王明偉1，妙磊1，吳迪1，蔡世銘1，王宗強1，俞建榮2
(1.大連工業(yè)大學機械與自動化學院，遼寧大連116034；2.浙江靖凱模塑科技有限公司，浙江臺州317108)
摘要：通過對汽車后閱讀燈外殼結(jié)構(gòu)分析，設計出“兩模四腔”的雙色注塑模具。針對第一次注射成型，采用“4點針閥式熱流道+點澆口”的進膠方式，針對第二次注射成型，采用“1點針閥式熱流道+U形冷流道+潛式澆口+輔助澆口”的進膠方式，從而完成澆注系統(tǒng)的設計，通過CAE模流分析對澆注系統(tǒng)的合理性進行了驗證，其中輔助澆口的設計，避免了澆口縮痕的產(chǎn)生。設計了模具的成型系統(tǒng)，針對產(chǎn)品尺寸精度要求較高的特點，模具采用鑲拼式結(jié)構(gòu)，針對二次注塑排氣困難的情況，在型腔上設計了寬度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；設計了模具的頂出系統(tǒng)，采用“頂針+直頂桿+斜頂桿”的頂出方式，在頂出的同時利用澆口鑲件剪掉潛式澆口凝料。塑件頂出后利用機械手進行取件，完成自動化生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。汽車后閱讀燈外殼模具結(jié)構(gòu)設計合理，生產(chǎn)精度較高，經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證發(fā)現(xiàn)模具運行安全穩(wěn)定，成型產(chǎn)品質(zhì)量達到設計要求。
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：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)效率和附加價值得到提高。雙色注塑已逐步應用到更多行業(yè)領域[4]，但雙色注塑不僅要用到結(jié)構(gòu)比較復雜的雙色注塑機臺，模具也需要專門設計制造，而且雙色注塑工藝也更加復雜，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，設計了“兩模四腔”的雙色注塑模具。通過CAE分析模擬，針對模具澆注系統(tǒng)，確定了第一次注射成型(以下簡稱第一射)采用“4點針閥式熱流道+點澆口”的進膠方式，第二次注射成型(以下簡稱第二射)采用“1點針閥式熱流道+U型冷流道+潛式澆口+輔助澆口”的進膠方式，CAE分析模擬了澆口的進膠情況，確保了澆口位置及類型的合理，為后期模具設計及制造提供了保障[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。圖中藍色部分(實際產(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，中間有兩個斜坡過渡的孔結(jié)構(gòu)，兩個方孔尺寸為3.4mm×3.4mm，透明部分對稱分布在產(chǎn)品兩側(cè)。產(chǎn)品透明部分背面造型設計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，起到加強固定作用。圖中藍色部分背面設計有7個螺釘安裝孔，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，起定位防錯作用。為保證成型過程中封膠到位，兩個塑件必須具有相同的尺寸基準[4]。
由于雙色注塑不是簡單地將傳統(tǒng)單色注塑疊加成型，因此設計模具時不僅要考慮注塑過程中的充填平衡、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)拔模角度到位、表面無縮痕等問題，還要考慮兩次注塑的封膠問題[1]，一般第一射的產(chǎn)品參與第二射時型腔的封膠[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[3,8]，其中透明部分的材料牌號為MakrolonLED2245，黑色高光部分的材料牌號為Makrolon2407。PC的收縮率為0.5%，兩種PC材料具體的性能參數(shù)見表1和表2，兩次注塑材料的工藝參數(shù)見表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，從而增強了兩部分之間的黏結(jié)強度，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動時以及極端環(huán)境下結(jié)合面開裂的風險[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]，故針對第一射澆注系統(tǒng)采用“4點針閥式熱流道+點澆口”的進膠方式；第二射不允許出現(xiàn)澆口縮痕，故針對第二射澆注系統(tǒng)采用“1點針閥式熱流道+U形冷流道+潛式澆口+輔助澆口”的進膠方式。第一射熱流道直徑為10mm，熱流道澆口直徑為5mm~1.5mm，軟件會自動優(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，第一射主熱流道設計為異形熱流道。
2.2CAE模流分析結(jié)果
在Moldex3D中設定分析順序、成型條件及計算參數(shù)，兩次注塑的CAE分析順序都設置為“填充+保壓+冷卻+翹曲”。采用第一射的默認工藝參數(shù)(填充時間1.03s，熔體溫度300℃,模具溫度100℃,最大保壓壓力160MPa，保壓時間10.2s，冷卻時間22.4s)和第二射的默認工藝參數(shù)(填充時間2.25s，熔體溫度300℃,模具溫度100℃,最大保壓壓力160MPa，保壓時間6.37s，冷卻時間14.8s)進行模流分析。在進行第二射的計算參數(shù)設置中，把第一射定義為塑料嵌件，在“計算參數(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，填充末端無短射現(xiàn)象，澆注系統(tǒng)設計合理；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計
3.1分型面位置選擇
分型面是動模和定模的接觸面，能夠在模具分開后取出產(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)品在開模時脫出定模并留在動模內(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)設計
在模具中和塑件接觸用來形成塑件結(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)的設計、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性能、較高的表面質(zhì)量和成型精度，保證整體模具的設計壽命，滿足產(chǎn)品的外觀和尺寸要求，所以成型系統(tǒng)的設計在整個模具設計過程中非常重要[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、型芯的三維設計如圖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)化設計。根據(jù)經(jīng)驗，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]，可以避免注塑時困氣的出現(xiàn)，同時在模具的四個角設計虎口結(jié)構(gòu)，起到鎖模、定位作用[7]。
