康社仁 幸東 韓宇 黃啟福 李林

摘 ? 要：注塑件翹曲變形是指注塑件的形狀與模具型腔的形狀不同，這是塑料制品常見的缺陷之一。隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)塑料制品的外觀和使用性能要求越來(lái)越高，翹曲變形程度作為評(píng)定產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。本文介紹一種天梯模具控制方法，可以大大改變注塑件的變形量。

關(guān)鍵詞：注塑件變形 ?變形量控制 ?天梯模具 ?穩(wěn)定性 ?經(jīng)濟(jì)效益

中圖分類號(hào)：TQ320 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（a）-0088-04

1 ?引言

塑膠天梯模具（發(fā)明專利號(hào)：201810803657.X）對(duì)應(yīng)的是汽車儀表臺(tái)上裝飾框的研發(fā)生產(chǎn)項(xiàng)目。項(xiàng)目有4款產(chǎn)品，產(chǎn)品造型奇特，工件長(zhǎng)而細(xì)并有開口，變形問(wèn)題很難控制，特別是左儀表圈、右儀表圈，產(chǎn)品落差大，在生產(chǎn)前我們有知會(huì)客人此項(xiàng)目的變形問(wèn)題，希望客戶可以優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，便于管控變形。但因?yàn)榭腿撕芟矚g這種特異的造型（創(chuàng)新、美學(xué)要求），不同意更改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品注塑成型后還需要電鍍、熱風(fēng)干等后續(xù)工序。那么如何改善產(chǎn)品變形問(wèn)題特別是改善左、右儀表圈的變形問(wèn)題成為一大難題。

2 ?市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品的空白

隨著高分子材料工程技術(shù)的不斷發(fā)展，塑料制品的使用變得越來(lái)越普及，人們對(duì)于塑料材料制品的要求也越來(lái)越高，塑料制品的生產(chǎn)加工正向著功能化、智能化、精細(xì)化的方向發(fā)展。汽車儀表臺(tái)裝飾條項(xiàng)目圖片如圖1，初次看到這個(gè)圖片，大家都認(rèn)為這個(gè)項(xiàng)目不可行，即使提交到公司技術(shù)管理層討論，大家也認(rèn)為變形無(wú)法管控。

經(jīng)過(guò)多次反復(fù)摸索、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試、研究、分析，多次調(diào)整水口和流道方式，注塑成型后進(jìn)行電鍍、熱風(fēng)干、冷卻、剪除水口、檢測(cè)，將產(chǎn)品變形由超過(guò)10mm調(diào)整到5mm，最后終于在發(fā)明天梯流道方式后，將變形量控制到0.52mm以內(nèi)，達(dá)到并超過(guò)了產(chǎn)品技術(shù)上的設(shè)計(jì)要求，填補(bǔ)了市場(chǎng)上同類產(chǎn)品的技術(shù)空白。

3 ?注塑件翹曲變形是怎么產(chǎn)生的

（1）注塑制品在生產(chǎn)過(guò)程中翹曲變形的直接原因在于塑件的不均勻收縮（收縮本身并不重要，重要的是收縮上的差異）。塑料在注塑機(jī)炮筒塑化階段，也就是塑料顆粒由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化為粘流態(tài)時(shí)：①熔體溫度在軸向、徑向（相對(duì)螺桿而言）的溫差會(huì)使塑料產(chǎn)生應(yīng)力;②注射機(jī)的注射壓力、速率等參數(shù)會(huì)極大地影響充填時(shí)分子的取向程度，進(jìn)而引起翹曲變形。

（2）塑料在填充模具型腔階段，也就是熔融態(tài)的塑料在注射壓力的作用下，充入模具型腔并在型腔內(nèi)冷卻、凝固的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，溫度、壓力、速度三者相互耦合作用，對(duì)塑件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率均有極大的影響。

