塑胶天梯模具改善变形量的研究

康社仁 幸东 韩宇 黄启福 李林

摘   要：注塑件翘曲变形是指注塑件的形状与模具型腔的形状不同，这是塑料制品常见的缺陷之一。随着塑料工业的发展，人们对塑料制品的外观和使用性能要求越来越高，翘曲变形程度作为评定产品质量的重要指标之一。本文介绍一种天梯模具控制方法，可以大大改变注塑件的变形量。

关键词：注塑件变形  变形量控制  天梯模具  稳定性  经济效益

中图分类号：TQ320                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（a）-0088-04

1  引言

塑胶天梯模具（发明专利号：201810803657.X）对应的是汽车仪表台上装饰框的研发生产项目。项目有4款产品，产品造型奇特，工件长而细并有开口，变形问题很难控制，特别是左仪表圈、右仪表圈，产品落差大，在生产前我们有知会客人此项目的变形问题，希望客户可以优化产品结构，便于管控变形。但因为客人很喜欢这种特异的造型（创新、美学要求），不同意更改产品结构。该产品注塑成型后还需要电镀、热风干等后续工序。那么如何改善产品变形问题特别是改善左、右仪表圈的变形问题成为一大难题。

2  市场现有产品的空白

随着高分子材料工程技术的不断发展，塑料制品的使用变得越来越普及，人们对于塑料材料制品的要求也越来越高，塑料制品的生产加工正向着功能化、智能化、精细化的方向发展。汽车仪表台装饰条项目图片如图1，初次看到这个图片，大家都认为这个项目不可行，即使提交到公司技术管理层讨论，大家也认为变形无法管控。

经过多次反复摸索、实验、测试、研究、分析，多次调整水口和流道方式，注塑成型后进行电镀、热风干、冷却、剪除水口、检测，将产品变形由超过10mm调整到5mm，最后终于在发明天梯流道方式后，将变形量控制到0.52mm以内，达到并超过了产品技术上的设计要求，填补了市场上同类产品的技术空白。

3  注塑件翘曲变形是怎么产生的

（1）注塑制品在生产过程中翘曲变形的直接原因在于塑件的不均匀收缩（收缩本身并不重要，重要的是收缩上的差异）。塑料在注塑机炮筒塑化阶段，也就是塑料颗粒由玻璃态转化为粘流态时：①熔体温度在轴向、径向（相对螺杆而言）的温差会使塑料产生应力;②注射机的注射压力、速率等参数会极大地影响充填时分子的取向程度，进而引起翘曲变形。

（2）塑料在填充模具型腔阶段，也就是熔融态的塑料在注射压力的作用下，充入模具型腔并在型腔内冷却、凝固的过程。在这个过程中，温度、压力、速度三者相互耦合作用，对塑件的质量和生产效率均有极大的影响。

①较高的压力和流速会产生高剪切速率，从而引起平行于流动方向和垂直于流动方向的分子取向的差异，使塑料在流动方向上的收缩率比垂直方向的收缩率大。②模具温度偏低，导致接触模具表层的塑料与中心流动层之间的塑料冷却与收缩的不均匀也引起内应力的增大。③模具型腔、型芯的温度相差过大，由于贴近冷模腔面的熔体很快冷却下来，而贴近热模腔面的料层则会继续收缩，收缩的不均匀将使塑件翘曲。④由于产品各部位壁厚不同，而导致各处冷却速度及收缩的不均匀也使塑胶件发生翘曲变形。

（3）塑料制品在顶出阶段，也就是指产品在外力作用下从模具上脱离的过程。

①较高的脱模温度及塑胶件较低的硬度使产品受到顶出力时变形;②顶出系统布置不平衡，将造成顶出力的不平衡而使塑件变形;③顶出杆的截面积太小，使塑胶件单位面积受力过大（尤其在脱模温度太高时）而使塑件产生变形;④大型深腔薄壁的塑件时，由于脱模阻力较大，顶出时变形。

（4）塑料本身的物性也会引起注塑件的翘曲变形。结晶型塑料在流动方向与垂直方向上的收缩率之差较非结晶型塑料大，而且其收缩率也较非结晶型塑料大;由于纤维在垂直方向上的收缩率比流动方向上的收缩率大，对于纤维增强类塑料，要特别注意其收缩的方向性。

