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第3章 汽车内饰面板注塑模设计

在现代塑料成型加工工业中，正确的加工工艺、高效的设备、先进的模具是影响塑件生产的三大重要因素。高效自动化设备只有配备能适应自动化生产的模具才能充分发挥其效能，产品的开发更新都以模具的更新为前提[1]。实践表明，注塑模设计的优劣，对其制品的内在和外观质量以及生产效率和成本高低，都起着决定性作用[2]。
对注塑模的要求是：
1）能生产出形状、尺寸、外观、物理性能、力学性能等各方面都能达到所要求的合格塑件。
2）自动高效，操作方便。
3）结构合理，制造方便，制模成本低。
4）塑件的修整及二次加工的工作量能尽量减少。
5）模具的结构和材料的选择应能满足寿命的要求。

3.1 汽车内饰面板工艺性分析

汽车内饰面板制品如图3-1所示，为一多安装插槽、多加强筋以及多曲面组成的非对称复杂零件。外形尺寸为444mm×366mm×312mm，制品平均壁厚为3mm。此制品为汽车内饰面板，表面质量要求较高，此外，由于要与其它内饰件装配，因此具有较高的尺寸精度要求。
如图3-1b所示，制品存在倒扣现象不能正常分模，须采用斜顶出机构，如A、B处。制品存在多处安装插糟等特征，考虑到模具加工的可行性及经济性，须在这些特征处采用镶块结构，如C、D处等。
制品的端部存在两个与模具开模方向不一致的通孔，为保证开模动作的顺利进行，须对该两处通孔采取侧抽芯设计。

3.2 材料参数

在塑件设计时，经充分考虑后所确定的模塑材料在注塑模设计时是不能轻易更改的。因此，必须充分考虑其力学性能、电气性能、耐热性能、耐药性能及耐侯性等，进而考虑其成型条件，并合理选择模具结构[2]。
综合考虑上述因素，并参考汽车内饰件所用材料，决定选用PP+EPDM-T20作为该制品的材料，该材料是在PP（聚丙烯）的基础上用EPDM（三元乙丙橡胶）增韧，和20%滑石粉

a)

b)
图3-1 汽车内饰面板
a）面板正面 b）面板侧面及细节特征
（Tail）填充改性。该料与PP（聚丙烯）相比具有更高的强度、良好的弹性并有很强耐冲击性能。适合用来制作汽车内饰强度零件以及保险杠等制品[3]。
根据上海日之升新技术发展有限公司提供的相关数据可知，PP+EPDM-T20相关的材料属性如下[4]：
塑料密度 ρ=1.04g/cm3
弹性模量 E=918.603MPa
收缩率 s=1.2%～1.3%
拉伸强度 17MPa
弯曲强度 22MPa
热变形温度（0.46MPa） 130℃

3.3 型腔数目和塑件质量

根据塑件的生产批量、尺寸大小及精度要求，采用一模一腔。由于塑件形状不规则，无法利用几何关系来计算其体积，在此利用UG软件的分析功能得到其体积Vs=385.136cm3
由上述材料参数可知，PP+EPDM-T20塑料的密度ρ为1.04g/cm3，即可求的塑件最大质量为：
Ms=1.04g/cm3×385.136cm3=400.54g