①較高的壓力和流速會(huì)產(chǎn)生高剪切速率，從而引起平行于流動(dòng)方向和垂直于流動(dòng)方向的分子取向的差異，使塑料在流動(dòng)方向上的收縮率比垂直方向的收縮率大。②模具溫度偏低，導(dǎo)致接觸模具表層的塑料與中心流動(dòng)層之間的塑料冷卻與收縮的不均勻也引起內(nèi)應(yīng)力的增大。③模具型腔、型芯的溫度相差過(guò)大，由于貼近冷模腔面的熔體很快冷卻下來(lái)，而貼近熱模腔面的料層則會(huì)繼續(xù)收縮，收縮的不均勻?qū)⑹顾芗N曲。④由于產(chǎn)品各部位壁厚不同，而導(dǎo)致各處冷卻速度及收縮的不均勻也使塑膠件發(fā)生翹曲變形。

（3）塑料制品在頂出階段，也就是指產(chǎn)品在外力作用下從模具上脫離的過(guò)程。

①較高的脫模溫度及塑膠件較低的硬度使產(chǎn)品受到頂出力時(shí)變形;②頂出系統(tǒng)布置不平衡，將造成頂出力的不平衡而使塑件變形;③頂出桿的截面積太小，使塑膠件單位面積受力過(guò)大（尤其在脫模溫度太高時(shí)）而使塑件產(chǎn)生變形;④大型深腔薄壁的塑件時(shí)，由于脫模阻力較大，頂出時(shí)變形。

（4）塑料本身的物性也會(huì)引起注塑件的翹曲變形。結(jié)晶型塑料在流動(dòng)方向與垂直方向上的收縮率之差較非結(jié)晶型塑料大，而且其收縮率也較非結(jié)晶型塑料大;由于纖維在垂直方向上的收縮率比流動(dòng)方向上的收縮率大，對(duì)于纖維增強(qiáng)類塑料，要特別注意其收縮的方向性。

4 ?電鍍件翹曲變形是怎么產(chǎn)生的

電鍍件翹曲變形的直接原因在于電鍍過(guò)程中粗化、烘烤過(guò)程中的高溫不均勻收縮（收縮本身并不重要，重要的是收縮上的差異）。

（1）在粗化過(guò)程中大約68℃10min，烘烤過(guò)程65℃45min。在這些高溫過(guò)程中，塑膠分子會(huì)重新排列，會(huì)導(dǎo)致厚薄膠位的收縮不同。

（2）電鍍掛位會(huì)對(duì)產(chǎn)品有一個(gè)拉扯力，特別是在高溫狀態(tài)下，產(chǎn)品和流道會(huì)變軟，此時(shí)的拉扯力對(duì)產(chǎn)品的影響會(huì)放大，到電鍍產(chǎn)品離開高溫工序時(shí)，產(chǎn)品已經(jīng)定型。

5 ?有針對(duì)性的解決措施

（1）選用合適噸位的注塑機(jī)及螺桿。（2）采取多澆口以縮短流道降低內(nèi)應(yīng)力。（3）采取正確的澆口形式，如大的平板型注塑件使用薄膜型澆口。對(duì)于此類異形儀表圈，采用均勻分布的三點(diǎn)進(jìn)膠。（4）通過(guò)調(diào)節(jié)型腔、型芯的溫度來(lái)改變變形的方向，降低凸出面模溫、升高凹陷面模溫。（5）通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)，改變塑膠件的壁厚，使產(chǎn)品收縮均勻。（6）優(yōu)化冷卻水回路，降低由于冷卻介質(zhì)溫度變化而導(dǎo)致的模溫改變。適當(dāng)提高模具溫度以降低注塑件的冷卻速度，減小因激冷過(guò)渡造成的溫差變形。（7）增大射膠或保壓壓力，并大大地延長(zhǎng)射膠或保壓的時(shí)間，使注塑件的尺寸增大，減小它的收縮量。（8）設(shè)計(jì)頂出系統(tǒng)時(shí)應(yīng)力求與脫模阻力相平衡。頂出桿的截面積不能太小，以防塑件單位面積受力過(guò)大（尤其在脫模溫度太高時(shí)）而使塑件產(chǎn)生變形。（9）應(yīng)盡可能多設(shè)頂桿以減少塑件的總體變形。（10）改用多元件聯(lián)合或氣（液）壓與機(jī)械式頂出相結(jié)合的方式。（11）采用收縮方向性小的塑膠原料。（12）模具設(shè)計(jì)時(shí)考慮翹曲變形，提前修正翹曲變形。（13）在設(shè)計(jì)階段，流道上預(yù)留受力均勻的電鍍掛位，掛具掛在流道的電鍍掛位上，盡可能減少掛具對(duì)產(chǎn)品的影響。

