三角架BMC熱固性塑料柱塞式壓注模具結構設計

伍偉敏

(湖南財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術學院,湖南 衡陽 421002)

0 前言

熱固性塑料壓注成型是在壓縮成型基礎上發(fā)展起來的一種熱固性塑料的成型方法，又稱傳遞成型[1-3]。其成型原理是把預熱的原料加到加料腔內(nèi)，塑料經(jīng)過加熱塑化，在壓力機柱塞的壓力下經(jīng)過模具的澆注系統(tǒng)擠入上模，上模內(nèi)的塑料在一定壓力和溫度下保持一定時間充分固化，得到所需的塑件；熱固性塑料運用壓注成型有以下特點：塑件飛邊很薄，尺寸準確，性能均勻，質(zhì)量較高；可以成型深孔、形狀復雜、帶有精細或易碎嵌件的塑件；模具結構相對復雜，制造成本較高，成型壓力較大，操作復雜，耗料比壓縮模多；氣體難排除，一定要在模具上開設排氣槽。熱固性塑料中，團狀模塑料(BMC)是一種常用的熱固性壓注成型材料，BMC是一種半干法制造玻璃纖維增強熱固性制品的模壓中間材料，由不飽和聚酯樹脂、低收縮/低輪廓添加劑、引發(fā)劑、內(nèi)脫模劑、礦物填料等預先混合成糊狀,再加入增稠劑、著色劑等，與不同長度的玻璃纖維，在專用的料釜中進行攪拌，進行增稠過程,最終形成團狀的中間體材料，可用于進行壓注成型[4-8]。本文擬以某新款汽車的后視鏡三角架的BMC熱固性塑料壓注成型做出其模具結構設計說明，以供設計參考。

1 BMC壓注成型工藝

BMC是一種團狀不飽和聚酯熱固性塑料，其中混合了各種惰性填料、纖維增強材料、催化劑、穩(wěn)定劑和顏料，形成一種用于壓塑或注塑的膠粘“油灰狀”復合材料。BMC通過短纖維進行高度填充和增強，玻璃纖維增強材料占10 %～30 %，長度通常在 0.8～12.5 mm之間。其主要原料由短切玻璃纖維(GF)、不飽和樹脂(UP)、填料(MD)以及各種添加劑經(jīng)充分混合而成的料團狀預浸料。因BMC具有優(yōu)良的電氣性能、力學性能、耐熱性、耐化學腐蝕性，又適應各種成型工藝，即可滿足各種產(chǎn)品對性能的要求，廣泛應用于汽車制作、鐵路交通、建筑配件、機電產(chǎn)品等領域。BMC塑料的壓注成型工藝過程和其壓縮成型基本相似，它們的主要區(qū)別在于壓縮成型過程是先加料后閉模，而一般結構的壓注模成型則要求先閉模后加料，其基本的工藝流程如圖1所示[9-13]。

圖1 BMC壓注成型工藝流程Fig.1 BMC injection moulding process

壓注成型的主要工藝參數(shù)包括成型壓力、成型溫度、成型周期，相對于同種成型方法壓縮成型而言，其特性為：(1)在壓注成型過程中，熔融塑料要經(jīng)過澆注系統(tǒng)進入上模，由于阻力導致壓力損失，壓注成型的壓力一般為壓縮成型壓力的2～3倍。(2)壓注成型溫度包括加料室的溫度和模具本身的溫度，為了保證塑料具有好的流動性，一般塑料的溫度低于交聯(lián)溫度;成型中由于熔融塑料通過澆注系統(tǒng)進入模具上模，經(jīng)過澆注系統(tǒng)時會產(chǎn)生摩擦熱，因此壓注的成型溫度可以比壓縮成型溫度低一些，大概低15～30 ℃。(3)壓注成型周期包括加料時間、充模時間、保壓固化時間、脫模時間和清理模具時間等，由于塑料進入上模前已經(jīng)充分塑化，而且流經(jīng)澆注系統(tǒng)時摩擦生熱，所以塑料塑化均勻，塑料進入上模時已臨近樹脂固化的最后溫度;因此塑料在模具內(nèi)的保壓固化時間較短，比壓縮成型中的保壓時間短一些。壓注模一般由加料腔(包括柱塞)、成型零部件、澆注系統(tǒng)、導向機構、推出機構、側向分型與抽芯機構、加熱系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)及安裝連接部件等組成，下文結合后視鏡三角架的BMC熱固性塑料成型模具結構設計給出說明。

