應用于平板電視的高光蒸汽注塑模具的設計

彭 芳，彭志榮，周文輝

（1.電子科技大學 中山學院，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，對其外觀的欣賞品味及綠色環保的要求越來越高。以往那種先注塑電視機機殼，然后再噴涂的方法，既不環保，質量也不穩定，普通的注塑成型工藝已經很難滿足這方面的要求，這就要求發展新的注射成型技術。高光注塑成型[1]又稱快速冷熱成型(Rapid Heat Cycling Molding，RHCM)，技術是透過運用蒸汽將模具表面快速升溫，令成型模腔表面溫度達到樹脂塑料的玻璃轉移溫度(Tg-Glass Transition Temperature)以上，然后開始進行射出成型，當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，從而改變塑料產品表面特性。

高光成型技術與普通注塑成型相比具有諸多優點[2]： 1）消除產品表面熔接線、熔接痕、波紋、銀絲紋等缺陷；2）徹底解決產品的表面縮水現象；3）提高產品表面光潔度(可達到鏡面)；4）產品不需噴漆等后續加工，提高成品率20.30%；5）解決加纖產品所產生的浮纖現象，使品質更完美；6）薄壁成型提高注塑流動性，提高產品品質和強度；7）厚壁成型注塑周期可降低60%以上。

當前，高光成型技術已經在實際生成中得到了初步的應用，尤以蒸汽注塑成型技術以其升溫快、模具溫度可提高到120℃以上等優點而備受推崇，國內已有多家企業用以生產LCD電視機前殼、底座、音箱等，諸如三星、TCL等，均取得了不錯的效果。目前，中國的中低檔模具供過于求，而高檔模具近50%靠進口，其中國內大型注塑企業使用的高光注塑成型系統及其關鍵設備均由國外進口。開發有自主知識產權的高光模具，優化現有高光蒸汽模具結構，設計大型、精密、復雜、長壽命的高光模具，是本文研究的重點。

1 高光蒸汽注塑技術原理

高光蒸汽注塑是利用高溫高壓蒸汽作為加熱介質，在模具閉合時，通過高壓蒸汽的劇烈的放熱反應，使模具型腔表面瞬時達到設定溫度，當材料充填完畢后，通過冷卻水快速降低模具溫度，使產品迅速冷卻，以獲得產品達到非常高的表面質量效果。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交替引入模具的內部管路，以實現模具的快速加熱與冷卻。在整個高光蒸汽注塑工藝里，模具設計的好壞將直接影響產品的好壞，模具的好壞也是直接導致產品外觀質量和產品周期的關鍵。

2 高光模具

高光模具結構與常規注塑的模具結構類似，一般由模板、模具基體、模具鑲塊等組成。與常規注塑相比，高光蒸汽注塑模溫相對較高，故為了保證熱變溫注塑的生產效率具有競爭力，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構[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、熱強度、韌性、加工性能好、低的熱膨脹系數等。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，模具內部必須開設合理的水道來配合RHCM高光無痕注塑系統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有兩種：1）產品結構簡單的可以采用直線水道，通過鉆孔加工來實現；2）產品結構復雜的可以采用模芯分層結構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。

2.3 其他方面

快速冷熱循環對模具的其他部分也提出了更高的要求。為了防止加熱系統對模具其他部分產生影響，對定位裝置、抽芯和導向機構的運動配合部分的隔熱、密封、配合需要仔細考慮，避免模具開合不良、滑塊無法動作、定位不良等情況發生。

