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汽车灯罩的双色注射与热流道技术

来源:荣格 发布时间:2017-05-12 806
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件原料及混合物添加剂及母粒电子芯片电子芯片设计/电子设计自动化(EDA)设计/电子设计自动化(IP类软件) 技术前沿
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本文讨论双色注塑发展前景,介绍汽车灯罩的热流道系统,分析针阀式喷嘴的斜向注射和整体式热流道技术的应用。

双色塑料制品

双色注射成型是通过两个注射装置,两种塑料注入两个型腔,生产注射模塑双色制品。双色注射最早诞生于1963年,德国生产嵌入数码的成批的按钮。打字机和电话机的塑料按钮有拇指大小。一批12个数码字符第1次注射成型,它们由流道粘连在一起。在第2工位这些数码作为嵌件,在第2个按钮型腔中完成第2次注射成型。如今,一些仪表透明塑料盖板, 能使刻度可读;双色器皿,牙刷、杯和盆等日用品美观和实用;双色汽车灯罩等制品有很大的生产批量。

图1  双色杯和盘

图1  双色杯和盘

图1所示,里白外紫的双色小杯有瓷器的质感。透明塑料镶边和嵌底的托盘,可将漂亮台布和托盘融合在一起。图2所示双色牙刷,第1次注射用ABS成型半成品,第2次用热塑性弹性体(TPE)成型手柄的接触部位。热塑性弹性体中聚氨酯弹性体(TPU)耐磨耐油,手感好。

图2双色牙刷

图2双色牙刷

醒目又实用的汽车双色把手见图3,中央把手部位的双层塑料,提高了强度。把手外形尺寸222×30×47mm,半成品壁厚0.5~2.5mm。

图3 双色把手
a) 第1次注射的半成品;
b) 第2次注射的外层;
c) 双色把手成品


图4所示灯罩,在汽车上是左右成对布置的。汽车后尾灯罩用轻质聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)成型,其成型温度范围大,透明度高,但制品表面硬度低。车尾灯有停车灯和信号灯等,有双色或三色的。轿车的前灯罩用聚碳酸酯(PC)注射成型。PC的光学性能和着色性能好,有很好冲击韧性。比起PMMA灯罩,能较好承受风沙冲刷侵袭。车头有近光灯和远光灯等,车灯的里芯和底壳是不同着色的PC/ABS混合物制造。

图4 双色汽车灯罩

图4 双色汽车灯罩

两种材料要有足够的粘接面积,必要时增设2×2mm左右截面的凹凸槽。通常,两组份的粘合面应为平整面。两种塑料的热性能和流动性能应尽量接近,两种材料在界面上相容。

双色塑件的注射工艺和注塑机

双色注射要用专门双色注射机成型制品。双色注射模具由两副并列的动模型腔组成。在一个注射周期中,两种塑料同时向两个型腔注射充模。经冷却固化,其中一个型腔脱模顶出双色成品后,两动模转动换位。双色注射机的动模装置的驱动转位有转盘式、转轴式和转塔式。

图5是单件生产的双色注射在转盘式注塑机上的工艺过程示意图。A向是白色塑胶的半成品成型模塑位置。B向是红色塑胶的成品注射模塑位置,也是成品脱模位置。

图5  单件转盘式双色注射模塑过程示意
A-第1次半成品注塑位置;
B-第2次成品注塑位置
1-注射机动模板;2-注射机转盘;3-成品的成型动模;4-二红一白的双色成品;5-成品成型的定模型腔; 6-注射机定模板;7-第2次注射的注塑装置;8-第1次注射的注塑装置;9-半成品成型定模型腔;10-半成品;11-半成品成型动模


双色注塑机上两个注射循环有相同周期。它们的注射时间和保压时间要协调。大面积双色塑料制件在温度大范围变化时,两种不同塑料在冷热冲击下会脱开,必须考虑两种材料界面粘合牢度。半成品的冷却收缩不能过大。双色注射成型模具的成型收缩率,取决于第1次注射成型半成品材料。半成品组成了第2次注塑的型腔,体积收缩量不会更大。

双色注塑还应按照下述的次序进行。

① 硬质塑料第1次注射成型半成品,软质塑料第2次注射成型制品。

② 透明塑料第1次注射成型半成品,着色塑料第2次注射成型制品。

③ 成型温度高的塑料第1次注射成型半成品,熔融温度低的塑料第2次注射成型制品。

④ ABS与PC、ABS与PC/ABS混合物、ABS与PMMA双色注射时,将PC、PC/ABS、PMMA第1次注射成型半成品。

⑤ ABS与PMMA双色注射时,常用倒装的注塑模结构。PMMA透明半成品厚度0.8mm以上。ABS厚度与半成品壁厚不能相差太大,在0.7mm以上,以浅色为好。

图6为转盘式三色注射机成型三色汽车灯罩。两种塑料的注塑装置是并列的。除了少数进口的双色注塑机,两个塑化装置和喷嘴间距是不变的。图6所示的第3色注射装置和喷嘴位于注塑模的侧面。大中型双色和三色注射机还要配置机械手取出双色成品。

