简单的单向阀用弹簧作执行元件，而不是用液压缸，弹簧装在弹簧腔内。这种弹簧加载的单向阀成本低，设计紧凑。更为重要的是，一旦注射压力高到能够克服弹簧力之后，它总是关闭的。所以，用弹簧加载单向阀时，先开始注射、然后再打开喷嘴这一顺序得到保障。不过，这种单向阀不适合高温成型，因为温度高时，弹簧力将大大损失。使用这种单向阀的另一个问题是低黏度材料会渗漏到弹簧腔内，熔体渗漏到弹簧腔最终可能影响弹簧的作用，进而使单向阀发挥不了作用。
对于微孔注射成型来说，弹簧加载单向阀可以将弹簧腔进行改进作为熔体过滤器。实际上其不仅仅是一种熔体过滤器，而且还是一种提高气体与熔体混合物混合质量的优异静态混合器。在单向阀中增加一个混合器也是一种特殊设计，通过喷嘴提高注射过程中气体与熔体的混合质量。这种静态混合器可以根据混合程度所必需的要求来设计，但是其会大大增加喷嘴体的长度。 对于微孔成型比较难的一些材料，如橡胶相含量比较高的ABS，背压必须高达34.5 MPa。这样，需要使用大的执行元件，其设计并不紧凑，缸需要安装在机筒方向上。采用液压控制或者气动控制操作控制杆系统，出口孔最大密封压力达60 MPa。不论熔体压力有多高，都通过销来关闭出口孔。
即使特殊的传感器能探测止逆缸内柱塞的位置，富气体熔体加工的安全问题也会对关闭控制装置产生一个新要求。如果缸的柱塞不在关闭位置，高压气体计量就不允许下一个周期开始。
有一种情况需要设计紧凑的单向阀、在高温高压下工作，图4中给出了一种新型设计。关闭力会随着头销后面压力的升高而自动增大，弹簧只是起到辅助关闭的作用。弹簧安装在敞开的空间内，这样熔体漏流不会使其动作失效，因为在敞开的空间内漏流会被释放掉。喷嘴打开的位置必须是喷嘴与模具接触的位置，这样喷嘴头就被模具浇口套上的喷嘴接触力密封住了。要设定的唯一动作是机器运行时流道要断开，因为关闭时喷嘴能接触模具。
单向阀有一个关键参数要与注射体积流量一起讨论，即成核速率。如果没有阀浇口，成核速率与喷嘴孔的直径和数量关系就很大。下面讨论注射喷嘴和多流道注塑件的dp/dt的计算。
图4 设计紧凑的单向阀
（得到Trexel公司的许可）
如果螺杆大径为D，喷嘴孔直径为d，线性注射速度为υ，材料的黏度为μ，那么计算通过喷嘴孔的dp/dt的公式（参见附录A）为
式中
μ——牛顿流体黏度；
D——螺杆大径；
d——喷嘴孔直径；
υ——线性注射速度。
假设材料黏度μ为350 Pa·s，螺杆大径D为0.06 m，将dp/dz保持在最低值109 Pa/s，那么，不同直径的喷嘴孔所需的线性注射速度就很容易计算出来（表2）。比较喷嘴1（喷嘴孔直径d=0.009 52 m）和喷嘴3（喷嘴孔直径d=0.003 18 m）的线性注射速度，可以发现喷嘴1所需的最低注射速度是喷嘴3的26.6倍，所以，如果注射速度已经是最大线性注射速度，而且dp/dt的要求还没有达到，那么通过减小喷嘴孔直径能很容易地实现。
表2 不同直径的喷嘴孔所需的线性注射速度
| | 喷嘴1 | 喷嘴2 | 喷嘴3 |
| 喷嘴孔直径/m | 0.009 52 | 0.006 35 | 0.003 18 |
| 最低注射体积流量/(m3·s-1) | 2.03×10-4 | 6.02×10-5 | 7.63×10-6 |
| 0.072 0 | 0.021 3 | 0.002 7 |
2.1.2 阀浇口
单向阀仅适用于单一冷浇口模具。微孔泡沫注射成型大都用的是阀浇口。对于多腔模具，这是最好的选择。根据驱动装置的不同，阀浇口分为缸制动阀和弹簧制动阀两种。此外，阀浇口的设计中也有混合作用。为了避免注射过程中的两次成核问题，建议要么用阀浇口，要么用单向阀。一般来说，最好的成核位置在阀浇口处，因为阀浇口距离模具最近。那么，就应该用常用的敞开喷嘴，喷嘴孔要很大，这样在熔体流到阀浇口之前不会产生太多的成核。此外，熔体首先在喷嘴处通过成核产生泡孔，然后再次在阀浇口处经历高剪切。喷嘴处和阀浇口处的两次成核使包括注塑件中心处在内沿着厚度方向得到的都是严重变形的泡孔。
图5所示为微孔泡沫注射成型用的弹簧驱动的典型阀浇口，图中给出了其关闭位置。在注射开始时，阀浇口的杆在比较高的注射压力作用下向后滑动。顺序正确时，可以保证阀浇口只有在注射动作很久、能够在建立起压力后才打开。弹簧加载阀浇口的合理顺序解决了注射和阀浇口打开之间顺序错误产生的预发泡问题。在注射压力低于一定值后阀浇口由弹簧力关闭，而这一压力值一般就是维持第一阶段单相溶液熔体压力所需的最低压力。
1—气缸活塞；2—针阀；3—阀座；4—进料口
图6 气缸驱动的阀浇口
还有一种很常用的阀浇口设计，其采用了执行元件来主动开、关浇口。图6给出了典型执行元件制动的阀浇口设计，其采用气缸在开、关两个正向位置上两个方向驱动止逆杆。气缸驱动可以用液压缸驱动代替，这样设计紧凑，力更大，占用的空间小。阀浇口的设计关键是图5和图6所示的制动杆头。浇口的打开必须满足式（2）计算得出的成核要求。由于安全的原因，在任何情况下，阀浇口都必须遵从默认关闭这一原则，如电力下降或者是紧急停车。虽然带执行元件的阀浇口贵一些，但是在加工温度高于371℃时这是唯一的选择。加工温度高时弹簧力会大大降低，不能在高的熔体压力下主动将阀浇口关闭。
必须控制带执行元件的阀浇口和注射缸之间的顺序，保证注射建立起足够高的压力，同时柱塞还要已经主动开始运动。这样，可在不损失单相溶液中预先保持的压力的情况下将阀浇口打开。另一方面，阀浇口要及时打开，避免建立起的注射压力太高，损坏阀浇口系统。
在热流道或者多浇口系统中压力降速率必须在型腔入口处出现。如果热流道系统使用的是阀浇口，那么喷嘴孔要选择得尽可能地大，而且将用模具中的平均浇口尺寸来计算dp/dt。如果浇口平均直径为dg，模具中浇口数量（同时打开的浇口数量）为ng，那么dp/dt计算如下（参见附录A）：
如式（2）所示，对于多浇口系统，dp/dt不仅与浇口尺寸dg有关，还与浇口数量ng有关。表3列出了浇口孔直径为0.012 7 m的结构泡沫用多浇口模具和螺杆直径为0.06 m、注射速度为0.254 m/s时的结果。与单浇口相比，8浇口模具时dp/dt下降到原来的1/63。
表3 多浇口模具的dp/dt
| | 模具1 | 模具2 | 模具3 |
| 浇口数量 | 1 | 4 | 8 |
| dp/dt/(pa·s-1) | 2.2×109 | 1.4×108 | 3.5×107 |
从理解的角度看，压力降速率dp/dt需要在浇口处得到控制。控制浇口处的dp/dt可以得到细小的泡孔结构以及更为均匀的泡孔尺寸分布，而且泡孔扭曲轻。如果喷嘴孔的尺寸与浇口尺寸相当，而且两者都能满足最小dp/dt要求，那么喷嘴处成核的泡孔将会有很大的变形和破裂。
事实很清楚，阀浇口的最小面积决定着成核速率。图7给出了阀浇口的侧视图，显示出了制动杆的位置和可能的成核区域，在环形头或制动杆头与阀浇口腔之间的环形区，两者中较小的点用于计算成核速率。如果最小区域具有环形截面（图7b），那么估算压力降速率需要用下述公式：
式中：
dg1——制动杆的直径；
dg2——阀腔直径。
（a）侧视图 （b）环形流道截面图
图7 阀浇口打开区域
这类似于设计用于微孔泡沫微孔成型的单向阀，阀浇口必须维持高的密封压力。由于安全问题，阀浇口或者单向阀要求有通常的关闭特性，阀设在距离型腔最近的位置。所以，阀浇口为充模过程中的成核提供了最佳位置，而且流道系统浪费得最少。另外，它也可能是模具内最危险的热射流点。在阀浇口系统内是高压低黏度物料时，设计用于微孔注射成型的阀浇口必须要有比较好的密封性能以使浇口关闭。
用于微孔注射成型的螺杆和机筒必须要有传统注射成型机螺杆和机 筒同样的功能，即将固体塑料加到机筒内，向前输送、加热、熔融、压缩、混合，恒定注射体积计量。然而，微孔注射成型用的机筒和螺杆还必须能将气体在超临界状态下在最小压力（6.9~17.2 MPa）下加到塑料熔体中（一般的，计量段至少要有90%以上的熔融塑料）。螺杆必须将气体与熔体混合，然后使气体快速扩散到熔体中，在气体、熔体混合物积聚到螺杆头之前制得单相溶液。还要在最低的熔体压力下维持住单相溶液，在注射之前将其保持在螺杆头处。所以，除了成型问题外，目前开发的所有发泡装置关注的都是两种关键技术：在螺杆回位过程中形成单相溶液，在螺杆闲置期间将其保持住。单相溶液是在时间、气体用量（质量分数）、温度和压力之间必需平衡的条件下制得的。工业上可获得经济效益的工艺所用的压力甚至比参考文献中推荐的还要高，以期在很短的扩散时间内制得单相溶液，这是经济的解决途径。微孔发泡的原则和安全操作规则简单总结如下：保持单相溶液的压力更高，微孔发泡过程中压力释放得更快。本章研究其详细技术。 1 微孔注射成型用螺杆设计 注射成型螺杆是间歇性工作的，不像挤出螺杆那样连续成型。注射螺杆运转有三个主要过程：回位、加热和注射。此外，微孔泡沫注射成型螺杆需要在螺杆回位过程中用完多余的超临界流体。所以，每一个规程的新定义解释如下： （1）螺杆开始转动，进行塑化，这一过程称为螺杆的回位。在螺杆的中间部位，将超临界流体注入其自洁段，并与熔体混合。超临界流体与熔体的混合物称为单相溶液。在螺杆头积聚足够的单相溶液以备注射。 （2）紧接着，螺杆停留在原有位置，在螺杆头已经积聚了足够的注射物料。这期间有一个加热过程。其特殊的要求是在加热过程中保持最低压力，而不是在加热开始时就迅速释放熔体压力。加热时间需要尽可能地短，以使压力损失最小。 （3）最后，螺杆向前运动进行注射；单相溶液以设定的速度和压力注入型腔。注射过程是在充模范围内以必需的成核和注射时间进行成型。 2 螺杆设计总则 图1所示为微孔注射成型用螺杆的一般构型，分为5个区段：加料段、过渡段（压缩段）、计量段、自洁段和混合段，这样在计量段与自洁段之间需要考虑一个关键的限制元件。所有这些截面和压力限制元件的设计都要满足传统注射螺杆和微孔注射螺杆的性能要求。所以，螺杆设计必须遵从下述总的原则： 1一螺杆；2一机筒；3一注射器；4一单向阀；5一集料量；6一螺杆头；7一自洁与混合；8一中间单向阀
图1 微孔泡沫注射成型用螺杆的一般构型
