第三章汽車內(nèi)飾面板注塑模設計

第3章汽車內(nèi)飾面板注塑模設計在現(xiàn)代塑料成型加工工業(yè)中，正確的加工工藝、高效的設備、先進的模具是影響塑件生產(chǎn)的三大重要因素。高效自動化設備只有配備能適應自動化生產(chǎn)的模具才能充分發(fā)揮其效能，產(chǎn)品的開發(fā)更新都以模具的更新為前提[1]。實踐表明，注塑模設計的優(yōu)劣，對其制品的內(nèi)在和外觀質(zhì)量以及生產(chǎn)效率和成本高低，都起著決定性作用[2]。對注塑模的要求是：1）能生產(chǎn)出形狀、尺寸、外觀、物理性能、力學性能等各方面都能達到所要求的合格塑件。2）自動高效，操作方便。3）結(jié)構(gòu)合理，制造方便，制模成本低。4）塑件的修整及二次加工的工作量能盡量減少。5）模具的結(jié)構(gòu)和材料的選擇應能滿足壽命的要求。3.1汽車內(nèi)飾面板工藝性分析汽車內(nèi)飾面板制品如圖3-1所示，為一多安裝插槽、多加強筋以及多曲面組成的非對稱復雜零件。外形尺寸為444mm×366mm×312mm，制品平均壁厚為3mm。此制品為汽車內(nèi)飾面板，表面質(zhì)量要求較高，此外，由于要與其它內(nèi)飾件裝配，因此具有較高的尺寸精度要求。如圖3-1b所示，制品存在倒扣現(xiàn)象不能正常分模，須采用斜頂出機構(gòu)，如A、B處。制品存在多處安裝插糟等特征，考慮到模具加工的可行性及經(jīng)濟性，須在這些特征處采用鑲塊結(jié)構(gòu)，如C、D處等。制品的端部存在兩個與模具開模方向不一致的通孔，為保證開模動作的順利進行，須對該兩處通孔采取側(cè)抽芯設計。3.2材料參數(shù)在塑件設計時，經(jīng)充分考慮后所確定的模塑材料在注塑模設計時是不能輕易更改的。因此，必須充分考慮其力學性能、電氣性能、耐熱性能、耐藥性能及耐侯性等，進而考慮其成型條件，并合理選擇模具結(jié)構(gòu)[2]。綜合考慮上述因素，并參考汽車內(nèi)飾件所用材料，決定選用PP+EPDM-T20作為該制品的材料，該材料是在PP（聚丙烯）的基礎上用EPDM（三元乙丙橡膠）增韌，和20%滑石粉a)b)圖3-1汽車內(nèi)飾面板a）面板正面b）面板側(cè)面及細節(jié)特征（Tail）填充改性。該料與PP（聚丙烯）相比具有更高的強度、良好的彈性并有很強耐沖擊性能。適合用來制作汽車內(nèi)飾強度零件以及保險杠等制品[3]。根據(jù)上海日之升新技術(shù)發(fā)展有限公司提供的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，PP+EPDM-T20相關(guān)的材料屬性如下[4]：塑料密度ρ=1.04g/cm3彈性模量E=918.603MPa收縮率s=1.2%～1.3%拉伸強度17MPa彎曲強度22MPa熱變形溫度（0.46MPa）1303.3型腔數(shù)目和塑件質(zhì)量根據(jù)塑件的生產(chǎn)批量、尺寸大小及精度要求，采用一模一腔。由于塑件形狀不規(guī)則，無法利用幾何關(guān)系來計算其體積，在此利用UG軟件的分析功能得到其體積Vs=385.由上述材料參數(shù)可知，PP+EPDM-T20塑料的密度ρ為1.04g/cm3，即可求的塑件最大質(zhì)量Ms=1.04g/cm3×385.3.4注射機的初選3.4.1注塑容量注塑容量通常是指每次從注塑機噴嘴射出塑料熔體的最大體積容量（cm3）。此最大體積容量也稱為注塑機的額定注塑容量。在選擇注塑機時，應考慮是否能得到包括制品及其澆注系統(tǒng)凝料在內(nèi)的總體積量，通常選用額定注塑容量的80%以下為妥[2]。由于該模采用熱流道澆注系統(tǒng)，因此，在計算注塑容量時無需考慮澆注系統(tǒng)，即：V塑=Vs=385.136cm3M塑=Ms=400.54g注射機注射量須滿足V機≥V塑/0.80式中V機——額定注射量（cm3）；V塑——塑件與澆注系統(tǒng)凝料體積和（cm3）。