图6 转盘式三色注射机
1-动模板上转盘;2-定模上定距的两注射孔;
3-第3色塑料的侧向注射装置


双色注塑成型模具

早期的双色注射模塑不采用热流道。二次注射都是冷流道浇注系统,浇口的切离,流道凝料的脱模,造成了模具结构复杂。双色注射模采用热流道浇注系统,不但简化双色成型模具结构,也提高了双色塑料制品的质量。现代双色注射采用无流道凝料的热流道浇注系统。双色注塑成型模具有下述特征。

① 定模固定不动,包括热流道浇注系统。

② 两种塑料两块流道板,用分喷嘴直接注射。

③ 动模旋转180°后,动模型芯的整体位置相反。要防止半成品在转动中从动模中脱落。要保证第2次成品型腔正确,注意合模定位可靠。

④ 两套动模都有脱模机构,但只有成品注射位置才有脱模顶出动作。在半成品注射位置,没有脱模运动,致使动模部分单边受力。在合模过程要强使脱模机构复位。为此,脱模机构尽可能设置先复位弹簧,或设计推板复位。在成品注塑位置设计气动脱模,会有很好的效果。

⑤ 两套动模型芯的冷却水管接头在注塑模中央。进出口接头并列,防止动模冷却水的软管纠扰。要有足够水压,保证两套动模型芯的冷却充分均衡。

图7是随身听的双色外壳面板110×47mm,内外层壁厚1.2mm。内层用有色ABS/PC混合塑料浇注,耐热、抗冲和刚性好,具有薄壁成型的流动性。外层包覆PMMA透明塑料。第1次注射见图7a所示,用PMMA料,经单喷嘴的直接浇口注入冷流道和扇形浇口。第2次注射经在第1次流道凝料,充填外层型腔。ABS/PC物料经热流道的单喷嘴注入冷流道,由潜伏式浇口注入内层。二次浇注的流道凝料粘合在一起。

图7  双色亮盖
a)1次注射的透明外层;b) 2次注射的内层
1-冷流道;2-扇形浇口;3-潜伏式浇口


图8所示注射模的定模部分有两个型腔,动模有半成品与成品的两套型芯。PMMA半成品在动模型芯上,被双色注射机的转盘转动180°。在ABS/PC料筒的注射位置上,成品注射冷却固化后,由脱模机构顶出。此刻,顶杆顶出浇道凝料时,剪断潜伏式浇口。

图8 双色机盖注塑模简图
A-半成品注塑位置;B-成品注塑位置
1-动模垫板;2-顶出板;3-顶出固定板;4-斜顶杆;5-斜顶杆;6-动模仁;7-定模仁;8-定模;9-定模固定板;10-定位环;11-直接浇口的单喷嘴;12-定模水管接头;13-顶杆;14-动模板;15-动模水管接头;16-弹簧;17-定位销


热流道双色注射较多采用以下三种浇注系统:

① 在定模设置二个针尖式浇口的单喷嘴,只要浇口痕迹充许,是最简便方法。

② 在半成品位置采用直接浇口的单喷嘴,下游是冷流道与扇形浇口。下游是冷流道与潜伏式浇口,浇口要在成品位置切断。冷流道的凝料要在成品位置脱模。

③ 两种塑料用两块流道板,用分喷嘴直接注射。适合于一模多腔的双色制品成型。

汽车灯罩的双色注射成型

汽车后尾灯罩成品尺寸见图9,平均壁厚2.5mm。用白色透明和红色透光的两种PMMA注射成型。第1次注射成型中央的白色PMMA的L板条。呈L构型增大了与二块红罩壳的侧边上的粘接面积。第2次在白色条板的两侧,用红色PMMA注射成型。白色板条与2块红色板条粘合成双色灯罩成品。

图9  双色汽车灯罩注塑制品
a) 侧视;b) 正视;c) 翻倒


灯罩的周角都应是圆弧过渡,以防止流痕显现。周边有筋条,灯罩和灯底壳的热焊连接,要求筋条壁厚均匀,并为平均壁厚的三分之二。过厚的连接筋条会产生缩瘪。

见图10所示,一付模具生产二个红白双色灯罩制品。第一次注射位置的定模上白罩板型腔;2,由定模的凸镶块1和3与动模构成。在动模转过180。后第二次注射时,白板半成品与动模构成二个红罩板的型腔。要有二个浇口注射红色PMMA物料。第1次注射白色PMMA时,注射二个灯罩半成品。在第2次注射位置,成型二件成品要充填四个型腔的红色PMMA塑胶。

图10  双色汽车灯罩定模型腔
1-第1次注射时红板的第1凸镶块; 2-第1次注射时白板型腔; 3-第1次注射时红板的第2凸镶块;4-第2次注射时红板的第1型腔; 5-第2次注射白板半成品; 6-第2次注射时红板的第2型腔


汽车灯罩是双色注射生产的“大型”制品。生产批量大,每周期成型两件。成型模具1m3以上,重达数吨。双色注射机的两个注射装置上两喷嘴固定间距是710mm。定模面积890×1150mm,高度约527mm。本例为一次成型二件灯罩的双色注塑。见图11所示,第1次注射有2个针阀式喷嘴,而第2次注射有4个针阀式喷嘴。