3.4 注射机的初选

3.4.1 注塑容量
注塑容量通常是指每次从注塑机喷嘴射出塑料熔体的最大体积容量（cm3）。此最大体积容量也称为注塑机的额定注塑容量。在选择注塑机时，应考虑是否能得到包括制品及其浇注系统凝料在内的总体积量，通常选用额定注塑容量的80%以下为妥[2]。
由于该模采用热流道浇注系统，因此，在计算注塑容量时无需考虑浇注系统，即：
V塑=Vs=385.136cm3
M塑=Ms=400.54g
注射机注射量须满足
V机≥V塑/0.80
式中 V机——额定注射量（cm3）；
V塑——塑件与浇注系统凝料体积和（cm3）。
故
V机≥cm3=481.42cm3
或注射量须满足
M机≥
式中 M机——额定注射量；
M塑——塑件与浇注系统凝料的质量之和（g）；
ρ1——聚苯乙烯的密度（g/cm3）；
ρ2——塑件采用塑料的密度（g/cm3）。
聚苯乙烯的密度ρ1为1.054g/cm3，PP+EPDM-T20塑料的密度ρ为1.04g/cm3，故
M机≥g=494.02g
3.4.2 锁模力
锁模力通常是指用于锁紧模具的最大合模力（kN）。此最大合模力亦称注塑机的额定锁模力。一般塑料熔体在模腔内形成的启模力必须在额定锁模力的80%以下。熔体启模力是指型腔单位面积上的平均压力与型腔在开模方向上的投影面积之乘积。这个力应小于注射机的公称锁模力，否则会产生溢料[2][5]。
注射机的锁模力P锁模力须满足
P锁模力≥pF
式中 p——注射时型腔内的压力，它与塑料品种和塑件有关，在此p取25MPa
F——浇注系统和塑件在分型面上的投影面积之和（mm2）
根据UG软件分析可知，各型腔及浇注系统在分型面上的投影面积F为726.112cm2：
所以
P锁模力≥pF=25×72611.2N=1815.28KN
根据以上分析、计算，查参考文献结合工厂设备情况初选注射机型号为HTF360X-B：
根据海天机械有限公司提供的设备参数可知，注射机HTF360X-B有关技术参数如下：
顶出方式 机械顶出

3.5 浇注系统

浇注系统是塑料熔体自注射机的喷嘴射出后，到进入模具的型腔以前所流经的一段路程的总成。浇注系统是由主流道、分流道、浇口、冷料穴等组成，但不一定都具有上述结构。
在设计浇注系统时应考虑下列有关因素[2][3]：
（1）塑料的成型特性 设计浇注系统应适应所用塑料的成型特性的要求，以保证塑件质量。
（2）塑件大小及形状 根据塑件大小，形状壁厚以及技术要求等因素，结合选择分型面同时考虑设置浇注系统的形式，进料口数量及位置，保证正常成形，还应注意防止料流直接冲击嵌件及细弱型芯或型芯受力不均以及应充分估计可能产生的质量弊病和部位等问题，从而采取相应的措施或留有修整余地。
（3）模具成型塑件的型腔数 设置浇注系统还应考虑到模具是一模一腔或一模多腔，浇注系统需按型腔布局设计。
（4）塑件外观 设置浇注系统时应考虑到去除、修整进料口方便，同时不影响塑件的外表美观。
（5）注射机安装模板的大小 在塑件投影面积比较大时，设置浇注系统时应考虑到注射机模板大小是否允许，并应防止模具偏单元开设进料口，造成注射时受力不均。
（6）成型效率 在大量生产时设置浇注系统还应考虑到在保证成型质量的前提下尽量缩短流程，减少断面积以缩短填充及冷却时间，缩短成型周期，同时减少浇注系统损耗的塑料。
（7）冷料 在注射间隔时间，喷嘴端部的冷料必须去除，防止注入型腔影响塑件质量，故设计浇注系统时应考虑储存冷料的措施。
由于塑件结构复杂，外形尺寸大，壁厚又小，表面质量要求高，为了提高生产效率及节省原材料，故采用热流道浇注系统。
3.5.1 直接热浇口
根据塑件外形尺寸444mm×366mm×312mm及重量400g可知，制品属于中型塑件，再考虑到塑件的形状，浇注系统决定采用热喷嘴与侧浇口或者直接热浇口形式。
直接热浇口尺寸根据下列公式计算：
DG=0.59 （3-1）
式中 DG——直接热浇口直径，mm；
QG——浇口容积流率，cm3/s。
塑料熔体的比容与熔体温度、浇道内的静压力以及塑料种类相关。当熔体处于高温、高压的状态之下时，其比容较固体时较高。比容可由斯宾塞方程求得，即：
(p1+p2)(V－ω)= （3-2）
因此 V= （3-3）
式中 p1——熔体在浇道中所受的外部压力（MPa）；
p2——熔体在浇道中所产生的内压（MPa）；
V——熔体在该状态下的容积（cm3/g）；
ω——熔体在-273℃下的比容（cm3/g）；
R′——修正的气体常数；
T——绝对温度（℃）。
在应用斯宾塞方程时，各参数值必须依注射条件而定，而注射条件一般需要在模具试模时才能确定，因此，上述公式在实际应用中得到了限制。实际应用中，我们一般采用估算法，即高温、高压状态下的熔体的比容一般为该品种塑料固体时之比容（即密度的倒数）乘以一系数K，其中，对非结晶性塑料K为1.2～1.25，结晶性塑料K为1.5。
根据厂商提供的PP+EPDM-T20数据可知，=1.04 g/cm3，V固=1/=0.962，K取1.25，
V=K×V固=1.25×0.962=1.20 cm3/g
若注射时间为1.5s，则其容积流率Q为
Q===320 cm3/s
将上述容积流率Q代入到公式3-1中，得直接热浇口直径为
D=0.59=0.59×=4.03mm
热流道喷嘴都是由专业生产厂家制作，考虑其可购买性，取热流道喷嘴浇口直径为4mm。
3.5.2 针阀式喷嘴
考虑到制品的实际生产要求，在此决定采用针阀式热流道喷嘴，其具有以下优势[4]：
1）不会在制品表面留下浇口痕迹。
2）可以采用较大直径的浇口，加快型腔填充，并且能够降低注射压力，减少产品的变形，特别对于大、中型塑件。
3）使用针阀式喷嘴可以避免开模时出现流涎现象，特别是对于流动性较好的树脂，如PS、PP等。
4）当注塑机螺杆后退时，可有效的防止从模板中反吸物料。
我们选用了思纳克热流道有限公司生产的针阀式喷嘴，型号为FPSZZ27100，该型号规格的喷嘴最大射出量为1800g，浇口尺寸为4mm。

