汽车塑料轮罩的热流道叠式模具设计
汽车塑料轮罩的热流道叠式模具设计
1 引言
塑料模具是成型塑料制品的工艺装备或工具。根据塑料成型工艺方法的不同，通常将塑料模具分为注射模具、压缩模具、传递模具、挤出模具、中空吹塑模具、热成型模具等。合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是实现现代塑料制品生产必不可少的三大重要因素。尤其是塑料模具对实现塑料成型工艺要求、保证塑料制件质量、降低生产成本起着重要的作用。对塑料模具设计的要求是：能生产出在尺寸精度、外观、物理性能、力学性能等各方面均能满足使用要求的优质制件。在模具使用时，力求生产效率高、自动化程度高、操作简便、寿命长；在模具制造方面，要求结构合理、制造容易、成本低廉。
1.1 注塑成型及注塑发展现状
目前为止，我国在塑料模的制造精度、模具标准化程度、制造周期、模具寿命以及塑料成型设备的自动化程度和精度等方面已经有了长足的进步，但与国外工业先进国家相比，仍有一定的差距。许多精密技术、大型薄壁和长寿命塑料模具自主开发的生产能力还较弱。要加速发展模具工业，应在模具先进的设计技术、先进的制造技术和开发研制优质的模具材料等方面下功夫，以提高模具的整体制造水平和模具在国内、国际的市场竞争能力。
从塑料模的设计理论、设计实践和制造技术出发，设计与制造大致有以下几个方面的发展趋势。
（1）CAD/CAE/CAM技术在模具设计与制造中的应用
经过多年的推广应用，模具设计“软件化”和模具制造的“数控化”已经在我国模具企业中成为现实。采用CAD技术是模具生产的一次革命，是模具技术发展的一个显著特点。引用模具CAD系统后，借助计算机完成传统模具设计中的各个环节的设计工作，大部分设计与制造信息由系统直接送达，图纸将被简化，甚至最终消失。
（2）应用范围
随着塑料材料和塑料成型技术的发展,塑料成型制品的应用范围越来越广泛,其应用从日用品行业不断向汽车、家电、航空、电子等行业扩展。产品种类越来越多,制品形状越来越复杂,对产品的精度和性能要求也越来越高。
（3）提高模具标准化水平和模具标准件的使用率
模具标准化的水平在某种意义上体现了一个国家模具工业发展的水平。采用标准模架和使用标准零件，可以满足大批量生产制造模具和缩短制造周期。我国的模具标准化程度在不断提高。除了有一些国家标准外，许多厂还有自己的企业标准。但是，与国外工业先进国家的模具标准化程度相比较，在标准体系、标准件的品种和规格以及标准化的管理工作等方面仍有较大差距。因此，为了适应模具工业发展，模具标准化工作必将加强，模具标准化程度将进一步提高，模具标准件生产也必将得到发展。
（4）模具的复杂化、精密化与大型化
为了满足塑料制件在各种工业产品中的使用要求，塑料成型技术朝着复杂化、精密化与大型化方向发展。大型塑件和精密塑件的成型，除了需要成型设备外、更需要采用更先进的模具CAD/CAE/CAM技术来设计与制造
2 塑件工艺分析
2.1 塑件结构
（a）塑件正面 (b)塑件反面
图1 塑件图
图1所示塑件为汽车轮罩，外形结构复杂。最大直径为390mm，重283.8g,壁厚为2 mm。
2.2 塑件材料介绍
2.2.1 材料特性
聚丙烯( PP)是汽车用塑料的主要品种 ,目前国内外汽车用PP的用量正稳步增长 。 PP因其韧性好 、强度高 、吸水率低 、密度小 、价格低廉 、成型性能良好等特点而被大量用于制造塑料轮罩 ,其拉伸强度和弯曲强度分别达 35 ～40 M Pa和42～56 M Pa。
2.2.2 成型工艺特点
（1）熔融温度
PP的熔点为160 ～175℃,分解温度为350℃,但在注射加工时设定温度不能超过275℃,熔融段温度最好在240℃。
（2）注射压力
PP具有很好的流动性能 ,同时由于采用了热流道 ,为减小内应力及变形 ,应避免采用过高的注塑压力 ,由CAE软件分析可知 ,注塑压力设定在50 M Pa即可 。
（3）注射保压