3.3澆注系統(tǒng)設計
后閱讀燈外殼對外觀質(zhì)量要求較高且需大批量生產(chǎn)，因此選用針閥式熱流道。熱流道的設計需確保填充平衡，尤其是多分流道系統(tǒng)應保證熔融塑料同時進入模具型腔。具體設計如下。
第一射：采用針閥式熱流道，設計一個主流道和4個分流道，分別用于成型4個零件，為滿足模具固定圈的位置要求及流道平衡，第一射主熱流道設計為異形熱流道。
第二射：設計一個主熱流道，并在熱流道與澆口之間增設一段冷流道以實現(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，設計潛式澆口及輔助澆口的進膠方式。
綜上所述，模具第一射澆注系統(tǒng)采用“4點針閥式熱流道+點澆口”的進膠方式；第二射澆注系統(tǒng)采用“1點針閥式熱流道+U形冷流道+潛式澆口+輔助澆口”的進膠方式。為預防成型產(chǎn)品外觀不良，在冷流道末端設置了冷料井。兩次的澆注系統(tǒng)設計如圖7所示。
3.4冷卻系統(tǒng)設計
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，冷卻時間占整個周期的70%，且模具95%的熱量是通過冷卻系統(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力[8]。
根據(jù)設計經(jīng)驗，冷卻水路直徑的設計范圍為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。兩次注塑的動模水路完全相同，如圖8a所示，水路圍繞在產(chǎn)品周圍，動模選用直徑為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，分別設計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)品的地方為了避開熱流道選用直徑為9mm的水路。上述冷卻水路的設計能夠更好地縮短冷卻時間，提高生產(chǎn)效率，防止產(chǎn)品變形。設計冷卻水路時需要避開其四周的滑塊、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]。全部冷卻水路通過軟管連接。
3.5頂出系統(tǒng)設計
產(chǎn)品在模具中進行冷卻時會對型芯產(chǎn)生包緊力。冷卻過程結(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作，因此只需要設計第二射時的頂出系統(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，當模具完成冷卻過程打開后，頂出油缸會帶動所有頂針、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，機械手完成取件后頂出機構(gòu)在復位彈簧的彈力作用下推動推板，推板再帶動頂桿等部件進行精確復位。
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，采用該模具進行注塑的整個工作流程為：首先進行模具安裝工作，將模具通過定位圈安裝固定在注塑機臺上的模板之間，然后接通熱流道線路、水路、模溫機、油路、限位開關(guān)等，并對模具進行檢查，看是否有生銹、頂針動作異常等；對熱流道進行加熱，達到設定溫度后，將塑料粒子加入注塑機臺的加熱位置使塑料粒子熔融，然后熔融塑料通過注塑機螺桿的擠壓經(jīng)模具熱流道最后注射進模具型腔中，模具完成第一射后開模，第一射產(chǎn)品留在動模側(cè)，該產(chǎn)品的背面結(jié)構(gòu)及兩個定位柱起加強固定作用，因此第一射的產(chǎn)品沒有發(fā)生相對位移，不影響第二射的注塑；由旋轉(zhuǎn)臺帶動模具動模旋轉(zhuǎn)180°后合模開始第二次注塑，注塑完成后模具再次開模，頂針板推動頂針、頂桿進行頂出過程，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，同時輔助澆口與潛式澆口在澆口鑲塊的作用下完成分離；機械手取件后，模具頂出系統(tǒng)完成復位。模具繼續(xù)旋轉(zhuǎn)180°后開始下一周期循環(huán)注塑生產(chǎn)，每個成型周期都生產(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 實際生產(chǎn)驗證
最后對裝配后的模具進行現(xiàn)場生產(chǎn)驗證，注塑過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)組合進行試制，所得注塑產(chǎn)品如圖12所示，產(chǎn)品表面光潔，無縮痕等問題，經(jīng)過實際裝車驗證，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)針對雙色汽車后閱讀燈外殼的結(jié)構(gòu)特點，設計了“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)設計方案：第一射澆注系統(tǒng)采用“4點針閥式熱流道+點澆口”的進膠方式；第二射澆注系統(tǒng)采用“1點針閥式熱流道+U形冷流道+潛式澆口+輔助澆口”的進膠方式。其中，輔助澆口的設計有效避免了澆口縮痕及人工修剪澆口時缺陷的產(chǎn)生，并通過CAE分析澆注系統(tǒng)進行了驗證。
(2)確定模具的分型面位置，設計了模具的成型系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和頂出系統(tǒng)。針對第一射塑件作為第二射產(chǎn)品封膠位時易出現(xiàn)的困氣燒焦現(xiàn)象，在型腔上設計了寬度為5mm、深度為0.5mm的排氣槽。該排氣槽的設計顯著改善了困氣現(xiàn)象，避免了因氣體滯留導致的燒焦缺陷，從而提升了產(chǎn)品的成型質(zhì)量。
(3)對模具進行裝配后進行了試模驗證，試模產(chǎn)品無明顯外觀質(zhì)量缺陷，且尺寸精度滿足裝車要求，完全達到了設計目標。試模結(jié)果表明模具結(jié)構(gòu)設計合理，同時與機械手結(jié)合實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)，顯著提高了生產(chǎn)效率。本次模具設計為雙色注塑模具的設計與優(yōu)化提供了實踐參考，對類似產(chǎn)品的模具開發(fā)具有一定的借鑒意義。
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