3.6 模具温度调节系统

模具温度调节系统是注塑模模具的重要组成部分，冷却系统的设计质量不仅对制品的成型质量还对制品的成型周期有着重要影响。塑料制品的成型周期是由注射时间、保压时间冷却时间以及开模时间组成，而对一般制品来说，冷却时间占到整个成型周期的80%左右。因此，成型制品的冷却时间几乎直接决定了成型周期，降低制品的冷却时间对提高制品的生产效率具有举足轻重的作用。
3.6.1 冷却系统设计的原则
冷却系统的设计要遵循以下原则[3]：
1）冷却水孔数量尽量多，孔径尽量少。
2）冷却水孔至型腔表面距离相等。
3）由于靠近浇口处的温度较高，因此浇口处需要加强冷却。
4）降低进出口水的温差，一般情况下冷却进出口的温差应在5℃，精密塑件应控制在2℃左右。
5）冷却水孔不宜设在靠近熔接缝处，以免影响熔接牢度。
6）冷却水通道要易于加工，便于清理，水孔直径不宜过小，直径尺寸一般可取为8～12mm。
7）当冷却水道设在模具零件的结合面上或穿过模具的接合面时，应密封可靠，不能在结合面上产生泄露现象。
3.6.2 型腔冷却系统设计
根据型腔的形状、壁厚、尺寸以及冷却管路的可加工性，型腔冷却系统采用了管道式冷却水路。为保证冷却系统的出水口与入水口之间的温差不超过2℃，各冷却管路之间采用独立形式。型腔冷却系统的管路布置如图3-2所示[6][7][8]：

图3-2 型腔冷却管路布置
3.6.3 型芯冷却系统设计
型芯冷却系统的布置同样需要考虑到型芯的设置及冷却管路的设置，在此采用了直通式冷却水路。为保证型芯冷却系统的效果，在此采用了多条冷却水路，各冷却水路之间通过并联的方式进行布置，这有效的降低了冷却管路入口处与出口处之间冷却介质的温度差，保证了冷却效果的均与、迅速。这有效缩短了制品的成型周期型芯冷却系统的管路布置如图3-3所示[9][10]。

