高光无痕注塑模具的设计制造特点

高光无痕注塑模具的设计制造特点

0.前言

随着经济社会的不断发展，消费者对产品品质的要求也在不断提升当中。如何提高注塑件外观表面的质量，解决注塑产品外表面熔接线（weld line）等造成的缺陷成为近些年来业内的一个技术热点。

自从日本公司首先成功发展出利用蒸汽加热和快速冷却技术实现模具无痕注塑以来，行业内的竞争者又相继开发出利用加压高温水加热技术，通过模具型腔内布设电发热丝以实现急热急冷，从而生产出拥有高光洁度产品表面的塑胶件，等等其它加热技术。现在，笔者就以本公司制造的某几型产品为例，为大家介绍其中所涉及到的技术问题的解决。

RHCM（快速热循环注塑成型技术：Rapid Heat Cycle Molding）是运用动态模温控制技术，是一种高光洁度，无熔接痕的新型塑胶注塑成型工艺，其生产的塑件可直接进入产品装配阶段，提高了生产效率，减少或消除后续喷涂，降低因喷涂而造成的环境污染。图片所示是表示采用RHCM工艺同传统注塑工艺之前的区别对比。

根据模具加热热量的来源不同，目前人们采用的加热方式主要包括：

（1）电热层加热。这种方式由于存在难以克服的缺陷，而在实际生产过程中非常鲜见。

（2）感应加热和邻近效应加热。

（3）辐射加热。通常采用红外灯深入模具模板之前，以加热型腔，一般用于微型注塑。

（4）被动加热法。通常是采用微波或激光来加热，其中若采用激光加热工艺，模具的型腔需要采用透明材料制造，以使激光束可以照到塑胶熔体上。

（5）接触加热法。这种方式是由Mr.Stumpf and Mr.Schulte两位提出来的，这种方式一般适用于具有简单形状和高热传导率的薄壁产品。具体内容请参考他们的著作：System for regulating mold temperature。

（6）高温气体加热。以高温氮气为加热介质，在模具闭合后，将其快速定量地通过喷嘴和流道系统引入模具型腔内部。由于气体的比热远小于模具钢的比热，高温气体带入的热量很快被模具钢吸收，型腔壁被快速加热，并且加热的区域通常仅限于表层深度0.1mm左右。该方法的模具结构与常规模具类似，模具制造成本低，但密封要求高。

（7）热油热水加热。模具内部设计加热冷却管道，通过热油或热水对模具的热交换来达到加热目的。由于油的热传导率和沸点都很低，以热油作为加热介质的响应很慢。所以，尽管使用热油可以让温度达到很高，而目前市面上成熟的工艺更多地是通过加压热水作为介质加热。

（8）高温蒸汽加热。同热油、热水加热类似，利用温控装置控制蒸汽和冷却水在同一管道里交替流动进行加热和冷却。为实现模具的快速加热和冷却，一般在加热前还须向管道通高压气体以排干管道内的残余冷却水。另外，这种工艺还需安装锅炉设备以作为蒸汽源，因此，需注意生产安全。

（9）电发热丝加热。属于电加热的一种，加热时升温速度快，升温范围大，但加热成本较高。对于结构复杂的塑胶产品，在设计发热丝的排布和冷却时模具结构变得复杂。

快速热循环注塑成型技术，它在注塑行业中已被广泛使用。使用该技术可以改善传统注塑成型所带来的翘曲变型，消除熔接痕、流痕（也就是行业内常说的“无痕”）和冷却周期过长等缺陷，并降低后期喷涂工艺的成本，使塑件整体质量更加优良，强度进一步得到提高。

使用外部辅助设备，对模具型腔表面进行快速冷/热升降温，令塑胶产品外观表面0.5mm厚度左右的分子结构瞬间改变。具体来讲，模具注射前先通过加热系统对模具型腔快速加热，同时，模具内部靠近型腔表面设计温度感应器（藏入感温线），把模具型腔附近实际温度反馈到PLC，再由PLC根据模温变化情况调整输入输出。通过这种全闭环系统控制模具型腔的表面温度，以确保模具的温度在很短时间内超过塑胶熔融温度时，开始注射熔融塑胶。此时，胶料在模具型腔里的整个填充阶段始终能够保持在高温粘流状态，就会形成没有熔接线、表面品质良好的注塑成型品。熔融塑胶注射完成后，便开始进入冷却工序，用冷却水使模具温度迅速下降到允许产品顶出的温度以下。这样，就可以通过加快塑胶的固化速度，来缩短成型周期，解决注塑件的翘曲、缩水、下陷等缺陷。甚至在注塑件表面产生玻璃塑化，还可以改善传统生产工艺所造成的注塑件外观表面色差，从而使注塑件获得 “真高光” 的特殊表面工艺效果。

