王愛陽，賈鐵鋼
大連職業技術學院，遼寧大連116037
摘要：家用電器、通訊產品等大量使用塑件，而“輕、薄、小”是今後發展方向。因此薄壁塑件模具設計及其注塑工藝的應用，需要在厚度結構設計、材料性能要求、模具結構、注塑工藝等方麵進行改進。本文列舉實例，針對薄壁塑件出現的典型問題進行研究，提出解決措施，以滿足日益增長的薄壁塑件的需要。
關鍵詞：薄壁塑件；結構設計；塑料材質；模具結構；注塑工藝
中圖分類號：TQ320.52 文獻標識碼：A
塑料是以樹脂為主要成分的高分子有機化合物，塑料製品以密度低、質輕、絕緣性好、化學穩定、耐磨減震、透光性好等優點，廣泛應用於家用電器、通訊器材、生活用品等。目前我國已成為世界工業加工中心(生產基地)，尤其是彩電、手機、空調、冰箱、洗衣機等係列產品已占據全球產量的50%[1]。這些產品大量使用塑料件，其成本占產品總成本的50%～80%，因而在保證產品質量的同時，薄壁有助於降低產品成本。另外手機、筆記本電腦等正向“輕、薄”型發展，加之一次性水杯、碗、勺、飯盒等大量使用，促使國內外相關科研人員著手研究塑件的薄壁技術。但是塑件壁厚減薄在其結構設計、材料性能要求、模具結構、注塑工藝等方麵還存在不少問題。本文針對這些問題進行了研究，並提出了解決措施。
1塑件厚度與結構設計
圖1所示塑件不僅有結構及外觀形狀要求，內部還要安裝一些零部件，需具有一定強度和剛度，同時還要考慮注塑成型工藝要求等，因此該塑件的厚度設計非常重要。
圖1塑料件
1.1塑件厚度設計
1.1.1壁厚
塑件壁厚過薄，會使成型時的流動阻力太大，大型塑件難以充滿；塑件壁厚過厚，則易產生縮坑、氣泡等缺陷。在保證剛度和強度的基礎上，推薦塑件壁厚[1]範圍在0.45～6.5mm，常用範圍1.5～3.0mm，要求壁厚均勻。
根據使用要求，設計塑件整體壁厚時，必須考慮加強筋、螺釘柱等結構對剛度、強度、外觀的影響。
1.1.2加強筋
設立加強筋可提高塑件的強度和剛度，還可以防止塑件變形且有利於塑料熔體的流動。普通
加強筋的結構及尺寸如圖2所示。從圖2可以看出，b=(0.40～0.75)t，L=(2.5～5.0)t，α=0.5°～1.5°[2]。其中，b為加強筋厚度，t為壁厚，L為加強筋高度，α為脫模斜度。
圖2加強筋
1.1.3螺釘柱
通常在塑件內部需用自攻螺釘安裝其他部件，故可設立如圖3所示的螺釘柱。螺釘柱分為有加強筋和無加強筋兩種，其中加強筋底部長度c=(0.2～0.5)×螺釘柱高度。
圖3螺釘柱
此外，壁厚還涉及凸台、轉角、通孔和不通孔等結構的設計，但如果采用薄壁結構，上述加強筋和螺釘柱等的結構和尺寸都要改變。
1.2薄壁塑件結構設計
薄壁塑件一次性飯盒如圖4所示，其壁厚通常小於1.2mm，但定義薄壁塑件並不是隻看厚度尺寸，還要計算熔體流程與塑件壁厚之比l/t，當l/t＞150時稱之為薄壁[3]。由於塑料熔體在注塑過程中先經過主流道、分流道、澆口，然後注入模具型腔，因此實際流程與壁厚各處均不相同(圖5)，總的流程與壁厚之比等於各段流程與壁厚之比的和。
圖4一次性飯盒
圖5實際流程與壁厚
一次性飯盒比較柔軟、外表麵要求不高，但為了提高剛性，大多數薄壁塑件的結構形狀采用曲麵、加強筋等。薄壁加強筋如圖6所示，其中，加強筋厚度b與壁厚t相等，甚至小於壁厚。固定自攻螺釘的薄壁塑件螺釘柱如圖7所示。