4  电镀件翘曲变形是怎么产生的

电镀件翘曲变形的直接原因在于电镀过程中粗化、烘烤过程中的高温不均匀收缩（收缩本身并不重要，重要的是收缩上的差异）。

（1）在粗化过程中大约68℃10min，烘烤过程65℃45min。在这些高温过程中，塑胶分子会重新排列，会导致厚薄胶位的收缩不同。

（2）电镀挂位会对产品有一个拉扯力，特别是在高温状态下，产品和流道会变软，此时的拉扯力对产品的影响会放大，到电镀产品离开高温工序时，产品已经定型。

5  有针对性的解决措施

（1）选用合适吨位的注塑机及螺杆。（2）采取多浇口以缩短流道降低内应力。（3）采取正确的浇口形式，如大的平板型注塑件使用薄膜型浇口。对于此类异形仪表圈，采用均匀分布的三点进胶。（4）通过调节型腔、型芯的温度来改变变形的方向，降低凸出面模温、升高凹陷面模温。（5）通过调整设计，改变塑胶件的壁厚，使产品收缩均匀。（6）优化冷却水回路，降低由于冷却介质温度变化而导致的模温改变。适当提高模具温度以降低注塑件的冷却速度，减小因激冷过渡造成的温差变形。（7）增大射胶或保压压力，并大大地延长射胶或保压的时间，使注塑件的尺寸增大，减小它的收缩量。（8）设计顶出系统时应力求与脱模阻力相平衡。顶出杆的截面积不能太小，以防塑件单位面积受力过大（尤其在脱模温度太高时）而使塑件产生变形。（9）应尽可能多设顶杆以减少塑件的总体变形。（10）改用多元件联合或气（液）压与机械式顶出相結合的方式。（11）采用收缩方向性小的塑胶原料。（12）模具设计时考虑翘曲变形，提前修正翘曲变形。（13）在设计阶段，流道上预留受力均匀的电镀挂位，挂具挂在流道的电镀挂位上，尽可能减少挂具对产品的影响。

如果以上方法仍无法解决翘曲变形，我们还可以采取注塑件出模定型的方法来降低变形。首先，将注塑件提早出模，然后在塑料软化点温度附近将其放在工作台上用夹具定型，夹具要考虑注塑件的回弹程度，通常12h之后回弹才会基本停止，而且出模温度越低回弹量就越大。所谓矫枉必须过正，所以生产时要研究压过正的量。

影响注塑制品翘曲变形的因素有很多，模具的结构、塑料材料的热物理性能以及注射成型过程的条件和参数均对制品的翘曲变形有不同程度的影响。因此，对注塑制品翘曲变形机理的研究必须综合考虑整个成型过程和材料性能等多方面的因素。

6  天梯模具的主要原理

6.1 塑料件结构分析

图2为汽车仪表台装饰件，材料为聚丙烯（ABS），采用批量生產。ABS为目前汽车零件大量使用的工程塑胶料，后续可以用于电镀，具有较高的力学特性，流动性能好，易于成型且成型收缩率少，比热容较低，在模具中凝固较快，模塑周期短，成型的塑料件尺寸稳定，表面光滑。该塑料件轮廓宽126mm，长135mm，高102mm，厚度为4mm，有5个内凹卡槽，起安装固定作用。塑料件要求表面光滑，电镀哑铬，背面为装配面，没有特别要求。

6.2 模具结构分析

6.2.1 分型面设计

在设计分形面前，必须考虑到型腔的布局。图3为常见的两种布局，图3（a）为镜像对称布局，该布局不利于型腔内的压力平衡，压力中心与模具中心不吻合。图3（b）为产品旋转180°后镜像对称布局，浇口设计在产品中心位置，这样可以缩短流道长度，减少压力损失和用料，保证压力中心与模具中心一致，因此选用后者。

塑料件为不规则的弧线外形，且高低落差90mm，导致两个制品分型面结合比较困难。首先选择投影面最大分型线的位置，由于分型线为不规则的弧线，需采用点、线面网格造型建主分型面。中间的分型面不能用简单的延伸来创建，采用曲线网格、自由造型、桥接、边界混合法进行缝补结合（见图4）。

6.2.2 抽芯机构的设计

行位、斜顶是为了解决倒钩设定的机构，其基本原理是将模具开闭的垂直运动转成水平运动，斜顶与侧滑块抽芯机构的最大的不同在于其动作的驱动力来自于推板的动作，而不是利用动、定模板开闭的动作。由于斜顶必须利用推板的驱动动作，因此斜顶的设计与推板的行程有关。采用斜顶可以使模具整体的结构紧凑，减少模具整体尺寸，从而减少模具成本。此模具采用10个斜向抽芯、2个内模抽芯、6个斜顶等结构，结合3个进胶点、延伸1个电镀圆环，2个电镀挡胶位，5点（5边形）结合5步天梯牢牢固定产品，大大降低产品的注塑和电镀导致的变形（见图5）。

6.2.3 浇注系统设计

基于Moldflow有限元分析平台，构建了汽车仪表台上装饰框塑料内饰件有限元分析模型，对该塑料件注塑过程中的熔体流动、材料冷却等进行了仿真计算，预先判定塑料件。塑料件浇注系统包括主流道和分流道，主流道、分流道的布局和形式对整个注塑件的质量有重大影响。Moldflow软件可以模拟注塑成型过程，优化模具结构和成型参数，减少试模次数，缩短模具制造周期。应用Moldflow软件对模具进行前期各种分析时，都要先进行分析前处理。首先将制作模型导入Moldflow系统，再把注塑件表面网格化处理，建立有限元。进行网格（有限元）纵横比诊断，发现纵横比特别大的地方，这不利于熔融塑料在型腔内的流动。最佳浇口位置的选定，天梯流道的增加，模温、料温、压力、注塑速度、螺杆位置的修改设定，最终得出最优的分析结果，变形由5.24mm减小到0.52mm。

