分流器精密注射成型工艺及模具设计

罗 兵

上海占瑞模具设备有限公司（上海 200127）

1 引言

分流器是汽车控制器上的一个结构件，用于液体的分流。如今汽车零部件大量使用塑件，可以做到轻量化、第成本、高精度等功效，并且塑料的属性为汽车带来更丰富的功能。可以说，是汽车制造业的一个突破。当今使用塑料机械零部件大都采用注射成型，现代塑料制品结构越来越复杂，塑件壁厚日趋变薄，外观和精度要求越来越高，人们对塑件的品质要求越来越苛刻，对注射成型的技术要求亦越来越高；注射成型行业已进入精密注射成型的时代。精密注射成型是指塑料制品的外型精度应满足严格的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度。由于塑件本身具有较高的设计精度，使用特殊的工程塑料加工，对塑件不能采用常规的注射成型，而必须采用精密注射成型工艺技术。为了保证这些精密塑件的性能、质量与可靠性及长期使用的稳定性，注射成型出质量较高、符合塑件设计要求的塑料制品，必须对塑料材料、注塑设备与模具设计及注射成型工艺以及现场管理进行完善。

2 该领域国内外现状

近年来，为了满足IT等产业要求塑件高精度、高功能化、小型化、轻量化、低成本、高附加值的要求，精密注射成型机和模具的研制是重点和难点问题。在精密注射成型机的研制方面，代表当今世界先进水平的生产厂商主要有德国的克劳斯玛菲、德玛格、阿博格以及日本的日精、日钢、东芝机械和住友重机等。

德国的克劳斯玛菲最早推出两板式注射成型机并备受世界同行的关注，德玛格则与海天长期合作，它们的技术特点和优势早已为国内同行所熟知。在此仅以阿博格为例简要介绍其精密注射成型机的特点。阿博格精密注塑机合模机构采取箱式设计来提高锁模精度。由于三板式注塑机前板与后板均固定于机架上，当锁模力施加时，四拉杆的伸长受到机架的约束，从而使拉杆趋向“拱桥形”而影响锁模精度，箱式设计的结果从限制不良变形的角度提高锁模精度。注射油缸双向压力伺服控制精确定位螺杆位置使注射量控制精度提高一倍。采用变频器优化控制主泵马达不仅提高液压系统控制精度，而且有显着的节能效果。此外，阿博格精密注塑机还采用模块化设计，注射成型机各运动系统可在全液压到全电动两个极端之间根据用户生产实际需要而采取液压与电动的随意组合，锁模系统和注射系统空间相对位置也可有多种选择。

日本的东芝机械在其精密注塑机三板式合模系统设计中将前后板与机架的连接由通常的底部固定联接改进为腰部铰链联接，使锁模力施加时的拉杆变形自由伸展而始终保持平行，采取变形疏导的方式保障锁模精度。日精通过对传统油压机的全面优化，使其在与全电动注塑机对比中处于劣势的状况得到大幅度改观。它采用新的控制系统TACT（提高响应速度、操作稳定性、液晶屏显示的多语言控制界面），新的注塑机构（大螺杆长径比增强塑化效果，五段温区优化塑化温度控制），并对油压回路进行了优化，开发出新的油压式主力机型FN系列精密注射成型机。以110t锁模力机型为例，优化设计后的精密注射成型机控制响应速度提高30%，质量稳定性提高50%，油温变动影响减轻50%，节能30%。最近该公司又开发出适于极小精密零部件成型，锁模力为15t的精密小型电气式成型机“ELJECT NEX150”。该精密注射成型机主要用于成型液晶聚合物（LCP）、聚酰胺（PA）、聚苯硫醚（PPS）等。其典型注射成型产品为数码照相机的快门等数码产品的关键零件。这类微小精密的零部件在注射成型加工中，一次注射量仅为0.1～5g。日本制钢所通过采用先进的保压控制技术，使注射成型制品质量稳定性得到大幅度提高。标准保压条件下制品重量变动幅度为0.022g，采用新的保压控制后制品重量变动幅度减小到0.006g。日本制钢所还研究开发出J-ELII-UPS超高速精密注塑成型机。

随着高精度塑件应用范围的扩大和注塑机制造成本的降低，全自动式注塑机有很大的发展空间，电动/液压式注塑机作为一种集液压式高性能的优点和全电动式节能的优点于一体的注塑机，已成为当今精密注塑机发展的方向。

3 塑件成型工艺性分析

3.1 塑件特性

图1所示塑件为一分流器，分流器是汽车控制器上的一个结构件，用于液体的分流。ABS材料，不透明，黑色，大批量生产。该塑件由卡扣、分流部分、以及底座等部分构成，两端孔分别在不同的型腔内成型，必须保证塑件的同轴度，所以在模具设计和制造上要有精密的定位措施和良好的加工工艺，以保证分流器的精度。另外，该塑件大致外形为一阶梯形轴类的零件，结构较为复杂，因此需要对塑件进行整体的观察和分析，以确定其模具制造上的结构形式。三维形状如图1所示。

