王明偉1，妙磊1，吳迪1，蔡世銘1，王宗強(qiáng)1，俞建榮2
(1.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧大連116034；2.浙江靖凱模塑科技有限公司，浙江臺(tái)州317108)
摘要：通過(guò)對(duì)汽車后閱讀燈外殼結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)出“兩模四腔”的雙色注塑模具。針對(duì)第一次注射成型，采用“4點(diǎn)針閥式熱流道+點(diǎn)澆口”的進(jìn)膠方式，針對(duì)第二次注射成型，采用“1點(diǎn)針閥式熱流道+U形冷流道+潛式澆口+輔助澆口”的進(jìn)膠方式，從而完成澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)CAE模流分析對(duì)澆注系統(tǒng)的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證，其中輔助澆口的設(shè)計(jì)，避免了澆口縮痕的產(chǎn)生。設(shè)計(jì)了模具的成型系統(tǒng)，針對(duì)產(chǎn)品尺寸精度要求較高的特點(diǎn)，模具采用鑲拼式結(jié)構(gòu)，針對(duì)二次注塑排氣困難的情況，在型腔上設(shè)計(jì)了寬度5mm、深度0.5mm的排氣槽，避免產(chǎn)品出現(xiàn)困氣燒焦；優(yōu)化了模具的冷卻系統(tǒng)，提高了產(chǎn)品冷卻效率，避免了產(chǎn)品變形；設(shè)計(jì)了模具的頂出系統(tǒng)，采用“頂針+直頂桿+斜頂桿”的頂出方式，在頂出的同時(shí)利用澆口鑲件剪掉潛式澆口凝料。塑件頂出后利用機(jī)械手進(jìn)行取件，完成自動(dòng)化生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。汽車后閱讀燈外殼模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，生產(chǎn)精度較高，經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)模具運(yùn)行安全穩(wěn)定，成型產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：汽車后閱讀燈外殼；雙色注塑模具；模流分析；熱流道；澆注系統(tǒng)
雙色注塑也叫雙料注射、重疊層注射，屬于多組分注塑的一種，是將兩種不同的材料注射到同一套模具中，從而實(shí)現(xiàn)將分離的兩部分零件結(jié)合在一起的成型工藝，材料選擇可以是兩種不同顏色的同種材料，也可以是兩種不同材料(軟硬膠注塑)[1-3]。相比于傳統(tǒng)的單色注塑，雙色注塑有許多優(yōu)點(diǎn)：塑件外觀新穎，色彩絢麗；產(chǎn)品造型豐富多樣；塑件產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和附加價(jià)值得到提高。雙色注塑已逐步應(yīng)用到更多行業(yè)領(lǐng)域[4]，但雙色注塑不僅要用到結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的雙色注塑機(jī)臺(tái)，模具也需要專門設(shè)計(jì)制造，而且雙色注塑工藝也更加復(fù)雜，注塑制品容易發(fā)生混色、脫落等質(zhì)量缺陷[5]。
后閱讀燈外殼屬于汽車內(nèi)飾件中的外觀零件，主要功能是提供汽車后排照明，并起到裝飾車內(nèi)頂部的作用，因此，注塑過(guò)程中該塑件不允許出現(xiàn)明顯熔接線、縮痕、沖痕等缺陷。由于后閱讀燈外殼的成型工藝為雙色注塑，產(chǎn)品的兩部分不能發(fā)生脫落現(xiàn)象，以避免傷害車內(nèi)乘客。后閱讀燈外殼與其他零件還有裝配關(guān)系，需要控制產(chǎn)品的翹曲變形量。
筆者分析了汽車后閱讀燈外殼的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與成型工藝要求，設(shè)計(jì)了“兩模四腔”的雙色注塑模具。通過(guò)CAE分析模擬，針對(duì)模具澆注系統(tǒng)，確定了第一次注射成型(以下簡(jiǎn)稱第一射)采用“4點(diǎn)針閥式熱流道+點(diǎn)澆口”的進(jìn)膠方式，第二次注射成型(以下簡(jiǎn)稱第二射)采用“1點(diǎn)針閥式熱流道+U型冷流道+潛式澆口+輔助澆口”的進(jìn)膠方式，CAE分析模擬了澆口的進(jìn)膠情況，確保了澆口位置及類型的合理，為后期模具設(shè)計(jì)及制造提供了保障[6]。
1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析