注塑周期过程如图示：

RHCM在不同类型塑件中使用的效果：

针对在薄壁成型中使用该技术，在高温下，有助于注进模具的熔融塑胶提高胶料流动性，降低注射压力，避免填充困难、困气等问题，提高产品质量与强度。而且通过成型后的速冷，也可以降低收缩应力，减少产品变形，同时使脱模变得容易。

针对汽车内饰件使用该技术，可大大改善传统注塑成型中难以解决的问题：当汽车在受到外力强烈撞击时，汽车内饰塑胶件破裂产生的尖角，将会对人体造成伤害。

针对加纤维改性工程材料使用该技术可消除传统注塑成型中难以解决的由于玻纤表面外露所产生的“浮纤”问题（例如：在某著名公司的游戏机上使用该技术解决了“浮纤”问题）。

以笔者在某现场亲历的某型号家电老化和强撞破坏性试验，与传统塑胶件相比，差距非常明显，并且采用蒸汽辅助注塑系统成型技术可大幅缩短注塑成型周期的60%左右（使用韩国lTITAN系统实际应用应该在35～40%），提高生产效益，是一项实在的绿色制造技术。（产品见图1）

蒸汽多路快速冷热循环系统的类型：

该行业中，目前技术比较成熟的有日本小野系统、三菱/富士精工系统、韩国TITAN系统三类。

日本小野系统：早期无痕蒸汽注塑成型始祖. 前期投入价格昂贵。模具结构，生产设备配套多样、复杂，有一定参数范围（包括现场的限制、危险（蒸汽炉）），蒸汽不可回收，运行成本高，但产品尺寸精度易控制。（1）顶针板顶出弹簧应选用优质重载荷弹簧，并安装在四支顶针板回针（return pin）上（回针套弹簧），由于高光模具的顶针板通常需要更大的回弹力，为保证回弹力在顶针板分布均匀，避免顶针板局部受力过大而造成变形，需要适当增加复位弹簧，复位弹簧必须设计扶针用于导向。

（2）模胚四支导柱的中间段同模板和导套之间应当避空，且导套应选用镶有石墨的黄铜套。另外，用于顶针板导向的中托司，其顶部须插入模胚后模板，且接触部分应避空0.2mm左右。

（3）如因模具机构需要加弹板，或采用三板模结构，开模动作不可使用尼龙拉勾控制，而应采用机械式刚性拉勾控制。

（4）模框与模肉底部和四侧接触面都应大面积留出隔热板厚度空间，藏入隔热板，以减少模胚与模肉之间的热传递（这点很重要！如图7）。

3.3模肉部分：由于高光模具在生产使用当中面临着模具温度急剧变动的情况，故对钢料的抛光性、耐腐蚀性、韧性、热强度、热膨胀系数等，都有很高的要求。尤其需要注意前模肉钢料的选用，目前可供选择的范围包括ASSAB公司的NiMAX，德国葛立兹的CPM40、GEST80，日本日立金属株式会社CENA1，等等，上述四种钢材的共同特点是都具有优良的抛光性能、焊接性能和机加工性能，其中日立CENA1具有更好的耐腐蚀表现，它在其它钢种的主要成份C、Mn、Cr、Ni基础上，还添加了V、Al、Cu。其中V能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度、韧性和耐磨性；Al也能细化钢的晶粒组织，提高钢在低温下的任性，还能提高钢的抗氧化性、耐磨性和疲劳强度等；Cu的突出作用则是改善普通低合金钢的抗大气腐蚀性能。在此特别推荐。另外，由于此钢种对于加工工艺有特殊要求，故需要特别留意，具体更多详细加工工艺参数，可向钢材供应商提出技术

咨询。

3.4模具排气系统：尽可能的在产品周围相隔10mm为一段，均匀分布开排气槽，与产品相连部分深度0.02～0.03mm，后面深度为0.15～0.2mm；产品中间孔或其它特征碰穿部分也需要排气设计。

