应用于平板电视的高光蒸汽注塑模具的设计

彭 芳，彭志荣，周文辉

（1.电子科技大学 中山学院，中山 528402；2.中山志和家电制品有限公司，中山 528467）

0 引言

近年来，人们已不再满足于平板电视的使用功能，对其外观的欣赏品味及绿色环保的要求越来越高。以往那种先注塑电视机机壳，然后再喷涂的方法，既不环保，质量也不稳定，普通的注塑成型工艺已经很难满足这方面的要求，这就要求发展新的注射成型技术。高光注塑成型[1]又称快速冷热成型(Rapid Heat Cycling Molding，RHCM)，技术是透过运用蒸汽将模具表面快速升温，令成型模腔表面温度达到树脂塑料的玻璃转移温度(Tg-Glass Transition Temperature)以上，然后开始进行射出成型，当完成模腔填充过程后，立即利用水作为冷却媒体使模具表面温度急速下降，从而改变塑料产品表面特性。

高光成型技术与普通注塑成型相比具有诸多优点[2]： 1）消除产品表面熔接线、熔接痕、波纹、银丝纹等缺陷；2）彻底解决产品的表面缩水现象；3）提高产品表面光洁度(可达到镜面)；4）产品不需喷漆等后续加工，提高成品率20.30%；5）解决加纤产品所产生的浮纤现象，使品质更完美；6）薄壁成型提高注塑流动性，提高产品品质和强度；7）厚壁成型注塑周期可降低60%以上。

当前，高光成型技术已经在实际生成中得到了初步的应用，尤以蒸汽注塑成型技术以其升温快、模具温度可提高到120℃以上等优点而备受推崇，国内已有多家企业用以生产LCD电视机前壳、底座、音箱等，诸如三星、TCL等，均取得了不错的效果。目前，中国的中低档模具供过于求，而高档模具近50%靠进口，其中国内大型注塑企业使用的高光注塑成型系统及其关键设备均由国外进口。开发有自主知识产权的高光模具，优化现有高光蒸汽模具结构，设计大型、精密、复杂、长寿命的高光模具，是本文研究的重点。

1 高光蒸汽注塑技术原理

高光蒸汽注塑是利用高温高压蒸汽作为加热介质，在模具闭合时，通过高压蒸汽的剧烈的放热反应，使模具型腔表面瞬时达到设定温度，当材料充填完毕后，通过冷却水快速降低模具温度，使产品迅速冷却，以获得产品达到非常高的表面质量效果。高光蒸汽注塑成型原理框图如图1所示。

图1 高光蒸汽注塑成型原理框图

蒸汽热效控制器的作用是将高温蒸汽和冷却水循环交替引入模具的内部管路，以实现模具的快速加热与冷却。在整个高光蒸汽注塑工艺里，模具设计的好坏将直接影响产品的好坏，模具的好坏也是直接导致产品外观质量和产品周期的关键。

2 高光模具

高光模具结构与常规注塑的模具结构类似，一般由模板、模具基体、模具镶块等组成。与常规注塑相比，高光蒸汽注塑模温相对较高，故为了保证热变温注塑的生产效率具有竞争力，必须提高模具的加热效率和塑料熔体的冷却效率。在温控介质相同的条件下，其加热冷却效率主要取决于模具的材料和结构[3]。

2.1 模具材料

模具材料需要有较好的抛光性、耐腐蚀性、耐磨性、热强度、韧性、加工性能好、低的热膨胀系数等。目前使用的高光模具材料有日本日立金属的CENA1，日本大同的NAK80和S-STRA、ASSAB的S136或S136H(420)、POLMAX等镜面、高耐磨、抗腐蚀模具钢，低档高光模具也可使用P20的常规模具材料。

2.2 模具水道

为了保证模具表面温度的均匀性和快速传导，模具内部必须开设合理的水道来配合RHCM高光无痕注塑系统的快速升温和快速降温的需求。高光蒸汽注塑模具的水道开设有两种：1）产品结构简单的可以采用直线水道，通过钻孔加工来实现；2）产品结构复杂的可以采用模芯分层结构或其他特殊方法将水道布置距模具表面恒定距离来满足模具表面温度均匀和快速的热量传导。

2.3 其他方面

快速冷热循环对模具的其他部分也提出了更高的要求。为了防止加热系统对模具其他部分产生影响，对定位装置、抽芯和导向机构的运动配合部分的隔热、密封、配合需要仔细考虑，避免模具开合不良、滑块无法动作、定位不良等情况发生。

