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，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)到樹脂塑料的玻璃轉(zhuǎn)移溫度(Tg-Glass Transition Temperature)以上，然后開始進(jìn)行射出成型，當(dāng)完成模腔填充過程后，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，中國的中低檔模具供過于求，而高檔模具近50%靠進(jìn)口，其中國內(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)備均由國外進(jìn)口。開發(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)部必須開設(shè)合理的水道來配合RHCM高光無痕注塑系統(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設(shè)有兩種：1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單的可以采用直線水道，通過鉆孔加工來實(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，避免模具開合不良、滑塊無法動(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)，在長度超過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、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)置有相交的蛇形潤滑油槽，存油和潤滑效果更好。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。

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

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25萬次以上。高光蒸汽注塑技術(shù)目前在國內(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.