汽車后閱讀燈外殼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示，產(chǎn)品尺寸為208.6mm×72.31mm×15.7mm。圖中藍(lán)色部分(實(shí)際產(chǎn)品為黑色高光部分)壁厚為2.5mm，透明部分壁厚為4.8mm，兩部分結(jié)構(gòu)壁厚均勻。產(chǎn)品外表面光滑，中間有兩個(gè)斜坡過(guò)渡的孔結(jié)構(gòu)，兩個(gè)方孔尺寸為3.4mm×3.4mm，透明部分對(duì)稱分布在產(chǎn)品兩側(cè)。產(chǎn)品透明部分背面造型設(shè)計(jì)呈鋸齒狀能夠更好地折射光線，保證照明作用，邊緣有兩根定位柱，起到加強(qiáng)固定作用。圖中藍(lán)色部分背面設(shè)計(jì)有7個(gè)螺釘安裝孔，內(nèi)徑為2.50mm，外徑為4.70mm，起裝配作用；4根直徑1.4mm的定位柱，起定位防錯(cuò)作用。為保證成型過(guò)程中封膠到位，兩個(gè)塑件必須具有相同的尺寸基準(zhǔn)[4]。
由于雙色注塑不是簡(jiǎn)單地將傳統(tǒng)單色注塑疊加成型，因此設(shè)計(jì)模具時(shí)不僅要考慮注塑過(guò)程中的充填平衡、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)拔模角度到位、表面無(wú)縮痕等問(wèn)題，還要考慮兩次注塑的封膠問(wèn)題[1]，一般第一射的產(chǎn)品參與第二射時(shí)型腔的封膠[7]。
汽車后閱讀燈外殼選用科思創(chuàng)的兩種牌號(hào)的聚碳酸酯(PC)材料，PC材料具有耐沖擊、尺寸穩(wěn)定、透光性良好等特點(diǎn)[3,8]，其中透明部分的材料牌號(hào)為MakrolonLED2245，黑色高光部分的材料牌號(hào)為Makrolon2407。PC的收縮率為0.5%，兩種PC材料具體的性能參數(shù)見(jiàn)表1和表2，兩次注塑材料的工藝參數(shù)見(jiàn)表3。
產(chǎn)品透明部分與黑色高光部分連接截面如圖2所示，呈L形，起到增加結(jié)合區(qū)域面積的作用，從而增強(qiáng)了兩部分之間的黏結(jié)強(qiáng)度，且第一射和第二射都采用PC材料，這樣材料的融合性和黏結(jié)性更好，降低了零件在汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)以及極端環(huán)境下結(jié)合面開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)[9]。
2 汽車后閱讀燈外殼CAE分析
2.1澆注系統(tǒng)的建立
第一射不允許在外殼表面留下澆口痕跡[2]，故針對(duì)第一射澆注系統(tǒng)采用“4點(diǎn)針閥式熱流道+點(diǎn)澆口”的進(jìn)膠方式；第二射不允許出現(xiàn)澆口縮痕，故針對(duì)第二射澆注系統(tǒng)采用“1點(diǎn)針閥式熱流道+U形冷流道+潛式澆口+輔助澆口”的進(jìn)膠方式。第一射熱流道直徑為10mm，熱流道澆口直徑為5mm~1.5mm，軟件會(huì)自動(dòng)優(yōu)化熱流道各接口，接口類型為SMT-2Cir-I；第二射熱流道直徑為10mm，熱流道澆口直徑為3~10mm，U形冷流道尺寸為8mm×6mm，潛式澆口尺寸為4.5mm×2.3mm，輔助澆口尺寸為11mm×10mm×1.5mm。第一和第二射的澆注系統(tǒng)如圖3所示，為滿足模具固定圈位置要求及流道平衡，第一射主熱流道設(shè)計(jì)為異形熱流道。
2.2CAE模流分析結(jié)果
在Moldex3D中設(shè)定分析順序、成型條件及計(jì)算參數(shù)，兩次注塑的CAE分析順序都設(shè)置為“填充+保壓+冷卻+翹曲”。采用第一射的默認(rèn)工藝參數(shù)(填充時(shí)間1.03s，熔體溫度300℃,模具溫度100℃,最大保壓壓力160MPa，保壓時(shí)間10.2s，冷卻時(shí)間22.4s)和第二射的默認(rèn)工藝參數(shù)(填充時(shí)間2.25s，熔體溫度300℃,模具溫度100℃,最大保壓壓力160MPa，保壓時(shí)間6.37s，冷卻時(shí)間14.8s)進(jìn)行模流分析。在進(jìn)行第二射的計(jì)算參數(shù)設(shè)置中，把第一射定義為塑料嵌件，在“計(jì)算參數(shù)-多材質(zhì)射出成型”中要選擇前一射組別的ID，為了分析更精確還要重新計(jì)算前一射組別，分析結(jié)果如圖4所示。由圖4a和圖4b可知，第一射和第二射分別在1.036s和2.257s填充完成，填充末端無(wú)短射現(xiàn)象，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理；由圖4c可知熔接線情況，發(fā)現(xiàn)熔接線都是由孔結(jié)構(gòu)引起的，無(wú)法避免；由圖4d可知產(chǎn)品Z向的最大翹曲變形量為0.431mm，滿足裝配方向0.5mm的要求。
