精密汽车塑料件的成型模具设计要点

优胜产品周老师

轿车的塑料零部件如线圈骨架、基座、保险丝盒、灯座、片式熔断器、中央配电盒、护套、推动架、簧片排组件及外罩等大都采用注射成型，由于这些塑料件本身具有较高的设计精度，使得对这些塑料件不能采用常规的注射成型，而必须采用精密注射成型工艺技术。为了保证轿车精密塑料件的性能、质量与可靠性，注射成型出质量较高、符合产品设计要求的塑料制品，必须对塑料材料、注塑设备与模具及注塑工艺不断进行改进。
    1 影响精密注塑的主要因素
     
     判定精密注塑的依据是注塑制品的精度，即制品的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度。要进行精密注塑必须有许多相关的条件，而最本质的是塑料材料、注塑模具、注塑工艺和注塑设备这四项基本因素。设计塑料制品时，应首先选定工程塑料材料，而能进行精密注塑的工程塑料又必须选用那些力学性能高、尺寸稳定、抗蠕变性能好、耐环境应力开裂的材料。其次应根据所选择的塑料材料、成品尺寸精度、件重、质量要求以及预想的模具结构选用适用的注塑机。在加工过程中，影响精密注塑制品的因素主要来自模具的精度、注塑收缩，以及制品的环境温度和湿度变化幅度等方面。
     
     在精密注塑中，模具是用以取得符合质量要求的精密塑料制品的关键之一，精密注塑用的模具应切实符合制品尺寸、精度及形状的要求。但即使模具的精度、尺寸一致，其模塑的塑料制品之实际尺寸也会因收缩量差异而不一致。因此，有效地控制塑料制品的收缩率在精密注塑技术中就显得十分重要。
     
     模具设计得合理与否会直接影响塑料制品的收缩率，由于模具型腔尺寸是由塑料制品尺寸加上所估算的收缩率求得的，而收缩率则是由塑料生产厂家或工程塑料手册推荐的一个范围内的数值，它不仅与模具的浇口形式、浇口位置与分布有关，而且与工程塑料的结晶取向性(各向异性)、塑料制品的形状、尺寸、到浇口的距离及位置有关。影响塑料收缩率的主要有热收缩、相变收缩、取向收缩、压缩收缩与弹性回复等因素，而这些影响因素与精密注塑制品的成型条件或操作条件有关。因此，在设计模具时必须考虑这些影响因素与注塑条件的关系及其表观因素，如注塑压力与模腔压力及充模速度、注射熔体温度与模具温度、模具结构及浇口形式与分布，以及浇口截面积、制品壁厚、塑料材料中增强填料的含量、塑料材料的结晶度与取向性等因素的影响。上述因素的影响也因塑料材料不同、其它成型条件如温度、湿度、继续结晶化、成型后的内应力、注塑机的变化而不同。
     
     由于注塑过程是把塑料从固态(粉料或粒料)向液态(熔体)又向固态(制品)转变的过程。从粒料到熔体，再由熔体到制品，中间要经过温度场、应力场、流场以及密度场等的作用，在这些场的共同作用下，不同的塑料(热固性或热塑性、结晶性或非结晶性、增强型或非增强型等)具有不同的聚合物结构形态和流变性能。凡是影响到上述"场"的因素必将会影响到塑料制品的物理力学性能、尺寸、形状、精度与外观质量。
     
     这样，工艺因素与聚合物的性能、结构形态和塑料制品之间的内在联系会通过塑料制品表现出来。分析清楚这些内在的联系，对合理地拟定注塑加工工艺、合理地设计并按图纸制造模具、乃至合理选择注塑加工设备都有重要意义。精密注塑与普通注塑在注塑压力和注射速率上也有区别，精密注塑常采用高压或超高压注射、高速注射以获得较小的成型收缩率。综合上述各种原因，设计精密注塑模具时除考虑一般模具的设计要素外，还须考虑以下几点：①采用适当的模具尺寸公差；②防止产生成型收缩率误差；③防止发生注塑变形；④防止发生脱模变形；⑤使模具制造误差降至最小；⑥防止模具精度的误差；⑦保持模具精度。
     
    2 防止产生成型收缩率误差
     
     由于收缩率会因注塑压力而发生变化，因此，对于单型腔模具，型腔内的模腔压力应尽量一致；至于多型腔模具，型腔之间的模腔压力应相差很小。在单型腔多浇口或多型腔多浇口的情况下，必须以相同的注塑压力注射，使型腔压力一致。为此，必须确保使浇口位置均衡。为了使型腔内的模腔压力一致，最好使浇口入口处的压力保持一致。浇口处压力的均衡与流道中的流动阻力有关。所以，在浇口压力达到均衡之前，应先使流通均衡。
     