6.2.4 流道设计

注塑成型的主要变形原因是由成型后在收缩方向上的差异、壁厚的变化所产生的。因此提高模具温度、提高熔料温度、降低注射压力、改善浇注系统的流动条件等均可减小在收缩率方向上的差值（即变形量）。可是只变更成型条件大多难以矫正过来，这时就需改变浇口的位置和数目，例如成型汽车仪表台装饰框时要从中间位置3个进胶点、延伸1个电镀圆环，2个电镀挡胶位，（5边形）结合5步天梯牢牢固定产品，形成整体。直到该产品电镀、高温风干、冷却后再将水口切除，其中水口天梯起到了很好的变形稳固的作用。

经过多次摸索、模拟与研究，多次调整水口和流道方式，主流道三点均匀注胶，形成扣位，由扣位引出的“天梯”原来的1点，改为2点、3点，最终觉得2点天梯的方式较好，水口增加不多，不良率下降较多，稳定性最好，综合效果最佳。将产品变形有超过10mm调整到5mm;发明天梯流道方式后将变形控制由10mm缩小到0.52mm以内，达到了产品设计的技术要求。

塑胶天梯解决方案，就是调整流道方式。流道方式为3个入胶口，2点“天梯方式”（即两点流道），增加流动速度，产品合格率在不断上升，不良产品数量在不断下降，稳定性在不断增加，从中我们寻找平衡点。改变流道方式就增加进胶速度和水口对产品的支撑稳定作用，解决注塑件变形问题。

经测试，1、2、3点入胶路径，路径隔15～25mm2联通，形成“天梯”，制件两端与较近的“天梯”连接，形成挡电条，直到电镀、热风干完成才剪除多余的水口。对测试数据进行反复统计分析，不难看出，流道的数量、横截面越大、联通间隔越近，制件的水口数量会越大，不良率会越低、变形量会越小。综合考虑，选择一个主流道数量、横截面、联通间隔合适，不良率、变形量较低的模式进行批量生产。

6.2.5 模具型腔设计

在注塑成型过程中，模具的型腔受到塑料的高温、高压作用，所以模具的型腔应该具有足够的强度和刚度。强度不够将导致塑性变形，甚至开裂;刚度不够将导致弹性变形，型腔向外膨胀，产生溢料间隙。对模具要求尺寸中等，形状较复杂，精度要求较高，故采取整体镶嵌式动、定模。

6.3 模具的工作原理

模具闭合时，熔融塑料经过喷嘴注入模具型腔中，注塑成型完毕后，注塑机带动动模以下部位向下移动，在拉料杆和动模型芯作用下，制件留在动模一侧，主流道中的凝胶慢慢拔出。待主流道中的凝胶全部拔出后，动模部分停止向下移动，注塑机的推杆推动推板向上运动，斜顶杆随推板向上运动，同时顺着动模板中的斜孔向两边运动，实现斜顶板与塑料件卡槽的分离，保证了制件从动模中顶出，机械手取出制件后，推动推板的推杆复位，在复位杆的作用下推板回到原位，斜顶也回到原来的位置，模具闭合，完成一个工作循环。

6.4 表面处理

汽车塑料件电镀，目前主要采用铜-镍-铬装饰性镀层，如仪表台饰条、内开把手、烟灰缸饰条等样件均采用该种工艺。其工艺流程主要为：上挂→除油→预浸→粗化→中和→催化→胶解→化学镍→活化→预镀镍→铜置换→酸铜→酸活化→半亮镍→亮镍→镍封→光铬→烘干→下挂。

可能出现的与注塑成型相关的不良就是变形、起泡、开裂等，其他如镀层附着力不良、粉化、变色等与电镀工艺相关，在此不再叙说。塑胶件因电镀时温度的变法造成制件的不均匀热胀冷缩形成的，由于采取了天梯模具，成型后还没有去除的水口均匀支撑制件的变形，变形度相对较小。起泡和开裂是因制件镀层与镀层、镀层与基体之间存在微小的气泡，电镀时外界温度发生变化，小气泡会产生膨胀，导致镀层与镀层、镀层与基体之间产生分离。如镀层没有进行适当的去应力处理，在受到外界环境变化，也会导致湾角等镀层集中部位的镀层产生开裂。

6.5 后整处理

经注塑成型、电镀好的制件，要做去除水口、去除应力等处理，才能包装、装箱。因制件在电镀后形成金属表层，相对稳定，不易再变形。

7  结语

使用Moldflow软件对模具的设计进行CAE分析，优化了浇注系统的设计。汽车注塑件中较为常见的缺陷主要有翘曲变形、表面复制不良等，这些缺陷的出现与诸多因素有关系，例如注塑的材料与工艺、产品的结构以及模具的设计等等。因此，在生产汽车塑料件时，应当不断优化生产工艺，改进产品结构，改善材料性能，以此提高汽车注塑件的质量，避免缺陷的出现。对于汽车仪表台的产品造型奇特，采用塑料天梯模具的工艺方法不失为一个好的解决方法，大大提高了综合经济效益。

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