故V機≥cm3=481.42cm或注射量須滿足M機≥式中M機——額定注射量；M塑——塑件與澆注系統(tǒng)凝料的質(zhì)量之和（g）；ρ1——聚苯乙烯的密度（g/cm3）；ρ2——塑件采用塑料的密度（g/cm3）。聚苯乙烯的密度ρ1為1.054g/cm3，PP+EPDM-T20塑料的密度ρ為1.04g/cm3，故M機≥g=494.023.4.2鎖模力鎖模力通常是指用于鎖緊模具的最大合模力（kN）。此最大合模力亦稱注塑機的額定鎖模力。一般塑料熔體在模腔內(nèi)形成的啟模力必須在額定鎖模力的80%以下。熔體啟模力是指型腔單位面積上的平均壓力與型腔在開模方向上的投影面積之乘積。這個力應小于注射機的公稱鎖模力，否則會產(chǎn)生溢料[2][5]。注射機的鎖模力P鎖模力須滿足P鎖模力≥pF式中p——注射時型腔內(nèi)的壓力，它與塑料品種和塑件有關(guān)，在此p取25MPaF——澆注系統(tǒng)和塑件在分型面上的投影面積之和（mm2）根據(jù)UG軟件分析可知，各型腔及澆注系統(tǒng)在分型面上的投影面積F為726.112cm2：所以P鎖模力≥pF=25×72611.2N=1815.28KN根據(jù)以上分析、計算，查參考文獻結(jié)合工廠設備情況初選注射機型號為HTF360X-B：根據(jù)海天機械有限公司提供的設備參數(shù)可知，注射機HTF360X-B有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：頂出方式機械頂出3.5澆注系統(tǒng)澆注系統(tǒng)是塑料熔體自注射機的噴嘴射出后，到進入模具的型腔以前所流經(jīng)的一段路程的總成。澆注系統(tǒng)是由主流道、分流道、澆口、冷料穴等組成，但不一定都具有上述結(jié)構(gòu)。在設計澆注系統(tǒng)時應考慮下列有關(guān)因素[2][3]：（1）塑料的成型特性設計澆注系統(tǒng)應適應所用塑料的成型特性的要求，以保證塑件質(zhì)量。（2）塑件大小及形狀根據(jù)塑件大小，形狀壁厚以及技術(shù)要求等因素，結(jié)合選擇分型面同時考慮設置澆注系統(tǒng)的形式，進料口數(shù)量及位置，保證正常成形，還應注意防止料流直接沖擊嵌件及細弱型芯或型芯受力不均以及應充分估計可能產(chǎn)生的質(zhì)量弊病和部位等問題，從而采取相應的措施或留有修整余地。（3）模具成型塑件的型腔數(shù)設置澆注系統(tǒng)還應考慮到模具是一模一腔或一模多腔，澆注系統(tǒng)需按型腔布局設計。（4）塑件外觀設置澆注系統(tǒng)時應考慮到去除、修整進料口方便，同時不影響塑件的外表美觀。（5）注射機安裝模板的大小在塑件投影面積比較大時，設置澆注系統(tǒng)時應考慮到注射機模板大小是否允許，并應防止模具偏單元開設進料口，造成注射時受力不均。（6）成型效率在大量生產(chǎn)時設置澆注系統(tǒng)還應考慮到在保證成型質(zhì)量的前提下盡量縮短流程，減少斷面積以縮短填充及冷卻時間，縮短成型周期，同時減少澆注系統(tǒng)損耗的塑料。（7）冷料在注射間隔時間，噴嘴端部的冷料必須去除，防止注入型腔影響塑件質(zhì)量，故設計澆注系統(tǒng)時應考慮儲存冷料的措施。由于塑件結(jié)構(gòu)復雜，外形尺寸大，壁厚又小，表面質(zhì)量要求高，為了提高生產(chǎn)效率及節(jié)省原材料，故采用熱流道澆注系統(tǒng)。3.5.1直接熱澆口根據(jù)塑件外形尺寸444mm×366mm×312mm及重量400g可知，制品屬于中型塑件，再考慮到塑件的形狀，澆注系統(tǒng)決定采用熱噴嘴與側(cè)澆口或者直接熱澆口形式。直接熱澆口尺寸根據(jù)下列公式計算：DG=0.59（3-1）式中DG——直接熱澆口直徑，mm；QG——澆口容積流率，cm3/s。