（1）微孔泡沫注射成型螺杆加料段最好长一些，因为螺杆回位缩短了加料段的长度，这一变化将改变固体床的压力、温度分布和加料效率。所以，加料段的长度，一般占前三段总长的40%~50%，在螺杆满行程后，加料段最短也要在2~3D左右。 （2）固体床（泵送能力由加料段决定）是微孔塑料成型用螺杆比较好的喂料方式，这是因为微孔注塑件成型时背压为6.9~17.2 MPa，比注射成型螺杆通常的背压高10倍左右，在如此高的背压下熔体喂料（泵送能力由计量段决定）不是很好。固体床喂料在加料段能产生很高的物料压力，这样螺杆头处的背压就不会大幅度影响产率。为了实现固体床方式喂料，在加料段必须产生更大的摩擦力，熔融延迟到建立起足够的压力再开始。这种喂料方式的螺杆结构的要求是螺距小，螺杆小径处要进行喷涂，机筒加料段和螺杆加料段要强制冷却，采用开槽机筒及强制冷却等。 （3）微孔注射成型用螺杆的过渡段要足够长，因为螺杆位置随着回位行程而变化，因此物料熔融位置的开始点随着螺杆行程而变化。另一方面，机筒的温度曲线不同，也会改变熔融起始位置。所以，微孔注射成型螺杆的过渡段推荐为前三段总长的25%~30%。 （4）对于微孔注射成型用螺杆，计量段槽深要小。在螺杆头处背压很高、含超临界流体的物料黏度低的情况下，压力流对深计量段螺槽螺杆的产率影响很大。所以，微孔注射成型螺杆计量段螺槽要浅。 （5）为了稳定螺杆下方的压力，在计量段与自洁段之间产生压差，螺杆上要有凸起或者类似的结构。这种限制元件是在螺杆计量段建立起更高的压力、保持自洁段熔体压力较低的关键结构，这样气体能被更稳定、更恒定地加入熔体之中。如果用环形阀，凸起就是环座。如果用球阀，球座区就是限制区，其作用与凸起一样。下面将对这种结构进行讨论。 （6）需要专门的中间单向阀或者限流元件保持微孔螺杆内的熔体压力，因为其中有气体。换句话说，就是一旦将气体加到螺杆内，就必须保持一定的压力值，直到将熔体注入模具。选择中间单向阀时必须与螺杆头性能匹配，避免损失单相溶液中的熔体压力，或者是在注射过程中产生压力涌流，这很容易将机筒中间的破裂盘打破，不过这可以通过螺杆头与螺杆中间阀之间的顺序关闭来避免。 （7）自洁段设计有数个连续螺棱，并且足够长，覆盖螺杆整个行程。自洁段的槽深必须能够实现快速的熔体输送、稳定的气体输送（熔体压力恒定）和可控的熔体温升，所以，选定为计量段槽深的2倍左右，这样剪切热少，气体注射时熔体压力低。自洁段螺棱的螺纹升角大，可以快速向前输送熔体，避免产生气包。自洁段的长度是由螺杆总行程以及机筒上超临界流体注射器的数量决定的，至少要能够覆盖超临界气体计量的总行程。 （8）混合段对实现微孔注射成型螺杆的高质量非常重要。一般来说，注射成型机螺杆混合段长度不够。所以，MuCell?注射成型螺杆的混合强度必须很高，要能够在短的混合段内完成混合。对于微孔注射成型螺杆来说，分散混合一般比分布混合更为重要。 微孔注射成型时注射量一般最多比未发泡注塑件少20%，所以，如果微孔螺杆的速度与传统注射成型机螺杆一样，那么微孔螺杆回位的时间就比不发泡螺杆的短。下面将强调和讨论微孔注射成型螺杆的3个特殊要求：①螺杆必须产生足够的熔体压力。②螺杆要有快速的超临界流体计量元件。③设计中间单向阀时必须保证能够维持足够的熔体压力，使超临界流体保持在溶液中。（1）微孔螺杆中的熔体压力 对微孔注射成型螺杆的第一个特殊要求是在螺杆回位过程中产生足够的熔体压力。关于螺杆特定位置的压力有两个主要问题。第一个问题是，在螺杆回位过程中，在机筒的超临界流体注射器处保持恒定的压力或者小的压力变化。压力变化从计量开始到结束都会影响超临界流体的计量流量变化。螺杆行程和速度不同时，超临界流体的计量要恒定，这一点很重要。第二个问题是超临界流体计量位置上方的压力必须在整个计量过程中都保持在高位，高压是防止超临界流体从螺杆漏回料斗的最好密封方法。 图2为螺杆轴向的典型压力曲线，是在螺杆轴向上整个螺杆长度上测量的熔体压力。实验中加工所用材料为聚苯乙烯；螺杆直径D=0.105 m，有效长径比为32:l，屏障型截面设在过渡段。对于两种螺杆转速，所设定的背压相同，均为17.24 MPa。位置P3、P4和P5处测量的压力是这种螺杆三个传统区段的典型压力值。低螺杆转速（26 r/rain）时，在位置P5处产生的压力高一些，这一位置处于过渡段的最后。但是，高螺杆转速（100 r/rain）时，位置P5处的压力低，为9.2 MPa左右。这表明，低螺杆转速时，在螺杆方向上熔体压力建立得早。用凸起作为微孔螺杆的压力限制元件时，位置P3处的熔体压力在螺杆转速不同时几乎保持不变。此外，P2处为超临界流体注入处，自洁段槽深大，此处的熔体压力在螺杆转速不同时变化很小。这证明了凸起环这种结构与自洁段几何结构间的平衡设计，也就是说即使螺杆转速从26 r/min增大到100 r/min，超临界流体计量处的熔体压力也都恒定。P5—17D，过渡段最后（D为螺杆大径） P4—19D，计量段中部P3—20.25D，计量段末端与凸起中间 P2—22.75D，自洁段P1—32D，螺杆头前部
（实验所用螺杆直径为105 mm，屏障型螺杆，自动止逆螺杆头，中间环形单向阀。）
图2 微孔注射成型过程中螺杆轴向的典型压力曲线（得到Trrex~el公司的许可）
图3所示为典型的凸起环几何结构。凸起环位于螺杆计量段末端与螺杆中间处的单向阀或自洁段之间，其几何结构设计可以参考用于解压缩的两阶排气螺杆设计，也可以参考用于恒压力降的凸起环设计。在不考虑螺杆转速的影响时凸起环处的压力降可以用下列简化公式计算。 图3 典型的凸起环几何结构
式中：mT——恒定指数，是单位剪切速率时的黏度，参见公式（5）；△Lb——凸起环的轴向长度，m；δb——机筒内径与凸起环外径之间的间隙，m；sn——l/n；n——幂指数；Db——凸起环的外径，m；V——体积流量，m3/s。式中:mref——参考温度Tref时的mT（实验确定）；bT——黏温系数（实验确定）；Tpoly——加工时的绝对温度。 用式（3）估算压力降速率可能会有高达15%的误差，因为没有考虑凸起环的周向线速度，不过对于工程计算这已经很好了。还可以简化，进一步假设塑料熔体为牛顿流体，那么压力降可以改写为 需要设计的几何参数有机筒内径与凸起环外径之间的间隙δb和凸起环轴向长度ΔLb。很清楚，压力降Δpb与凸起环的长度呈线性关系，强烈依赖ΔLb。根据经验数据ΔLb等于螺棱宽度的0.5~0.8，这足以耐磨损，避免凸起环太长物料受到剪切作用。另一方面，如式（6）所示，凸起环长度ΔLb上的压力降Δpb反比于δb3，所以，间隙δb是一个敏感参数，在凸起环段，会使压力降速率和剪切热发生巨大变化。推荐的比值是控制压力降△pb在1.38 MPa左右，这足以稳定通过凸起环的压力降；克服SCF计量压力，防止SCF在螺杆中向后漏流。 位于P1和P2之间的压力曲线对于螺杆上SCF的恒定计量很重要，因为在螺杆回位过程中螺杆有向后的轴向运动。众所周知，往复式螺杆有两个运动，一个是转动，一个是沿着机筒轴向后的运动。但是，SCF计量位置是固定在机筒上的，所以，在螺杆回位过程中SCF的位置是变化的，因为此时螺杆相对于机筒向后运动。P1和P2之间理想的压力曲线是平的，也就是螺杆回位沿程SCF计量位置处没有熔体压力波动，实际设计难以实现这一点。解决方法是使压力曲线要么逐渐升高，要么逐渐降低（图2），这样压力平衡会根据螺杆方向上熔体压力的缓慢变化自动调整。这一点将与自洁截面和混合截面更为详尽的设计一起讨论。 还有一种压力限制元件设计可用来实现这种类似于凸起环的压力曲线，也就是用反向螺纹来代替凸起环。在反向螺纹的上方熔体压力高，下方熔体压力低。虽然计算很难，但是微孔泡沫成型用的单螺杆和双螺杆都已设计成功。这种设计的优点是制造简单，螺杆强度设计简单，而且还表现出优异的混合和剪切性能，加速SCF在熔体中的扩散。但是，加工就变得比较复杂，而且一种设计仅适用于一定黏度范围的物料。下面将讨论用于混合和剪切的反向槽截面设计。 （2）微孔泡沫注射成型用螺杆中SCF的计量 SCF计量就是将一定量的SCF加到熔体中的工作，SCF、恒定地溶于熔体中，最后与熔体混合形成所谓的单相溶液。这是由螺杆的综合性能决定的，包括压力曲线、混合以及混合中的剪切与自洁段内的剪切等。下面将详细讨论SCF对螺杆设计的这些基本要求。 SCF计量压力曲线的主要问题是如何在机筒内产生稳定的熔体压力，SCF在机筒内恒定计量；如何建立合适的SCF输送压力，引导SCF通过机筒流入熔体中。尽管通过式（3）或式（4）能估算出通过凸起环的压力降，但是SCF计量处即自洁段或者凸起环的下方仍然需要压力传感器。那么，SCF计量压力必须根据气体注射器同一位置处所测定的熔体压力来设定，要使气体计量压力低于凸起环上方的压力，但是要高于其下方实际的熔体压力。实际生产用的注射成型机在SCF计量位置处安装的压力传感器只有一个，所以，一般建议将SCF计量压力设定在0.35~0.69 MPa，高于机筒同一轴向位置处压力传感器读出的熔体压力值。 图4 加工PP时整个成型周期中总的压力曲线
图5 超临界流体计量压力和熔体压力之间的关系
为了掌握上述压力设定的规律，观察气体压力和熔体压力都很有帮助。图4给出了一条重要的压力曲线，表明了在螺杆回位和SCF计量过程中同一位置处SCF计量压力与相关熔体压力之间的关系。气体注射器处（与图2中P2相同的位置）气体与熔体之间的压力差对气滴尺寸也有很大的影响。传统结构发泡用螺杆气体注射处有解压缩段，在气体开始计量时产生巨大的气涌。这样，初始气涌（大气包）使气体与熔体的混合及其在熔体中的扩散更为困难。微孔泡沫注射成型用螺杆在气体计量处没有解压缩段，因此，在气体计量开始时气体压力不会下降得很快。图5给出了气体计量过程的每一个周期内典型的压差曲线，实验所用气体为N2；树脂为GPPS熔体；螺杆直径为30 mm，长径比为26：1。与图6.5相对应的加工工艺为：螺杆转速127 r/min；剪切速率52 s-1；气体注射器处的熔体压力16.2 MPa，背压13.8 MPa；恒压17.7 MPa、熔体温度440~F的条件下，N2加入量为0.5%（质量分数）。 压力差在1.45 MPa左右。图4有三个主要特征，第一个特征是气体注射器打开时气体的初始压力降逐渐从设定值开始增大。熔体压力迅速增大0.67 MPa左右平衡更高的气体压力，这有助于防止气体开始注射时产生气涌。在气体注射开始时螺杆会有建压元件响应初始气体压力突增。气体开始注射时，气体压力降将实际的熔体压力增大到16.9 MPa，在16.9 MPa时只维持3 s。第二个特征是，即使熔体压力保持在16.9 MPa，气体压力也会持续下降。这就是说，气体流动速率持续缓慢增大，从而使熔体压力也开始下降。这是因为黏度极低的气体层将熔体与机筒内表面的界面进一步润滑，从而使螺杆的泵送能力缓慢下降，所以，即使在黏度因气体润滑作用而下降的情况下，螺杆的计量段也要足够长，以稳定泵送能力。在螺杆泵送和气体计量产生新的平衡时，在气体关闭之前要将压力稳定在16.6 MPa。气体和熔体最终的稳定压力几乎都出现在气体计量总时间15 s的一半时。第三个特征是在气体计量过程中气体与熔体之间的压差恒定在0.2 MPa。这一详细的压力曲线对于理解螺杆内气体计量过程很有价值。实际上，图4中的压力曲线证明螺杆设计是成功的，在气体计量之后，可使熔体压力很快地恢复到稳定压力。如果螺杆设计失败，在气体计量过程中熔体压力会持续下降。重新设计凸起环可以对其进行修正。 （1）自洁段设计。Burnham等人在2001年申报了一项关于自洁段多螺棱和注射器端部多孔的设计专利。实际测试表明，只有自洁段的多螺棱是必需的，而注射器处的多孔会使SCF计量不稳定，从而使不同成型过程得到的微孔注塑件质量不同。这是因为降解的塑料可能会积聚在一些孔中，最后将其堵塞，而SCF总是流向阻力最小的地方。所以，最后不同成型过程中真正开着的孔的数量是变化的。解决的办法就是一台注射器只用一个孔。 图6所示的自洁段设计有三个功能：一是将熔体从SCF计量处输出，二是将压力保持在与凸起环下方几乎相同的水平，三是将SCF发泡剂变成小气滴。第一个功能与螺杆螺距及其轴向方向上的螺纹升角有关。第二个功能需要设计螺槽深度，减小或增大下方的螺槽深度，具体是增大还是减小取决于螺纹升角。