图1 塑件

3.2 塑料成型工艺性分析

该塑件采用精密注射，因此精度等级选用IT5。该塑件壁厚大致为2～4mm，由于材料原因，分流道及浇口截面要大，注意浇口的位置，防止熔接痕，在成型时，脱模斜度＞2°，一般情况下，收缩率取＞0.5%，但由于改模具为精密注射，因此该设计中塑件的收缩率取0.3%。另外，由于ABS材料容易吸湿，因此在成型前需要进行充分的干燥，以避免塑件表面出现银丝、斑纹和气泡等缺陷。而正式注射成型的过程一般包括加料、塑化、注射、冷却和脱模几个步骤。本塑件在注射成型过程中的工艺参数，需要根据材料的特性、塑件精度要求以及试模后的结果进行最终确定。初步设定为：

温度：模具温度：80℃；料筒温度：190℃；压力：注射压力：200MPa（精密注射为减小收缩率，须加大注射压力），保压压力=（25%～65%）注射压力=100MPa。

3.3 塑件的模流分析

为了优化本次设计过程，缩短模具设计的时间，现利用MoldFlow对塑件进行优化分析，由于塑件的复杂性及特殊性，因此浇口位置比较单一，故不对浇口位置进行分析，主要分析充填情况，为下面的模具设计提供依据。

将制件以FUSION网格方式进行有限元划分后，采用USA BAYER公司出品的LUSTRAN ABS Elite HH 189型号的材料。

根据材料设定工艺参数，模具温度：80℃；料筒温度：190℃；注射压力：200MPa（精密注射为减小收缩率，须加大注射压力），保压压力=（25%～65%）注射压力=100MPa。设完参数便可进行分析。

（1）充填压力。如图2所示，填充压力最大达到124.1MPa，符合精密注射的注射要求，并且须以此作为参考选择注塑机。

图2 充填压力图

（2）收缩率。收缩率是精密注射中一个相当重要的问题，它直接影响到该塑件的成型质量以及尺寸精度。本塑件收缩率情况如图3所示。

图3 塑件的收缩率分析图

从分析的结果可知，该塑件大部分的收缩率都在0.8774%以下，收缩情况比较尽如人意，唯独在塑件底部较厚区域会出现比较明显的凹坑，塑件成型后会产生表面有不平整的情况，但由于这部分不是该分流器主要的工作部分，对其表面质量的要求并不是太高，因此这样的缺憾并不会对塑件在应用中产生任何的负面影响。

（3）熔接痕。由于ABS材料有比较容易产生熔接痕的特性，因此通过模流分析来观察塑件熔接痕的情况。在对该注塑过程中可能产生的熔接痕情况进行分析中，为了配合分析出现熔接痕的原因，同时截取制件表面分子取向分布图。分析情况如图4、图5所示。

图4 熔接痕示意图

图5 分子流向图

结合图2～图5的分子取向图可以发现，在该塑件产生的熔接痕主要是由于分子取向不一致，在浇注过程中熔体峰流汇集所产生的。因此，可以考虑在有表面要求或者强度要求且容易产生熔接痕的部位采用局部加热等手段来减少熔接痕的产生。

4 模具设计

该模具采用一模两腔、侧浇口形式，并使用相互垂直的双分型面进行注射成型，其中侧分型采用瓣合模斜滑块形式，采用矩形导滑槽与限位销进行导滑。模具依照塑件的尺寸及分布情况选用尺寸为250×315mm的标准模架。在该模具中设置两处导向机构，一处导向机构主要用于保证动模和定模两大部分或模内其他零部件之间的准确对合，起定位和定向作用；另一处导向机构设于推板处，除了起导向作用外，还对支撑板起到了支撑作用，从而改善了支撑板的受力情况，大大提高了支撑板的刚性。脱模机构，除了在每个塑件底部设置4根推杆，还对瓣合模进行推出，在瓣合模底部也设置4根推杆，同时为了防止开模时滑块被粘附在定模上，在定模部分设置了4套弹簧和弹簧顶销。为了合模时，保证两个瓣合模之间的锁紧，瓣合模外部模套的上部须低于瓣合模上部0.5mm。由于该塑件要求为精密注射，因此，除了在工艺参数上与普通注射模具不同外，模具的精度也相应的提高，取为IT6。

4.1 分型面的选择

分型面的选择要考虑到有利于保证塑件的外观质量，有利于保证塑件的尺寸精度，将塑件留在动模一侧，尽可能满足塑件的使用要求，长型芯应置于开模方向，有利于排气，以及有利于简化模具结构等因素。