为避免制品产生缩壁 ,需要采用很长时间进行保压 (约为循环时间30% ) ;保压压力约为注塑压力的 60%。大概在全行程的95%时转为保压 。
表1 聚乙烯主要设计参数
密度/(g·cm-3) 0.90～0.91
收缩率/(﹪) 1.6～2.0
模具温度/(℃) 164～170
注射压力P注/MPa 50
分子量/万 10～50
3 模具基本结构设计
根据模具中各个零件的不同功能，注射模可由以下几个部分组成，包括：成型零部件、浇注系统、导向部分、冷却系统、推出机构、排气槽、标准模架等，现分别拟定各部分所采用的方案如下。
3.1 型腔个数
考虑到该制件形状较复杂且属于大型塑料件，型腔个数过多模具成本高、模具笨重，又需满足生产产量要求，且是叠式结构，所以暂定型腔个数为两个。
3.2 模具结构形式的确定
从生产工艺的角度看 ,由于该制件是形状复杂的较大薄板类制件 ,流程相对较长 ,同时容易出现熔接痕 ,为了保证制件良好的表观质量 ,模具应采用热流道技术 。由于制件正面的表观质量要求相当高 ,必须使制品浇口和顶出系统同时位于制件背面 ,即脱模时制件留在浇口所在一侧 ,同时顶出系统应该在开模时被延迟拉出 ,而不是开模完毕后通过注塑机顶杆顶出 。制件脱模时 ,脱模力来自两个方面 :其一是中间部位的4个孔 ,这些孔相对较深 ,壁厚也较厚 ;而在制件的另一面 , 有一个较大的环形薄壁 ,也会产生一个主要的抽拔力 ,并且方向与4个孔产生的抽拔力方向相反 。即使掌握这两个方向抽拔力的大小也不能确保制件在开模时留在某侧 ,这样就必须引入顺序脱模机构 。开合模时在齿轮齿条机构作用下 ,动定模两部分动作均保持相对于中间部分对称 。开模时 ,在弹簧作用下固定板跟凹模板的面首先打开较小的行程并被内六角圆柱头轴肩螺钉限位 。之后分型面打开 ,直到锁钩限位机构作用 ,拉动定模部分顶出装置 ,使得该装置在铰接连杆机构作用下和动模部分顶出装置一同完成顶件动作 。合模时 , 两侧凹模板同时向中间部分合拢 ,并推动复位杆使顶出装置复位 。在分型面闭合后，固定板跟凹模板的面的弹簧也被压缩，此面合拢 ,整副模具闭合 。在顶件动作中 ,铰接连杆机构要传递顶件力 ,而出于紧凑化的要求该机构不能占据过大空间 ,因此在制造时需要选用强度较高的材料 。
4 选择注射机
4.1 计算初选
单个制件重 283.8 g,模具有两个型腔 ,要求注塑机单次注射量为800 cm3,注塑压力为150M Pa;制件投影面积100600 mm2,注塑压力50 M Pa,胀模力大于5000 kN ,要求注塑机锁模力达7 500 kN; 根据模具外尺寸( 900 mm ×1100 mm×1000 mm )和开模距离( 400 mm ) , 要 求 注 塑 机 模 板 最 大 开 距 为2 000 mm ,模板最大行程为800 mm。
4.2 注射机型号的确定
根据以上要求，初选型号为BJ-1000V2 V系列直角节能型注塑机。其基本参数如表2所示。
表2 BJ-1000V2 V系列注射机基本参数
理论注塑容量/cm3 4942
注塑压力/MPa 225
锁模力/kN 10000
最大开合模行程/ mm 1150
模具最小厚度/ mm 480
模具最大厚度/ mm 1150
螺杆行程/mm 470
4.3 注射机的校核
4.3.1 最大注射量的校核
注射量以容积表示，最大注射容积为：
Vmax=аVn=0.8×4942=3954cm3
实际注射容积为：
V=nV1+Vj=800cm3
式中：Vmax —模具型腔和流道在注射压力下所能注射的最大容积（cm3）；
Vn—指定型号与规格的注射机的注射容积（cm3），该注射机为4942 cm3；
а—注射系数，取0.2～0.8，该处取0.8
V1—单个塑件的容量，cm3；
Vj—浇注系统凝料的容量，cm3。
每次注射的实际注射容积V应满足V≤Vmax。800<3954，故满足要求。
1 引言