3 汽車后閱讀燈外殼模具設(shè)計(jì)
3.1分型面位置選擇
分型面是動(dòng)模和定模的接觸面，能夠在模具分開(kāi)后取出產(chǎn)品和澆注系統(tǒng)。分型面選擇的原則：選擇產(chǎn)品的最大截面，使產(chǎn)品在開(kāi)模時(shí)脫出定模并留在動(dòng)模內(nèi)，以便取出產(chǎn)品[10]。第一射和第二射產(chǎn)品分型線位置如圖5紅色線條所示，分型面為分型線在UG軟件中拉伸、橋接等操作形成。
3.2成型系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在模具中和塑件接觸用來(lái)形成塑件結(jié)構(gòu)的零件都是成型零件，比如型芯、型腔、頂桿等，所以成型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、鋼材選用、加工精度等直接影響產(chǎn)品成型的質(zhì)量[11-12]。一般要求成型零件具有較好的力學(xué)性能、較高的表面質(zhì)量和成型精度，保證整體模具的設(shè)計(jì)壽命，滿足產(chǎn)品的外觀和尺寸要求，所以成型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在整個(gè)模具設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要[13]。后閱讀燈外殼的表面質(zhì)量要求較高，為了模具的加工精度及后續(xù)方便保養(yǎng)，型芯、型腔的結(jié)構(gòu)均采用鑲拼式，成型零件直接鑲嵌在型芯、型腔中。型腔、型芯的三維設(shè)計(jì)如圖6所示。型腔尺寸為660mm×450mm×189mm，型芯尺寸為660mm×450mm×245mm，鋼材選用江蘇隆昌興新材料科技有限公司的葛利茲1.2738HH模具鋼。為了提高模具使用壽命，在型芯、型腔邊緣設(shè)置耐磨板和承壓板。為避免雙色成型工藝中二次注射階段因氣體滯留引發(fā)的熱降解現(xiàn)象，在型腔關(guān)鍵區(qū)域?qū)嵤┝私Y(jié)構(gòu)化排氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定采用寬度5mm±0.1mm、深度0.5mm±0.05mm的半圓形截面排氣槽結(jié)構(gòu)參數(shù)[14]，可以避免注塑時(shí)困氣的出現(xiàn)，同時(shí)在模具的四個(gè)角設(shè)計(jì)虎口結(jié)構(gòu)，起到鎖模、定位作用[7]。
3.3澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)
后閱讀燈外殼對(duì)外觀質(zhì)量要求較高且需大批量生產(chǎn)，因此選用針閥式熱流道。熱流道的設(shè)計(jì)需確保填充平衡，尤其是多分流道系統(tǒng)應(yīng)保證熔融塑料同時(shí)進(jìn)入模具型腔。具體設(shè)計(jì)如下。
第一射：采用針閥式熱流道，設(shè)計(jì)一個(gè)主流道和4個(gè)分流道，分別用于成型4個(gè)零件，為滿足模具固定圈的位置要求及流道平衡，第一射主熱流道設(shè)計(jì)為異形熱流道。
第二射：設(shè)計(jì)一個(gè)主熱流道，并在熱流道與澆口之間增設(shè)一段冷流道以實(shí)現(xiàn)分流。冷流道的截面形狀包括圓形、U形、矩形和梯形，為便于加工，選用U形冷流道，為避免出現(xiàn)表面沖痕及澆口縮痕的產(chǎn)生，設(shè)計(jì)潛式澆口及輔助澆口的進(jìn)膠方式。
綜上所述，模具第一射澆注系統(tǒng)采用“4點(diǎn)針閥式熱流道+點(diǎn)澆口”的進(jìn)膠方式；第二射澆注系統(tǒng)采用“1點(diǎn)針閥式熱流道+U形冷流道+潛式澆口+輔助澆口”的進(jìn)膠方式。為預(yù)防成型產(chǎn)品外觀不良，在冷流道末端設(shè)置了冷料井。兩次的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖7所示。
3.4冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
模具冷卻系統(tǒng)是否合理關(guān)系到產(chǎn)品的成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率，在注塑周期中，冷卻時(shí)間占整個(gè)周期的70%，且模具95%的熱量是通過(guò)冷卻系統(tǒng)帶走的，合理的冷卻系統(tǒng)能提高塑件的成型質(zhì)量，減少翹曲變形和殘余應(yīng)力[8]。