图11  一模二件双色灯罩的斜射针阀式喷嘴热流道
G1、G2-第1次半成品注射的针阀式喷嘴;G3、G4、G5、G6-第2次成品注射的针阀式喷嘴
1-第1次注射的半成品;2-第1次注射的双层流道板;3-第1次注射的主流道喷嘴;4-G3阀针的驱动油缸;5-第2次注射的主流道喷嘴;6-第2次注射的双层流道板;7-双色灯罩成品


针阀式喷嘴斜向注射

众所周知,在喷嘴头的浇口位置,喷嘴轴线与成型塑料件表面成斜角,喷嘴头外的浇口区模具壁厚不一致,不对称。受锐角方向空间的限制,喷嘴头的刚性差,浇口冷却不均衡。而且斜向的阀针圆锥头会使塑料件上浇口冻结不稳定。形成较大的浇口凝料,痕迹异常不规则。这对于汽车灯罩外观是不允许的。

因此,注射点的上喷嘴轴线要与灯罩曲面的法线方向一致,即与开模方向成斜角。为了减小浇口痕迹,采用圆锥头的阀针。圆锥浇口洞口在定模上,圆锥小头直径2mm。

如图11所示,每个灯罩成品由三块曲面板构成,经三个浇口分别用三个针阀式喷嘴注射成型。二红一白灯罩球曲面的曲率半径各不相同,注射点的位置和方向按以下步骤确定。

① 按塑料熔体充模流动阻力最小原则,确定浇口的最佳位置。

② 按灯罩成品脱模要求,确定分型面。

③ 再由注射点的法向平面,确定喷嘴轴线的方向。它与开模方向有注射斜角。

如图11所示,件2和件5是两组双层的流道板。流道平板接受主流道喷嘴的塑料熔体,分配到各自侧弯流道板的分流道中。在斜向的侧弯流道板平台上安装针阀式喷嘴,见图12所示。

双层的流道板与斜置的针阀式喷嘴,使热流道系统的结构复杂。为减小流道板体积,减少流道板的热膨胀量,双层流道板设计成三维的交错布置。G1与G2、G3与G4、G5与G6的各对喷嘴相向斜置,而且喷嘴头在前后二个平面上。双层流道平板曲折布局优点有:

① 在注射工作温度下侧弯流道板横向热膨胀时,作用在喷嘴轴线两端的弯曲力矩较小。

② 定模对双层流道板的约束力处较好的平衡状态。

③ 流道平板和流道侧弯板都能在上下两个平面上布排电加热弯管。

整体式热流道

整体式热流道和侧弯流道板结构,如图12所示。针阀式喷嘴用螺纹与侧弯流道板24联接在一起,用螺钉整体装压在定模板上。传统的热流道系统中,流道板与针阀式分喷嘴之间压紧联接。再将流道板用螺钉联接定模,也把喷嘴压向定模。整体式热流道系统排除了两者的接触面上泄漏塑胶的可能。

图12  双层流道板和针阀式喷嘴G3
1-承压垫;2-流道平板;3-缸体; 4-通孔缸盖; 5-锁紧螺钉; 6-活塞; 7-阀针位置调节螺杆;8-活塞密圈(格兰圈); 9-液压油出入口; 10-冷却管道; 11-钛合金隔热板;12-封堵螺塞;13-导滑套;14-电热弯管;15-喷嘴壳体:16-引出线:17-阀针;18-喷嘴头;19-嵌线加热铜套;20-凹环槽;21-中心定位销;22-隔热支撑垫:23-承压流道环;24-侧弯流道板


整体式热流道的油缸被直接安装在流道板上。对于图11和图12上针阀式喷嘴G3的液压油缸驱动,通常油压是2~8MPa。设计液压缸的活塞直径65mm,内径25mm,液压油压力5MPa时, 阀针可以获得14kN的足够大闭合力。在100MPa的高压塑料熔料中,驱动阀针启闭运动。控制油路由液压阀和电磁换向阀组成。

油缸直接安装在高温流道板上。图12上油缸的钛合金底板11与流道板隔热。该底板挖有大面积凹槽,用气隙绝热。在缸体3底部位置还有冷却循环水管道10降温。每个冷却水的回路只能串接两个油缸。热流道在密闭的定模框中,很难维持油缸密封圈的温度不超过45~55℃。高温使密封圈的效果变差,工作寿命缩短。油温升高后黏度下降,热流道工作数月后有油液渗出,阀针闭合力下降。

侧弯流道板24与流道平板2的两层之间有绝热气隙5mm,间隔的承压流道环23用钛合金制造。侧弯流道板的悬臂尺寸以小为好,以能容纳安装固定油缸即可。流道侧弯板用定位销21固定在定模板上,与针阀式喷嘴很近。侧弯流道板的横向热膨胀极小。注射点浇口又在定模中央的主流道喷嘴下方,因此热膨胀影响很小。但是塑料熔体几经Z形弯绕注入针阀式喷嘴的流道,流程的压力损失较大些。


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