應(yīng)用于平板電視的高光蒸汽注塑模具的設(shè)計(jì)

彭 芳，彭志榮，周文輝

（1.電子科技大學(xué) 中山學(xué)院，中山 528402；2.中山志和家電制品有限公司，中山 528467）

0 引言

近年來(lái)，人們已不再滿足于平板電視的使用功能，對(duì)其外觀的欣賞品味及綠色環(huán)保的要求越來(lái)越高。以往那種先注塑電視機(jī)機(jī)殼，然后再噴涂的方法，既不環(huán)保，質(zhì)量也不穩(wěn)定，普通的注塑成型工藝已經(jīng)很難滿足這方面的要求，這就要求發(fā)展新的注射成型技術(shù)。高光注塑成型[1]又稱快速冷熱成型(Rapid Heat Cycling Molding，RHCM)，技術(shù)是透過(guò)運(yùn)用蒸汽將模具表面快速升溫，令成型模腔表面溫度達(dá)到樹(shù)脂塑料的玻璃轉(zhuǎn)移溫度(Tg-Glass Transition Temperature)以上，然后開(kāi)始進(jìn)行射出成型，當(dāng)完成模腔填充過(guò)程后，立即利用水作為冷卻媒體使模具表面溫度急速下降，從而改變塑料產(chǎn)品表面特性。

高光成型技術(shù)與普通注塑成型相比具有諸多優(yōu)點(diǎn)[2]： 1）消除產(chǎn)品表面熔接線、熔接痕、波紋、銀絲紋等缺陷；2）徹底解決產(chǎn)品的表面縮水現(xiàn)象；3）提高產(chǎn)品表面光潔度(可達(dá)到鏡面)；4）產(chǎn)品不需噴漆等后續(xù)加工，提高成品率20.30%；5）解決加纖產(chǎn)品所產(chǎn)生的浮纖現(xiàn)象，使品質(zhì)更完美；6）薄壁成型提高注塑流動(dòng)性，提高產(chǎn)品品質(zhì)和強(qiáng)度；7）厚壁成型注塑周期可降低60%以上。

當(dāng)前，高光成型技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際生成中得到了初步的應(yīng)用，尤以蒸汽注塑成型技術(shù)以其升溫快、模具溫度可提高到120℃以上等優(yōu)點(diǎn)而備受推崇，國(guó)內(nèi)已有多家企業(yè)用以生產(chǎn)LCD電視機(jī)前殼、底座、音箱等，諸如三星、TCL等，均取得了不錯(cuò)的效果。目前，中國(guó)的中低檔模具供過(guò)于求，而高檔模具近50%靠進(jìn)口，其中國(guó)內(nèi)大型注塑企業(yè)使用的高光注塑成型系統(tǒng)及其關(guān)鍵設(shè)備均由國(guó)外進(jìn)口。開(kāi)發(fā)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高光模具，優(yōu)化現(xiàn)有高光蒸汽模具結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)大型、精密、復(fù)雜、長(zhǎng)壽命的高光模具，是本文研究的重點(diǎn)。

1 高光蒸汽注塑技術(shù)原理

高光蒸汽注塑是利用高溫高壓蒸汽作為加熱介質(zhì)，在模具閉合時(shí)，通過(guò)高壓蒸汽的劇烈的放熱反應(yīng)，使模具型腔表面瞬時(shí)達(dá)到設(shè)定溫度，當(dāng)材料充填完畢后，通過(guò)冷卻水快速降低模具溫度，使產(chǎn)品迅速冷卻，以獲得產(chǎn)品達(dá)到非常高的表面質(zhì)量效果。高光蒸汽注塑成型原理框圖如圖1所示。

圖1 高光蒸汽注塑成型原理框圖

蒸汽熱效控制器的作用是將高溫蒸汽和冷卻水循環(huán)交替引入模具的內(nèi)部管路，以實(shí)現(xiàn)模具的快速加熱與冷卻。在整個(gè)高光蒸汽注塑工藝?yán)?，模具設(shè)計(jì)的好壞將直接影響產(chǎn)品的好壞，模具的好壞也是直接導(dǎo)致產(chǎn)品外觀質(zhì)量和產(chǎn)品周期的關(guān)鍵。

