蘇瞧忠

(平江縣職業(yè)技術(shù)學(xué)校，湖南 平江 414500)

0 引言

塑料注塑成型工藝在塑料加工領(lǐng)域占有重要的地位，也是汽車零部件生產(chǎn)中一個(gè)不可或缺的加工方式。對(duì)比鋼鐵、鋁制品等金屬件，注塑件具有更高的可塑性、耐用性，在生產(chǎn)上也具有更低的生產(chǎn)成本與更短的生產(chǎn)周期，整體制造效益更高[1]。

1 塑件產(chǎn)品分析

圖1所示塑件為手套箱框本體，產(chǎn)品原材料為PP/PE-TD20，材料牌號(hào)352N，縮水率8‰，外形尺寸約為525 mm×365 mm×260 mm。如圖1(a)所示，塑件頂面和兩側(cè)面都是外觀面，要求外觀皮紋均勻，平整光滑，無(wú)氣孔、縮坑、欠射、飛邊，無(wú)明顯熔接痕、明顯虎皮紋、頂白等質(zhì)量缺陷[2]。中間靠?jī)蓚?cè)各有一處安裝緩沖釘?shù)男眻A柱通孔，正中間還有一處安裝手套箱照明指示燈的四方通孔。如圖1(b)所示，塑件背面有許多加強(qiáng)筋，且部分成網(wǎng)狀分布，兩側(cè)面均有幾處與副儀表板有裝配關(guān)系的避空孔；中間有一處與儀表板下面鈑金起固定作用的斜筋及通孔[3]。塑件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面質(zhì)量要求高，成型投影面積(按圖1(a)擺放約191 000 mm2)大。該塑件是儀表板總成手套箱外觀部分的延伸，故除要求滿足本身的使用功能和外觀質(zhì)量外，還要保證能順利裝配到車上并間隙均勻，按技術(shù)要求需要滿足5級(jí)精度等級(jí)。

(a) 正面

(b) 背面

2 模具結(jié)構(gòu)分析

塑件主要壁厚均勻，厚度都在3 mm左右，如圖1(a)所示，正面及左右兩側(cè)脫模斜頂都在5°以上，能滿足皮紋的技術(shù)要求；圖1(b)背面筋位厚度(與塑件主壁厚相連的根部)都在1.2 mm以下，筋位高度最高為16 mm。根據(jù)手套箱框本體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，塑件放置方向按圖1(a)所示面為定模側(cè)，圖1(b)所示面為動(dòng)模側(cè)，是基于如下分析得出的[4]。

1) 圖1(a)所示面為塑件皮紋面，也是塑件外觀表面，定模成型；

2) 圖1(a)中間左右兩處安裝緩沖墊的孔位，與模具成型方向成30°的夾角，不能按常規(guī)方式在定模側(cè)成型，模具結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)成滑塊斜抽芯結(jié)構(gòu)；

3) 圖1(a)左右兩側(cè)與副儀表板有裝配要求的避空孔，不能在動(dòng)定模方向成型，需要設(shè)計(jì)滑塊側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)，考慮到動(dòng)?；瑝K比定?；瑝K動(dòng)定穩(wěn)定可靠，加工方便簡(jiǎn)單，所以此處設(shè)計(jì)動(dòng)模滑塊；

