平衡理论在汽车注塑模具设计中的应用

陈延民+乐旭辉+樊志峰

摘要随着轻量化技术的发展，塑料材料在汽车上的使用比例越来越大，特别是新技术新工艺的日益成熟，注塑成型的高性能塑料部件已在包括汽车内外饰件、发动机动力总成等领域获得广泛应用。注塑成型塑料部件的关键技术在于注塑模具的制造，注塑模具的技术水平决定了塑料产品的质量和生产成本，从而决定了塑料部件在汽车领域应用的广度和深度。而注塑模具的成败关键在模具设计，只有解决好注塑模具設计中的技术难题，才能保证模具产品的质量从而最终使注塑产品具有成本和质量的优势。

关键词平衡要求：理论分析：平衡问题

1模具设计的平衡要求

模具设计是一项比较复杂的工作，包括浇注系统、合模系统、冷却系统、顶出系统等4大机构的设计，只有这四大系统实现完美的配合，才能保证注塑模具具有较长的使用寿命，生产产品具有较低的生产周期，注塑产品尺寸和质量保持稳定，从而满足汽车行业对塑料产品的大批量、低成本、高质量的要求。

决定模具能否满足上述要求的因素很多，包括模具钢材、热流道水平，加工精度、润滑材料、加工工艺和模具设计水平等，而模具设计则是所有这一切工作的基础，模具设计决定了模具的成败。

利用平衡理论指导模具各系统的设计，可以有效解决模具设计的复杂问题，模具设计人员在设计过程中，要始终贯彻“平衡”的理念，把复杂问题简单化，从而达到简化模具结构，减少加工过程，降低制造成本，保证模具质量的目的。具体地说，就是要解决模具使用过程中的力量平衡、热量平衡和时间平衡。

2模具的平衡理论分析

2.1模具的力量平衡

解决好模具的力量平衡，是保证模具质量和使用寿命的关键，模具的力量平衡包括合模机构的合模力的平衡问题，模具承压面和封胶面的力量平衡问题，模具侧滑块的力量平衡问题，模具顶出机构的力量平衡问题。

解决力量问题的关键点在于：1）模具所有的受力面的作用力和反作用力必须在一条线上，最好是在水平或垂直线上，尽量避免出现斜向力和旋转力；2）模具的承压面和封胶面根据功能不同采用不同的形状，承受不同力量。具体解决方案如下。

2.1.1合模力的平衡问题，模具承压面和封胶面的力量平衡问题

注塑模具使用过程中，模具分型面要承受几百吨乃至几千吨的合模压力，如果不能解决好合模力的平衡问题，会导致模具局部受损，使制品产生飞边毛刺，从而缩短模具的使用寿命并影响塑料产品的质量，解决合模力、承压面和封胶面的力量平衡问题必须做到以下几点（图1）：1）合模承压面S和封胶面S1根据功能要求采用不同结构，承压面尽量采用一个垂直于开模方向的平面，承受模具合模时的压力，封胶面依据塑料产品的形状可以采用曲面结构，只起到封胶的作用，不承受合模时产生的合模力，可以比承压面的理论值低0.02mm～0.03mm；2）承压面面积s要足够大，足以承受合模时产生的压力，可以通过计算得出（S=F/P）；3）承压面要均匀分布在产品成形面四周，保持相对平衡；4）封胶面S1根据产品形状沿产品四周形成曲面，宽度不小于20mm。

2.1.2模具侧滑块的力量平衡问题

大部分的模具都有侧滑块机构，侧滑块的精度和耐久性往往决定了模具的质量和寿命，解决好侧滑块的力量平衡问题，是模具设计师的又一项重要工作。侧滑块的力量来自于两个方向（图2），一是来自于合模方向的合模力F1和反作用力F2；二是来自于滑块锁紧方向的注塑力f1和模具锁紧力f2。这两对力必须做到F1和F2作用在一条线上，f1和f2作用在一条线上，避免相互错位产生旋转力矩。

2.1_3模具顶出机构的力量平衡问题

模具项出机构的设计，必须做到顶出机构力量平衡，顶出时，塑料产品受力均匀，不会受到损失或者变形。

实现顶出机构的力量平衡，必须做到：1）项出杆的布局合理，受力均匀；2）导向机构布局合理，分布均匀，受力均衡；3）最大限度地减少项出杆与模具的接触面积，采用20mm左右的封胶配合即可，尽量减少顶出杆运动时与模具本体的摩擦力，保证运动畅通。

2.2模具的热量平衡

注塑成型就是将熔融的塑料通过高压注入到模腔内，然后通过冷却定型，制成所需形状的制品，在模腔内，冷却系统将塑料熔体的热量带出的速度，决定了生产周期和产品的出模温度，进而影响产品的后收缩和尺寸稳定。因此，理想的模具设计要求模腔内的热量要快速、均匀地被传递出去。

模具的热量平衡的关键在于合理的冷却水道设计，冷却水道的设计要遵循以下几点：1）水道设计合理，一般采用直径12～15mm，间距15mm，距模具表面不大于15mm；2）尽量减少水道的折返；3）水道必须全部覆盖制品；4）包括滑块、斜项、嵌件等部位都必须保证水道畅通；5）必要时采用铍铜及喷淋式水井等特殊结构保证冷却效果。总而言之，要做到冷却均匀，快速散热。

2.3模具注塑时间平衡

时间平衡，是指产品注塑成型时，塑料熔体在模腔内均匀流动，熔体尽量在相同时间内到达模腔的最远端，以达到充模时间、压力、温度的平衡，从而减少因压力和温度不同造成的应力集中、产品翘曲变形、缺料、飞边毛刺等缺陷。同时能实现低压快速注塑，避免模具承受过大的压力，保证模具的使用寿命。

实现模具注塑时间平衡，可以通过M-FLOW分析手段，通过不断优化浇口位置和大小来完成。

3结论

由于注塑模具是一个新型的行业，长期以来，模具设计基本停留在经验积累和师徒相传的模式，缺乏科学的理论指导。面对制品的多样性、成本的压力、质量的提升等诸多因素的变化要求，如何让模具设计人员科学的、快速的完成设计，是摆在每一个模具制造企业的难题。熟练的运用模具设计中的平衡理论，可以很好的指导设计人员，更全面的、科学的工作，最大限度地避免失误和缺项，从而减少模具加工制造过程中的反复修整，最大限度的减少模具制造成本，给模具制造行业带来经济效益和社会效益。同时也为模具设计工作奠定了一定的理论基础。endprint