第三章汽車內(nèi)飾面板注塑模設(shè)計(jì)

第3章汽車內(nèi)飾面板注塑模設(shè)計(jì)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(shè)備、先進(jìn)的模具是影響塑件生產(chǎn)的三大重要因素。高效自動(dòng)化設(shè)備只有配備能適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)的模具才能充分發(fā)揮其效能，產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)更新都以模具的更新為前提[1]。實(shí)踐表明，注塑模設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，對(duì)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(duì)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(xué)性能等各方面都能達(dá)到所要求的合格塑件。2）自動(dòng)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(yīng)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(qiáng)筋以及多曲面組成的非對(duì)稱復(fù)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(jī)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(jì)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(gè)與模具開(kāi)模方向不一致的通孔，為保證開(kāi)模動(dòng)作的順利進(jìn)行，須對(duì)該兩處通孔采取側(cè)抽芯設(shè)計(jì)。3.2材料參數(shù)在塑件設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)充分考慮后所確定的模塑材料在注塑模設(shè)計(jì)時(shí)是不能輕易更改的。因此，必須充分考慮其力學(xué)性能、電氣性能、耐熱性能、耐藥性能及耐侯性等，進(jìn)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(chǔ)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(xì)節(jié)特征（Tail）填充改性。該料與PP（聚丙烯）相比具有更高的強(qiáng)度、良好的彈性并有很強(qiáng)耐沖擊性能。適合用來(lái)制作汽車內(nèi)飾強(qiáng)度零件以及保險(xiǎn)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(qiáng)度17MPa彎曲強(qiáng)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(wú)法利用幾何關(guān)系來(lái)計(jì)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(jī)的初選3.4.1注塑容量注塑容量通常是指每次從注塑機(jī)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(jī)的額定注塑容量。在選擇注塑機(jī)時(shí)，應(yīng)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(jì)算注塑容量時(shí)無(wú)需考慮澆注系統(tǒng)，即：V塑=Vs=385.136cm3M塑=Ms=400.54g注射機(jī)注射量須滿足V機(jī)≥V塑/0.80式中V機(jī)——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(jī)≥cm3=481.42cm或注射量須滿足M機(jī)≥式中M機(jī)——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(jī)≥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(jī)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(kāi)模方向上的投影面積之乘積。這個(gè)力應(yīng)小于注射機(jī)的公稱鎖模力，否則會(huì)產(chǎn)生溢料[2][5]。注射機(jī)的鎖模力P鎖模力須滿足P鎖模力≥pF式中p——注射時(shí)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(jì)算，查參考文獻(xiàn)結(jié)合工廠設(shè)備情況初選注射機(jī)型號(hào)為HTF360X-B：根據(jù)海天機(jī)械有限公司提供的設(shè)備參數(shù)可知，注射機(jī)HTF360X-B有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：頂出方式機(jī)械頂出3.5澆注系統(tǒng)澆注系統(tǒng)是塑料熔體自注射機(jī)的噴嘴射出后，到進(jìn)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(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮下列有關(guān)因素[2][3]：（1）塑料的成型特性設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)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(shí)考慮設(shè)置澆注系統(tǒng)的形式，進(jìn)料口數(shù)量及位置，保證正常成形，還應(yīng)注意防止料流直接沖擊嵌件及細(xì)弱型芯或型芯受力不均以及應(yīng)充分估計(jì)可能產(chǎn)生的質(zhì)量弊病和部位等問(wèn)題，從而采取相應(yīng)的措施或留有修整余地。（3）模具成型塑件的型腔數(shù)設(shè)置澆注系統(tǒng)還應(yīng)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(shè)計(jì)。（4）塑件外觀設(shè)置澆注系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮到去除、修整進(jìn)料口方便，同時(shí)不影響塑件的外表美觀。（5）注射機(jī)安裝模板的大小在塑件投影面積比較大時(shí)，設(shè)置澆注系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮到注射機(jī)模板大小是否允許，并應(yīng)防止模具偏單元開(kāi)設(shè)進(jìn)料口，造成注射時(shí)受力不均。（6）成型效率在大量生產(chǎn)時(shí)設(shè)置澆注系統(tǒng)還應(yīng)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(shí)間，縮短成型周期，同時(shí)減少澆注系統(tǒng)損耗的塑料。（7）冷料在注射間隔時(shí)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(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮儲(chǔ)存冷料的措施。由于塑件結(jié)構(gòu)復(fù)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(jì)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(dāng)熔體處于高溫、高壓的狀態(tài)之下時(shí)，其比容較固體時(shí)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(duì)溫度（℃）。