4) 圖1(b)所示面均布許多加強(qiáng)筋位，在成型過程中，可利用塑料的收縮特性抱緊模具型芯，使其在塑件成型時(shí)留在動(dòng)模側(cè)；

5) 圖1(b)中間一處與副儀表板下面鈑金相連的斜方筋避空孔設(shè)計(jì)成動(dòng)模斜頂結(jié)構(gòu)；

6) 圖1(b)是產(chǎn)品裝配的背面，沒有外觀要求，可以設(shè)計(jì)用頂針頂出。

結(jié)合以上分析，本產(chǎn)品采用二板式模具結(jié)構(gòu)，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)在模具的定模側(cè)，脫模頂出系統(tǒng)和滑塊抽芯結(jié)構(gòu)都設(shè)計(jì)在模具的動(dòng)模側(cè)。塑件產(chǎn)品高為260 mm，由于注塑機(jī)頂棍在定模側(cè)，頂出高度須超過200 mm，熔料充填滿型腔后，經(jīng)冷卻，頂出后制品才能順利取出來(lái)，所以在注塑機(jī)上生產(chǎn)時(shí)，模具厚度尺寸較大。塑件產(chǎn)品長(zhǎng)寬尺寸為525 mm×365 mm，投影面積大，屬大型注塑模具，為了使熔體流動(dòng)順暢，故澆注系統(tǒng)采用單點(diǎn)針閥式熱流道轉(zhuǎn)香蕉型冷流道的結(jié)構(gòu)[5]。圖1(a)是塑件的外觀側(cè)，產(chǎn)品要求做皮紋處理，從節(jié)約成本出發(fā)要求模具結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)度剛性好，模具體積小，所以定模采用整體式結(jié)構(gòu)，并在裝配手套箱蓋緩沖釘?shù)广^處采用動(dòng)定模抽芯結(jié)構(gòu)[6]。汽車手套箱框本體這類產(chǎn)品，加強(qiáng)筋多，為方便脫模取件，將加強(qiáng)筋側(cè)[圖1(b)所示側(cè)]放置在動(dòng)模一側(cè)成型，且綜合考慮加工工藝及工廠自身設(shè)備使用率，便于單件加工，模具維修方便，加強(qiáng)筋末端排氣良好，以及節(jié)約成本等，動(dòng)模采用分體拼裝結(jié)構(gòu)，并在深筋處鑲嵌鑲件，側(cè)面與儀表板相連的卡扣孔采用動(dòng)?；瑝K抽芯[7]。根據(jù)Moldflow模擬得出所需鎖模力為660 t(見圖2)，塑件特征確定的模具尺寸約為950 mm×1 150 mm×1 060 mm，選擇在海天HTF1000J/TJ注塑機(jī)上生產(chǎn)(海天HTF1000J/TJ拉桿內(nèi)距1 090 mm×1 090 mm，最大容模厚度為1 100 mm)，能滿足要求[8]。

(a) 速度與壓力切換時(shí)的壓力示意

(b) 鎖模力示意

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)該產(chǎn)品的要求，在塑件底部隱蔽處“香蕉型”潛伏式澆口(見圖3)[9]。注塑時(shí)，常常將塑料熔體通過隧道的形式與塑件的內(nèi)表面、次外觀面、外觀面看不見的肋或柱相連，成型后廢料切除，不會(huì)影響到產(chǎn)品表面質(zhì)量[10]。Moldflow模擬時(shí)選擇表1中參數(shù)，得出分析結(jié)果如圖4所示[11]。

表1 注塑工藝參數(shù)

1) 采用“香蕉型”潛伏式澆口充填滿本產(chǎn)品，從圖4(a)可知，3.6 s后充填滿的位置在產(chǎn)品的底部邊緣，此處膠位較厚，容易充填；

2) 由圖4(a)可知，熔體基本同時(shí)到達(dá)產(chǎn)品的末端，所以充填平衡；

3) 充填時(shí)間3.6 s，沒有滯留現(xiàn)象；

4) 由圖4(b)可知，前沿溫度差為18℃(235℃～207℃)內(nèi)，在該材料允許的溫度范圍內(nèi)，且最低溫度207℃出現(xiàn)在背部深筋處，加強(qiáng)排氣就不會(huì)出現(xiàn)冷料現(xiàn)象[12]。

3.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在整個(gè)成型過程中，冷卻時(shí)間占比大概為70%左右，所以冷卻調(diào)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)好壞直接影響著成型周期的長(zhǎng)短，或者說生產(chǎn)效率的高低。冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短與制品厚度、原料的性能和模具溫度有關(guān)，一般以塑件脫模時(shí)不引起變形為準(zhǔn)，時(shí)間越短越好。本塑件大且外觀要求高，故冷卻系統(tǒng)須冷卻均勻且充分。定模側(cè)在熱流道周圍每隔40 mm設(shè)計(jì)一條直徑為10 mm的冷卻水路，且單獨(dú)控制進(jìn)出水；定模其他位置每隔50 mm設(shè)計(jì)一條直徑為10 mm的冷卻水路，與外界連接總距離不超過1.5 m；動(dòng)模深筋處鑲件采用直徑為12 mm的噴井，噴井間距不大于70 mm，同樣與外界連接總距離不超過1.5 m；動(dòng)模其他位置也每隔50 mm設(shè)計(jì)一條直徑為10 mm的冷卻水路，與外界連接總距離不超過1.5 m，滿足冷卻要求[13]。

(a) 充填時(shí)間

(b) 前沿溫度

冷卻水的體積流量：

(1)

其中，qv為冷卻介質(zhì)的體積流量，單位m3/min；W為單位時(shí)間內(nèi)注入模具中的塑料質(zhì)量，kg/min；Q1為單位質(zhì)量的塑件凝固時(shí)放出的熱量，kJ/kg；ρ為冷卻介質(zhì)的密度，kg/m3；c1為冷卻介質(zhì)的比熱容，kJ/(kg·℃)；θ1θ2為冷卻介質(zhì)出口、進(jìn)口溫度，℃。

