平衡理論在汽車注塑模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳延民+樂旭輝+樊志峰

摘要隨著輕量化技術(shù)的發(fā)展，塑料材料在汽車上的使用比例越來(lái)越大，特別是新技術(shù)新工藝的日益成熟，注塑成型的高性能塑料部件已在包括汽車內(nèi)外飾件、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。注塑成型塑料部件的關(guān)鍵技術(shù)在于注塑模具的制造，注塑模具的技術(shù)水平?jīng)Q定了塑料產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)成本，從而決定了塑料部件在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的廣度和深度。而注塑模具的成敗關(guān)鍵在模具設(shè)計(jì)，只有解決好注塑模具設(shè)計(jì)中的技術(shù)難題，才能保證模具產(chǎn)品的質(zhì)量從而最終使注塑產(chǎn)品具有成本和質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞平衡要求：理論分析：平衡問題

1模具設(shè)計(jì)的平衡要求

模具設(shè)計(jì)是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作，包括澆注系統(tǒng)、合模系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、頂出系統(tǒng)等4大機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，只有這四大系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完美的配合，才能保證注塑模具具有較長(zhǎng)的使用壽命，生產(chǎn)產(chǎn)品具有較低的生產(chǎn)周期，注塑產(chǎn)品尺寸和質(zhì)量保持穩(wěn)定，從而滿足汽車行業(yè)對(duì)塑料產(chǎn)品的大批量、低成本、高質(zhì)量的要求。

決定模具能否滿足上述要求的因素很多，包括模具鋼材、熱流道水平，加工精度、潤(rùn)滑材料、加工工藝和模具設(shè)計(jì)水平等，而模具設(shè)計(jì)則是所有這一切工作的基礎(chǔ)，模具設(shè)計(jì)決定了模具的成敗。

利用平衡理論指導(dǎo)模具各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以有效解決模具設(shè)計(jì)的復(fù)雜問題，模具設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中，要始終貫徹“平衡”的理念，把復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，從而達(dá)到簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，減少加工過程，降低制造成本，保證模具質(zhì)量的目的。具體地說(shuō)，就是要解決模具使用過程中的力量平衡、熱量平衡和時(shí)間平衡。

2模具的平衡理論分析

2.1模具的力量平衡

解決好模具的力量平衡，是保證模具質(zhì)量和使用壽命的關(guān)鍵，模具的力量平衡包括合模機(jī)構(gòu)的合模力的平衡問題，模具承壓面和封膠面的力量平衡問題，模具側(cè)滑塊的力量平衡問題，模具頂出機(jī)構(gòu)的力量平衡問題。

解決力量問題的關(guān)鍵點(diǎn)在于：1）模具所有的受力面的作用力和反作用力必須在一條線上，最好是在水平或垂直線上，盡量避免出現(xiàn)斜向力和旋轉(zhuǎn)力；2）模具的承壓面和封膠面根據(jù)功能不同采用不同的形狀，承受不同力量。具體解決方案如下。

2.1.1合模力的平衡問題，模具承壓面和封膠面的力量平衡問題

注塑模具使用過程中，模具分型面要承受幾百噸乃至幾千噸的合模壓力，如果不能解決好合模力的平衡問題，會(huì)導(dǎo)致模具局部受損，使制品產(chǎn)生飛邊毛刺，從而縮短模具的使用壽命并影響塑料產(chǎn)品的質(zhì)量，解決合模力、承壓面和封膠面的力量平衡問題必須做到以下幾點(diǎn)（圖1）：1）合模承壓面S和封膠面S1根據(jù)功能要求采用不同結(jié)構(gòu)，承壓面盡量采用一個(gè)垂直于開模方向的平面，承受模具合模時(shí)的壓力，封膠面依據(jù)塑料產(chǎn)品的形狀可以采用曲面結(jié)構(gòu)，只起到封膠的作用，不承受合模時(shí)產(chǎn)生的合模力，可以比承壓面的理論值低0.02mm～0.03mm；2）承壓面面積s要足夠大，足以承受合模時(shí)產(chǎn)生的壓力，可以通過計(jì)算得出（S=F/P）；3）承壓面要均勻分布在產(chǎn)品成形面四周，保持相對(duì)平衡；4）封膠面S1根據(jù)產(chǎn)品形狀沿產(chǎn)品四周形成曲面，寬度不小于20mm。