图6 自洁段与SCF注射器的设置图示
1 微孔注射成型机筒设计 薇孔注射成型所用机筒需要改进：类似于排气机筒，两者都有孔供机筒中部的排气阀使用，不同之处是孔的作用不同。微孔注射成型时机筒上的孔是供SCF注射器使用的，而排气机筒上的孔是供排气阀使用的，将湿气或者化学蒸气从机筒中排出。此外，SCF注射器、破裂盘和压力传感器的特殊布置是三者固定在同一截面上，因为气体注射器是大多数微孔注射成型螺杆的标准构型。讨论如下：
（1）压力传感器必须安装在SCF注射器的同一轴向位置处，这一点十分重要，因为要用这一压力读数设置准确的SCF计量压力，不论螺杆设计如何，这都是确定SCF输送或者计量压力的最好办法。这也是SCF计量压力自动跟踪这一位置处的熔体压力变化唯一可靠的电子信号。
（2）在加工温度低于通常的加工温度时，需要有空气冷却的加热圈，加热圈安装在接近螺杆混合段的机筒前半部分。在多数情况下，这并不是一种经济的解决方案，实际上也没有广泛使用。
（3）轴向和周向方向上都可能需要不止一个SCF注射器。如果螺杆回位行程长，就需要在轴向上安装多个SCF注射器，这不仅增加了有效的SCF计量行程，也缩短了自洁段的长度。下面将给出结果分析。周向上的多个SCF注射器用于增加气体加入量，进行大剂量计量。此外，机筒上还需要破裂盘。破裂盘必须设置在螺杆头与中间单向阀之间，而且必须保证螺杆头不超过破裂盘的位置。
（4）富SCF物料在机筒内的注射压力比不含气体的至少低30%，但是仍然推荐采用传统注射压力时的高强度机筒，因为有时可能需要先用不含气体的物料测试模具，有时富SCF物料用于充模，而且只有100%充模的注塑件尺寸稳定性才高，在充模即将结束时需要高的注射压力。
（5）黏度极低的SCF与塑料熔体混合，得到低黏度的富SCF物料，这将大大降低螺杆的产率。为了弥补产率的降低，有时需要用开槽机筒促使加料控制的输送系统螺杆提高产率，其不受气体计量过程的影响。所以，此时的产率不仅与不含气体的物料一样高，而且不同物料中气体含量不同时也都一致。
1.1 机简体的安全装置
不发泡工艺的传统安全操作要求将默认喷嘴打开作为安全规定，也就是在出现意外损失或者是紧急停车时机筒内的压力通过打开喷嘴得以释放。与纯熔体相比，气体.熔体混合物（单相或者部分单相溶液）或者纯气体（气袋）在富气体熔体中储存的能量更多。所以，夹气工艺将安全操作规定从默认喷嘴打开改为默认喷嘴关闭。美国塑料工业协会机械分会夹气指导委员会研究了夹气工艺的安全问题，并于2003年5月发布了卧式注射成型机夹气工艺的指导原则。为了更好地理解这一指导原则，下面将讨论安全法规的基本原理以及与安全有关的一些实验。
气体辅助注射成型和气体发泡工艺常用的技术之一就是使用超高压气体。气体辅助注射时，在注射气体时，气体压力为2.5~30 MPa，迫使熔体为气体在注塑件中空出气道。而发泡过程中单相溶液所需的熔体压力为6.9~34.5 MPa。所以，对于这两种工艺而言，储存在气体中的能量几乎一样。式（1）是计算受压气体所储存能量的公式：
式中：
U——储存在气体中的能量J； 、
pg——气体压力，MPa；
pa——大气压力，MPa；
κg——等熵指数（对于N2为1.41）；
V1——气体体积，cm3。
式（1）的计算基于一定氮气气体的可逆绝热膨胀。很明显，pg越高、V1越大，气体中储存的能量U越多。同样，熔体中储存的能量如式（2）所示：
式中
B——熔体本体模量，MPa；
Pld——液体压力，MPa。
一般来说，同样条件下，储存在液体中的能量大大低于储存在气体中的。例如，230℃时本体模量为857 MPa的通用型聚苯乙烯，单位体积所受压力为34.48 MPa，储存的能量约为0.69 J；同样条件下，压力为34.48 MPa时，储存在单位体积N2气体中的能量约为68.68 J。所以，同样条件下，纯气体储存的能量约是塑料熔体的100倍。气体-熔体混合物也是如此，在同样的压力和体积时，气体储存的能量也高于熔体本身。
因此，如果在出现意外压力损失或者紧急停车而没有预警的情况下，有人仍然在模具区丁作而报警装置打开时，默认喷嘴打开和阀门打开就都有潜在的危险。发泡工艺将喷嘴默认关闭作为安全规定来设计和设置机器控制装置。对于往复式螺杆注射成型机，积聚在螺杆头处的物料的压力必须通过螺杆的自由运动得以释放，而不是通过喷嘴打开。为了保证以这种方式释放压力，在动力损失后螺杆应该能够自由运动。在有与没有自由行程的往复式螺杆微孔发泡注射成型机上进行了验证实验。所用螺杆直径为60 mm，物料为GPPs，氮气用量为0.5%（质量分数），熔体温度为230 ℃，熔体压力为20.7 MPa。实验选用了两种螺杆自由行程，一种是满注射量注射，螺杆满行程，剩余行程为0%；另一种情况是螺杆用掉了90%的行程，还剩下10%的行程。在熔体压力保持在20.7 MPa时按下紧急停车，模拟意外动力损失，记录机筒压力随着时间的变化情况。动力切断l min后，剩余行程为0%时，机筒内残存的压力从20.7 MPa下降到13.4 MPa；剩余行程为10%时，残存压力也快速地从20.7 MPa下降到6.3 MPa。此外，剩余行程为10%时残存压力只有0%时的一半。建议微孔成型时往复式螺杆不要使用满行程。
在意外压力高于69~83 MPa时，螺杆头与中间单向阀或螺杆限流元件之间的压力应使用破裂盘或者释压阀释放。但是这种释压阀只用于保护机简体上的部件不受损害，而不是保护附近的工作人员。一般需要很长时间才能将机筒内富气体熔体的压力完全释放掉。
2 微孔注射螺杆头
螺杆头（也称截止阀）是微孔注射成型重要的截止阀，其主要有下述三个作用：
（1）防止注射过程中螺杆中部压力突增。
（2）所有循环间的注射量都保持恒定。
（3）保持螺杆不运动期间压力恒定。
截止阀是注射成型机的重要部件，固定在螺杆头处，起截止作用。传统注射成型所用截止阀有很多种不同的设计，但是大多数都对微孔注射成型不起作用。所以，快速关闭或者预关闭（也称自动关闭）的螺杆头是微孔注射成型螺杆所必需的。一开始，微孔注射成型螺杆所用螺杆头主要是起预关闭作用的，后来在一些特殊应用中出现了失效，使用有所减少。2000年TTexel的Xu发明了一种新型螺杆头设计，并于2002年公开了其应用。这种螺杆头的独特之处是基于两阶关闭原理，简单、可靠。在这种截止阀中，采用改进的标准滑块环关闭，两阶动作，即分为预关闭阶段和最终关闭阶段，既可以用在所用微孔注射成型螺杆的前部作为螺杆头，也可以在传统发泡和微孔发泡中用作中间限制元件。下面将详细讨论所有成功用于微孔注射成型的螺杆头。
2.1 预关闭螺杆头
微孔注射成型要求使用快速关闭阀或者预关闭阀，因为在螺杆闲置期间和整个注射行程内都必须维持高的熔体压力。此外，气体.熔体混合物的黏度比较低，因此，要求截止阀的性能要更好。有中间限制元件的微孔螺杆构型使大多数截止阀的性能都不可靠。下面讨论几种典型的微孔成型用预关闭截止阀。
图1所示为Spirex的典型截止阀，具有自动关闭功能。在螺杆转动时，螺杆中所建立的熔体压力降低提升阀2打开，使熔融物料从阀体1入口向前流向阀体和提升阀人口间所形成的出口。一旦螺杆停止转动，提升阀在弹簧的作用下自动后退，提升阀头接触阀体座，阀出口自动关闭。提升阀在注射前关闭，防止螺杆停转和注射行程过程中熔融物料向后流过阀体。这种阀的缺点是在提升阀与阀体之间的间隙可能有流向弹簧室的漏流，导致自动关闭功能失效。在应用实验中还有更多的问题，如冷起时阀体有可能漏流；阀体的外径处有磨损，因为它随着螺杆一起转动；如果阀没有完全关闭，在注射过程中，提升阀的轴弯曲等。不过，仔细设计，充分考虑上述问题，自动关闭阀仍然是通常黏度、未填充材料加工时有用的螺杆头。
（经过Spirex许可，美国专利5164207）
1—阀体；2—提升阀；3—弹簧；4—轴承；5—锁紧螺母
图1 自动关闭的截止阀
Md塑料公司研制出了一种改进型的自动关闭螺杆头（称为Posi-Trol阀），其上的环不随螺杆转动，这样就解决了外径处的磨损问题。球形面导向头使环与机筒导向环转动柔性对中。有两个销钉限制打开位置时环的轴向运动，迫使轴随着螺杆一起转动，这样锁紧弹簧位置的螺母就不会失效。但是，这种设计使轴承受转矩的能力下降，截面处的销钉或者轴在螺杆冷起时会断裂。一旦螺杆停止转动，高强盘簧迅速将环关闭。这种阀的主要缺点是可能向弹簧室漏料（与上述Spirex的自动关闭阀一样）。在静止头测试过程中，这种螺杆头表现出优异的快速关闭性能和极好的密封。不过，这是一种复杂的设计，加工和维修都很昂贵。
市场上还有多种截止阀被用作自动关闭阀。常用阀中有一种是湿式弹簧球阀，它可以快速、彻底地关闭。缺点是：①阀随着螺杆转动，因此阀外径处有磨损；②内部结构复杂；③小球阀槽内限制流动。
Zeiger工业公司研制了一种湿式线簧加载环形阀。它通过线簧主动将环关闭，但是环随着螺杆转动，而且环本身可能存在一些死角，熔融物料有滞留。温度高于345℃后，弹簧的作用可能不好。