方案1：径向上的分型面与开模方向垂直；轴向上的分型面与塑件推出方向平行。定模型芯利用开模动作从塑件中抽出，塑件外侧凸凹利用瓣合模或滑块来成型，同时将动模型芯一同抽出。整个塑件成型精度比较高，模具结构也比较简单。

方案2：径向上的分型面与开模方向平行；轴向上的分型面与开模方向垂直。凹凸部分通过开模分开，左右抽芯通过斜导柱侧向抽芯机构完成。但是由于塑件一侧型芯较长（约29mm），须移动29+2（安全余量）=31mm，设斜导柱安装斜度为22°，通过计算滑块厚度为76.7mm，若设置成一模多腔，滑块体积就比较大，并且为了保证模具的平衡，必然要将塑件以中心对称的方式防止，这样模具结构便会相当庞大，又由于两侧型芯长短差距较大，因此会造成模具材料和趋动力的浪费，模具结构也相对复杂。

综上所述，分型面应采用方案1，使得模具结构相对简单，塑件成型精度可靠，并且节约成本。

4.2 确定型腔数量及排列方式

在确定分型面后，塑件的轴向两端没有适合直接浇口的位置。由于该塑件为大批量生产，并且也是出于结构的考虑，故采用一模两腔模具结构。其大致布置如图6所示。

图6 型腔分布图

4.3 模具结构形式的确定

该塑件外观质量要求较高，尺寸精度要求较高。从塑件外观特征可以开出其时一阶梯形轴类零件。虽侧向凸凹和槽较多，但观察后可以发现，此些凹凸并不需要另外添加镶块而是可以再分型方案的滑块中直接得到所需的所有结构形式。因此，可初步拟定采用一模两腔两分型面的模具结构形式，其中两分型面分别为水平、垂直分型面。

4.4 注塑机型号确定

注射模是安装在注塑机上使用的，因此设计注射模是应该详细了解注塑机的技术规范，才能设计出符合要求的模具。

注塑机规格的确定主要是根据塑件的大小和型腔的数目和排列方式，在确定模具结构形式及初步估算外形尺寸的前提下进行的。并根据一些列模具参数选择一台和模具匹配的注塑机。

（1）所需注射量的计算。塑件通过三维造型后，可通过软件计算出相关值。塑件体积：V1=6.89cm3（MoldFlow软件计算值）。塑件质量：m1=6.89×1.41=9.72g。流道凝料的质量，可以按塑件质量的0.6倍来估算，并在上述分析中确定为一模两腔，故注射容积m=1.6nV1=1.6×2×6.89=22.04cm3。

（2）注塑机型号的确定。最大注射量G≥V/α=22.04/0.75=29.39cm3。故根据数据初定额定注射量为160cm3的卧式注射成型机SZ-160/100。

4.5 塑件的推出方式

此套模具的推出机构形式较为复杂，全部采用推杆推出。其中瓣合模由4根圆形推杆推出，每个塑件由4根阶梯形推杆推出。而由于塑件推出面的结构情况，塑件的推杆须置入型芯当中，从型芯中穿出进行顶出动作，考虑到模具在脱模过程中，不发生干涉，并且使塑件成型完整，故根据塑件，在其中一方向上采用2根直径φ2mm的推杆，另一方向上采用2根直径φ1mm的推杆。第一次分型时，在弹簧顶销的作用下，塑件和动模部分一起脱出定模部分的型芯；第二次分型时，瓣合模推杆在推出瓣合模块以完成侧向抽芯与分型的同时，塑件推杆也推出塑件，使得塑件脱离型芯。

4.6 侧向分型和抽芯机构类型的确定

该套模具采用机动侧抽机构，其驱动方式为斜滑块。

斜滑块驱动侧向分型与抽芯机构，通常斜滑块由锥形模套锁紧，能承受较大侧向力，但轴拔距离不大。此塑件的侧凹较浅，所需要的抽芯距不大，但侧凹得成型面积较大，因而需较大抽芯力，故采用斜滑块机构较为合宜。

根据斜滑块侧向分型与抽芯特点，利用推出机构得推理驱动斜滑块斜向运动，在塑件被推出脱模得同时由斜滑块完成侧向分型与抽芯动作。

（1）斜滑块（瓣合模块）的几种方案对比。

方案1：瓣合模块在定模内（锁紧块）滑动。这种结构难于控制相对于塑件中心的外形尺寸，但便于塑件自动掉落，在塑件推出方式上可采用推件板、推杆、推套推出塑件。

方案2：瓣合模块在推件板上滑动。采用此结构两次分型同时完成，并且易于控制相对于塑件中心的外形尺寸，但塑件不易自动掉落，有落在瓣合模块内的可能。

方案3：瓣合模块在动模内滑动。容易控制塑件尺寸，为了使塑件能自动掉落，设计时应避免采用塑件留在瓣合模块底部的结构。

综上所述，该套模具适宜采用方案3的结构形式，既容易控制尺寸，又便于塑件的自动脱落。以此方案为基础，对模具的侧分型加以改进，用推杆推出瓣合模。

（2）斜滑块的组合形式。设计其组合方式时应考虑分型与抽芯的方向要求，并保证塑件具有较好的外观质量，另外，还应使滑块的组合部分具有足够的强度。该副模具采用两瓣合模块组合的结构形式。