     由于熔体温度和模具温度对实际收缩率产生影响，因此在设计精密注塑模具型腔时，为了便于确定成型条件，必须注意型腔的排列。因为熔融塑料把热量带入模具，而模具的温度梯度分布一般是围绕在型腔的周围，呈以主流道为中心的同心圆形状。
     
     因此，流道均衡、型腔排列和以主流道为中心的同心圆状排列等设计措施，对减小各型腔之间的收缩率误差、扩大成型条件的允许范围以及降低成本都是必要的。精密注塑模具的型腔排列方式应满足流道均衡和以主流道为中心排列两方面的要求，且必须采用以主流道为对称线的型腔排列方式，否则会造成各型腔的收缩率差异。
     
     由于模具温度对成型收缩率的影响很大，同时也直接影响注塑制品的力学性能，还会引起制品表面发花等各种成型缺陷，因此必须使摸具保持在规定的温度范围内，而且还要使模具温度不随时间变化而变化。多型腔模具的各型腔之间的温差也不得发生变化。为此，在模具设计中必须采取对模具加热或冷却的温度控制措施，且为了使模具各型腔间的温差尽量缩小，必须注意温控-冷却回路的设计。在型腔、型芯温控回路中，主要有串联冷却与并联冷却两种连接方式。
     
     从热交换效率来看，冷却水的流动应呈紊流。但是在并联冷却回路中，成为分流的一条回路中的流量比在串联冷却回路中的流量小，这样可能会形成层流，而且实际进入每条回路中的流量也不一定相同。由于进入各回路的冷却水温度相同，各型腔的温度也应相同，但实际上因各回路中的流量不同，且每条回路的冷却能力也不相同，致使各模腔的温度也不可能一致。采用串联冷却回路的缺点是冷却水的流动阻力大，最前面的型腔入口处的冷却水温度同最后型腔入口处的冷却水温度有明显的差别。冷却水出入口的温差因流量的大小而变化。对于加工轿车塑料件的小型精密注塑模具而言，一般从降低模具成本考虑，采用串联冷却回路较适宜。如果所使用的模温调节控制仪(机)的性能能在2℃内控制冷却水的流量，则各型腔的温差最大也可保持在2℃范围内。
     
     模具型腔和型芯应有各自的冷却水回路系统。在冷却回路的设计上，由于从型腔和型芯上所摄取的热量不同，回路结构的热阻力也不一样，型腔与型芯入口处的水温会产生很大的温差。若采用同一系统，冷却回路设计也较困难。一般轿车塑料件用的小型注塑模具型芯都很小，采用冷却水系统有很大的困难。如有可能，可以采用被青铜材料制造型芯，对实心铍青铜型芯则可采用插入式冷却的方法。另外，在对注塑制品采取防止翘曲的对策时，也希望型腔与型芯之间保持一定的温差。因此设汁型腔与型芯的冷却回路时应能分别进行温度的调节和控制。
     
    3 模具精度的保持
     
     为了保持在注塑压力、锁模力下的模具精度，设计模具结构时必须考虑对型腔零件进行磨削、研磨和抛光等加工的可行性。尽管型腔、型芯的加工已经达到高精度的要求，而且收缩率也同所预计的一样，但由于成型时的中心偏移，其所成型的制品内侧、外侧的相关尺寸都很难达到塑料零部件的设计要求。为了保持动、定模型腔在分型面上的尺寸精度，除了设置常规模具所常用的导柱、导套定中心外，还必须加装锥形定位销或楔形块等定位副，以确保定位精度准确、可靠。
     
     制作精密注塑模具的材料要选择力学性能高、热蠕变小的优质合金工具钢，制作型腔、浇道的模具材料要选择经过严格热处理的硬度高、耐磨性好、耐腐蚀性强、抗热变形的材料，同时还要考虑机械加工、电加工的难易性和经济性。为防止发生时效变化而改变模具的尺寸精度，必须在设计模具时规定降低模具材料热处理的残存奥氏体组织的回火处理或低温处理。
     
     对精密注塑模具的易损零件，尤其是型腔、型芯等易损件，要在设计时考虑修理的可能性，以保持模具维修后仍具有较高精度。
     
    4 结语
     
     精密注塑技术是轿车塑料零部件的主要和关键生产技术，而精密注塑模具的设计是这项生产技术的主要部分，合理地设计精密注塑模具是获得精密制品的基础和必要前提。通过合理地确定模具的尺寸与公差、采取防止注塑制品产生收缩率误差、注塑变形、脱模变形、溢边等，以及确保模具精度等技术措施，并采用正确的精密注塑工艺、适用的工程塑料材料和精密的注塑设备，使之达到最佳的匹配，对于提高轿车精密塑料件的质量、可靠性和性能，降低生产成本，提高生产效率具有十分重要的意义。

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