根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，冷卻水路直徑的設(shè)計(jì)范圍為8～14mm；水路至零件的距離為水路直徑的1.5～2倍；水路間距為水路直徑的2～3倍；進(jìn)入模具的冷卻水溫度需接近模具表面溫度，冷卻水的入模溫度和出模溫度之間差異需控制在5℃以內(nèi)；水流雷諾數(shù)控制在10000以上，保證穩(wěn)定紊流狀態(tài)，增強(qiáng)傳熱效果[15]。
由于后閱讀燈外殼形狀較規(guī)則，在冷卻系統(tǒng)中采用直通式冷卻水路，使水道沿著產(chǎn)品四周排布，從而能夠快速均勻地使零件冷卻。兩次注塑的動(dòng)模水路完全相同，如圖8a所示，水路圍繞在產(chǎn)品周圍，動(dòng)模選用直徑為9mm的冷卻水管，因第一射產(chǎn)品為厚壁結(jié)構(gòu)，容易堆積熱量，為提高冷卻效率，防止變形，在背面采用隔板式水路，水管直徑為15mm。因第一射和第二射產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不同，分別設(shè)計(jì)了第一射和第二射的定模冷卻水路，如圖8b所示，選用直徑為11.5mm的冷卻水路，在靠近產(chǎn)品的地方為了避開(kāi)熱流道選用直徑為9mm的水路。上述冷卻水路的設(shè)計(jì)能夠更好地縮短冷卻時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，防止產(chǎn)品變形。設(shè)計(jì)冷卻水路時(shí)需要避開(kāi)其四周的滑塊、司筒、頂桿等相關(guān)的零件，水路與其他模具部件也有一定的距離要求，以避免漏水[7,11]。全部冷卻水路通過(guò)軟管連接。
3.5頂出系統(tǒng)設(shè)計(jì)
產(chǎn)品在模具中進(jìn)行冷卻時(shí)會(huì)對(duì)型芯產(chǎn)生包緊力。冷卻過(guò)程結(jié)束后，需要利用模具的頂出系統(tǒng)將塑件推出完成最后的脫模。模具頂出要求零件能夠平穩(wěn)地出模，產(chǎn)品不能出現(xiàn)頂針印、頂針頂高導(dǎo)致產(chǎn)品破損和受力不均傾斜頂出等情況[16]，因此將頂桿和頂針均勻地分布在產(chǎn)品背面。在頂針與產(chǎn)品接觸的端面做網(wǎng)格紋，能夠防滑、避免塑件黏模并使模具更好地排氣。
在本模具中，由于第一射不需要頂出動(dòng)作，因此只需要設(shè)計(jì)第二射時(shí)的頂出系統(tǒng)。產(chǎn)品整體不存在倒扣、側(cè)孔等結(jié)構(gòu)，故采用“頂針+直頂桿+斜頂桿”即可滿足頂出動(dòng)作，模具的頂出系統(tǒng)如圖9所示，頂針、直頂桿、斜頂桿均勻地分布在模具推板上，當(dāng)模具完成冷卻過(guò)程打開(kāi)后，頂出油缸會(huì)帶動(dòng)所有頂針、頂桿及頂塊將產(chǎn)品塑件和澆口頂出，澆口鑲件完成潛式澆口和輔助澆口的分離，機(jī)械手完成取件后頂出機(jī)構(gòu)在復(fù)位彈簧的彈力作用下推動(dòng)推板，推板再帶動(dòng)頂桿等部件進(jìn)行精確復(fù)位。
3.6模具裝配及工作流程
汽車后閱讀燈外殼注塑模具裝配圖如圖10所示。模具整體尺寸為890mm×658mm×650mm，模具屬于“兩模四腔”雙色注塑模具，采用該模具進(jìn)行注塑的整個(gè)工作流程為：首先進(jìn)行模具安裝工作，將模具通過(guò)定位圈安裝固定在注塑機(jī)臺(tái)上的模板之間，然后接通熱流道線路、水路、模溫機(jī)、油路、限位開(kāi)關(guān)等，并對(duì)模具進(jìn)行檢查，看是否有生銹、頂針動(dòng)作異常等；對(duì)熱流道進(jìn)行加熱，達(dá)到設(shè)定溫度后，將塑料粒子加入注塑機(jī)臺(tái)的加熱位置使塑料粒子熔融，然后熔融塑料通過(guò)注塑機(jī)螺桿的擠壓經(jīng)模具熱流道最后注射進(jìn)模具型腔中，模具完成第一射后開(kāi)模，第一射產(chǎn)品留在動(dòng)模側(cè)，該產(chǎn)品的背面結(jié)構(gòu)及兩個(gè)定位柱起加強(qiáng)固定作用，因此第一射的產(chǎn)品沒(méi)有發(fā)生相對(duì)位移，不影響第二射的注塑；由旋轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)模具動(dòng)模旋轉(zhuǎn)180°后合模開(kāi)始第二次注塑，注塑完成后模具再次開(kāi)模，頂針板推動(dòng)頂針、頂桿進(jìn)行頂出過(guò)程，斜頂桿用于BOSS柱(螺絲柱)部位滑塊的退出，頂針頂出零件及澆口脫模，同時(shí)輔助澆口與潛式澆口在澆口鑲塊的作用下完成分離；機(jī)械手取件后，模具頂出系統(tǒng)完成復(fù)位。模具繼續(xù)旋轉(zhuǎn)180°后開(kāi)始下一周期循環(huán)注塑生產(chǎn)，每個(gè)成型周期都生產(chǎn)一模第一射產(chǎn)品及一模后閱讀燈外殼完整產(chǎn)品。
