汪智勇，黃 飛，蘇金玲，于正云，蔡考群

群達(dá)模具（深圳）有限公司（廣東深圳 518112）

1 引言

隨著汽車輕量化及汽車塑料零件向高效率、低成本、集成化和綠色環(huán)保等方向的發(fā)展，傳統(tǒng)的注射成型工藝已難以滿足工業(yè)應(yīng)用要求，逐漸涌現(xiàn)了雙色注射等新型成型工藝。雙色注射成型是指將兩種不同的塑料注入同一模具的成型方法，通過實現(xiàn)對兩種不同塑料材料的聚集態(tài)、相形態(tài)、組織形態(tài)等方面的控制和復(fù)合，從而最大程度地發(fā)揮不同塑料材料的特性，達(dá)到了滿足塑件不同使用要求、提高性能和降低成本的目的。

目前雙色注射成型主要包括旋轉(zhuǎn)模具式和滑塊抽芯式，前者適用于尺寸小、形狀結(jié)構(gòu)簡單的塑件，后者適用于尺寸大、形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的塑件。由于汽車塑料零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，往往采用滑塊抽芯式雙色注射成型工藝，但該工藝與傳統(tǒng)的注射成型工藝有很大的不同，實現(xiàn)難度很高，主要體現(xiàn)在模具結(jié)構(gòu)及動作過程復(fù)雜、需要專用的雙色注塑機(jī)。

下面以汽車通風(fēng)器罩為例，研究滑塊抽芯式雙色注射成型工藝中的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、輔助控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，并實現(xiàn)塑件的工藝設(shè)計與應(yīng)用。

2 塑件的可成型性工藝分析

圖1a為某汽車通風(fēng)器罩雙色注射塑件的CAD結(jié)構(gòu)圖，其塑件尺寸為1,516.5×324.5×118mm。根據(jù)實際的工業(yè)應(yīng)用，塑件由兩種材料組成，其中主體結(jié)構(gòu)（即硬膠部分）如圖1b所示，材料采用PP（聚丙烯），保證塑件力學(xué)強(qiáng)度和性能；外圍結(jié)構(gòu)（即軟膠部分）如圖1c所示，材料采用TPE（Thermoplastic Elastomer，熱塑性彈性體），保證塑件的觸感柔軟并實現(xiàn)與其他零件之間的密封性能。塑件的平均厚度為2.0mm，總重量約為450g，生產(chǎn)批量為30萬次，型腔排位為單型腔，結(jié)合塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝要求，需要采用雙色注射成型工藝。

圖1 塑件結(jié)構(gòu)CAD模型a——整體結(jié)構(gòu) b——主體結(jié)構(gòu)（即硬膠部分）c——外圍結(jié)構(gòu)（即軟膠部分）

在注射成型過程中，首先注射PP獲得塑件的主體結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行第二次注射，TPE塑料熔體在PP表面流動，待冷卻后便與PP粘結(jié)在一起獲得雙色注射塑件。

（1）材料的成型工藝分析：PP的收縮率為1.1%，TPE的收縮率約為1.5%～2.0%，由于兩種材料的收縮率不同，在模具結(jié)構(gòu)和注射工藝設(shè)計時需進(jìn)行綜合考慮；而且模具結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮通過滑塊抽芯機(jī)構(gòu)實現(xiàn)PP和TPE的先后次序注射。

（2）塑件的結(jié)構(gòu)分析：塑件的分型面需設(shè)計在塑件斷面尺寸的最大位置，因塑件厚度方向尺寸相對較小，較為容易確認(rèn)。但塑件尺寸大，需采用多個澆口；且塑件存在大量的孔位和筋位，模具的斜頂、滑塊等機(jī)構(gòu)復(fù)雜。

（3）注射成型設(shè)備分析：結(jié)合該塑件的種類、型腔分布和實際情況，采用海天公司鎖模力為1,600t的注塑機(jī)生產(chǎn)。

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于該塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝要求，采用滑塊抽芯式雙色注射工藝，相對普通注射模而言，其模具具有復(fù)雜的澆注系統(tǒng)和抽芯機(jī)構(gòu)等特點(diǎn)，下面介紹該塑件雙色注射模的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計和實現(xiàn)。

3.1 澆注系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)設(shè)計的好壞將直接影響成型難易程度、塑件的外觀和性能。盡管PP和TPE均具有較好的流動性，但由于塑件尺寸很大，為了減少流動長度和保證充填效果，需要多個澆口，且往往采用熱流道系統(tǒng)。同時，由于在該模具中需要進(jìn)行兩次注射，因此，針對塑件的主體結(jié)構(gòu)和外圍結(jié)構(gòu)需單獨(dú)設(shè)計澆注系統(tǒng)，且這兩個澆注系統(tǒng)相互垂直布置。圖2和圖3分別為塑件主體結(jié)構(gòu)和外圍結(jié)構(gòu)的熱流道系統(tǒng)。

3.2 抽芯機(jī)構(gòu)