塑料熔體的比容與熔體溫度、澆道內(nèi)的靜壓力以及塑料種類相關(guān)。當熔體處于高溫、高壓的狀態(tài)之下時，其比容較固體時較高。比容可由斯賓塞方程求得，即：(p1+p2)(V－ω)=（3-2）因此V=（3-3）式中p1——熔體在澆道中所受的外部壓力（MPa）；p2——熔體在澆道中所產(chǎn)生的內(nèi)壓（MPa）；V——熔體在該狀態(tài)下的容積（cm3/g）；ω——熔體在-273℃下的比容（cm3/gR′——修正的氣體常數(shù)；T——絕對溫度（℃）。在應用斯賓塞方程時，各參數(shù)值必須依注射條件而定，而注射條件一般需要在模具試模時才能確定，因此，上述公式在實際應用中得到了限制。實際應用中，我們一般采用估算法，即高溫、高壓狀態(tài)下的熔體的比容一般為該品種塑料固體時之比容（即密度的倒數(shù)）乘以一系數(shù)K，其中，對非結(jié)晶性塑料K為1.2～1.25，結(jié)晶性塑料K為1.5。根據(jù)廠商提供的PP+EPDM-T20數(shù)據(jù)可知，=1.04g/cm3，V固=1/=0.962，K取1.25，V=K×V固=1.25×0.962=1.20cm3/g若注射時間為1.5s，則其容積流率Q為Q===320cm3/s將上述容積流率Q代入到公式3-1中，得直接熱澆口直徑為D=0.59=0.59×=4.03mm熱流道噴嘴都是由專業(yè)生產(chǎn)廠家制作，考慮其可購買性，取熱流道噴嘴澆口直徑為4mm。3.5.2針閥式噴嘴考慮到制品的實際生產(chǎn)要求，在此決定采用針閥式熱流道噴嘴，其具有以下優(yōu)勢[4]：1）不會在制品表面留下澆口痕跡。2）可以采用較大直徑的澆口，加快型腔填充，并且能夠降低注射壓力，減少產(chǎn)品的變形，特別對于大、中型塑件。3）使用針閥式噴嘴可以避免開模時出現(xiàn)流涎現(xiàn)象，特別是對于流動性較好的樹脂，如PS、PP等。4）當注塑機螺桿后退時，可有效的防止從模板中反吸物料。我們選用了思納克熱流道有限公司生產(chǎn)的針閥式噴嘴，型號為FPSZZ27100，該型號規(guī)格的噴嘴最大射出量為1800g，澆口尺寸為4mm。3.6模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)是注塑模模具的重要組成部分，冷卻系統(tǒng)的設計質(zhì)量不僅對制品的成型質(zhì)量還對制品的成型周期有著重要影響。塑料制品的成型周期是由注射時間、保壓時間、冷卻時間以及開模時間組成，而對一般制品來說，冷卻時間占到整個成型周期的80%左右。因此，成型制品的冷卻時間幾乎直接決定了成型周期，降低制品的冷卻時間對提高制品的生產(chǎn)效率具有舉足輕重的作用。3.6.1冷卻系統(tǒng)設計的原則冷卻系統(tǒng)的設計要遵循以下原則[3]：1）冷卻水孔數(shù)量盡量多，孔徑盡量少。2）冷卻水孔至型腔表面距離相等。3）由于靠近澆口處的溫度較高，因此澆口處需要加強冷卻。4）降低進出口水的溫差，一般情況下冷卻進出口的溫差應在5℃，精密塑件應控制在25）冷卻水孔不宜設在靠近熔接縫處，以免影響熔接牢度。6）冷卻水通道要易于加工，便于清理，水孔直徑不宜過小，直徑尺寸一般可取為8～12mm。7）當冷卻水道設在模具零件的結(jié)合面上或穿過模具的接合面時，應密封可靠，不能在結(jié)合面上產(chǎn)生泄露現(xiàn)象。3.6.2型腔冷卻系統(tǒng)設計根據(jù)型腔的形狀、壁厚、尺寸以及冷卻管路的可加工性，型腔冷卻系統(tǒng)采用了管道式冷卻水路。為保證冷卻系統(tǒng)的出水口與入水口之間的溫差不超過2℃，各冷卻管路之間采用獨立形式。型腔冷卻系統(tǒng)的管路布置如圖3-2所示[6][7][8]圖3-2型腔冷卻管路布置3.6.3型芯冷卻系統(tǒng)設計型芯冷卻系統(tǒng)的布置同樣需要考慮到型芯的設置及冷卻管路的設置，在此采用了直通式冷卻水路。