圖6薄壁加強筋
圖7薄壁塑件的螺釘柱
由於壁厚較薄，而加強筋、凸台(如螺釘柱)厚度沒有改變，按照常規生產方式，塑件易出現凹陷、欠注、扭曲變形等缺陷，因此還要從塑件材質、模具結構、注塑工藝等著手研究。
2薄壁塑件材質選擇
由於薄壁塑件厚度的減小，需使用流動性好的材料，該材料還需具有較高衝擊強度和熱變形溫度，以及良好的尺寸穩定性等[4]。
2.1塑料的流動性
注塑成型薄壁塑件時，塑料的流動性要好，其流動距離與厚度之比(l/t)大於150。塑料的流動性可以用其熔體黏度係數來表征，常用塑料的熔體黏度係數[5]如表1所示。在實際生產中，通常以塑料樹脂的熔體質量流動速率(MFR)作為其流動性選擇的依據。由於不同企業生產的不同牌號和批次塑料樹脂的MFR各不相同，需要在生產前進行檢驗。
表1常用塑料的黏度係數
生產薄壁塑件需要低黏度、中高流動性的塑料樹脂，對於表1中流動性差的樹脂(如PC)可以通過改性，使其黏度降低、MFR提高到30g/10min，達到中高流動性，因此生產薄壁塑件所用材料比較廣泛。
2.2塑料的衝擊性能
薄壁塑件所使用的材料應具有較高的衝擊性能，常溫衝擊強度不低於640J/m；在低溫(-29℃)條件下能正常使用。
2.3塑料的耐熱性
要保證薄壁塑件在70～90℃下不變形，不出現凹陷和老化現象。
綜合塑料的流動性、衝擊性能、耐熱性等要求，推薦薄壁塑件常用材料有PP、ABS、PC/ABS合金、PA6等。
3薄壁塑件模具的結構設計
3.1模具總體結構
圖8所示塑件為物品盒，材料為PP，壁厚1.0mm，為典型的薄壁塑件。由於采用薄壁技術，材料在模具內的流動性較差，需要較高的注射壓力，模具的剛度、強度都要相應提高。因此在設計物品盒模具(圖9)的動模板12、定模板14及其支承板8時，其厚度通常比傳統模具的模板要厚30%～50%，而且要增加支承柱5。模具合模麵定模板14與動模板12要設置錐麵定位(整體圓錐麵定位或錐麵定位塊)，以保證精確定位和良好的側支撐，防止彎曲和偏移。另外，薄壁塑件需要注射機高速注射，增加了模具的磨損，因此要求模具型腔、型芯、澆口等材料具有較高的硬度、強度、剛度和耐磨性，通常采用S136、2344、SKD61、PMS等模具鋼，並進行預硬或熱處理，使其表麵硬度達到48～52HRC。
圖8物品盒
1-墊釘；2、3、20、34-螺栓；4、6-推杆；5-支承柱；7-拉杆；8-支承板；9-密封圈；
10-型芯；11-型芯固定板；12-動模板；13-推件板；14-定模板(型腔)；15-流道
推板；16-定模座板；17-限位螺栓；18-定位環；19-澆口套；21、25、30-導柱；
22、23、24、26、31-導套；27-複位杆；28-複位彈簧；29-墊塊；32-推板；
33-推杆固定板；35-動模座板
圖9物品盒模具
3.2澆注係統
對於PP等流動性極好的塑料，可以采用點澆口形式；對於流動性中等的塑料(如ABS、聚甲醛等)，澆口盡量設計在塑件的較厚部位，注塑過程從較厚向較薄過渡以減少凹陷、翹曲現象。可以采用多澆口形式(如圖10所示的潛伏式澆口和薄片式澆口)，使塑料熔體容易充滿型腔，減小壓力降。還可以采用熱流道技術，以降低塑料熔體黏度，達到快速將其注入模具型腔的目的。
圖10多澆口結構
3.3脫模機構