如果以上方法仍無(wú)法解決翹曲變形，我們還可以采取注塑件出模定型的方法來(lái)降低變形。首先，將注塑件提早出模，然后在塑料軟化點(diǎn)溫度附近將其放在工作臺(tái)上用夾具定型，夾具要考慮注塑件的回彈程度，通常12h之后回彈才會(huì)基本停止，而且出模溫度越低回彈量就越大。所謂矯枉必須過(guò)正，所以生產(chǎn)時(shí)要研究壓過(guò)正的量。

影響注塑制品翹曲變形的因素有很多，模具的結(jié)構(gòu)、塑料材料的熱物理性能以及注射成型過(guò)程的條件和參數(shù)均對(duì)制品的翹曲變形有不同程度的影響。因此，對(duì)注塑制品翹曲變形機(jī)理的研究必須綜合考慮整個(gè)成型過(guò)程和材料性能等多方面的因素。

6 ?天梯模具的主要原理

6.1 塑料件結(jié)構(gòu)分析

圖2為汽車儀表臺(tái)裝飾件，材料為聚丙烯（ABS），采用批量生產(chǎn)。ABS為目前汽車零件大量使用的工程塑膠料，后續(xù)可以用于電鍍，具有較高的力學(xué)特性，流動(dòng)性能好，易于成型且成型收縮率少，比熱容較低，在模具中凝固較快，模塑周期短，成型的塑料件尺寸穩(wěn)定，表面光滑。該塑料件輪廓寬126mm，長(zhǎng)135mm，高102mm，厚度為4mm，有5個(gè)內(nèi)凹卡槽，起安裝固定作用。塑料件要求表面光滑，電鍍啞鉻，背面為裝配面，沒有特別要求。

6.2 模具結(jié)構(gòu)分析

6.2.1 分型面設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)分形面前，必須考慮到型腔的布局。圖3為常見的兩種布局，圖3（a）為鏡像對(duì)稱布局，該布局不利于型腔內(nèi)的壓力平衡，壓力中心與模具中心不吻合。圖3（b）為產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)180°后鏡像對(duì)稱布局，澆口設(shè)計(jì)在產(chǎn)品中心位置，這樣可以縮短流道長(zhǎng)度，減少壓力損失和用料，保證壓力中心與模具中心一致，因此選用后者。

塑料件為不規(guī)則的弧線外形，且高低落差90mm，導(dǎo)致兩個(gè)制品分型面結(jié)合比較困難。首先選擇投影面最大分型線的位置，由于分型線為不規(guī)則的弧線，需采用點(diǎn)、線面網(wǎng)格造型建主分型面。中間的分型面不能用簡(jiǎn)單的延伸來(lái)創(chuàng)建，采用曲線網(wǎng)格、自由造型、橋接、邊界混合法進(jìn)行縫補(bǔ)結(jié)合（見圖4）。

6.2.2 抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

行位、斜頂是為了解決倒鉤設(shè)定的機(jī)構(gòu)，其基本原理是將模具開閉的垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)成水平運(yùn)動(dòng)，斜頂與側(cè)滑塊抽芯機(jī)構(gòu)的最大的不同在于其動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于推板的動(dòng)作，而不是利用動(dòng)、定模板開閉的動(dòng)作。由于斜頂必須利用推板的驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，因此斜頂?shù)脑O(shè)計(jì)與推板的行程有關(guān)。采用斜頂可以使模具整體的結(jié)構(gòu)緊湊，減少模具整體尺寸，從而減少模具成本。此模具采用10個(gè)斜向抽芯、2個(gè)內(nèi)模抽芯、6個(gè)斜頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)，結(jié)合3個(gè)進(jìn)膠點(diǎn)、延伸1個(gè)電鍍圓環(huán)，2個(gè)電鍍擋膠位，5點(diǎn)（5邊形）結(jié)合5步天梯牢牢固定產(chǎn)品，大大降低產(chǎn)品的注塑和電鍍導(dǎo)致的變形（見圖5）。