美国阀门公司的往复阀根据柱塞不同面积上熔体压力的平衡产生自动关闭作用。不过，这种阀只在一定面积比及很窄的黏度范围内起作用，而且在螺杆回位过程中通过柱塞的压力损失很大。螺杆头体随着螺杆转动，外径处磨损很快（存在与Spirex公司的自动截止阀、球阀等一样的问题）。
2.2 两阶关闭的螺杆头
这是一种简单的截止阀（图2），固定在注射螺杆头处控制熔融物料只向前流动。截止阀头体与螺杆刚性连接。环相对于头体运动，以便在环处于打开位置时使熔融物料向前流动，在环处于关闭位置时阻止熔融物料向后流动。后座固定在头体和螺杆头处，支承处于关闭位置的环，在环和座之间形成密封面。这里利用两阶关闭原理设计这种螺杆头。第一次关闭称为预关闭阶段，建立起类似于喉咙（如间隙、小孔等）的狭窄流槽。阀完成第一次关闭之后，就开始第二阶关闭。随着时间的持续，两阶关闭持续进行，直到阀门完全关闭为止。
图2中截面图的上半部分是两阶关闭环设计的全剖视图，下半部分是传统OEM环设计的全剖视图。其后座需要改进，多一次关闭过程。环就采用传统的设计，不用改进。两阶关闭产生了一个很窄的间隙作为预关闭距离或者一次关闭量。所有标准的OEM设计通常的关闭量都是环关闭的全部量，包括二次的量。除了环或者后座需要改进外，总的来说这是一种简单设计。
其设计理论也很简单。首先，预关闭的距离很短，是传统环形阀关闭量的20%左右，也就是说预关闭的速度是传统环形阀全关闭速度的5倍。这种阀入口的打开面约为槽面积计量值的60%~70%，在阀打开时，对于自由流动区域，没有限制问题，这一点很好。此外，这种螺杆头打开过程中剩下的间隙很小，因此在阀打开时，其限流效果就像液压节流阀一样，向前流动的压力损失很小。表1给出了各种阀的流量比较。与其他截止阀相比，这种新型两阶关闭阀的流量可以接受，高于所有自动关闭阀，如Spirex、Posi-Trol Md阀等，但比传统环形阀低7%~13%（表1）。
注：1.Vl—spirex自动截止阀的流量，V2—Trexel改进型两阶关闭阀的流量， V3—Posi—Trol Md阀的流量，V4—标准OEM三元件环形阀的流量。
2.螺杆直径为60 mm，转速为103 r/min，材料为PP，发泡气体为N2。
这种阀的关闭分析可参考图2中的设计。漏流槽的几何形状可以简化为窄槽，宽度为πD2、高度为δ，两者之间满足条件πD2>>δ。漏流量（体积流率）Qa可以用下述简单公式进行计算：
式中
Qa——螺杆头处漏流的体积流量；
D2——环的公称内径或者座阶的公称外径；
n——幂指数；
Δpr——通过螺杆头环的压力降；
La——环内径与后座外径之间重叠的轴向长度；
δr——环内径与后座外径之间的径向间隙。
标准环形阀在注射 前环打开至少2 mm，而相比之下，注射前，两阶关闭阀的间隙很小，只有 0.2 mm，为前者的1/10。流量正比于间隙的二次方，因此其漏流量只有传统环形阀的l%左右。在这种情况下，漏流可能只会引起开始时的漂移，在环移动的距离大于开始时打开的距离后就会完全封闭。
整个螺杆头处的压力降是环上下两侧的压力差，随着环不断关闭，直到完全关闭，压力降都在增大。此外，由于间隙很小，因此，即使磨损了，压力降也总是很大，足以使环不断关闭，因为压力降越大，作用在环下方的力越大（图2中左侧）。
图2 两阶关闭的螺杆头结构示意图
两阶关闭螺杆头的缺点是，这种方法只对在螺杆完成回位后采用位置控制方法的注射成型机才有效。采用压力控制方法时，这种螺杆头有初始漂移问题。所以，预关闭螺杆头是采用压力控制方法的注射成型机的唯一选择。
如果在螺杆完成回位后注射成型机采用的是位置控制方法，那么也没有任何问题，因为压力会很快在螺杆头处与单向阀中间达到平衡。这样，螺杆刚好保持其位置，环也是如此，打开的间隙就一直保持着，直到螺杆中间的压力低于螺杆头处的压力。于是，这一压差就成为螺杆头和中间阀自动关闭环的驱动力。
如果主要参数设计得正确，那么就能实现自由流动和快速关闭问的良好平衡。从性能上看，所有其他阀都不能满足快速关闭和自由流动要求。两阶关闭阀具有下述特点：
（1）快速预关闭保持螺杆头处和螺杆中部的熔体压力。
（2）环形阀只由机头导向，并不随着螺杆转动，因此外径处的磨损轻。
（3）最后的关闭取决于座表面，座表面强度很大，能够承受很高的注射压力，这样，就不会有破裂部件问题，如spirex自动截止阀的破裂轴等。
（4）冷起时没有破坏两阶关闭环形阀零件的危险。
（5）磨损部件如环、后座等都是标准件，是很具互换性的零件。
（6）在两阶关闭阀内没有死角，因此，没有换色、换料时产生的降解问题。
（7）可以承受任何静止头测试，这样，即使喷嘴凝固了，也没有破坏机筒中部破裂的危险。
（8）两阶关闭阀要么是非弹簧加载的阀，要么只是部分弹簧加载（只有满行程的20%）的阀。因此，其动作时没有小的弹簧初始漂移，这样弹簧不能及时反应时也就没有破坏破裂盘或者加工不稳定的危险。
（9）这种两阶关闭阀也是解决所有物料加工问题包括漏流<低黏度物料）和磨损（高度增强的物料）最为可靠的设计。
这种设计的另外一个重要应用是作为微孔螺杆中部的限制元件。在微孔螺杆上，中间两阶关闭环形阀的预关闭和中间阀最后的关闭都动作得很好，因为中间阀的后侧（上方）是朝着料斗方向开着的，而料斗在螺杆停止转动后，上方压力立即下降。这样，中间阀上方的压力（与螺杆前部的熔体压力一样）迅速成为关闭中间环形阀的巨大驱动力。如果主要的几何参数设计得恰当，就能实现自由流动和快速关闭间的良好平衡。从性能上看，所有其他阀都不能满足快速关闭和自由流动要求。
2.3 螺杆头和中间单向阀的关闭顺序
由于微孔螺杆中间总是有单向阀或者限制元件，因此螺杆头和中间单向阀的关闭顺序就可能成问题。根据图3中ps和pt间的压差可以很清楚地解释这一点。压力ps是靠近气体注射器处熔融物料的压力，压力pt是螺杆前部所积聚物料的压力。众所周知，ps和pt这两个压力都必须保持在最低压力要求值，将气体保持在溶液中但没有预发泡。但是在螺杆完成回位、注射之前，压力ps必须低于压力pt。因为临界压差保持着关闭动作，使螺杆头首先关闭，然后中间阀关闭。如果中间阀关闭得比螺杆头早，注射开始时的第一个压力峰值将传过螺杆头，将压力突增传递到中间阀。结果是安全破裂盘立即被这一压力峰值破坏，自动生产将不得不停止。这种压力差的唯一例外是小注射螺杆上有反向槽限制元件，反向槽截面人口槽和出口槽间的小剪切间隙总是开着的，这样注射开始时的第一个压力峰值将通过反向槽截面的间隙，避免破裂盘破坏。
1—螺杆；2—机筒；3—注射器；4—单向阀；5—集料量；
6—螺杆头；7—自洁与混合；8—中间单向阀
图3 微孔泡沫注射成型用螺杆的一般结构
做了一个专门的实验来测量螺杆头与中间单向阀（靠近气体注射器）间的压力ps，注射机螺杆直径为60 mm，用的是环形螺杆头和中间球形单向阀。在同样的螺杆头上测试了两种不同的环。一种是通常的OEM环，关闭量为5 mm；一种是两阶关闭环，将关闭量从5 mm减小到1.5 mm。加工材料为PP（Montell，XMA6170P，熔体流动速率为35 g/l0 min）。两个实验的注射速度相同，都为0.076 m/s。在注射开始时通过螺杆头环的压力降速率与假设中间阀首先关闭而此时螺杆头并不完全关闭的情况下夹在混合段间的物料的压力突增相当。实验表明，通常的OEM环的关闭量大（5 mm），注射过程中在螺杆头之后产生了压力峰值（图4），然后这一压力峰值在用两阶关闭螺杆头将关闭量从5 mm减小到1.5 mm时消失了。图5中的压力突降表明环关闭性能良好。这一实验结果证实，两阶关闭螺杆头优于带中间单向阀的微孔螺杆常规螺杆头。
最后，将有关螺杆头和中间单向阀的顺序总结如下：
（1）关闭时间顺序为螺杆头一中间单向阀，这样，螺杆头前部的熔体压力将高于螺杆头与中间单向阀之间的压力。因此，螺杆头前部就真正处于关闭位置，因为其熔体压力高，能够克服螺杆头后部的低压，紧紧关闭。但是，螺杆头与中间单向阀之间的熔体压力必须维持在最小值，这一压力值足以保持单相溶液同时又低于螺杆头前部的压力。
图4 注射过程中环形螺杆头的压力曲线（关闭量为5 mm）
图5 注射过程中环形螺杆头的压力曲线
（关闭量为1.5 mm）
（2）打开时间顺序为中间单向阀-螺杆头。保持螺杆头前部关闭这一点很重要，避免在熔体建立起很高的压力之前螺杆头与中间单向阀之间的高压单相溶液漏过螺杆头。还需要将机器设计得在注射完成之后熔体压力ps和pt总是保持得一样。
根据所讨论的技术细节，表2列出了推荐的螺杆头和中间压力限制元件的实际结构。
表2 螺杆头和中间压力限制元件的实际结构
2.4 注射螺杆与螺杆头的系统分析
为了分析塑化塑料的能力与气l本向塑化装置中的溶解性能，需要将螺杆和螺杆头（包括中间阀）看做一个体系。将所有这些部件放在同一台注射成型机中，是最为复杂的系统，因为作为一种典型的微孔成型手段，其中有螺杆、螺杆头以及机筒中间处的单向阀等。
3 锁紧装置
除了锁模力要求低外，微孔注射成型机的锁紧装置与常规注射成型机的设计一样。但有更多特殊要求。一个是模具裂开发泡（反向压制、反向注射压制），另一个是顺序注射压缩排气。锁模装置不仅要盛放微孔模具，还提供注射成型操作所需的所有运动。
由于微孔发泡成型不需要充模或保压来防止凹痕，而且熔体黏度低，因此与不发泡注射成型相比，锁模力的降低可以高达40%~60%。型腔压力是解释为什么锁模力有如此大下降的最好参数。例如，在微孔注射成型机上成型发泡与不发泡的PBT、注塑件，不发泡时，测得的最大型腔压力是105 MPa；而发泡时，最大型腔压力仅为45 MPa。微孔发泡注塑件的锁模力减小了57%。在大多数应用中，实际的锁模力减幅取决于模具设计、流长比、物料的黏度、气体用量和种类、注射线速度、型腔压力以及模具和熔体压力等。
3.1 模板设计
微孔注射成型所要求的锁模力降低使设计人员可以将注射成型机设计得拉杆之间的间距更大以及模板更薄。下面是微孔注射成型时所要求的模板厚度和拉杆间距的一些计算。
假设典型注射成型机的模板1与模板2都符合下面的条件：
（1）模具载荷均匀作用在模板中心部件上（图6）。
（2）模板具有简支梁结构，固定在两端的支承上（图6）。
（3）模具承载长度与支撑总长之比固定在0.65左右。
（4）模板在1 m距离上的变形量厂不超过0.2 mm。
（5）两个模板所用材料相同，梁截面的惯性矩相同。
