié)構(gòu)都存在一個缺點，即當(dāng)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(jìn)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(shè)置多個刀片，而出氣孔設(shè)置的位置與針尖有一段距離。通過這樣的設(shè)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(shè)置了多個刀片，利用刀片對型坯壁進(jìn)行切割，避免了刺破時產(chǎn)生碎屑，而出氣孔設(shè)置在距錐形頭有一段距離的針桿體上，而不是設(shè)置在錐形針尖的圓周面上，即使產(chǎn)生碎屑，碎屑也不會進(jìn)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(shè)置，該設(shè)計方式對之后吹氣針結(jié)構(gòu)影響深遠(yuǎn)。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(cè)面的設(shè)計， 而2008年09月29日申請的US2010078842A1采用錐形針頭上設(shè)置多個刀片、出氣口在針桿側(cè)面的設(shè)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(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行改進(jìn)，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(xì)的吹塑制品時，仍會采用吹氣針。吹氣針的專利技術(shù)發(fā)展歷程如表2所示。
4 結(jié)語
中空吹塑成型吹氣機構(gòu)在國外已相當(dāng)成熟并實現(xiàn)了大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。目前，日本在吹氣機構(gòu)上的專利是最多的，而我國吹氣機構(gòu)的專利近十年來才開始起步，自有技術(shù)不多。但隨著吹塑技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)一步完善、提高，吹氣機構(gòu)又是吹塑成型必不可少的部件，我國吹氣機構(gòu)技術(shù)會得到進(jìn)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(gòu)隨著吹塑技術(shù)的推廣和應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)改造也會越來越好，希望我國技術(shù)人員能發(fā)揮創(chuàng)造性，對吹氣機構(gòu)進(jìn)行更加優(yōu)化和完善的改進(jìn)，從而對促進(jìn)模具工業(yè)本身的改革和發(fā)展產(chǎn)生積極作用。
和進(jìn)一步完善、提高，吹氣機構(gòu)又是吹塑成型必不可少的部件，我國吹氣機構(gòu)技術(shù)會得到進(jìn)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(gòu)隨著吹塑技術(shù)的推廣和應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)改造也會越來越好，希望我國技術(shù)人員能發(fā)揮創(chuàng)造性，對吹氣機構(gòu)進(jìn)行更加優(yōu)化和完善的改進(jìn)，從而對促進(jìn)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(xiàn)：
［1］魏剛，彭必友，廖永衡.塑料成型理論與技術(shù)基礎(chǔ)［M］. 成都：西南交通大學(xué)出版社，2013.
［2］李衛(wèi)民，李銘.大型中空吹塑設(shè)備氣針的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化［J］.機械設(shè)計與制造，2013（8）：233-236.
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