2 高光模具

高光模具結(jié)構(gòu)與常規(guī)注塑的模具結(jié)構(gòu)類似，一般由模板、模具基體、模具鑲塊等組成。與常規(guī)注塑相比，高光蒸汽注塑模溫相對(duì)較高，故為了保證熱變溫注塑的生產(chǎn)效率具有競(jìng)爭(zhēng)力，必須提高模具的加熱效率和塑料熔體的冷卻效率。在溫控介質(zhì)相同的條件下，其加熱冷卻效率主要取決于模具的材料和結(jié)構(gòu)[3]。

2.1 模具材料

模具材料需要有較好的拋光性、耐腐蝕性、耐磨性、熱強(qiáng)度、韌性、加工性能好、低的熱膨脹系數(shù)等。目前使用的高光模具材料有日本日立金屬的CENA1，日本大同的NAK80和S-STRA、ASSAB的S136或S136H(420)、POLMAX等鏡面、高耐磨、抗腐蝕模具鋼，低檔高光模具也可使用P20的常規(guī)模具材料。

2.2 模具水道

為了保證模具表面溫度的均勻性和快速傳導(dǎo)，模具內(nèi)部必須開(kāi)設(shè)合理的水道來(lái)配合RHCM高光無(wú)痕注塑系統(tǒng)的快速升溫和快速降溫的需求。高光蒸汽注塑模具的水道開(kāi)設(shè)有兩種：1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的可以采用直線水道，通過(guò)鉆孔加工來(lái)實(shí)現(xiàn)；2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜的可以采用模芯分層結(jié)構(gòu)或其他特殊方法將水道布置距模具表面恒定距離來(lái)滿足模具表面溫度均勻和快速的熱量傳導(dǎo)。

2.3 其他方面

快速冷熱循環(huán)對(duì)模具的其他部分也提出了更高的要求。為了防止加熱系統(tǒng)對(duì)模具其他部分產(chǎn)生影響，對(duì)定位裝置、抽芯和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)配合部分的隔熱、密封、配合需要仔細(xì)考慮，避免模具開(kāi)合不良、滑塊無(wú)法動(dòng)作、定位不良等情況發(fā)生。

3 高光模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

下面以開(kāi)發(fā)55寸平板電視面殼蒸汽模為例，探討高光模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。

3.1 導(dǎo)柱裝配結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的定模板導(dǎo)套和動(dòng)模板導(dǎo)柱采用圓形結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)度超過(guò)1000mm的大型塑料注塑模具的定模板和動(dòng)模板的溫度相差較大的情況下，會(huì)由于定模板和動(dòng)模板的熱膨脹量不一致而導(dǎo)致圓形導(dǎo)柱和導(dǎo)套的相對(duì)位置發(fā)生變化，常常會(huì)引起導(dǎo)柱和導(dǎo)套卡死、燒結(jié)等問(wèn)題。在此，我們研究出了一種特殊的方形導(dǎo)柱裝配結(jié)構(gòu)，如圖2所示。蒸汽模安裝方導(dǎo)柱后，可有效確保順利的開(kāi)、合模動(dòng)作，并且拆卸更換方便，維修成本低。方導(dǎo)塊材料為“高力黃銅+鑲嵌石墨”，方導(dǎo)柱平行于動(dòng)模板運(yùn)動(dòng)方向安裝，導(dǎo)向時(shí)不會(huì)受到熱膨脹的影響，箭頭方向?yàn)闊崤蛎浄较颉?/p>

圖2 方導(dǎo)塊與方導(dǎo)柱

3.2 導(dǎo)向輔助器設(shè)計(jì)

常用的導(dǎo)向輔助器為分離式，分別裝于定模板和動(dòng)模板。蒸汽模時(shí)，定模部分和動(dòng)模部分的溫差較大，導(dǎo)致分離式的導(dǎo)向輔助器因熱膨脹不一致導(dǎo)致錯(cuò)位而崩裂。我們所設(shè)計(jì)的導(dǎo)向輔助器采用斜面導(dǎo)向，如圖3所示，在兩導(dǎo)向斜面上設(shè)置有相交的蛇形潤(rùn)滑油槽，存油和潤(rùn)滑效果更好。該導(dǎo)向輔助器可作為一個(gè)整體安裝在定?；騽?dòng)模板上，不會(huì)因熱膨脹而導(dǎo)致斷裂，使用壽命長(zhǎng)。