2.1.2模具側(cè)滑塊的力量平衡問題

大部分的模具都有側(cè)滑塊機(jī)構(gòu)，側(cè)滑塊的精度和耐久性往往決定了模具的質(zhì)量和壽命，解決好側(cè)滑塊的力量平衡問題，是模具設(shè)計(jì)師的又一項(xiàng)重要工作。側(cè)滑塊的力量來(lái)自于兩個(gè)方向（圖2），一是來(lái)自于合模方向的合模力F1和反作用力F2；二是來(lái)自于滑塊鎖緊方向的注塑力f1和模具鎖緊力f2。這兩對(duì)力必須做到F1和F2作用在一條線上，f1和f2作用在一條線上，避免相互錯(cuò)位產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。

2.1_3模具頂出機(jī)構(gòu)的力量平衡問題

模具項(xiàng)出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，必須做到頂出機(jī)構(gòu)力量平衡，頂出時(shí)，塑料產(chǎn)品受力均勻，不會(huì)受到損失或者變形。

實(shí)現(xiàn)頂出機(jī)構(gòu)的力量平衡，必須做到：1）項(xiàng)出桿的布局合理，受力均勻；2）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)布局合理，分布均勻，受力均衡；3）最大限度地減少項(xiàng)出桿與模具的接觸面積，采用20mm左右的封膠配合即可，盡量減少頂出桿運(yùn)動(dòng)時(shí)與模具本體的摩擦力，保證運(yùn)動(dòng)暢通。

2.2模具的熱量平衡

注塑成型就是將熔融的塑料通過高壓注入到模腔內(nèi)，然后通過冷卻定型，制成所需形狀的制品，在模腔內(nèi)，冷卻系統(tǒng)將塑料熔體的熱量帶出的速度，決定了生產(chǎn)周期和產(chǎn)品的出模溫度，進(jìn)而影響產(chǎn)品的后收縮和尺寸穩(wěn)定。因此，理想的模具設(shè)計(jì)要求模腔內(nèi)的熱量要快速、均勻地被傳遞出去。

模具的熱量平衡的關(guān)鍵在于合理的冷卻水道設(shè)計(jì)，冷卻水道的設(shè)計(jì)要遵循以下幾點(diǎn)：1）水道設(shè)計(jì)合理，一般采用直徑12～15mm，間距15mm，距模具表面不大于15mm；2）盡量減少水道的折返；3）水道必須全部覆蓋制品；4）包括滑塊、斜項(xiàng)、嵌件等部位都必須保證水道暢通；5）必要時(shí)采用鈹銅及噴淋式水井等特殊結(jié)構(gòu)保證冷卻效果?？偠灾龅嚼鋮s均勻，快速散熱。

2.3模具注塑時(shí)間平衡

時(shí)間平衡，是指產(chǎn)品注塑成型時(shí)，塑料熔體在模腔內(nèi)均勻流動(dòng)，熔體盡量在相同時(shí)間內(nèi)到達(dá)模腔的最遠(yuǎn)端，以達(dá)到充模時(shí)間、壓力、溫度的平衡，從而減少因壓力和溫度不同造成的應(yīng)力集中、產(chǎn)品翹曲變形、缺料、飛邊毛刺等缺陷。同時(shí)能實(shí)現(xiàn)低壓快速注塑，避免模具承受過大的壓力，保證模具的使用壽命。

實(shí)現(xiàn)模具注塑時(shí)間平衡，可以通過M-FLOW分析手段，通過不斷優(yōu)化澆口位置和大小來(lái)完成。

3結(jié)論

由于注塑模具是一個(gè)新型的行業(yè)，長(zhǎng)期以來(lái)，模具設(shè)計(jì)基本停留在經(jīng)驗(yàn)積累和師徒相傳的模式，缺乏科學(xué)的理論指導(dǎo)。面對(duì)制品的多樣性、成本的壓力、質(zhì)量的提升等諸多因素的變化要求，如何讓模具設(shè)計(jì)人員科學(xué)的、快速的完成設(shè)計(jì)，是擺在每一個(gè)模具制造企業(yè)的難題。熟練的運(yùn)用模具設(shè)計(jì)中的平衡理論，可以很好的指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員，更全面的、科學(xué)的工作，最大限度地避免失誤和缺項(xiàng)，從而減少模具加工制造過程中的反復(fù)修整，最大限度的減少模具制造成本，給模具制造行業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)也為模具設(shè)計(jì)工作奠定了一定的理論基礎(chǔ)。endprint