图3-3 型芯冷却管路布置
合模冷却时的冷却管路之间的相对位置如图3-4所示[11]。

图3-4 冷却管路布置
3.7 模具结构分析

汽车内饰面板注塑模结构如图3-5所示，该模具一模一腔，热喷嘴进胶，滑块侧抽芯，顶针及斜顶机构共同作用实现制品推出。

图3-5 汽车内饰面板热流道注塑模
1.动模固定板 2.定位销 3.推板 4.推板固定板 5.限位块 6.支撑板 7.型芯固定板
8、10、14.型芯 9、17.镶块 11.型腔 12.定模固定板 13.热喷嘴 15.滑块头 16.支撑管
18.斜导柱固定板 19.滑块体 20.斜导柱 21.导向块 22.斜导柱 23.滑块 24.滑块导轨

图3-5 汽车内饰面板热流道注塑模（续一）
25.连接板 26、27.螺钉 28.镶块 29.复位杆 30.推料板导柱
31.斜顶杆 32、34.支撑柱 33.顶杆 35.滑块导轨 36.导套
3.7.1 滑块侧抽芯机构
面板端部有两个与开模方向不平行的通孔，为实现正常分模，须采用侧抽芯机构。侧抽芯机构主要由滑块头15、斜导柱固定板18、滑块体19、斜导柱20、导轨组成。开模时，动模后移，滑块体19在开模力及斜导柱的作用下，沿导轨滑动，与其相连接的滑块头15具有相同的运动方式。随着分模过程的不断进行，面部端部的通孔实现了侧抽芯动作，为塑件的正常分模消除了障碍。

图3-5 汽车内饰面板热流道注塑模（续二）
37.导柱 38.导套 39.滑块导轨；
3.7.2 斜顶机构
汽车内饰面板由于功能需要存在倒扣结构，如图3-6所示。采用斜顶结构是解决倒扣部位顺利分型的常用方法，如图3-7所示。滑块导板、滑块、斜顶杆、导向块共同构成了斜顶机构，用于倒扣部分的正常分型。

图3-6 制品倒扣部分 图3-7 斜顶机构
汽车内饰面板注塑模三维模具机构如图3-8所示[12][13][14][15]。

a）
图3-8 汽车内饰面板三维模具结构（续）

b）
图3-8 汽车内饰面板三维模具结构（续）

3.8 注塑机的校核

由图3-5测量相关尺寸可知，模具的闭合高度为920mm，而在注射机初选时，注射机HTF360X-B所能使用的模具最大厚度为710mm，因此小于模具的闭合高度，即该模具无法在注塑机上使用，需要重新选择注塑机。
根据上述模具的闭合高度，查参考文献结合工厂设备情况选择的注射机型号为HTF780X-A：
根据海天机械有限公司提供的设备参数可知，注射机HTF780X-A有关技术参数如下：
顶出方式 机械顶出
因此，上述所选的注塑机HTF780X-A满足模具闭合高度的要求，其它参数也均符合要求。

c）
图3-8 汽车内饰面板三维模具结构（续）
a）型芯 b）型腔 c）模具结构
3.9 模具工作过程

模具安装到注塑机上时须利用连接板25、螺栓26将型芯固定板7、型腔11固定在一起，即将整付模具连接成一个整体。用注塑机上的压板压住动模固定板1、定模固定板12，在此过程中需要保证定位圈的中心与注塑机喷嘴的中心的对正。连接模具的冷却系统管路及热流道系统等，确保其安装准确无误。将注塑机空运行几次，检查熔融塑料是否满足使用要求，并对模具进行试模。
开模时动模后移，分型面打开，滑块体19在斜导柱20的作用下移动，滑块头15与滑块体19之间通过螺栓相连，因此，滑块头15与滑块19具有相同的运动方式。分型面完全打开时，位于注塑机上的推出机构推动推板3，顶杆33、斜顶杆31等推出机构将塑件推出，人工取出塑料制品。
取出塑件后，动模前移，开始合模，顶杆33、斜顶杆31等推出机构在复位杆19的作用下复位，进入下一个循环过程。

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2 唐志玉．.大型注塑模具设计技术原理与应用[M]．北京：化学工业出版社，2004．8
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