3 高光模具结构优化

下面以开发55寸平板电视面壳蒸汽模为例，探讨高光模具的结构优化措施。

3.1 导柱装配结构

传统的定模板导套和动模板导柱采用圆形结构，在长度超过1000mm的大型塑料注塑模具的定模板和动模板的温度相差较大的情况下，会由于定模板和动模板的热膨胀量不一致而导致圆形导柱和导套的相对位置发生变化，常常会引起导柱和导套卡死、烧结等问题。在此，我们研究出了一种特殊的方形导柱装配结构，如图2所示。蒸汽模安装方导柱后，可有效确保顺利的开、合模动作，并且拆卸更换方便，维修成本低。方导块材料为“高力黄铜+镶嵌石墨”，方导柱平行于动模板运动方向安装，导向时不会受到热膨胀的影响，箭头方向为热膨胀方向。

图2 方导块与方导柱

3.2 导向辅助器设计

常用的导向辅助器为分离式，分别装于定模板和动模板。蒸汽模时，定模部分和动模部分的温差较大，导致分离式的导向辅助器因热膨胀不一致导致错位而崩裂。我们所设计的导向辅助器采用斜面导向，如图3所示，在两导向斜面上设置有相交的蛇形润滑油槽，存油和润滑效果更好。该导向辅助器可作为一个整体安装在定模或动模板上，不会因热膨胀而导致断裂，使用寿命长。

图3 (a) 整体式导柱辅助器

图3 (b) 整体式导柱辅助器的局部放大图

3.3 流道与进胶系统

以往的模具流道采用圆形设计，如Φ10圆形流道的截面积为78.5 mm2，加工时，定模和动模上的流道都需要加工。根据应用情况，我们调整了流道的设计，其结构如图4所示。Φ8圆角梯形流道的截面积为60.5mm2，加工时只需要加工动模部分。通过定性分析，选用Φ8圆角梯形流道比Φ10圆形流道省料23﹪，加工费可省50﹪。同时，采用Moldflow进行模拟注塑分析，找到注塑平衡最佳的进胶位置。流道和进胶口数量如表1所示。

图4 流道和进浇口

表1 平板电视的塑料面壳模具流道和浇口数量

3.4 排气系统

图5 排气镶件及抽气阀

若模具型腔排气不良，极易使塑件产生填充不足、表面灼伤、表面流线和熔接痕等缺陷。为了使塑件获得高质量的外观，模具型腔排气槽一定要密集，尽可能多设，确保排气畅通、快速。我们将定模和动模的分模面（PL面）的排气槽间隙由20mm改为15mm，排气效果增加了15%左右。为解决两个入胶点之间的产品熔接痕纹问题，设计了一个9片排气镶件进行模具内部的排气，如图5所示，同时再利用抽气阀将气体强制性抽到大气中，以保证气体的充分排出。

3.5 新型的内抽芯机构

为了更好实现脱模，设计了一个特殊的斜顶结构，如图6所示。该斜顶结构设计紧凑，体积小；斜方转块可绕其转轴与滑板发生相对转动，同时滑板上镶嵌有石墨，斜方杆上设有圆形油槽，润滑效果好，因此斜方转块和滑板一起可自动修正动模板和模具的加工误差，斜方杆安装方便，移动顺畅；导套由黄铜制成，摩擦因数小，大大减少了因摩擦积累的热量导致斜方杆变形和磨损。

图6 自润滑板型斜方

图7 红外线监控模具异常情况

3.6 采用红外技术对模具进行注塑监控

考虑到定模的材料比较昂贵，定模的表面光洁度要打磨到镜面级，一旦定模损坏，其维修和更换成本非常高。模具在注塑生产时，为预防斜顶或其它配件的断裂而撞坏定模，采用红外技术对模具进行注塑监控，及时发现模具异常情况，如图7所示。

4 结束语

本文所述模具已用于55寸平板电视面壳的注塑成型，模具质量稳定，注塑周期短，模具平均寿命达到25万次以上。高光蒸汽注塑技术目前在国内尚属于一项先进的生产工艺，随着高端塑料产品的迅速发展，以及人们对于环保、安全意识的逐渐增高，RHCM高光注塑技术必将获得更大的发展，在未来几年，也必将成为注塑领域的研究重点和热点。

[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]王桂龙,赵国群,李辉平,管延锦,陈良.变模温注塑热响应模拟与模具结构优化[J].机械工程学报,2009,45(6):216-221.