（6）传统注射成型机和微孔注射成型机的模板支承总长度分别为L1和L2，承受的总载荷分别为W1和W2。
W—模板总载荷；L—模板支承间的距离；
b—简支梁每一端无载荷部分的长度
图6 锁模模板的简支梁示意图
那么，载荷比与支承问总长度比之间的关系如下：
式中
W1——标准模板上的载荷；
W2——微孔成型模板上的载荷；
L1——标准模板支承间的距离；
L2——微孔成型模板间的距离。
对于大多数的微孔发泡成型，注射成型机所需的锁模力只有不发泡注射成型时的一半。所以，微孔成型模板的拉杆间距可以长26%，这意味着微孔成型模具的投影面积比标准模具大59%。另一个选择是模板厚度比标准模板薄20%。
3.2 最大和最小模具面积
为了控制一定压力下充模过程中模板的平直度或者变形，根据拉杆间距和最大锁模力为每一个锁模装置规定了最小模具面积。这只是根据作用载荷W和支承间距离L的变形量来计算的。微孔注射成型不需要采用最大锁模力，所以最小模具面积就会相应减少。但是，在大多数情况下，需要考察最大模具面积，以充分利用模板面积注射成型最大的注塑件，而不必购买锁模力更大的注射成型机，这是低锁模力微孔注射成型机的主要优点。表3给出了相同单位变形量（跨距1 m，变形量0.2 mm）时，传统注射成型机和微孔注射成型机推荐的最大模具面积与最大锁模力。从上述假设3）可知，如果模具承载长度与支撑总长度之比固定在0.65左右，则采用每一最大锁模力时注射成型机锁模模板的最大面积可以用表7.8中给出的模具面积乘以2.37来计算。对于无拉杆注射成型机，优点更为突出，因为微孔发泡成型使加丁厂商能充分利用模板面积。
表3 微孔注射成型机和传统注射成型机的最大模具面积与最大锁模力
3.3 模具开模力
一般来说，微孔注射成型的开模力改变得不是很大，但是，有时需要增大而不是减小，即泡孔压力没有完全释放，注塑件在模具内膨胀，在型腔和注塑件间产生摩擦力。摩擦力一般为零，因为塑料收缩很大，所以模具打开时型腔不会与注塑件接触。总的来说，成型微孔注塑件时模具的开模力应该小于未发泡注塑件，因为开模力要克服的大部分力是在大吨位压缩过程中的模具变形、模具内的真空、在高压力保压过程中的局部浇口区变形等。所以，微孔成型的开模力在大多数情况下一般都应该减小。
3.4 微孔注射成型时锁模装置的特殊作用
Dolphin Skin开发的一种新技术成为一个非常吸引人的课题，其利用反向压制技术在一面制得光滑表面，在另一面用泡沫制得具有柔软触感的表面。实验时注射成型的是一种轿车仪表板，图7给出了这种模具的构造示意图。注塑件是用两台完全相反的卧式注射成型机顺序注射成型的。第一阶段是成型玻璃纤维增强的PBT/ASA共混物（巴斯夫的Ultradur S4090），形成未发泡的光滑表层。过一段时间后，表层材料固化，足以支撑在其上进行下次注射。第二阶段是注射富气体材料，在第一阶段注射的表层上叠塑。所发泡的材料是一种特殊聚酯（Pibiflex，P-Group公司一种易于发泡的热塑性聚酯）。两次注射都首先进行100%充模，因此冷却阶段就没有发泡，富气体物料保持厚度S1。在表层固化充分后，自延迟注射时开始，富气体物料就一直处于熔融状态。然后，锁模装置解压缩，把模具从S1位置微开到S2位置，且S2>S1。之后，未发泡表层后面的富气体物料膨胀，通过均匀发泡填充（S2-S1）之间的空间。这样，发泡一侧也会有一个光滑表面，因为在发泡之前形成了表层。
（a）模具合模，厚为S1的富气体物料，没有发泡
（b）模具微开，厚为S2的富气体物料，膨胀，发泡
图7 反向压制模具构造示意图
3.5 低锁模力降低能耗
微孔注射成型锁模力低所带来的能耗降低是有关微孔成型优点的有趣话题。薄模板、采用小锁模力的大模具等肯定降低了成本。此外，运行低锁模力的合模装置的也能降低能耗。从零件损耗上看，锁模力低能延长合模装置上关键零件的寿命，如拉杆和模板等。但是，合模装置本身的降耗还不够，因为整个注射成型机的液压系统是按照注射装置的大部分要求设计的。这是因为注射压力峰值和高的注射线速度是整个成型周期中耗能的最高峰值，必须由注射成型机动力源来配备。采用电动螺杆和蓄能器改进的液压系统来降低能耗是一个好的思路。
4 微孔注射成型装置的结构及参数 微孔注射成型机的结构类似于传统注射成型机，只不过其要求高的注射速度和低的注射压力。注射装置上的相关关键部件有注射缸、液压马达或者电动机，还有推力轴承，注射装置常用规格的推力轴承可用于微孔成型。但是，由于一旦形成单相溶液，熔融聚合物的黏度就会降低，模具只填充满注射量（完全不发泡）的80%~90%，因此微孔注射成型的平均压力比传统注射成型低60%。微孔注射成型的另外一个重要特点是不需要注射压力峰值或者保压压力。没有保压过程这一点很重要，因此微孔注塑件中没有残留应力。不过，微孔注射成型时，最好采用大的体积流量，以提高减重幅度，改善泡孔结构，但并不总是需要。微孔注射成型的另外一个基本要求是必须一直保持作用在螺杆头上的背压，不论螺杆转动还是不动。换句话说，也就是注射装置总是处在压力之下。尽管第6章从加工方面已对有些细节进行了讨论，但在下面的章节中还将讨论优选高注射速率和注射装置设计问题的有关理论和实验。
4.1 螺杆与喷嘴（或者阀浇口）之间的特殊关系
与在螺杆设计中讨论的一样，注射动作的精确度取决于螺杆头截止元件。此外，注射动作必须按照注射和喷嘴或阀浇口打开的正确顺序来控制。
（1）与螺杆头的关系 从注射的观点看，螺杆头截止阀有两个主要作用：
①通过截止阀自动将螺杆头从螺杆中间截面分开，在注射开始的时候防止螺杆中间部位压力突增。
②在所有循环间都维持恒定的注射量和最低的熔体压力。
快速截止或者预关闭螺杆头是保证微孔注塑件恒定注射量和质量不变的关键。对于环形阀来说，一定不能采用在注射之前通过解压快速关闭螺杆头这一传统方法，因为解压会立即破坏单相溶液，产生额外的空间预发泡。另外一种快速关闭螺杆头的方法是开始时快速注射。低黏度物料微孔成型时，开始时的高速注射确实有助于迅速将螺杆头关闭。
（2）与螺杆的关系通常建议，微孔成型螺杆尽可能选择得大一些，这是因为微孔成型所需的注射压力低。注射机筒与螺杆直径的常见强化比为8~12。大直径螺杆要求短的回位行程，这样可以使微孔成型稍微容易一些。这是因为大直径螺杆的回位行程短不仅有利于机筒上只有一个SCF注射器的SCF计量，还有利于快速注射。大直径螺杆短注射行程的主要优点如下：
①具有微孔注射成型所必需的高体积注射速率。
②注射时间短，有利于注塑件获得更好的均匀泡孔成长历史。
要注意的另外一点是螺杆回位的高背压设置，这是制得单相溶液的必需要求。背压最低约为6.9 MPa，最高为34.5 MPa，即螺杆头前部的熔体压力。这可能会在机筒内产生过量的机械热。另外，还会在螺杆回位过程中在推力轴承上产生轴向力。一般来说，
螺杆尾部的推力轴承要设计得具有很高的承载能力和很长的使用寿命。
（3）与截止喷嘴和阀浇口的关系 有关截止喷嘴最为重要的问题是在除注射和保压过程外的整个成型过程中都保持压力。所以，注射和喷嘴打开的动作必须按下面的顺序进行：首先注射，然后再打开喷嘴，滞后打开时间约为0.5 s。对于弹簧加载的截止喷嘴和弹簧加载的阀浇口，这种关闭顺序自动保持。但是，采用动力制动（液压缸或者气缸）时，注射成型机的控制柜必须按上述正确顺序设置。否则，喷嘴或者阀浇口中的高压富气体熔体在喷嘴或者浇口打开时会自由地注射到模具中，而不能及时获得随后必需的压力。
4.2 高的注射体积流量与低的注射压力
注射速度控制着均匀成核和小的泡孔。在新泡孔成核比已有泡孔长大容易时，才出现微孔的均匀成核。在大的压力下降过程中，单相溶液经历了SCF在聚合物中的溶解度下降。从溶液中流出的SCF要么进入已有的成核泡孔中，要么辅助成核新的泡孔。微孔发泡要求在压力下降过程中产生最多的泡孔。产生大量泡孔的条件是，从溶液中流出的SCF最好形成新的泡孔，而不是进入已有的、正在长大的泡孔中。出现均相成核的第一个条件是形成成核点所需的时间必须大大短于SCF扩散进已有泡孔的时间。第二个条件是，SCF进入新泡孔的距离必须小于稳定长大泡孔的间距。从实际意义上讲，实现这一点的唯一办法就是保证成型过程中注射阶段出现很高的压力降速率。进一步讲，有可能将压力降速率与注射体积流量以及注射系统的喷嘴、流道和浇口设计联系起来。利用这一理论，可以定量表示出压力降速率概念如何影响成核过程，而以前的模型不总是能全面解释如何将理论用于实际的注射成型。
Park等人发现了全饱和物料中微孔泡沫成核所需的最小压力降速率。对于PS-HI材料而言，用质量分数为10%的CO2发泡时，在压力降速率dp/dt从0.18×109 Pa/s增大到0.9×109 Pa/s时，泡孔密度从109个泡孔/cm3增大到109个泡孔/cm3。理论上讲，泡孔密度109个泡孔/cm3会产生约为10 m大小的泡孔。所以，用SCF饱和Ps-HI时，要得到10 m的泡孔所需的压力降速率为109 Pa/s。非常重要的一点是，单相溶液的饱和压力变化时，实现均相成核所需的压力降不同。
实际上，满足最小压力降要求所需的注射速率与很多参数有关，包括模具浇口尺寸、物料、气体种类及其用量、熔体温度等。目前从实际的成型结果看，所需的最小压力降速率dp/df约为109 Pa/s，甚至更高。但是，实际上，对于大多数热塑性塑料，100 Pa/s这样的压力降速率dp/dt就足以实现均相成核。重要的是，在实现最小压力降均相成核时，成核过程仍然被看做是均相成核和异相成核的混合成核。换句话说，也就是一旦实现了均相成核，会得到微孔泡沫，填料产生异相成核，聚合物的多相性只是使总的泡核点增加了而已。所以，一旦达到109 Pa/s的压力降速率，大多数热塑性塑料和应用都能得到微孔泡沫（假设为全饱和的聚合物溶液）。大多数实际情况表明，异相成核十分有助于成核。所以，对于填充材料，109 Pa/s的实际压力降速率可能就不再需要了。
注射成型的结果表明，最高密度在浇口处，最低密度在流动末端。显然，线性注射速度越高，密度分布越均匀。另外，低线性注射速度充模更慢，形成的表层更厚，这样流槽变窄。结果在浇口附近产生过充模，在流动末端欠保压。
此外，线性注射速度是控制微孔注塑件表面粗糙度的重要参数，需要很高，以保证充模时间最短，这样流动前沿的气体就不会逃逸。如果气泡有足够的时间变成大气泡，就会穿过塑料熔体流动前沿而破裂。气泡留下的孔洞被剪切区拉伸，被剪切速度差推向模具表面（剪切速率在模具表面最大，在熔体流中间层最小）。