（3）斜滑块的装配要求。为了保证斜滑块在合模时其拼合面密合，避免注射成型时产生飞边，模具闭合后斜滑块底部与模板之间应有0.2～0.5mm的间隙，同时斜滑块还必须高出模套0.2～0.5mm。当斜滑块与导滑槽之间有磨损之后，再通过磨削斜滑块下端面，可继续保持垂直分型面的密合性。

对于该副模具，如果斜滑块底部与支撑板之间有0.2～0.5mm的间隙，ABS高压注射成型时易产生溢料飞边，所以应使斜滑块底部与动模固定板间隙＜0.015mm，而斜滑块高出模套0.5mm，以确保合模时斜滑块紧锁。

（4）斜滑块推杆位置选择。在侧抽芯的过程中，应注意防止斜滑块移出推杆顶端，造成斜滑块无法完成预期的侧向分型与抽芯的动作。

（5）斜滑块推出时的限位。在每瓣斜滑块上开有两槽，模套上加螺销限位。

4.7 冷却系统设计

模具内的塑料温度为200°左右，而塑件固化后从模具型腔中取出时其温度在60°以下。热塑性塑料在注射成型后，必须对模具进行有效的冷却，使熔融塑料的热量尽快的传给模具，以使塑料可靠冷却定型并可迅速脱模。

ABS的成型温度和模具温度分别为150°～200°、50°～80°，用常温水对模具进行冷却。

由于该塑件为阶梯型的轴类零件，大体可以以直径φ20mm的凸缘为基准分为上下两部分。上部分有分流道，应重点加强冷却，应布置在直径φ20mm偏上的部分。

对于型芯的冷却水道，可采用隔片导流式，但由上面计算可知该模具塑料释放总热量不大，只在模具型腔周围开设冷却水道即可。

4.8 模具结构

模具结构装配图如图7所示。

图7 模具结构装配图

5 模具制造工艺

5.1 模具零件的主要加工方法

金属零件的加工方法有金属切削加工、电蚀加工（又称电火花加工）、挤压等少无切削加工等。金属切削加工有车、铣、刨、磨等。电蚀加工有电火花成型加工，线切割加工和电化学腐蚀加工等。挤压加工有冷挤压、温挤压和热挤压加工等。而根据机床加工控制的方法又可分为手动、自动和数控等。

影响确定模具零件的加工工艺的因素有零件的形状、材料硬度。精度要求、设备条件等。设计一个零件的加工工艺，首先要考虑零件的形状和各种加工方法的特点、适用范围以及经济性，再综合考虑其他因素。模具零件的加工工艺按加工方法区分主要有铣削加工、钻削加工、车削加工、磨削加工、电蚀加工和研抛加工等。

5.2 塑料模具制造技术要求

模具精度是影响塑料成型件精度的重要因素之一。为了保证模具精度，制造时应达到如下主要技术要求：

（1）组成塑料模具的所有零件，在材料、加工精度和热处理质量等方面均应符合相应的要求。

（2）组成模架的零件应达到规定的加工要求，装配成套的模架应活动自如，并达到规定的平行度和垂直度等要求。

（3）模具的功能必须达到设计要求：①抽芯滑块和推顶装置的动作要正常；②加热和温度调节部分能正常工作；③冷却水路畅通且无漏水现象。

（4）为了鉴别塑料成型件的质量，装配好的模具必须在生产条件下（或用试模机）试模，并根据试模存在的问题进行修整，直至试出合格的成型件为止。

5.3 型腔、型芯的制造工艺

型腔、型芯加工采用锻件毛坯。由于锻件表面有一层氧化层，因此需要进行退火处理来改善锻件质量以便进行表面加工。用铣床铣上下两个表面，铣出一个基准，然后用磨床磨削，达到精度要求。在热处理以前，将螺钉孔和推杆通孔用钻床钻出，以防热处理以后硬度较高，加工困难。然后采用电火花加工成型。电火花成型可以使用成型电极一次成型，也可以使用简单电极多次成型加工。在本次加工中，采用的是成型电极分粗精两次加工成型。电火花成型的加工精度较高，加工结束以后可以不采用磨床加工。电火花结束以后进行加工成型表面。由于成型表面较简单，可以采用铣削成型，然后用精铣来达到粗糙度要求。最后就可以进行抛光研磨，型腔加工完成。进行尺寸精度的检验，合格后入库。