圖3 (a) 整體式導(dǎo)柱輔助器

圖3 (b) 整體式導(dǎo)柱輔助器的局部放大圖

3.3 流道與進(jìn)膠系統(tǒng)

以往的模具流道采用圓形設(shè)計(jì)，如Φ10圓形流道的截面積為78.5 mm2，加工時(shí)，定模和動(dòng)模上的流道都需要加工。根據(jù)應(yīng)用情況，我們調(diào)整了流道的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。Φ8圓角梯形流道的截面積為60.5mm2，加工時(shí)只需要加工動(dòng)模部分。通過(guò)定性分析，選用Φ8圓角梯形流道比Φ10圓形流道省料23﹪，加工費(fèi)可省50﹪。同時(shí)，采用Moldflow進(jìn)行模擬注塑分析，找到注塑平衡最佳的進(jìn)膠位置。流道和進(jìn)膠口數(shù)量如表1所示。

圖4 流道和進(jìn)澆口

表1 平板電視的塑料面殼模具流道和澆口數(shù)量

3.4 排氣系統(tǒng)

圖5 排氣鑲件及抽氣閥

若模具型腔排氣不良，極易使塑件產(chǎn)生填充不足、表面灼傷、表面流線和熔接痕等缺陷。為了使塑件獲得高質(zhì)量的外觀，模具型腔排氣槽一定要密集，盡可能多設(shè)，確保排氣暢通、快速。我們將定模和動(dòng)模的分模面（PL面）的排氣槽間隙由20mm改為15mm，排氣效果增加了15%左右。為解決兩個(gè)入膠點(diǎn)之間的產(chǎn)品熔接痕紋問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)9片排氣鑲件進(jìn)行模具內(nèi)部的排氣，如圖5所示，同時(shí)再利用抽氣閥將氣體強(qiáng)制性抽到大氣中，以保證氣體的充分排出。

3.5 新型的內(nèi)抽芯機(jī)構(gòu)

為了更好實(shí)現(xiàn)脫模，設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的斜頂結(jié)構(gòu)，如圖6所示。該斜頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，體積??；斜方轉(zhuǎn)塊可繞其轉(zhuǎn)軸與滑板發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)滑板上鑲嵌有石墨，斜方桿上設(shè)有圓形油槽，潤(rùn)滑效果好，因此斜方轉(zhuǎn)塊和滑板一起可自動(dòng)修正動(dòng)模板和模具的加工誤差，斜方桿安裝方便，移動(dòng)順暢；導(dǎo)套由黃銅制成，摩擦因數(shù)小，大大減少了因摩擦積累的熱量導(dǎo)致斜方桿變形和磨損。

圖6 自潤(rùn)滑板型斜方

圖7 紅外線監(jiān)控模具異常情況

3.6 采用紅外技術(shù)對(duì)模具進(jìn)行注塑監(jiān)控

考慮到定模的材料比較昂貴，定模的表面光潔度要打磨到鏡面級(jí)，一旦定模損壞，其維修和更換成本非常高。模具在注塑生產(chǎn)時(shí)，為預(yù)防斜頂或其它配件的斷裂而撞壞定模，采用紅外技術(shù)對(duì)模具進(jìn)行注塑監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)模具異常情況，如圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所述模具已用于55寸平板電視面殼的注塑成型，模具質(zhì)量穩(wěn)定，注塑周期短，模具平均壽命達(dá)到25萬(wàn)次以上。高光蒸汽注塑技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)尚屬于一項(xiàng)先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，隨著高端塑料產(chǎn)品的迅速發(fā)展，以及人們對(duì)于環(huán)保、安全意識(shí)的逐漸增高，RHCM高光注塑技術(shù)必將獲得更大的發(fā)展，在未來(lái)幾年，也必將成為注塑領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

[1]BRUIJS W.Cut part cost s thermodynamically[J/OL].Injection Molding Magazine,2007,(8):52 [2008209219].http://www.inject ionmoldingmagazine2digital.com/ immnet /200708/?pg= 52.

[2]Liu-Bin Cai.Simulation on Rapid Heating Cycling Molding System of InjectionMould Based on 3D TIMON [EB/OL].2006,06-27.

[3]王桂龍,趙國(guó)群,李輝平,管延錦,陳良.變模溫注塑熱響應(yīng)模擬與模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2009,45(6):216-221.