2 塑件分析

2.1 塑件結構

塑件的形狀及結構如圖2所示，塑件的外形為三角形角板加圓扁型柱復合結構形式，主要由A面、B面組成的三角形板體，及C面、D面構成的扁型柱構成；三角形板上設計有3處沉臺孔和4處定位柱小特征；C面一側設計有一個安裝凹槽，槽內(nèi)設計有3處螺絲沉孔及5處加強筋，1處通孔，這4處孔與D面上的孔相對應。

2.2 成型分析

塑件采用壓注成型，同注塑成型設計一樣，需對塑件進行澆注、加熱、脫模及成型件加工方便性等成型要素等方面的分析。塑件采用壓注方式成型，塑件內(nèi)熔融熱固性塑料的流動性要差于熱塑性塑料，因而，澆口需要開設較寬，且流動距離要短，因而一般采用邊沿式寬邊側澆口進行進料，因而，綜合塑件的形狀特點，本塑件的澆口以選用圖3中所示的澆口邊為較好；其二，壓注室及成型件需采用油溫加熱；其三，脫模的方便性，一般情況下，由于壓力機的結構特點，壓注模為上下開模方式，塑件的脫模方式盡量要簡單，不能像注塑模脫模機構做的比較復雜，模具能有多次打開方式，因而，分型方式應盡可能簡單，應采用單次分型即可實現(xiàn)塑件上其它側向抽芯機構的脫模動作；本塑件分型設計時應按圖3中所示較為合理，即以PL1為塑件分型的主分型面，在開模方向為F1的前提下，單次分型即可實現(xiàn)針對F2、F3、F4方向的側向抽芯脫模；F2方向的抽芯主要針對C面上特征的側向抽芯脫模，F(xiàn)3方向主要針對D面上特征的側向抽芯脫模，F(xiàn)4則針對側端倒扣凹的側向抽芯脫模。因而，PL2分型面則是C、D面?zhèn)认蚍中偷姆纸缇€。PL1分型面曲面的設計應以光滑曲面為主較好，以便于成型件的加工。

因而，本塑件分型面的設計、澆注系統(tǒng)設計、側抽芯機構的設計及完全脫模是本模具設計的重點。

(a)底面 (b)前側面 (c)后側面圖2 產(chǎn)品外形Fig.2 Shape of the product

2.3 分型設計

依據(jù)上述成型分析要求，塑件的分型設計如圖4所示，壓注模的澆注系統(tǒng)也是由主流道、分流道和澆口等幾部分組成，結構上與注塑模具相似的主流道設計。

主流道的截面形狀及大小會影響塑料流動的速度及充模時間，主流道的截面形狀為扁圓形。分流道的截面為梯形截面，與注塑模相比，分流道淺而寬。澆口是澆注系統(tǒng)中的重要組成部分，與上模直接相連，澆口的設計對塑料的充模、制品質(zhì)量及熔體的流動狀態(tài)有重要影響，根據(jù)本文中塑料的特性，制品的質(zhì)量要求及模具結構等方面的因素來考慮后，采用側邊整體邊澆口。反料槽設置在位于正對主流道大端的分型面上的凹穴，形狀為凹球面，其作用是使熔體集中流動以增大熔體進入上模時的流速。壓注模的排氣比較重要，因為上模內(nèi)原有的空氣、塑料受熱揮發(fā)的氣體和交聯(lián)反應產(chǎn)生的氣體都需要排出，故模具上需開設排氣槽，排氣槽開設在料流的末端，以利排氣，如圖4中下模鑲件設計所示，排氣槽開設在分型面上壁厚最薄處，以提高熔接強度和便于飛邊的清除；同時也考慮到利用模具上的活動下?；蛲茥U的配合間隙排氣，這樣，帶來的問題是每次成型后要清除間隙中的溢料，因而，塑件頂出脫模時，頂針的設置位于分流道、反料槽等處。成型件設計時，結合塑件上F2、F3、F4方向的脫模要求，相應地設計了3個滑塊頭成型鑲件，分別為C面滑塊、D面滑塊、F4滑塊。