6.2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于Moldflow有限元分析平臺(tái)，構(gòu)建了汽車儀表臺(tái)上裝飾框塑料內(nèi)飾件有限元分析模型，對(duì)該塑料件注塑過(guò)程中的熔體流動(dòng)、材料冷卻等進(jìn)行了仿真計(jì)算，預(yù)先判定塑料件。塑料件澆注系統(tǒng)包括主流道和分流道，主流道、分流道的布局和形式對(duì)整個(gè)注塑件的質(zhì)量有重大影響。Moldflow軟件可以模擬注塑成型過(guò)程，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和成型參數(shù)，減少試模次數(shù)，縮短模具制造周期。應(yīng)用Moldflow軟件對(duì)模具進(jìn)行前期各種分析時(shí)，都要先進(jìn)行分析前處理。首先將制作模型導(dǎo)入Moldflow系統(tǒng)，再把注塑件表面網(wǎng)格化處理，建立有限元。進(jìn)行網(wǎng)格（有限元）縱橫比診斷，發(fā)現(xiàn)縱橫比特別大的地方，這不利于熔融塑料在型腔內(nèi)的流動(dòng)。最佳澆口位置的選定，天梯流道的增加，模溫、料溫、壓力、注塑速度、螺桿位置的修改設(shè)定，最終得出最優(yōu)的分析結(jié)果，變形由5.24mm減小到0.52mm。

6.2.4 流道設(shè)計(jì)

注塑成型的主要變形原因是由成型后在收縮方向上的差異、壁厚的變化所產(chǎn)生的。因此提高模具溫度、提高熔料溫度、降低注射壓力、改善澆注系統(tǒng)的流動(dòng)條件等均可減小在收縮率方向上的差值（即變形量）?？墒侵蛔兏尚蜅l件大多難以矯正過(guò)來(lái)，這時(shí)就需改變澆口的位置和數(shù)目，例如成型汽車儀表臺(tái)裝飾框時(shí)要從中間位置3個(gè)進(jìn)膠點(diǎn)、延伸1個(gè)電鍍圓環(huán)，2個(gè)電鍍擋膠位，（5邊形）結(jié)合5步天梯牢牢固定產(chǎn)品，形成整體。直到該產(chǎn)品電鍍、高溫風(fēng)干、冷卻后再將水口切除，其中水口天梯起到了很好的變形穩(wěn)固的作用。

經(jīng)過(guò)多次摸索、模擬與研究，多次調(diào)整水口和流道方式，主流道三點(diǎn)均勻注膠，形成扣位，由扣位引出的“天梯”原來(lái)的1點(diǎn)，改為2點(diǎn)、3點(diǎn)，最終覺得2點(diǎn)天梯的方式較好，水口增加不多，不良率下降較多，穩(wěn)定性最好，綜合效果最佳。將產(chǎn)品變形有超過(guò)10mm調(diào)整到5mm;發(fā)明天梯流道方式后將變形控制由10mm縮小到0.52mm以內(nèi)，達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。

塑膠天梯解決方案，就是調(diào)整流道方式。流道方式為3個(gè)入膠口，2點(diǎn)“天梯方式”（即兩點(diǎn)流道），增加流動(dòng)速度，產(chǎn)品合格率在不斷上升，不良產(chǎn)品數(shù)量在不斷下降，穩(wěn)定性在不斷增加，從中我們尋找平衡點(diǎn)。改變流道方式就增加進(jìn)膠速度和水口對(duì)產(chǎn)品的支撐穩(wěn)定作用，解決注塑件變形問(wèn)題。

經(jīng)測(cè)試，1、2、3點(diǎn)入膠路徑，路徑隔15～25mm2聯(lián)通，形成“天梯”，制件兩端與較近的“天梯”連接，形成擋電條，直到電鍍、熱風(fēng)干完成才剪除多余的水口。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)統(tǒng)計(jì)分析，不難看出，流道的數(shù)量、橫截面越大、聯(lián)通間隔越近，制件的水口數(shù)量會(huì)越大，不良率會(huì)越低、變形量會(huì)越小。綜合考慮，選擇一個(gè)主流道數(shù)量、橫截面、聯(lián)通間隔合適，不良率、變形量較低的模式進(jìn)行批量生產(chǎn)。