对于大多数往复式螺杆注射成型机，标准注射体积流量（未对注射装置和液压系统进行改进）很高，这样单是喷嘴尖内可能的压力降速率就高于最小压力降速率109 Pa/s，表4列出了不同孔径的三种喷嘴尖，除了直径为30 mm的螺杆与9.525 mm的喷嘴尖孔组合不满足压力降速率要求外，均是微孔注射成型最为常用的尺寸。但是，事实上9.525 mm的喷嘴尖孔从来也不会在直径为30 mm的螺杆上使用，表4中所列的数据只是表明可能不恰当的组合，得到合适的压力降速率。所以，表94组合涉及了所有OEM注射成型机目录中的螺杆、喷嘴尖和合理线性注射速度的实际范围。
图8给出了微孔发泡聚烯烃所需的标准OEM注射体积速率与经验值的比较。聚烯烃材料难以制备微孔注塑件，所以，其经验注射体积流量是确定微孔成型必需的注射体积流量的基准。直径80 mm螺杆的标准注射体积流量已经高于经验值。但是，即使所有直径螺杆的注射体积流量都小于经验值，这些值也都彼此很接近。结论就是标准注射体积流量很合理，足以处理大多数要加工成微孔注射成型结构的材料。
表4 采用标准OEM注射体积流量时螺杆直径与喷嘴尖孔
注：喷嘴1，孔径3.175 mm；喷嘴2，扎径6.35 mm；喷嘴3，扎径9.525 mm。
图8 微孔发泡聚烯烃所需的标准OEM注射体积速率与经验值的比较
此外，在有些情况下传统注射成型机不能产生很高的注射体积流量满足特定材料的要求，此时，液压蓄能器就是提高注射体积流量的最好办法，而这远超过了标准OEM的能力。液压蓄能器方法将在液压装置设计的章节讨论。
4.3 注射线性速度曲线
高压下的富气体熔体储存了很多能量，可以用式（1）计算。所以，微孔注射成型的特殊之处就是开始时的注射恰好是这一储存能量完成的。这是喷嘴或阀门打开时高压气体与熔融物料混合物的喷涌，这就是避免开始时低速注射的原因所在。根据式（1）中已知的储存能量，可能的对空注射速度可以估算出来。另一方面，如果开始时的注射速度太高，则有可能出现喷射。不合适的初始注射速度是下列几种可能缺陷的主要原因之一：
(1）初始注射速度不合适可能在浇口处产生大的气旋。
(2）初始注射速度太高可能在模具内产生喷射，在注塑件上产生弱点。
(3）初始注射速度必须跟上可能产生的初始高压气体一熔融聚合物物料的喷涌，避免平稳、持续注射的中断。
(4）延迟喷嘴或浇口打开是避免尝试最佳注射速度的最好办法。此外，需要计时器控制喷嘴或阀浇口打开与初始注射的顺序。
常规注射控制要么是恒定速度控制（一般是回油模式），要么是恒定压力控制（最大压力模式）。在注射行程的大部分过程中都采用恒定速度控制，而恒定压力控制只用于最后的保压过程。众所周知，发泡不需要保压，所以在微孔注射成型中可能不需要恒定压力控制。此外，对于微孔注射成型来说，注射速度比注射压力更为重要，因为注射速度是影响成型结果的关键参数。一般来说，在通常的微孔成型过程中，在注射行程的大部分过程中都采用恒定速度控制更有意义。
一旦注射速度的设定跟得上气涌，注射行程其余部分就能设定成核和充模一些特殊要求的恰当注射速度。理论上讲，注射速度曲线必须满足下述标准：
(1）总的注射时间必须在气体逸出自由流动前沿的范围内。
(2）在整个注射行程内，通过喷嘴或浇口的压力降速率必须保持为相同的值，或者在一定范围内变化。
对于第一个标准，总的注射时间可以根据流长比和模具结构得以控制。但是，第二个标准很复杂，因为它要求所需的压力降速率从开始到充模结束都要保持一致。压力随着模具内充模体积的增加而增大。最为有效的方法是记录控制器上的动态压力曲线，然后找出注射行程每一位置处的压力值，进而根据公式①求出注射速度曲线。一个成功的快一慢（在行程的前67%内是200 mm/s的快速注射，在最后的33%行程内是3 mm/s的慢速注射）注射速度曲线使得到的试样在整个注塑件内都具有好的泡孔。其他的快速注射试样或者慢速注射行程太短的试样都不能在整个注塑件内得到均匀的泡孔。有很多原因能解释这种结果，其中之一就是高速注射时浇口是压力最大之处。如果模具中留有的发泡空间过大，可能不仅有更多的空间发泡，而且还会降低浇口处的压力。另一方面，由于最后33%的行程时发泡有足够的时间在自由空间内膨胀，同时很低的注射速度为浇口处泡孔长大释放更多的压力提供了机会，推动物料流到模具内。换句话说，就是在如此低的注射速度时发泡所致的压力释放速度比浇口处的压力建立速度高。
4.4 保压过程与保压压力
微孔成型不需要保压，因此，也就不需要保压压力。但是，有时注射成型机需要一个很短的保压过程，从而在螺杆回位开始之前使液压系统从注射过程平稳过渡到螺杆头前部恒定的熔体压力。另一方面，节省了保压时间。
不需要保压压力，也是因为只需要充模80%~ 90%，具体程度取决于减重幅度。有一种新的思路可以降低浇口附近的压力、使浇口处的泡孔更多，实际上就是从螺杆向后运动时开始解压，而后，在解压一定行程之后，尽可能快地关闭喷嘴或者阀门，避免物料从模具浇口处向后流。在螺杆头前部停留的物料中有过大的压力降之前，这一动作必须快速完成。换句话说，也就是必须将某一最低压力作为解压的下限值。在下一个回位动作开始之前，必须建立起新的压力，以使螺杆头前部再次处于高压状态。如果模具制造商能在浇口处制造一些释压元件释放浇口压力，也能在浇口处产生更多的泡孔。这是微孔成型的一个特殊要求，因为在最终的注射之后要马上解压。所以，这一思路还没有用于注射成形机控制中。
4.5 低压注射、零保压和保压过程所带来的节能
能够进行微孔注射成型的注射成型机实际的节能源于注射装置。表5中的数据为在目前全液压锁模注射成型机上进行的节能分析。例如，微孔成型的注射压力可以降低高达50%，而注射速度不变。注射装置的能耗（占总能量的13.5%）远高于锁模力建立的能耗（占总能耗的3.1%），这样注射装置的节能也会十分巨大。此外，省掉了保压过程（占总能耗的6.9%）也省掉了。
表5锁模力为1 500 t、螺杆直径为160 mm、螺杆长径比为24:1的传统注射成型机的能耗和所用时间
在大多数肘杆式锁模装置中，在很短的时间内注射装置占用了动力的大部分，注射成型机总动力消耗相应地就由这一能耗决定了，使电动机在短时间内过载50%。现在，可能不需要根据整台注射成型机的注射峰载来配备总的动力。这种注射成型机用于微孔注射成型时节省的能耗会更多。所以，低注射压力所占的节能比例可能更高，可与低锁模力相比，因为肘杆式锁模装置本身就是一种节能装置。
1 微孔注射成型的液压系统 设计微孔注射成型机的液压和控制系统时有两个必须满足的要求，一个是在螺杆回位与SCF计量过程中可控的背压以及螺杆闲置过程中恒定的背压，另一个是如前所述的最小注射速度。另一方面，控制系统必须与SCF计量要求相匹配，根据螺杆内自洁段的位置按顺序开启气体注射器。液动螺杆或者电动螺杆必须配备主动型加工设置，一般是高的螺杆转速在冷却的最后完成螺杆回位和SCF计量。这是在最佳条件下利用成型周期缩短设置每一个动作来运行微孔成型的关键。此外，微孔成型注射成型机的液压系统必须根据美国塑料工艺协会推荐的安全指导原则来设计。
1.1 机筒内的液体背压控制
发泡装置有特殊的液压设计，液压要保持恒定，在螺杆停止转动后保持单相溶液所需的最低压力，一般在6.9 MPa以上和34.5 MPa以下，具体大小取决于所用塑料以及熔体中的气体用量。另一方面，微孔注射成型时在螺杆回位过程中仍然要求可控的螺杆背压。
（1）液体背压曲线微孔成型的液体背压曲线实现的方式类似于传统注射成型机，可以根据物料加工和螺杆设计设置多达10条不同的背压曲线，制得均匀的单相溶液，实现精确的注射量。大多数情况下，SCF计量需要在整个螺杆回位过程中都有相同的背压设计，因为恒定的SCF计量是指在整个计量过程中熔体压力都没有变化。但是，如果螺杆的几何结构在SCF计量位置处使压力发生变化，如反向槽螺杆设计，背压曲线就需要进行相应地设置。在整个螺杆行程期间反向槽螺杆在固定SCF注射器位置处的压力曲线表现出持续增大的趋势。如果预置的SCF计量压力只比熔体压力高出0.35 MPa，那么，这一位置处的熔体压力在整个螺杆行程中就会从20.66 MPa增大到23 MPa。这一2.34 MPa的压力增加值肯定不仅仅是持续降低SCF计量速率，而且也会使SCF过早地在某处停止计量，因为螺杆自身产生的熔体压力增加也已经超过了SCF和熔体压力之间设置的最大压差21 MPa。但是，如果根据已知的压力曲线在控制柜中将背压设置为持续下降，那么，就能得到压力测量位置图中的水平压力曲线。所以，微孔注射成型中仍然需要通常压力控制曲线所设置的背压曲线。
（2）螺杆闲置期间恒定的液体背压在微孔注射成型中，液压装置必须改进，在螺杆完成回位、闲置等待注射的过程中维持恒定的压力。液压装置需要比例阀或者伺服方向阀来控制每一个周期间的最终注射量保持—致，并且在螺杆闲置期间维持其不变。有几种不同的液压装置可以满足这一要求，讨论如下。
由液压装置实现位置控制是螺杆闲置期间恒定液体背压控制的最简单方法，它只是保持完成回位之后的螺杆位置。采用这种方法时，能够将闲置期间的螺杆位置和背压保持在一个可以接受的变化范围内。事实上，这种液压控制不仅经济，而且也是保持单相溶液中熔体压力的可靠方法。其工作原理是伺服阀非常精确地控制螺杆最终的回位位置。螺杆尾部的初始位置存其停止转动时可能不能保持不变。螺杆会被积聚在螺杆头处的单相溶液中的气体压力向后推，然后，位置偏差会被伺服阀立即纠正，即伺服阀通过注射缸的向前运动推动螺杆向后回到预设位置。这一动作会自动使所需维持的背压得到恢复，最终平衡的背压可能不会与预设的背压完全一样，但是非常接近。一旦由于位置控制的最终平衡而产生压力损失，可以将这一压力损失加到预置的压力中最终维持背压和位置，不会有任何损失。这种位置控制方法是大多数小吨位微孔注射成型机最为常用的方法。
另一种常用的方法是直接进行压力控制，精确保持预设恒定压力。这同样适用于微孔成型，因为其要求恒定背压。采用这种方法在螺杆回位之后维持压力的困难在于螺杆头处的瞬时密封。一旦螺杆完成回位，螺杆头必须立即关闭，在设定压力下螺杆头处不能有漏流。否则，螺杆会向前漂移，因为螺杆头处有漏流，而且注射量也减小了。这样，一旦螺杆的位置变化量超过极限，注射成型机就会停机。图1给出的典型微孔螺杆头漂移实验结果表明，精确控制压力的液压装置没有万全的方法控制螺杆头。可以接受的方法是将螺杆位置偏差的许用范围设置得宽一些（最大偏差许用值为2 mm左右）。只要每个成型周期中预关闭截止阀所需的漂移距离恒定，对于微孔注塑件来说，这一许用范围仍然合理。有了这种特殊的液压系统和控制参数设置，图1中除了标准的OEM三元件环形阀V4外，所有螺杆头都是合格的。