模具一般分為動(dòng)模和定模兩部分，通常以塑件產(chǎn)品壁厚的中心層為界，分別計(jì)算熔體傳導(dǎo)給型腔和型芯的熱量。一般情況下，塑件產(chǎn)品的背面，也就是動(dòng)模側(cè)，有深筋、圓柱等特征，成型冷卻時(shí)收縮抱緊型芯，使得傳導(dǎo)給動(dòng)模型芯的熱量更多，同時(shí)動(dòng)模型芯由于深筋或圓柱做成鑲拼結(jié)構(gòu)，散熱條件差，故需要加強(qiáng)型芯側(cè)的冷卻，模具設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可以參考以下比例分配模具定模側(cè)和動(dòng)模側(cè)的傳導(dǎo)熱量：

型腔側(cè)：Qf=0.4Q

型芯側(cè)：Qm=0.6Q

其中，Q為熱量。

3.3 頂出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

塑件在成型中出現(xiàn)的翹曲變形，很多情況下是頂出不平衡所引起的，所以頂出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。本塑件采用斜頂和頂針結(jié)構(gòu)。斜頂和頂針都固定在模具頂出板上，通過成型機(jī)頂桿推動(dòng)完成頂出取件動(dòng)作。頂針設(shè)計(jì)在深筋旁邊或是塑件轉(zhuǎn)角處，頂針與頂針之間成三角形或菱形分布，須注意的是： 在斜頂取件方向不能有頂針阻擋。筋位超過50 mm的地方需要使用方頂針，且筋的膠位加工在方頂針上。澆口周圍盡量少排布頂針。頂針與水路間不得少于8 mm的距離，頂針直徑為10 mm。斜頂尺寸為249.64 mm×58.33 mm的1支，48 mm×29 mm的6支，按如下公式計(jì)算筋位處脫模力：

(2)

(3)

式中：Fc為脫模力，N；E1為塑料的拉伸彈性模量，本塑料為2 MPa；s為塑料收縮率，PP/PE-TD20為0.8%；t為成型塑件壁厚，mm；h為成型塑件脫模方向的高度，mm；Kf為脫模斜度修正系數(shù)(按“1”代入計(jì)算)；υ為泊松比，絕大部分塑料為0.3～0.4；d為頂針直徑，mm；l為頂針長(zhǎng)度，本模具為50.8 cm；E2為頂針材料的拉伸彈性模量，一般為2.1×105MPa。

4 模具工作過程

模具結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。從圖5可知，模具的工作過程： 定?；瑝K⑦在液壓油缸的驅(qū)動(dòng)下后退出緩沖釘?shù)广^，動(dòng)模③及動(dòng)模部分在成型機(jī)作用下向后移動(dòng)，在主分型面處(定模②與動(dòng)模③之間)分開動(dòng)定模，動(dòng)模向后移動(dòng)直至850 mm處停止，動(dòng)?；瑝K⑧和⑨在液壓油缸驅(qū)動(dòng)下向后移動(dòng)，直到退出產(chǎn)品倒鉤為止，此時(shí)成型機(jī)頂出機(jī)構(gòu)在曲臂的作用下推動(dòng)頂桿頂著模具頂出板⑤向定模側(cè)運(yùn)動(dòng)200 mm，頂出產(chǎn)品，機(jī)械手柄取出產(chǎn)品。成型機(jī)頂出機(jī)構(gòu)復(fù)位，拉動(dòng)頂出板⑤復(fù)位貼合動(dòng)模固定板⑥，動(dòng)?；瑝K⑧和⑨機(jī)構(gòu)復(fù)位，動(dòng)模③向定模②移動(dòng)直至與其貼合，最后定?；瑝K⑦復(fù)位，模具一個(gè)工作循環(huán)完成。

①定模固定板；②定模板(型腔)；③動(dòng)模板；④模腳；⑤頂出板；⑥動(dòng)模固定板；⑦定?；瑝K(產(chǎn)品安裝緩沖釘處結(jié)構(gòu))；⑧動(dòng)?；瑝K1(手套箱燈處結(jié)構(gòu))；⑨動(dòng)?；瑝K2(兩側(cè)面與副儀表板安裝孔結(jié)構(gòu))；⑩動(dòng)模斜頂圖5 模具結(jié)構(gòu)示意

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)某款汽車手套箱框本體產(chǎn)品的模流分析，確定澆口類型，對(duì)冷卻系統(tǒng)和頂出系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算校核，從理論上驗(yàn)證了這個(gè)模具設(shè)計(jì)方案的合理性；模具經(jīng)加工裝配后成功試制，現(xiàn)已投入生產(chǎn)使用。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，注塑成型后的塑件質(zhì)量良好，達(dá)到了客戶的技術(shù)要求。