由於塑件壁厚很薄，還帶有加強筋、凸台等，出模時極易損壞。塑件沿厚度方向的收縮很小，同時較高的保壓壓力使其收縮更小，加強筋等部位容易黏合，為避免頂穿和粘模，需要比常規注塑成型數量更多、尺寸更大的頂出推杆，如圖9所示的物品盒模具采用了中心推杆與推件板相結合的結構形式。
對於一些帶鉤、爪以及塑件內部需要安裝螺釘的脫模機構相對複雜一些。如圖11所示螺釘柱采用簡單的推管推出結構(如圖12所示)，推管推出脫模過程如圖13所示。因塑件壁厚較薄，其中的螺釘柱要緊固ST4.2自攻螺釘，其圓柱厚度遠遠大於塑件壁厚，表麵很容易出現凹坑，為避免這一缺陷，根據螺釘柱的位置將其設計成如圖14所示的懸空結構，模具脫模設計成如圖15所示的斜頂結構，脫模過程如圖16所示。螺釘柱從模具推出來，推杆側向移動的距離為e，盡管產品脫模有時需要人工收取，複雜程度大大提高，但解決了塑件表麵凹坑等問題。
圖11螺釘柱
1-凹模；2-推管；3-型芯；4-推件固定板；5-推板；6-動模座板；7-絲堵
圖12推管推出機構
圖13推管推出脫模過程
圖14懸空結構
圖15斜頂機構
圖16斜頂機構脫模過程
如果有多個螺釘柱，則需要考慮斜頂頂出後塑件的取出問題，應保證斜頂方向一致。
4注塑成型工藝
4.1薄壁塑件的充模過程
在塑件生產過程中，塑料熔體經過分流道、澆口填充至模腔(圖17)時，貼在模壁的熔料變成凝固層，使流動通道變小。薄壁塑件由於壁厚很小，流動通道會變得更窄，容易出現欠注現象。因此薄壁塑件需較高的注射壓力與注射速度才能將型腔完全充滿，此外注射速度高還可以提高剪切熱，增大熔料的流動距離[6]。
圖17填充模腔
4.2薄壁塑件注塑工藝
薄壁塑件的生產除了模具之外，非常重要的是注塑工藝參數(時間、壓力、溫度)的選擇，由於注射壓力增大、時間縮短，勢必給生產帶來一定難度，因此需要專門的薄壁注射機。薄壁塑件厚度薄，單件重量輕，每次注塑量較少。薄壁注射機的機筒容積較小，可避免塑料原料因停留時間過長而分解。不同壁厚塑件注塑成型時，其注射機工藝參數[4]如表2所示。
表2不同壁厚塑件注射機工藝參數
5結論
對薄壁塑件的結構、材質、模具結構、注塑工藝等的分析結果表明，通過改進薄壁塑件的結構、選擇合適的塑料材質、有針對性地改進模具結構、選擇合理的注塑工藝，完全能夠解決薄壁塑件的產品質量問題，滿足日益增長的薄壁塑件的需求。
由於塑件可以製成各種複雜形狀，給模具的結構設計、加工製造帶來挑戰，尤其是塑件薄壁技術的應用國內外都在進行研發和完善。相信通過薄壁塑件生產不斷積累經驗，塑件薄壁技術的推廣應用勢在必行。
參考文獻：
[1]中國家電網.中國家電全球份額超50%[EB/OL].[2017-10-18].http://news.cheaa.com/2017/1018/519401.shtml.
[2]王鵬駒.塑料模具設計師手冊[M].北京:機械工業出版社,2008.
[3]顏克輝.薄壁注塑成型技術[J].上海塑料,2007(2):35-37.
[4]鍾震華.家用器具中塑料零件的薄壁技術[J].家用電器科技,2000(6):55-57.
[5]張維合.注塑模具設計經驗技巧與實例[M].北京:化學工業出版社,2015.
[6]宋滿倉.薄壁注塑成型數值模擬技術的發展現狀[J].塑料科技,2006,34(1):51-53.
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