相對于普通注射模而言，雙色注射模的主要特點(diǎn)在于具有兩個型腔，其中主型腔用于成型塑件的主體結(jié)構(gòu)，副型腔用于成型塑件的外圍結(jié)構(gòu)。同時模具結(jié)構(gòu)采用滑塊抽芯機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)：當(dāng)模具合模時，該滑塊抽芯機(jī)構(gòu)填滿副型腔，此時模具只形成主型腔，進(jìn)行PP注射成型，獲得塑件的主體結(jié)構(gòu)；然后，滑塊抽芯機(jī)構(gòu)退出形成副型腔，進(jìn)行TPE注射成型，待冷卻后與PP粘合從而獲得雙色注射塑件。根據(jù)塑件的外圍結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計5個滑塊抽芯機(jī)構(gòu)，且采用液壓油缸方式驅(qū)動，具體如圖4所示。

圖2 塑件主體結(jié)構(gòu)的熱流道系統(tǒng)

圖3 塑件外圍結(jié)構(gòu)的熱流道系統(tǒng)

圖4 副型腔的滑塊抽芯機(jī)構(gòu)

3.3 總體結(jié)構(gòu)

完成上述澆注系統(tǒng)和滑塊抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計后，進(jìn)行模具的詳細(xì)設(shè)計，圖5為模具的整體三維結(jié)構(gòu)。

圖5 模具的整體三維結(jié)構(gòu)圖a——動模部分 b——定模部分

4 輔助控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

雙色注射過程的工藝控制比常規(guī)注射成型更加嚴(yán)格、模具動作過程更復(fù)雜，往往需要采用專用的雙色注塑機(jī)，不僅價格昂貴，是通用注塑機(jī)價格的2～3倍，而且缺乏靈活性。因此，在通用注塑機(jī)上外接雙色注射輔助控制系統(tǒng)，并實現(xiàn)與童穎注塑機(jī)的集成引用以滿足雙色注射工藝的需求，不僅可以降低成型設(shè)備的成本，而且將該控制系統(tǒng)連接到不同噸位的通用注塑機(jī)上，滿足不同尺寸塑件的雙色注射成型工藝，具有很好的靈活性。

4.1 基本原理

由于嵌入式控制系統(tǒng)具有可靈活定制、操作方便簡單、具備統(tǒng)一的接口等優(yōu)點(diǎn)，因此，雙色注射輔助控制系統(tǒng)（以下簡稱輔助控制系統(tǒng)）采取基于嵌入式的控制系統(tǒng)。圖6為該輔助控制系統(tǒng)工作原理圖，具體思路為：在雙色注射成型工藝過程中，原通用注塑機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的一些關(guān)鍵信號（如副型腔滑塊抽芯機(jī)構(gòu)的退出到位信號等）輸入到輔助控制系統(tǒng)中，由輔助控制系統(tǒng)來實現(xiàn)副型腔的注射過程控制等，然后將信號輸出返回到原注塑機(jī)控制系統(tǒng)中，從而驅(qū)動注塑機(jī)的液壓傳動系統(tǒng)、合模系統(tǒng)等相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和模具共同完成雙色注射的工藝過程。

圖6 基于嵌入式輔助控制系統(tǒng)的工作流程框圖

4.2 硬件平臺

輔助控制系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能為完成副注射單元的料筒溫度加熱和副型腔的注射成型，其總體方案設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示，主要由注射單元模塊和主控單元模塊組成。其中，注射單元模塊可采用通用注塑機(jī)的注射裝置，主要包括螺桿及其傳動裝置、加料計量裝置和注射座等組成。主控單元模塊主要由溫度控制子模塊和液壓控制子模塊組成，主要實現(xiàn)料筒溫度的加熱與監(jiān)測、射嘴的注射動作控制等；考慮功能、成本及可靠性等要求，主控單元模塊的上位機(jī)采用工控機(jī)(Industrial Personal Computer)，配PC104 總線接口，下位機(jī)采用FPGA（Field-Programmable Gate Array，即現(xiàn)場可編程門陣列）。

4.3 軟件平臺

根據(jù)硬件系統(tǒng)的設(shè)計，輔助控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件，即工控機(jī)軟件和FPGA軟件。其中，上位機(jī)軟件主要包括人機(jī)交互界面、副注射單位的料筒溫度控制、注射動作控制和I/O操作，并實現(xiàn)與下位機(jī)的通信。下位機(jī)的工作流程如圖8所示。

圖7 輔助控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

圖8 下位機(jī)軟件的工作流程

基于硬件平臺和軟件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)，開發(fā)的雙色注射成型輔助控制系統(tǒng)如圖9所示。

5 工藝應(yīng)用與驗證

在完成該塑件的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造后，安裝到海天通用注塑機(jī)上；同時將開發(fā)的輔助控制系統(tǒng)連接到該注塑機(jī)上，如圖10所示。經(jīng)工藝調(diào)試實現(xiàn)了該塑件的雙色注射成型，所獲得的塑件如圖11a所示，經(jīng)檢測，塑件的尺寸和裝配間隙、力學(xué)性能、翹曲變形等參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到了汽車工業(yè)的應(yīng)用要求。圖11b所示為該塑件在大眾汽車某車型上的應(yīng)用情況。

圖9 輔助控制系統(tǒng)實物照片

圖10 汽車通風(fēng)器罩的雙色注射模具a——動模部分 b——定模部分

以汽車通風(fēng)器罩為例，研究了雙色注射成型工藝中的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計和輔助控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)該工藝的工程化應(yīng)用與驗證，為該工藝的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

圖11 汽車通風(fēng)器罩雙色注射塑件及其應(yīng)用a——塑件 b——應(yīng)用情況

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