3 模具結構設計

3.1 模架及布局選擇

依據(jù)上述上、下模鑲件的分型設計及脫模設計，模腔布局采用1模1腔布局，加裝模架及相關功能零配件后，模具的整體結構如圖5所示。模架選用LKM龍記模架，模架LKM CH5060A200B200C120，并做適當改裝。模具單次分型打開[5-9]。 模架上對應于上、下模鑲件上各功能子系統(tǒng)的具體設計如下。

1—第一壓板 2—第一滑塊斜導柱 3—第一滑塊體 4—第一鎖緊耐磨板 5—第一楔緊塊 6—第一限位側面擋板 7—助力彈簧 8—第一彈簧拉桿 9—第一滑塊底耐磨板 10—C面滑塊頭 11—第二壓板 12—第二滑塊斜導柱 13—第二滑塊體 14—第二鎖緊耐磨板 15—第二楔緊塊 16—第二限位側面擋板 17—第二助力彈簧 18—第二彈簧拉桿 19—第二滑塊底耐磨板 20—D面滑塊頭 21—第三壓板 22—第三滑塊斜導柱 23—第三滑塊體 24—第三鎖緊耐磨板 25—第三限位側面擋板 26—第三助力彈簧 27—第三彈簧拉桿 28—第三滑塊底耐磨板 29—F4向滑塊頭 30—上模鑲件 31—下模鑲件 32—壓注室 33—分流錐 34—凹模板 35—凸模板 36—推板蓋板 37—推板 38—底板 39—限位塊 40—廢料頂針 41—流道頂針 42—反料槽頂針 43—復位桿 44—保護柱 45—模架導柱 46—模架導套 47復位插桿 48—導向塊 49—擺桿 50—側推板 51—耐磨壓板圖5 模具結構Fig.5 Structure of the mould

3.2 澆注系統(tǒng)

對應于成型件上的澆注系統(tǒng)的使用要求，在模架上需加裝壓注室組件，包括件32、33、40；件32、33構成加料腔，件40用于加料腔內(nèi)廢料的頂出。件32、33的配合如圖6(a)所示，件32、33采用錐臺定位方式進行配合，既可以準確定位又可防止溢料，錐臺錐角設置為7 (°)。件33上設置為U型斜坡流道，料流出件33上的U型流道后，結合圖4所示，以3 °的仰角成扇形狀對澆口進料邊進行澆注進料，如圖6(b)所示。件32、33的材料選用40鉻(Cr)，熱處理硬度為52～56 HRC，加料室內(nèi)腔應鍍Cr拋光，表面粗糙度Ra低于0.4。加料室32采用圓形柱塞式壓柱，采用了有鎖模液壓缸的專用液壓機進行加壓，加壓壓力在7～32 MPa之間，加料室的截面尺寸與鎖模無關，加料室的截面尺寸較小，高度較大。壓柱與加料腔的配合采用0.05～0.1 mm的單邊間隙配合，壓柱結構如圖6(c)所示。

(a)壓注室 (b)分流錐 (c)壓柱圖6 澆注系統(tǒng)零件Fig.6 Casting system parts

壓注時，料流充填滿上模后，余料從溢料邊溢出，流入反料槽中；模具完全閉合前，在開模面PL1處維持0.05～0.10 mm的間隙，待壓注充填后，溢料溢入溢料邊后，模具才能完全閉合。

3.3 成型件

結合圖4所示，上、下模成型鑲件皆采用整體式結構，上模鑲件30、下模鑲件31材質(zhì)采用S136，S136具有耐腐蝕、銹蝕、耐磨性及高光滑度，在使用磨耗較大的注模材料特別是熱固性成型模或要求模具有較長的壽命等方面有較好的應用優(yōu)勢，適合于本塑件的成型要求。件30、31上設置“虎口”定位；件30、31的成型面需拋光至Ra0.2，其余則需做到Ra1.6。