3 高光模具結構優化

下面以開發55寸平板電視面殼蒸汽模為例，探討高光模具的結構優化措施。

3.1 導柱裝配結構

傳統的定模板導套和動模板導柱采用圓形結構，在長度超過1000mm的大型塑料注塑模具的定模板和動模板的溫度相差較大的情況下，會由于定模板和動模板的熱膨脹量不一致而導致圓形導柱和導套的相對位置發生變化，常常會引起導柱和導套卡死、燒結等問題。在此，我們研究出了一種特殊的方形導柱裝配結構，如圖2所示。蒸汽模安裝方導柱后，可有效確保順利的開、合模動作，并且拆卸更換方便，維修成本低。方導塊材料為“高力黃銅+鑲嵌石墨”，方導柱平行于動模板運動方向安裝，導向時不會受到熱膨脹的影響，箭頭方向為熱膨脹方向。

圖2 方導塊與方導柱

3.2 導向輔助器設計

常用的導向輔助器為分離式，分別裝于定模板和動模板。蒸汽模時，定模部分和動模部分的溫差較大，導致分離式的導向輔助器因熱膨脹不一致導致錯位而崩裂。我們所設計的導向輔助器采用斜面導向，如圖3所示，在兩導向斜面上設置有相交的蛇形潤滑油槽，存油和潤滑效果更好。該導向輔助器可作為一個整體安裝在定?；騽幽０迳?，不會因熱膨脹而導致斷裂，使用壽命長。

圖3 (a) 整體式導柱輔助器

圖3 (b) 整體式導柱輔助器的局部放大圖

3.3 流道與進膠系統

以往的模具流道采用圓形設計，如Φ10圓形流道的截面積為78.5 mm2，加工時，定模和動模上的流道都需要加工。根據應用情況，我們調整了流道的設計，其結構如圖4所示。Φ8圓角梯形流道的截面積為60.5mm2，加工時只需要加工動模部分。通過定性分析，選用Φ8圓角梯形流道比Φ10圓形流道省料23﹪，加工費可省50﹪。同時，采用Moldflow進行模擬注塑分析，找到注塑平衡最佳的進膠位置。流道和進膠口數量如表1所示。

圖4 流道和進澆口

表1 平板電視的塑料面殼模具流道和澆口數量

3.4 排氣系統

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量的外觀，模具型腔排氣槽一定要密集，盡可能多設，確保排氣暢通、快速。我們將定模和動模的分模面（PL面）的排氣槽間隙由20mm改為15mm，排氣效果增加了15%左右。為解決兩個入膠點之間的產品熔接痕紋問題，設計了一個9片排氣鑲件進行模具內部的排氣，如圖5所示，同時再利用抽氣閥將氣體強制性抽到大氣中，以保證氣體的充分排出。

3.5 新型的內抽芯機構

為了更好實現脫模，設計了一個特殊的斜頂結構，如圖6所示。該斜頂結構設計緊湊，體積??；斜方轉塊可繞其轉軸與滑板發生相對轉動，同時滑板上鑲嵌有石墨，斜方桿上設有圓形油槽，潤滑效果好，因此斜方轉塊和滑板一起可自動修正動模板和模具的加工誤差，斜方桿安裝方便，移動順暢；導套由黃銅制成，摩擦因數小，大大減少了因摩擦積累的熱量導致斜方桿變形和磨損。

圖6 自潤滑板型斜方

圖7 紅外線監控模具異常情況

3.6 采用紅外技術對模具進行注塑監控

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，一旦定模損壞，其維修和更換成本非常高。模具在注塑生產時，為預防斜頂或其它配件的斷裂而撞壞定模，采用紅外技術對模具進行注塑監控，及時發現模具異常情況，如圖7所示。

4 結束語

本文所述模具已用于55寸平板電視面殼的注塑成型，模具質量穩定，注塑周期短，模具平均壽命達到25萬次以上。高光蒸汽注塑技術目前在國內尚屬于一項先進的生產工藝，隨著高端塑料產品的迅速發展，以及人們對于環保、安全意識的逐漸增高，RHCM高光注塑技術必將獲得更大的發展，在未來幾年，也必將成為注塑領域的研究重點和熱點。

[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.變模溫注塑熱響應模擬與模具結構優化[J].機械工程學報,2009,45(6):216-221.