3.5模具机构系统：对于成形注塑件 “真高光”表面的模具上模肉部分，应尽可能不设计任何机构运动，例如，行位等抽芯机构等。如无法避免，应选用油缸以简化机构的运动成单纯性往复动作。

3.6模具冷却系统：为了保证模具表面温度的均匀性和快速热冷传导，合理的水道配合RHCM系统的急速升降模温是直接影响整个成型周期和产品品质的重要因素之一，水道结构类型有：

（1）HALF随形水道，是最好的热传递方式，但加工困难复杂，模具寿命短，对大批量生产的模具很不利。

（2）采用传统水道结构，使用深孔钻多摆角度加工，也能达到较好效果，模具寿命得以提高，但冷却效果较差。

在模具设计中应当注意以下几点：

（1）因模具水道中的水介质一直在摄氏30度和160度之间不停切换，水道进口应采用避开模胚上A/B板直入模肉方式，同时采用优质的不锈钢管接头。每条水道形式采用直入直出，如有高低多异面需设计出角度较大的能经深孔钻多摆角度加工的斜水道。

（2）水道侧壁与胶位面之间的距离应尽可能保持在5.0mm～6.0mm之间。

（3）模具上的顶针板也需合理布设冷却机构。

（4）模具上四支导柱在模胚A板上应各自独立有一组水道冷却以保证导柱不变形。

3.7模具顶出系统：顶针因与塑胶产品胶位面直接接触， 具有很高的热导性和顶出力， 注意选用优质的耐高温顶针。非万不得已，切不可使用扁顶针（可用头部带0.5度斜度，表面有涂层的小方直顶/或氮化过的推方代替）。

4.模具系统的加工

4.1热处理工艺：高光模钢料由于在注塑生产过程中温度急剧变动，和加工过程的后期打磨抛光等原因，从前期钢料开粗淬火到后期精光、除应力等，各个工艺环节都须严格控制。更多详细工艺参数，可向材料供应商提出技术咨询。

4.2抛光工艺（重要）：高光模钢料的抛光工艺是很重要的。运用手法不当则会前功尽弃，注意禁用砂纸，其具体运用手法参考如下。

（1）先用传统方法去掉EDM精加工后的硬化薄层（注意EDM精加工要尽可能采用小电流微精加工）。

（2）直接选用优质的整体沙质均匀的油石去掉（320#—>400#）痕面90%后，用一种外形象扫把的马毛刷抛光用具进行精抛，去掉剩余的痕面，最后用抛光膏做最终抛光（注意整个过程切勿使用砂纸）。这种这比传统抛光工序快1/5（具体视操作者的经验和熟练程度而定），这种抛光工艺也同样适用于传统模具。

对于笔者使用过的工艺，笔者认为：采用蒸汽或高温水为传热媒介的无痕高光注塑成型工艺在实际应用当中，可运用在投影面积较大的注塑产品上。而对于电加热高光工艺，因其技术参数所限（目前所使用的热电偶发热功率受限等因素），目前它只能在发热介质距离产品外观垂直高度1.0～1.2mm范围内得到高光效果。对于投影面积较大的产品，当注塑压力较大时，经过一定的生产周期后，可能会导致电发热槽附近产生内凹的情况，进而严重影响产品外观品质。因此，它只适合应用于投影面积较小的注塑产品。目前，我们已经成功应用在投影面积为260*130mm的产品上。

RHCM技术不仅可以实现注塑产品表面高光无痕的要求，也同时提高产品质量安全，部分解决工程材料由于改性所引起的不良，等等，可以进一步地缩短生产周期。为企业节省成本，为社会创造价值。

以上是总结笔者使用该技术的经验，虽然该技术已在行业内广泛应用多年，但在实际应用过程当中，也碰到些暂时无法解决的工艺难题。就此原因，笔者把以往工作中的经验点滴，小结以上，同时也真诚希望了解该技术的各位同行给出宝贵的经验及见解，给予指正，相互学习，共同进步。

【参考文献】

[1]谢玲珍.蒸汽高光注塑模具设计方法及疲劳寿命研究，山东大学硕士学术论文，2011.

[2]曹建娇.蒸汽高光注塑的应用探讨，TCL集团股份有限公司，2008.