Vl—自动截止阀；V2—Trexel改进型两阶关闭阀；V3—Posi-Trol Md阀；V4—标准的OEM三元件环形阀；V5—阀体上有柱塞密封环的自动截止阀
（得到Trexel公司的许可）
图1 在静止头测试中五个螺杆头的漂移距离比较
另一方面，对于图1中测试的所有螺杆头，在螺杆回位过程中，位置控制也不会有漂移问题，它比压力控制方法对螺杆头磨损和密封问题有更大的承受能力。
2002年Engel公司开发了一种安全装置，而且还申请了专利。该技术提供了一种工艺和装置，在安全装置打开的过程中避免了对单相溶液的破坏，将流道料或者注塑件从模具中取出，同时维持其安全标准。图2给出了这种特殊液压回路的示意图。它在螺杆回位之后保持螺杆位置，通过截止阀7将通向注射缸的油人口关闭；然后，控制器（图2中未示出）根据与注射柱塞相连的螺杆位置控制传感器8和螺杆9检查位置偏移信号。如果纠正螺杆的位置变化需要从液压系统中得到更多的油和更大的压力，那么方向控制阀3将打开，使旁路的油通过减压阀4、节流阀5和单向阀6供应，校正柱塞的位置，保持螺杆的位置。这种压力系统的螺杆确实是低速运动（节流阀控制的低流量），能够维持单相溶液但没有危险。液压要尽可能地低，只要能够维持单相溶液即可。如果出现异常压力损失或者紧急停止按钮被按下，需要立即释放注射成型机的液压。
1—压力传感器；2—控制器；3—方向控制阀；4—减压阈；5—节流阀；6—单向阀；7—截止阀；8—螺杆位置控制传感器；9—螺杆
图2 维持恒定压力和螺杆位置安全所进行的液压回路改进
维持螺杆头处背压恒定的另外一种典型液压设计是图3所示的蓄能器回路。一旦注射缸的压力低于设定值，方向控制阀4电路起动。蓄能器1中的液压油流过减压阀3、方向控制阀、节流阀5和单向阀6，提高注射缸中的压力。压力开关打开，从系统泵中给蓄能器充油。8是紧急释放或排放阀，可以是手动的，也可以是自动的。为了保证微孔成型过程的操作安全，推荐采用自动释放阀。
1—蓄能器；2—压力开关；3—减压阀；4、10—方向控制阀； 5—节流阀；6—单向阀；7—螺杆；8—紧急释放或排放阀； 9—先导式单向阀
图3 用蓄能器改进液压回路维持恒定压力
最后，介绍一种简单的液压方法，即对传统注射成型机进行改造，加装微孔注射成型功能。现在广泛采用这种设计对现有的液压系统进行改造。先导式单向阀是双向、电磁控制的座阀，一般都是开着的，刚好装在注射缸入口与主阀（现有阀与注射缸相连）A口之间。一旦螺杆完成回位，单向阀的电磁铁迅速起动，将液压注射缸中的高压油与已有的阀隔离。这种阀要选大尺寸的，以处理通常注射过程中的油流，而且不应对注射成型机常规操作有影响。即使是最好的密封阀也有一些渗漏，所以，这种方法只在螺杆闲置时间不是很长时才有效，理想的时间是不超过1 min。
1.2 螺杆驱动系统的液压设计
低黏度SCF注入聚合物熔体时起到增塑剂的作用。一旦SCF和聚合物形成单相溶液，溶液的黏度就会大幅度下降，使螺杆转矩减小。表1表明，将CO2气体（典型用量为质量分数为6%）添加到GPPS熔体中后，所需的螺杆转矩约下降10%，这就是说可以在不增加液压马达功率的情况下提高螺杆转速。上述发现意味着对于传统的往复式螺杆注射成型机，一般只需要采用一个新的微孔螺杆和机筒（带气体注射器），而一般不需要对液压马达或者塑化装置进行升级改造。但是，必须提高液压马达的转速来弥补气体的增塑作用以及SCF计量的高背压所致的产率损失。螺杆驱动系统的液压设计结果也适用于电动螺杆驱动系统，只不过是用电动机和齿轮箱代替液压马达而已。
表1 加与不加气体时，直径105 mm螺杆所需的转矩
还有一种可能，就是将螺杆用作SCF计量的加气部件。在这种情况下，气体通过螺杆尾部到达螺杆中，从而实现SCF的计量加气。所以，这就需要液压马达轴的中间是空的，用于螺杆计量系统。
1.3 注射液压系统传统设计
微孔注射成型的液压系统传统设计必须提供高的注射体积流量，解决方案有两种，即采用蓄能器和大的体积泵。众所周知，传统注射成型机用的通用注射缸有两种回路，一种是最大压力回路，一种是回油回路（也称为最大速度回路）。图26给出了这两种回路的示意图。那么，可以用下面的公式计算力和速度。
在图4所示的最大压力回路中，最大注射压力为
式中：
pmax——最大注射压力；
As——螺杆大径处的面积；
A2——注射缸反向一侧柱塞截面面积；
d2——注射缸简直径。
A2/As称为液压缸的强度比，工业标准值为8~12。从图4中可以看出，如果油直接流向油箱，那么，柱塞杆没有产生阻力。回路的背压是由回油回路的长度、回路直径以及单向阀采用很小开启压力的可能性决定的。但是，为简化计算，在式（1）中一般将压力设为0。不过，这种回路总是要在注射压力和注射速度之间进行平衡。如果一个增大了，另一个就必须按比例减小。假设油的流量已知，则图4所示的最大压力回路中的注射速度为
式中:
υp——压力最大时，运行设定的注射速度；
Qp——注射缸液压油的流量。
在图4所示的回油回路中，回油运行设定的注射压力由下式给出：
式中:
preg——回油运行时设置的注射压力；
A1——注射缸柱塞杆截面面积；
d1—注射缸柱塞杆的直径。
很明显，回油运行时注射压力低于最大压力运行时的注射压力，因为柱塞杆一侧的压力不再是0，而是等于柱塞反向面一侧的压力。所以，相同的油压poil推动的有效面积就从A2减小到（A2-A1）。但是，回油时，注射速度增大，即
式中：
υreg——回油时设定的注射速度。
如桌柱塞的面积比A2/（A2-A1）=2，那么结果就是注射速度增大一倍。总的来说，微孔注射成型只需要一个回油运行，因为低注射压力时的高速度决定了大多数微孔注射成型的应用。因此，即使高速注射时需要使用蓄能器，设计也要关注回油回路。
图5所示为高速注射时采用蓄能器的典型液压回路示意图。在使用能够对高流量做出快速反应的插装阀时推荐微孔注射成型采用蓄能器控制阀。溢流阀7控制阀6的打开，阀6是注射的主要插装阀。一旦溢流阀7打开，蓄能器1中的油会立即得到释放，与快速注射泵中的油混合。一旦紧急停车起动，阀3控制着阀4的自动释放，使用蓄能器中的油。
1—蓄能器；2—压力传感器；3—蓄能器自动排油的控制阀； 4—蓄能器自动排油的插装阀；5—自动排油阀；6—蓄能器用的插装阀；7—溢流阀；8—蓄能器注射时的控制阀；9—蓄能器快速充油用的插装阀
图5 高速注射时采用蓄能器的典型液压回路示意图
1.4 单向喷嘴（或者阀浇口）的液压没计
单向阀或者阀浇口的液压设计类似于推杆或者抽芯回路设计。图6给出了典型的液压回路示意图。单向阀或者阀浇口的液压设计必须是正向（或默认）关闭。所以，这种特殊的液压回路在系统压力p可能低于液压缸中必须设置的关闭压力时用小型蓄能器保持液压缸中的压力。另一方面，这种回路有一个先导式单向阀8。当泵操作系统时，压力p由先导式单向阀8保持，蓄能器正常操作。但是，在泵停止时，系统中不再有压力，先导式单向阀将打开，使蓄能器安全、自动排油。这是机器上有蓄能器时为保证安全所必需的。要注意的是，实际上总是用简单的单向阀7将蓄能器与泵隔开。这种回路的另外一个突出设计特点是液压缸采用液压控制的单向阀3。如果出现紧急动力损失，它能维持液压缸中的压力。这只是针对微孔注射成型，传统注射成型采用相反的方法来操作单向喷嘴，就是立即释放液压缸中的压力，在动力损失后单向阀仍然是开着的。
1—蓄能器；2—液压缸；3—液压控制的单向阀；4—方向控制阀；5—释压阀；6—手动排油阀；7—维持液压缸中的压力、保持节流作用的单向阀；8—先导式单向阀；9—压力传感器和开关
图6 采用单向阀的典型蓄能器液压回路
为了安全使用液压回路，如果注射成型机长时间停机，必须在机筒上使用手动压力释放装置（或者是喷嘴——Herzog标准单向喷嘴释放装置），最后释放机筒内的压力和富气体熔体。
2 微孔注射成型的控制系统 与传统注射成型机相比，微孔注射成型机的控制系统有数个重大变化。单向喷嘴或者阀浇口与注射之间的顺序控制是保证首先注射、然后再打开止逆元件的重要因素之一。另一个就是多SCF注射器的顺序开关。此外，在螺杆回位过程中，SCF注射器必须是开着的，且打开得滞后一些，关闭得提前一些。对于一些敏感材料，SCF压力设置需要有自适应控制，自动跟上机筒内的熔体压力变化。最需要说明的是，对于短螺杆行程，要采用特殊的SCF计量，即脉冲计量。
2.1 微孔注射成型顺序控制
微孔注射成型的螺杆回位、SCF计量、单向阀开关和注射等动作有特殊的控制顺序。如果只考虑微孔成型的特殊动作，下面讨论几个动作的顺序。
（1）单向阀比注射开始时间晚0.5 s左右打开。如果初始注射不能与自动高压物料排放相匹配的话，这是一种已经得到证明、能防止可能的富气体熔体自由对空注射到模具的方法。
（2）SCF计量必须在螺杆回位过程中完成。在回位开始后晚1 s左右打开，在回位结束之前关闭。关于SCF计量有几个重要问题。因为在气体注射器刚打开时，高压气体会突然释放，所以，它只能在螺杆建压并开始以设定的螺杆回位速度轴向运动之后打开，而且还要保证SCF能被熔融物料流从SCF计量位置处带走。同样的原因，SCF计量必须在螺杆回位结束之前关闭。
（3）保压结束时，单向喷嘴必须关闭，使螺杆开始回位。
（4）开模时，单向喷嘴或者阀浇口必须关闭，安全操作。
（5）如果机筒上采用多SCF注射器计量，它们必须响应一些重叠注射时间，以与螺杆自洁段长度匹配。如果假设机筒上有两个SCF注射器，注射器设置总的建议如下：
①第一个注射器在0.2 D处打开（最小打开位置，D为螺杆大径）。
②第一个注射器在2.1 D处关闭。
③第二个注射器在1.9 D处打开。
④第二个注射器在整个行程的0.8倍处关闭。
注射器按时间还是位置关闭，视哪一个先行。上述设置是在自洁段最大长度为2.2 D的情况下设定的。如果没有第二个注射器，自洁段至少还要长4.2 D才能在4. 2D的长度内覆盖整个SCF计量行程。那么，这种螺杆可以设计得自洁段只有2.5 D，节省2 D给额外的混合段，以使SCF更好地分散和混合。
2.2 SCF计量控制