1—Moving platen；2—Spacers；3—Moving mould ；4—0° precise positioning；5—Pressure-bearing plate；6—Wear-resistant blocks；
7—Fixed mould core；8—Fixed mould water channel；9—Hot runner；10—Fixed platen；11—Positioning ring；12—Hot runner retainer plate；
13—Gate insert；14—Sprue pin；15—Direct ejection pin；16—Moving mould water channel；17—Support head；18—Universal slide seat；
19—Ejector plate；20—Hoisting mould block；21—Hot runner connector；22—Water channel connector；23—Angular ejector pin
4 實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證
最后對(duì)裝配后的模具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)驗(yàn)證，注塑過(guò)程中的后閱讀燈外殼模具如圖11所示。采用CAE分析得到的最優(yōu)工藝參數(shù)組合進(jìn)行試制，所得注塑產(chǎn)品如圖12所示，產(chǎn)品表面光潔，無(wú)縮痕等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)實(shí)際裝車驗(yàn)證，產(chǎn)品翹曲變形在公差范圍內(nèi)，裝車效果較好。
5 結(jié)論
(1)針對(duì)雙色汽車后閱讀燈外殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“兩模四腔”雙色注塑模具?；贑AE分析結(jié)果，確定了模具的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：第一射澆注系統(tǒng)采用“4點(diǎn)針閥式熱流道+點(diǎn)澆口”的進(jìn)膠方式；第二射澆注系統(tǒng)采用“1點(diǎn)針閥式熱流道+U形冷流道+潛式澆口+輔助澆口”的進(jìn)膠方式。其中，輔助澆口的設(shè)計(jì)有效避免了澆口縮痕及人工修剪澆口時(shí)缺陷的產(chǎn)生，并通過(guò)CAE分析澆注系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。
(2)確定模具的分型面位置，設(shè)計(jì)了模具的成型系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和頂出系統(tǒng)。針對(duì)第一射塑件作為第二射產(chǎn)品封膠位時(shí)易出現(xiàn)的困氣燒焦現(xiàn)象，在型腔上設(shè)計(jì)了寬度為5mm、深度為0.5mm的排氣槽。該排氣槽的設(shè)計(jì)顯著改善了困氣現(xiàn)象，避免了因氣體滯留導(dǎo)致的燒焦缺陷，從而提升了產(chǎn)品的成型質(zhì)量。
(3)對(duì)模具進(jìn)行裝配后進(jìn)行了試模驗(yàn)證，試模產(chǎn)品無(wú)明顯外觀質(zhì)量缺陷，且尺寸精度滿足裝車要求，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。試模結(jié)果表明模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，同時(shí)與機(jī)械手結(jié)合實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，顯著提高了生產(chǎn)效率。本次模具設(shè)計(jì)為雙色注塑模具的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了實(shí)踐參考，對(duì)類似產(chǎn)品的模具開(kāi)發(fā)具有一定的借鑒意義。
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