為保證型芯冷卻系統(tǒng)的效果，在此采用了多條冷卻水路，各冷卻水路之間通過并聯(lián)的方式進行布置，這有效的降低了冷卻管路入口處與出口處之間冷卻介質(zhì)的溫度差，保證了冷卻效果的均與、迅速。這有效縮短了制品的成型周期型芯冷卻系統(tǒng)的管路布置如圖3-3所示[9][10]。圖3-3型芯冷卻管路布置合模冷卻時的冷卻管路之間的相對位置如圖3-4所示[11]。圖3-4冷卻管路布置3.7模具結(jié)構(gòu)分析汽車內(nèi)飾面板注塑模結(jié)構(gòu)如圖3-5所示，該模具一模一腔，熱噴嘴進膠，滑塊側(cè)抽芯，頂針及斜頂機構(gòu)共同作用實現(xiàn)制品推出。圖3-5汽車內(nèi)飾面板熱流道注塑模1.動模固定板2.定位銷3.推板4.推板固定板5.限位塊6.支撐板7.型芯固定板8、10、14.型芯9、17.鑲塊11.型腔12.定模固定板13.熱噴嘴15.滑塊頭16.支撐管18.斜導柱固定板19.滑塊體20.斜導柱21.導向塊22.斜導柱23.滑塊24.滑塊導軌圖3-5汽車內(nèi)飾面板熱流道注塑模（續(xù)一）25.連接板26、27.螺釘28.鑲塊29.復位桿30.推料板導柱31.斜頂桿32、34.支撐柱33.頂桿35.滑塊導軌36.導套3.7.1滑塊側(cè)抽芯機構(gòu)面板端部有兩個與開模方向不平行的通孔，為實現(xiàn)正常分模，須采用側(cè)抽芯機構(gòu)。側(cè)抽芯機構(gòu)主要由滑塊頭15、斜導柱固定板18、滑塊體19、斜導柱20、導軌組成。開模時，動模后移，滑塊體19在開模力及斜導柱的作用下，沿導軌滑動，與其相連接的滑塊頭15具有相同的運動方式。隨著分模過程的不斷進行，面部端部的通孔實現(xiàn)了側(cè)抽芯動作，為塑件的正常分模消除了障礙。圖3-5汽車內(nèi)飾面板熱流道注塑模（續(xù)二）37.導柱38.導套39.滑塊導軌；3.7.2斜頂機構(gòu)汽車內(nèi)飾面板由于功能需要存在倒扣結(jié)構(gòu)，如圖3-6所示。采用斜頂結(jié)構(gòu)是解決倒扣部位順利分型的常用方法，如圖3-7所示?；瑝K導板、滑塊、斜頂桿、導向塊共同構(gòu)成了斜頂機構(gòu)，用于倒扣部分的正常分型。圖3-6制品倒扣部分圖3-7斜頂機構(gòu)汽車內(nèi)飾面板注塑模三維模具機構(gòu)如圖3-8所示[12][13][14][15]。a）圖3-8汽車內(nèi)飾面板三維模具結(jié)構(gòu)（續(xù)）b）圖3-8汽車內(nèi)飾面板三維模具結(jié)構(gòu)（續(xù)）3.8注塑機的校核由圖3-5測量相關(guān)尺寸可知，模具的閉合高度為920mm，而在注射機初選時，注射機HTF360X-B所能使用的模具最大厚度為710mm，因此小于模具的閉合高度，即該模具無法在注塑機上使用，需要重新選擇注塑機。根據(jù)上述模具的閉合高度，查參考文獻結(jié)合工廠設備情況選擇的注射機型號為HTF780X-A：根據(jù)海天機械有限公司提供的設備參數(shù)可知，注射機HTF780X-A有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：頂出方式機械頂出因此，上述所選的注塑機HTF780X-A滿足模具閉合高度的要求，其它參數(shù)也均符合要求。c）圖3-8汽車內(nèi)飾面板三維模具結(jié)構(gòu)（續(xù)）a）型芯b）型腔c）模具結(jié)構(gòu)3.9模具工作過程模具安裝到注塑機上時須利用連接板25、螺栓26將型芯固定板7、型腔11固定在一起，即將整付模具連接成一個整體。用注塑機上的壓板壓住動模固定板1、定模固定板12，在此過程中需要保證定位圈的中心與注塑機噴嘴的中心的對正。連接模具的冷卻系統(tǒng)管路及熱流道系統(tǒng)等，確保其安裝準確無誤。將注塑機空