SCF计量可能要解决两个问题，一个是压力适应控制；一个是回位时间短时，采用脉动计量。这两种方法都得到成功的商业应用，下面将进行讨论。此外，对于所有微孔螺杆来说，有一个总的SCF计量控制规律。
（1）SCF计量的压力适应控制 这是在螺杆回位过程中压力持续不断地变化时螺杆的特殊控制方法，螺杆回位过程需要这种适应性控制。这种适应性控制能保持SCF计量全过程中的压力差一致。换句话说，也就是SCF计量压力设定随着压力传感器测得的熔体压力变化而动态变化，然后让SCF设定压力随测得的熔体压力变化，高于熔体压力恒定压差。这样，SCF流量就会保持一致，计量流量也一致。
所以，需要开发一种界面控制系统，进行适应性控制。这种界面控制基本上就是完整的一条线或者完整的环路（出SCF装置、返SCF装置）控制恒定的压力（输送压力）。这一压力可以由电动调节器根据SCF装置的压力来控制。电动调节器能够获取SCF入口压力调节器的反馈信号，控制器程序控制维持SCF液体流回路与熔体压力之间的压差。这样，注射器就要重新设计SCF入口和出口以及一个旁路阀。这将在SCF输送系统设计中详细讨论。
（2）脉冲SCF计量这种方法成功用于快速回位，即使采用适应性方法，也能尽可能快地稳定SCF计量。这种简单的方法实际上就是利用SCF注射器打开时间的快速脉冲。已经证明将脉冲时间控制得很短能够避免在很短的回位时间内SCF计量量太多。
（3）SCF计量设置的总原则 必须开发微孔注射成型特殊软件，控制SCF计量的时间顺序和螺杆回位行程（不是螺杆转动时间）。一般来说，SCF注射器在机筒内达到稳定的熔体压力之前不应被打开。编写微孔注射成型软件有几项原则。准确确定这一打开位置的一种方法是取注射行程和螺杆转动之前位置之差，在螺杆转动开始之前再将这一差值的5%加到螺杆位置上。传统注射成型中的缓冲设置从未用于微孔注射成型，因为微孔成型没有保压过程。一般是在保压的最后阶段出现这种情况；如果没有保压，就在注射结束时出现；螺杆在机筒内稍微向后移动，同时解压缩。之后，在螺杆开始转动之前，解压缩驱动SCF注射器打开位置处的反向槽。反向槽中出现这种情况时，就会在机筒内产生巨大的压力突增，因为反向槽产生了高压，那么，机筒开始建压的速度将
快于界面系统中的SCF输送压力。这种情况只发生在反向槽螺杆中，会使SCF计量过程无法控制。不过，只要能够为最佳单相溶液保持最低压力，其他的微孔螺杆也能够承受这种解压缩。
3 美国塑料工业协会气体计量过程的指导原则
2003年，美国塑料工业协会发布了《卧式注射成型机夹气工艺推荐原则》（EG-PHIMM）文件。这一指导原则给出了卧式注射成型机夹气工艺的设计、安装和应用的推荐意见。
夹气工艺就是将高压气体注入注射成型机机筒、集料器、混合器和喷嘴内熔体中的工艺。将气体混合到聚合物熔体中，并将其保持在一定的压力下，防止其在注射成型机下述任一部件中发泡：机筒、集料器、混合器和喷嘴。同样，将化学发泡剂添加到塑料原料中，然后将其加热和混合。将塑料熔体与化学发泡剂的混合物加热到发泡剂的分解温度，然后释放出气体。之后将塑料熔体与气体保持在一定压力下，避免预发泡。几项主要的括导原则讨论如下。
3.1 压力释放装置
建议在需要之处设置压力释放装置(破裂盘或类似装置)，释放压力，保护注射成型机上一些强度低的部件。
在压力释放处应该设置安全保护装置。在没有报警的情况下释放压力时安全保护装置必须能抑制可能的塑料熔体喷射。
3.2 截止喷嘴
夹气工艺总是在机筒内维持一定的压力。建议喷嘴截止动作能主动制动，由于加工的原因，要监控其关闭位置和关闭力。
可能的备用监控装置包括但不限于：监控入口压力和截止喷嘴的位置。
关于截止喷嘴的一项新规定是其必须设计成关闭位置为默认值，在紧急制动或者突然断电时发挥作用。
3.3 释压
在卧式注射成型机安全门打开紧急制动时，注射制动器应该能自由向后运动(行程的10％)，释放压力。
夹气工艺总是在机筒内保持一定的压力。所以，建议如下：喷射保护(不用工具也能移动)或者非操作一侧是打开着的，而且喷嘴内的熔体压力应该立即释放掉。
3.4 安全
《卧式注射成型机夹气工艺推荐原则》(EGPHIMM)的安全作用必须满足ANSI／SPIB151．1的所有要求，截止阀除外。
3.5 维护
在关机之前，微孔注射成型机要清洗含塑料熔体和气体混合物的机筒，然后参考注射成型机厂商提供的维修程序说明进行操作。
4 挤出机与注射成型机的结合
这种成型机用挤出螺杆进行塑化，用柱塞进行注射，也称为两阶螺杆-柱塞注射成型机。尽管这是一种老式设计，但其已被广泛用作橡胶、热固性塑料、结构泡沫、微孔成型和包装的机械，也是微孔注射成型机的一种替代技术。1997年Trexel成功地开发出首台微孔成型用螺杆一柱塞式注射成型机，但其从未用作微孔注射成型的商用机。2000年Shimb。报遭了用螺杆和柱塞成型的微孔发泡结果。Park和他的学生也开发了这种螺杆一双柱塞发泡成型机，并将其称为先进结构泡沫成型机。这不仅是结构泡沫，也是微孔发泡的一个很好的思路。
事实上，这种微孔发泡成型方法并不比在线发泡成型复杂，因为保持单相溶液这一要求独立于回位和注射这一往复过程。总的来说，常规螺杆一柱塞成型机用于微孔成型时需要一些改进。
4.1 挤出机上的SCF计量装置
在挤出机上加装的SCF注射器必须进行改进。螺杆转动要完成两个功能：将塑料塑化，同时进行SCF计量，产生单相溶液。但是，这种螺杆没有往复的注射和回位运动。这种结构的主要优点是塑化和SCF计量与注射或往复运动完全分开。与注射成型机上的往复式螺杆挤出机相比，这将使这种挤出机的操作更为简单，更加稳定。除了没有快速关闭的螺杆头这一点外，SCF计量结构与往复式螺杆一样。除了没有轴向相对运动外，所有的自洁段、适合于SCF的计量压力曲线的凸起环、快速SCF扩散混合以及均匀的SCF一熔体混合物都与往复式螺杆一样。挤出机机筒可以设计得类似于排气机筒，但仍然需要压力传感器来正确设置SCF计量。将安全装置——破裂盘或者压力释放装置保持在机筒上SCF注射器相同的位置，这一点很重要。带SCF计量的挤出螺杆设计与带SCF、计量的往复式螺杆设计之间的不同之处如下：
（1）挤出螺杆的自洁段短，而且沿着机筒轴向不需要多个SCF注射器，因为螺杆和机筒的位置固定不变。
（2）SCF计量不必有顺序，其将随着螺杆转动持续同步动作（除了螺杆在等待柱塞注射这一闲置时间内的慢转）。
（3）对于挤出机内单相溶液的满注射而言，SCF计量、混合历史相同。所以，不需要为保持单相溶液的均匀性而设置高的背压，由于往复运动，螺杆的速度曲线弥补了这种差异。
4.2 注射柱塞装置
作为这种成型机的特殊结构，在挤出机下面有一套注射系统（柱塞两侧是双缸，或者在与柱塞同轴处有一个单缸）。那么，往复运动将从柱塞：①向后，在柱塞头前部集料；②向前注射、充模。注射运动由直接与柱塞相连的注射系统提供。将挤出机与柱塞分开的一个关键部件是球阀，球阀使挤出机制得的单相溶液通过球阀积聚在柱塞前。球阀在注射成型机的两个动作过程中关闭，一个是柱塞的注射，在柱塞机筒内产生高压。这种球阀能保护挤出机，没有高注射压力传递到挤出机中的危险。这就是说，挤出机机筒的压力可以设计得低一些，而这是SCF计量所必需的。所以，挤出机内的最高熔体压力可能只有34.5 MPa。但是，柱塞机筒内的压力会高达138 MPa，甚至更高。即使微孔成型要求低的注射压力，一般也都将其设计得与往复式螺杆的注射压力一样。另外，一旦螺杆完成了注射回位，柱塞可能通过稍高一些的压力压缩机筒内已有的单相溶液，这不仅能够保持压力，而且不会使球阀在注射前关闭。此外，球阀还必须有一些辅助力如弹簧力等，在螺杆完成回位和注射开始之后起动即时关闭。
柱塞直径可以灵活设计，不需要与挤出机螺杆匹配。对于微孔注塑件而言，柱塞直径可以设计得稍大一些，充分利用微孔成型注射压力低这一优势。如果注射行程一样，那么柱塞直径增加注射量会更大，注射体积流量也比往复式螺杆高。此外，柱塞直径大，注射时间也可以缩短，因为其大大缩短了注射行程。
4.3 保持挤出机内压力的方法
球阀将挤出机与柱塞腔分开，这样通过柱塞一注射系统的控制装置，积聚些方法可液内的压力可以维持在所需的高位。但是，挤出机螺杆内的压力在螺杆停转后可能迅速下降，其下降得太快可能使SCF计量处与柱塞注射成型机的挤出机螺杆头之间已有的单相溶液预发泡，而预发泡材料是下一步注射所不能接受的。
为了解决挤出机闲置期间的问题，有两种方法保护SCF计量处与柱塞注射成型机的挤出机螺杆头之间已有的单相溶液。一种方法是使螺杆以维持其内压力所需的低速不停地转动，另一种方法是在SCF计量注射器上方的挤出螺杆内加一个可靠的中间单向阀。
（1）闲置期间螺杆持续转动
这种方法已在螺杆．柱塞注射成型机上试验过，需要一些特殊的设置。首先，螺杆必须以一定的速度转动，以保持SCF计量处与柱塞注射成型机的挤出机螺杆头之间富气体熔体区所需的压力。为了避免产生太高的压力，料斗中的物料必须暂时截流，这样螺杆就只压缩机筒内已有的物料。采用这种方法时，不仅维持了压力，而且还有助于已有SCF的剪切、混合以及向熔体中的扩散。缺点是操作步骤复杂，需要改进机器的控制器。
（2）加中间单向阀
上述讨论的往复式螺杆所用的压力限制元件也能很好地满足这一要求。一旦螺杆停止转动，机筒内的压力会迅速下降，而通过中间阀的漏流会使阀自动关闭。事实上，这种改进是解决这一问题的简单方法，而且也是已经在很多材料应用中得到证明的方法。
4.4 螺杆-柱塞式注射成型机的发展
采用注射成型机的难题是间歇成型，这就使SCF计量成为非连续过程。在加拿大多伦多大学Park实验室开发了一种先进的结构泡沫成型机。根据其结构，这种先进的结构发泡成型机可以称为螺杆．双柱塞式成型机，它有可能解决注射成型时间歇成型的SCF计量问题，因为它将气体溶解过程与注射操作完全隔离开来。其上有一个正位移泵和辅助柱塞，装在挤出机筒与第一个单向阀之间。在这种情况下，单向阀主动制动，挤出螺杆持续转动，还将不断地产生单相溶液，不被注射和模具冷却所中断。如果注射和模具冷却还在进行，那么单相溶液会被储存在辅助柱塞中；然后，制动器将辅助柱塞中积聚的物料排到主柱塞中，阀打开，单向喷嘴保持关闭；此后准备下一次注射，而不中断挤出机进行SCF计量。在主柱塞将物料注入模具中时，阀仍然是关着的，单向喷嘴保持开启状态。其缺点是有附加动作，即物料在柱塞间的传递，而这要花费额外的时间；如果两个柱塞间的压差大，可能会产生两次成核，在模具内产生拉伸的泡孔。另外，多一个柱塞和制动器也会增加设备的成本。