3.4 加熱管道

熱固性壓注模中，成型鑲件都需要進行加熱，加熱對象為壓注機的柱塞、模具的加料室和上模鑲件、下模鑲件3部分，加熱一般采用導熱油進行加熱或者電阻絲加熱，本例中采用合成導熱油FYD350。可用蒸汽或過熱水加熱,也可用煤氣加熱和電加熱；針對件32、33采用電熱偶加熱方式進行加熱。上模鑲件、下模鑲件分別采用C1～C55條管路進行加熱，其中，件30采用C1、C2、C33條獨立管路進行加熱；件31采用C4、C52條獨立管路進行分別加熱，管道直徑皆為φ10 mm，管道布局如圖7所示。上模鑲件的溫度控制在153～156 ℃之間，下模鑲件的溫度控制在148～151 ℃之間。

C1～C5—加熱管路編號圖7 管道設計Fig.7 Pipe design

3.5 排氣系統(tǒng)

排氣槽開設分為3種通道排氣，分別為：①如圖4所示的末端排氣槽進行排氣，分型面上排氣槽的尺寸：深度為0.04～0.13 mm，寬度為3.2～6.4 mm；②反料槽頂針間隙排氣；③ 利用件10、20、29、30、31鑲件間的配合間隙來排氣，間隙為0.03～0.03 mm。

3.6 側抽芯機構設計

針對塑件上F2、F3、F43個方向的脫模設計了2個結構相同的斜導柱直滑塊側抽芯機構，一個斜導柱斜滑塊抽芯機構。F2對應的為滑塊3側抽芯機構；F3對應的為滑塊13側抽芯機構；F4對應的為滑塊23側抽芯機構，滑塊機構的安裝視圖如圖8所示?；瑝K3、13、23的斜導柱斜導角皆采用18 °斜導角的φ25 mm斜導柱，滑塊體3抽芯距27.2 mm，滑塊體13的抽芯距為53.3 mm,滑塊體23抽芯距為40 mm；滑塊體材質(zhì)采用S136，成型面需拋光至Ra0.4，其余面則需做到Ra3.2。

3、13、23—滑塊體圖8 滑塊機構Fig.8 Pulling mechanism

3.7 先復位機構

先復位機構由件47～51構成，采用常用型插桿機構[10]。

3.8 模具裝配注意事項

①件3、13、23滑塊體抽芯距離長，復位時，應保證件40、41、42先完全復位后再閉合模具，防止頂針干涉而折斷。②加熱管道密封性可靠，以防燙傷。③件3、13、23滑塊的間隙控制在0.01～0.02 mm，件10、20、29控制在0.01～0.02 mm之間，以防卡死及飛邊。

4 模具工作原理

將模具安裝于Y33系列下頂式四柱液壓機上后，應先對模具進行預熱、加壓，才能壓注成型。模具在壓機上壓注成型的工作過程為：

(1)注塑。模具閉合。

(2)加料。將預熱的BMC通過機械手放入加料室32中，加熱進行軟化，同步地，對件30、31、33加熱。

(3)壓力機啟動驅(qū)動壓柱對加料室進行壓注，完成對模腔的注塑。

(4)開模。冷卻后，壓力機驅(qū)動模具在PL1開模面處打開250 mm，模具打開的同時，件3、13、23滑塊體實現(xiàn)側抽芯；塑件留于下模鑲件31上。

(5)頂出。壓力機頂出油缸驅(qū)動推板蓋板36、推板37向上頂出，完成塑件的完全脫模頂出。

(6)復位。復位時，推板蓋板36、推板37優(yōu)先復位，進入下一個壓注循環(huán)。

5 結論

(1)針對塑件BMC壓注成型需要，設計了兩板模壓注模具，模具布局1模2腔，單次分型打開;壓注澆注系統(tǒng)采用邊沿式澆口，寬扁型流道，加料室采用壓柱進行壓注，加壓壓力在7～32 MPa；

(2)加熱系統(tǒng)中，采用電加熱對壓注室進行加熱，成型件采用管道合成導熱油FYD350進行加熱，上模鑲件的溫度控制在153～156 ℃之間，下模鑲件的溫度控制在148～151 ℃之間；

(3)采用3種排氣方式進行排氣；設置了2個直抽芯滑塊機構和1個斜抽芯滑塊機構來實現(xiàn)側孔特征的脫模；采用了插桿先復位機構來將頂出機構先復位;模具結構布局合理，機構設計簡單，可做同類塑件壓注成型的設計參考。