塑膠天梯模具改善變形量的研究

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，人們對塑料制品的外觀和使用性能要求越來越高，翹曲變形程度作為評定產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標之一。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)濟效益

中圖分類號：TQ320 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（a）-0088-04

1 ?引言

塑膠天梯模具（發(fā)明專利號：201810803657.X）對應(yīng)的是汽車儀表臺上裝飾框的研發(fā)生產(chǎn)項目。項目有4款產(chǎn)品，產(chǎn)品造型奇特，工件長而細并有開口，變形問題很難控制，特別是左儀表圈、右儀表圈，產(chǎn)品落差大，在生產(chǎn)前我們有知會客人此項目的變形問題，希望客戶可以優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，便于管控變形。但因為客人很喜歡這種特異的造型（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)品變形問題特別是改善左、右儀表圈的變形問題成為一大難題。

2 ?市場現(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越普及，人們對于塑料材料制品的要求也越來越高，塑料制品的生產(chǎn)加工正向著功能化、智能化、精細化的方向發(fā)展。汽車儀表臺裝飾條項目圖片如圖1，初次看到這個圖片，大家都認為這個項目不可行，即使提交到公司技術(shù)管理層討論，大家也認為變形無法管控。

經(jīng)過多次反復(fù)摸索、實驗、測試、研究、分析，多次調(diào)整水口和流道方式，注塑成型后進行電鍍、熱風(fēng)干、冷卻、剪除水口、檢測，將產(chǎn)品變形由超過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)，達到并超過了產(chǎn)品技術(shù)上的設(shè)計要求，填補了市場上同類產(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：①熔體溫度在軸向、徑向（相對螺桿而言）的溫差會使塑料產(chǎn)生應(yīng)力;②注射機的注射壓力、速率等參數(shù)會極大地影響充填時分子的取向程度，進而引起翹曲變形。

（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、凝固的過程。在這個過程中，溫度、壓力、速度三者相互耦合作用，對塑件的質(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產(chǎn)生高剪切速率，從而引起平行于流動方向和垂直于流動方向的分子取向的差異，使塑料在流動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、型芯的溫度相差過大，由于貼近冷模腔面的熔體很快冷卻下來，而貼近熱模腔面的料層則會繼續(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大（尤其在脫模溫度太高時）而使塑件產(chǎn)生變形;④大型深腔薄壁的塑件時，由于脫模阻力較大，頂出時變形。

（4）塑料本身的物性也會引起注塑件的翹曲變形。結(jié)晶型塑料在流動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方向上的收縮率大，對于纖維增強類塑料，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程中粗化、烘烤過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）在粗化過程中大約68℃10min，烘烤過程65℃45min。在這些高溫過程中，塑膠分子會重新排列，會導(dǎo)致厚薄膠位的收縮不同。

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

5 ?有針對性的解決措施

（1）選用合適噸位的注塑機及螺桿。（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。對于此類異形儀表圈，采用均勻分布的三點進膠。（4）通過調(diào)節(jié)型腔、型芯的溫度來改變變形的方向，降低凸出面模溫、升高凹陷面模溫。（5）通過調(diào)整設(shè)計，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。適當提高模具溫度以降低注塑件的冷卻速度，減小因激冷過渡造成的溫差變形。（7）增大射膠或保壓壓力，并大大地延長射膠或保壓的時間，使注塑件的尺寸增大，減小它的收縮量。（8）設(shè)計頂出系統(tǒng)時應(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大（尤其在脫模溫度太高時）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)計時考慮翹曲變形，提前修正翹曲變形。（13）在設(shè)計階段，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，盡可能減少掛具對產(chǎn)品的影響。

如果以上方法仍無法解決翹曲變形，我們還可以采取注塑件出模定型的方法來降低變形。首先，將注塑件提早出模，然后在塑料軟化點溫度附近將其放在工作臺上用夾具定型，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。所謂矯枉必須過正，所以生產(chǎn)時要研究壓過正的量。

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程的條件和參數(shù)均對制品的翹曲變形有不同程度的影響。因此，對注塑制品翹曲變形機理的研究必須綜合考慮整個成型過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135mm，高102mm，厚度為4mm，有5個內(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