塑料模具是成型塑料制品的工艺装备或工具。根据塑料成型工艺方法的不同，通常将塑料模具分为注射模具、压缩模具、传递模具、挤出模具、中空吹塑模具、热成型模具等。合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是实现现代塑料制品生产必不可少的三大重要因素。尤其是塑料模具对实现塑料成型工艺要求、保证塑料制件质量、降低生产成本起着重要的作用。对塑料模具设计的要求是：能生产出在尺寸精度、外观、物理性能、力学性能等各方面均能满足使用要求的优质制件。在模具使用时，力求生产效率高、自动化程度高、操作简便、寿命长；在模具制造方面，要求结构合理、制造容易、成本低廉。
1.1 注塑成型及注塑发展现状
目前为止，我国在塑料模的制造精度、模具标准化程度、制造周期、模具寿命以及塑料成型设备的自动化程度和精度等方面已经有了长足的进步，但与国外工业先进国家相比，仍有一定的差距。许多精密技术、大型薄壁和长寿命塑料模具自主开发的生产能力还较弱。要加速发展模具工业，应在模具先进的设计技术、先进的制造技术和开发研制优质的模具材料等方面下功夫，以提高模具的整体制造水平和模具在国内、国际的市场竞争能力。
从塑料模的设计理论、设计实践和制造技术出发，设计与制造大致有以下几个方面的发展趋势。
（1）CAD/CAE/CAM技术在模具设计与制造中的应用
经过多年的推广应用，模具设计“软件化”和模具制造的“数控化”已经在我国模具企业中成为现实。采用CAD技术是模具生产的一次革命，是模具技术发展的一个显著特点。引用模具CAD系统后，借助计算机完成传统模具设计中的各个环节的设计工作，大部分设计与制造信息由系统直接送达，图纸将被简化，甚至最终消失。
（2）应用范围
随着塑料材料和塑料成型技术的发展,塑料成型制品的应用范围越来越广泛,其应用从日用品行业不断向汽车、家电、航空、电子等行业扩展。产品种类越来越多,制品形状越来越复杂,对产品的精度和性能要求也越来越高。
（3）提高模具标准化水平和模具标准件的使用率
模具标准化的水平在某种意义上体现了一个国家模具工业发展的水平。采用标准模架和使用标准零件，可以满足大批量生产制造模具和缩短制造周期。我国的模具标准化程度在不断提高。除了有一些国家标准外，许多厂还有自己的企业标准。但是，与国外工业先进国家的模具标准化程度相比较，在标准体系、标准件的品种和规格以及标准化的管理工作等方面仍有较大差距。因此，为了适应模具工业发展，模具标准化工作必将加强，模具标准化程度将进一步提高，模具标准件生产也必将得到发展。
（4）模具的复杂化、精密化与大型化
为了满足塑料制件在各种工业产品中的使用要求，塑料成型技术朝着复杂化、精密化与大型化方向发展。大型塑件和精密塑件的成型，除了需要成型设备外、更需要采用更先进的模具CAD/CAE/CAM技术来设计与制造
2 塑件工艺分析
2.1 塑件结构
（a）塑件正面 (b)塑件反面
图1 塑件图
图1所示塑件为汽车轮罩，外形结构复杂。最大直径为390mm，重283.8g,壁厚为2 mm。
2.2 塑件材料介绍
2.2.1 材料特性
聚丙烯( PP)是汽车用塑料的主要品种 ,目前国内外汽车用PP的用量正稳步增长 。 PP因其韧性好 、强度高 、吸水率低 、密度小 、价格低廉 、成型性能良好等特点而被大量用于制造塑料轮罩 ,其拉伸强度和弯曲强度分别达 35 ～40 M Pa和42～56 M Pa。
2.2.2 成型工艺特点
（1）熔融温度
PP的熔点为160 ～175℃,分解温度为350℃,但在注射加工时设定温度不能超过275℃,熔融段温度最好在240℃。
（2）注射压力
PP具有很好的流动性能 ,同时由于采用了热流道 ,为减小内应力及变形 ,应避免采用过高的注塑压力 ,由CAE软件分析可知 ,注塑压力设定在50 M Pa即可 。
（3）注射保压
为避免制品产生缩壁 ,需要采用很长时间进行保压 (约为循环时间30% ) ;保压压力约为注塑压力的 60%。大概在全行程的95%时转为保压 。