在應(yīng)用斯賓塞方程時(shí)，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(shí)才能確定，因此，上述公式在實(shí)際應(yīng)用中得到了限制。實(shí)際應(yīng)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(shí)之比容（即密度的倒數(shù)）乘以一系數(shù)K，其中，對(duì)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(shí)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(gòu)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(shí)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(shì)[4]：1）不會(huì)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(duì)于大、中型塑件。3）使用針閥式噴嘴可以避免開(kāi)模時(shí)出現(xiàn)流涎現(xiàn)象，特別是對(duì)于流動(dòng)性較好的樹(shù)脂，如PS、PP等。4）當(dāng)注塑機(jī)螺桿后退時(shí)，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(hào)為FPSZZ27100，該型號(hào)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(shè)計(jì)質(zhì)量不僅對(duì)制品的成型質(zhì)量還對(duì)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(shí)間、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間以及開(kāi)模時(shí)間組成，而對(duì)一般制品來(lái)說(shuō)，冷卻時(shí)間占到整個(gè)成型周期的80%左右。因此，成型制品的冷卻時(shí)間幾乎直接決定了成型周期，降低制品的冷卻時(shí)間對(duì)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(shè)計(jì)的原則冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(qiáng)冷卻。4）降低進(jìn)出口水的溫差，一般情況下冷卻進(jìn)出口的溫差應(yīng)在5℃，精密塑件應(yīng)控制在25）冷卻水孔不宜設(shè)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(guò)小，直徑尺寸一般可取為8～12mm。7）當(dāng)冷卻水道設(shè)在模具零件的結(jié)合面上或穿過(guò)模具的接合面時(shí)，應(yīng)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(shè)計(jì)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(guò)2℃，各冷卻管路之間采用獨(dú)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(shè)計(jì)型芯冷卻系統(tǒng)的布置同樣需要考慮到型芯的設(shè)置及冷卻管路的設(shè)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(guò)并聯(lián)的方式進(jìn)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(shí)的冷卻管路之間的相對(duì)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(jìn)膠，滑塊側(cè)抽芯，頂針及斜頂機(jī)構(gòu)共同作用實(shí)現(xiàn)制品推出。圖3-5汽車內(nèi)飾面板熱流道注塑模1.動(dòng)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(dǎo)柱固定板19.滑塊體20.斜導(dǎo)柱21.導(dǎo)向塊22.斜導(dǎo)柱23.滑塊24.滑塊導(dǎo)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(fù)位桿30.推料板導(dǎo)柱31.斜頂桿32、34.支撐柱33.頂桿35.滑塊導(dǎo)軌36.導(dǎo)套3.7.1滑塊側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)面板端部有兩個(gè)與開(kāi)模方向不平行的通孔，為實(shí)現(xiàn)正常分模，須采用側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)。側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)主要由滑塊頭15、斜導(dǎo)柱固定板18、滑塊體19、斜導(dǎo)柱20、導(dǎo)軌組成。開(kāi)模時(shí)，動(dòng)模后移，滑塊體19在開(kāi)模力及斜導(dǎo)柱的作用下，沿導(dǎo)軌滑動(dòng)，與其相連接的滑塊頭15具有相同的運(yùn)動(dòng)方式。隨著分模過(guò)程的不斷進(jìn)行，面部端部的通孔實(shí)現(xiàn)了側(cè)抽芯動(dòng)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(dǎo)柱38.導(dǎo)套39.滑塊導(dǎo)軌；3.7.2斜頂機(jī)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(dǎo)板、滑塊、斜頂桿、導(dǎo)向塊共同構(gòu)成了斜頂機(jī)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(jī)構(gòu)汽車內(nèi)飾面板注塑模三維模具機(jī)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(jī)的校核由圖3-5測(cè)量相關(guān)尺寸可知，模具的閉合高度為920mm，而在注射機(jī)初選時(shí)，注射機(jī)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(wú)法在注塑機(jī)上使用，需要重新選擇注塑機(jī)。根據(jù)上述模具的閉合高度，查參考文獻(xiàn)結(jié)合工廠設(shè)備情況選擇的注射機(jī)型號(hào)為HTF780X-A：根據(jù)海天機(jī)械有限公司提供的設(shè)備參數(shù)可知，注射機(jī)HTF780X-A有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：頂出方式機(jī)械頂出因此，上述所選的注塑機(jī)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(guò)程模具安裝到注塑機(jī)上時(shí)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(gè)整體。用注塑機(jī)上的壓板壓住動(dòng)模固定板1、定模固定板12，在此過(guò)程中需要保證定位圈的中心與注塑機(jī)噴嘴的中心的對(duì)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(zhǔn)確無(wú)誤。將注塑機(jī)空