在設(shè)計分形面前，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°后鏡像對稱布局，澆口設(shè)計在產(chǎn)品中心位置，這樣可以縮短流道長度，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、線面網(wǎng)格造型建主分型面。中間的分型面不能用簡單的延伸來創(chuàng)建，采用曲線網(wǎng)格、自由造型、橋接、邊界混合法進行縫補結(jié)合（見圖4）。

6.2.2 抽芯機構(gòu)的設(shè)計

行位、斜頂是為了解決倒鉤設(shè)定的機構(gòu)，其基本原理是將模具開閉的垂直運動轉(zhuǎn)成水平運動，斜頂與側(cè)滑塊抽芯機構(gòu)的最大的不同在于其動作的驅(qū)動力來自于推板的動作，而不是利用動、定模板開閉的動作。由于斜頂必須利用推板的驅(qū)動動作，因此斜頂?shù)脑O(shè)計與推板的行程有關(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個斜向抽芯、2個內(nèi)模抽芯、6個斜頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)，結(jié)合3個進膠點、延伸1個電鍍圓環(huán)，2個電鍍擋膠位，5點（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

基于Moldflow有限元分析平臺，構(gòu)建了汽車儀表臺上裝飾框塑料內(nèi)飾件有限元分析模型，對該塑料件注塑過程中的熔體流動、材料冷卻等進行了仿真計算，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整個注塑件的質(zhì)量有重大影響。Moldflow軟件可以模擬注塑成型過程，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軟件對模具進行前期各種分析時，都要先進行分析前處理。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。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

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)的流動條件等均可減小在收縮率方向上的差值（即變形量）。可是只變更成型條件大多難以矯正過來，這時就需改變澆口的位置和數(shù)目，例如成型汽車儀表臺裝飾框時要從中間位置3個進膠點、延伸1個電鍍圓環(huán)，2個電鍍擋膠位，（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，主流道三點均勻注膠，形成扣位，由扣位引出的“天梯”原來的1點，改為2點、3點，最終覺得2點天梯的方式較好，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)，達到了產(chǎn)品設(shè)計的技術(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個入膠口，2點“天梯方式”（即兩點流道），增加流動速度，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。改變流道方式就增加進膠速度和水口對產(chǎn)品的支撐穩(wěn)定作用，解決注塑件變形問題。

經(jīng)測試，1、2、3點入膠路徑，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。對測試數(shù)據(jù)進行反復(fù)統(tǒng)計分析，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)量會越大，不良率會越低、變形量會越小。綜合考慮，選擇一個主流道數(shù)量、橫截面、聯(lián)通間隔合適，不良率、變形量較低的模式進行批量生產(chǎn)。

6.2.5 模具型腔設(shè)計

在注塑成型過程中，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)該具有足夠的強度和剛度。強度不夠?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、定模。

6.3 模具的工作原理

模具閉合時，熔融塑料經(jīng)過噴嘴注入模具型腔中，注塑成型完畢后，注塑機帶動動模以下部位向下移動，在拉料桿和動模型芯作用下，制件留在動模一側(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，動模部分停止向下移動，注塑機的推桿推動推板向上運動，斜頂桿隨推板向上運動，同時順著動模板中的斜孔向兩邊運動，實現(xiàn)斜頂板與塑料件卡槽的分離，保證了制件從動模中頂出，機械手取出制件后，推動推板的推桿復(fù)位，在復(fù)位桿的作用下推板回到原位，斜頂也回到原來的位置，模具閉合，完成一個工作循環(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。塑膠件因電鍍時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，電鍍時外界溫度發(fā)生變化，小氣泡會產(chǎn)生膨脹，導(dǎo)致鍍層與鍍層、鍍層與基體之間產(chǎn)生分離。如鍍層沒有進行適當?shù)娜?yīng)力處理，在受到外界環(huán)境變化，也會導(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，相對穩(wěn)定，不易再變形。

7 ?結(jié)語

使用Moldflow軟件對模具的設(shè)計進行CAE分析，優(yōu)化了澆注系統(tǒng)的設(shè)計。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)計等等。因此，在生產(chǎn)汽車塑料件時，應(yīng)當不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，改進產(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)。對于汽車儀表臺的產(chǎn)品造型奇特，采用塑料天梯模具的工藝方法不失為一個好的解決方法，大大提高了綜合經(jīng)濟效益。

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