表1 聚乙烯主要设计参数
密度/(g·cm-3) 0.90～0.91
收缩率/(﹪) 1.6～2.0
模具温度/(℃) 164～170
注射压力P注/MPa 50
分子量/万 10～50
3 模具基本结构设计
根据模具中各个零件的不同功能，注射模可由以下几个部分组成，包括：成型零部件、浇注系统、导向部分、冷却系统、推出机构、排气槽、标准模架等，现分别拟定各部分所采用的方案如下。
3.1 型腔个数
考虑到该制件形状较复杂且属于大型塑料件，型腔个数过多模具成本高、模具笨重，又需满足生产产量要求，且是叠式结构，所以暂定型腔个数为两个。
3.2 模具结构形式的确定
从生产工艺的角度看 ,由于该制件是形状复杂的较大薄板类制件 ,流程相对较长 ,同时容易出现熔接痕 ,为了保证制件良好的表观质量 ,模具应采用热流道技术 。由于制件正面的表观质量要求相当高 ,必须使制品浇口和顶出系统同时位于制件背面 ,即脱模时制件留在浇口所在一侧 ,同时顶出系统应该在开模时被延迟拉出 ,而不是开模完毕后通过注塑机顶杆顶出 。制件脱模时 ,脱模力来自两个方面 :其一是中间部位的4个孔 ,这些孔相对较深 ,壁厚也较厚 ;而在制件的另一面 , 有一个较大的环形薄壁 ,也会产生一个主要的抽拔力 ,并且方向与4个孔产生的抽拔力方向相反 。即使掌握这两个方向抽拔力的大小也不能确保制件在开模时留在某侧 ,这样就必须引入顺序脱模机构 。开合模时在齿轮齿条机构作用下 ,动定模两部分动作均保持相对于中间部分对称 。开模时 ,在弹簧作用下固定板跟凹模板的面首先打开较小的行程并被内六角圆柱头轴肩螺钉限位 。之后分型面打开 ,直到锁钩限位机构作用 ,拉动定模部分顶出装置 ,使得该装置在铰接连杆机构作用下和动模部分顶出装置一同完成顶件动作 。合模时 , 两侧凹模板同时向中间部分合拢 ,并推动复位杆使顶出装置复位 。在分型面闭合后，固定板跟凹模板的面的弹簧也被压缩，此面合拢 ,整副模具闭合 。在顶件动作中 ,铰接连杆机构要传递顶件力 ,而出于紧凑化的要求该机构不能占据过大空间 ,因此在制造时需要选用强度较高的材料 。
4 选择注射机
4.1 计算初选
单个制件重 283.8 g,模具有两个型腔 ,要求注塑机单次注射量为800 cm3,注塑压力为150M Pa;制件投影面积100600 mm2,注塑压力50 M Pa,胀模力大于5000 kN ,要求注塑机锁模力达7 500 kN; 根据模具外尺寸( 900 mm ×1100 mm×1000 mm )和开模距离( 400 mm ) , 要 求 注 塑 机 模 板 最 大 开 距 为2 000 mm ,模板最大行程为800 mm。
4.2 注射机型号的确定
根据以上要求，初选型号为BJ-1000V2 V系列直角节能型注塑机。其基本参数如表2所示。
表2 BJ-1000V2 V系列注射机基本参数
理论注塑容量/cm3 4942
注塑压力/MPa 225
锁模力/kN 10000
最大开合模行程/ mm 1150
模具最小厚度/ mm 480
模具最大厚度/ mm 1150
螺杆行程/mm 470
4.3 注射机的校核
4.3.1 最大注射量的校核
注射量以容积表示，最大注射容积为：
Vmax=аVn=0.8×4942=3954cm3
实际注射容积为：
V=nV1+Vj=800cm3
式中：Vmax —模具型腔和流道在注射压力下所能注射的最大容积（cm3）；
Vn—指定型号与规格的注射机的注射容积（cm3），该注射机为4942 cm3；
а—注射系数，取0.2～0.8，该处取0.8
V1—单个塑件的容量，cm3；
Vj—浇注系统凝料的容量，cm3。
每次注射的实际注射容积V应满足V≤Vmax。800<3954，故满足要求。
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