6.2.5 模具型腔設(shè)計(jì)

在注塑成型過(guò)程中，模具的型腔受到塑料的高溫、高壓作用，所以模具的型腔應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度和剛度。強(qiáng)度不夠?qū)?dǎo)致塑性變形，甚至開裂;剛度不夠?qū)?dǎo)致彈性變形，型腔向外膨脹，產(chǎn)生溢料間隙。對(duì)模具要求尺寸中等，形狀較復(fù)雜，精度要求較高，故采取整體鑲嵌式動(dòng)、定模。

6.3 模具的工作原理

模具閉合時(shí)，熔融塑料經(jīng)過(guò)噴嘴注入模具型腔中，注塑成型完畢后，注塑機(jī)帶動(dòng)動(dòng)模以下部位向下移動(dòng)，在拉料桿和動(dòng)模型芯作用下，制件留在動(dòng)模一側(cè)，主流道中的凝膠慢慢拔出。待主流道中的凝膠全部拔出后，動(dòng)模部分停止向下移動(dòng)，注塑機(jī)的推桿推動(dòng)推板向上運(yùn)動(dòng)，斜頂桿隨推板向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)順著動(dòng)模板中的斜孔向兩邊運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)斜頂板與塑料件卡槽的分離，保證了制件從動(dòng)模中頂出，機(jī)械手取出制件后，推動(dòng)推板的推桿復(fù)位，在復(fù)位桿的作用下推板回到原位，斜頂也回到原來(lái)的位置，模具閉合，完成一個(gè)工作循環(huán)。

6.4 表面處理

汽車塑料件電鍍，目前主要采用銅-鎳-鉻裝飾性鍍層，如儀表臺(tái)飾條、內(nèi)開把手、煙灰缸飾條等樣件均采用該種工藝。其工藝流程主要為：上掛→除油→預(yù)浸→粗化→中和→催化→膠解→化學(xué)鎳→活化→預(yù)鍍鎳→銅置換→酸銅→酸活化→半亮鎳→亮鎳→鎳封→光鉻→烘干→下掛。

可能出現(xiàn)的與注塑成型相關(guān)的不良就是變形、起泡、開裂等，其他如鍍層附著力不良、粉化、變色等與電鍍工藝相關(guān)，在此不再敘說(shuō)。塑膠件因電鍍時(shí)溫度的變法造成制件的不均勻熱脹冷縮形成的，由于采取了天梯模具，成型后還沒有去除的水口均勻支撐制件的變形，變形度相對(duì)較小。起泡和開裂是因制件鍍層與鍍層、鍍層與基體之間存在微小的氣泡，電鍍時(shí)外界溫度發(fā)生變化，小氣泡會(huì)產(chǎn)生膨脹，導(dǎo)致鍍層與鍍層、鍍層與基體之間產(chǎn)生分離。如鍍層沒有進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜?yīng)力處理，在受到外界環(huán)境變化，也會(huì)導(dǎo)致灣角等鍍層集中部位的鍍層產(chǎn)生開裂。

6.5 后整處理

經(jīng)注塑成型、電鍍好的制件，要做去除水口、去除應(yīng)力等處理，才能包裝、裝箱。因制件在電鍍后形成金屬表層，相對(duì)穩(wěn)定，不易再變形。

7 ?結(jié)語(yǔ)

使用Moldflow軟件對(duì)模具的設(shè)計(jì)進(jìn)行CAE分析，優(yōu)化了澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。汽車注塑件中較為常見的缺陷主要有翹曲變形、表面復(fù)制不良等，這些缺陷的出現(xiàn)與諸多因素有關(guān)系，例如注塑的材料與工藝、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以及模具的設(shè)計(jì)等等。因此，在生產(chǎn)汽車塑料件時(shí)，應(yīng)當(dāng)不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，改善材料性能，以此提高汽車注塑件的質(zhì)量，避免缺陷的出現(xiàn)。對(duì)于汽車儀表臺(tái)的產(chǎn)品造型奇特，采用塑料天梯模具的工藝方法不失為一個(gè)好的解決方法，大大提高了綜合經(jīng)濟(jì)效益。

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