汽車通風器罩雙色注射成型工藝的研究與實現＊

汪智勇，黃 飛，蘇金玲，于正云，蔡考群

群達模具（深圳）有限公司（廣東深圳 518112）

1 引言

隨著汽車輕量化及汽車塑料零件向高效率、低成本、集成化和綠色環保等方向的發展，傳統的注射成型工藝已難以滿足工業應用要求，逐漸涌現了雙色注射等新型成型工藝。雙色注射成型是指將兩種不同的塑料注入同一模具的成型方法，通過實現對兩種不同塑料材料的聚集態、相形態、組織形態等方面的控制和復合，從而最大程度地發揮不同塑料材料的特性，達到了滿足塑件不同使用要求、提高性能和降低成本的目的。

目前雙色注射成型主要包括旋轉模具式和滑塊抽芯式，前者適用于尺寸小、形狀結構簡單的塑件，后者適用于尺寸大、形狀結構復雜的塑件。由于汽車塑料零件的結構特點，往往采用滑塊抽芯式雙色注射成型工藝，但該工藝與傳統的注射成型工藝有很大的不同，實現難度很高，主要體現在模具結構及動作過程復雜、需要專用的雙色注塑機。

下面以汽車通風器罩為例，研究滑塊抽芯式雙色注射成型工藝中的模具結構設計、輔助控制系統等關鍵技術，并實現塑件的工藝設計與應用。

2 塑件的可成型性工藝分析

圖1a為某汽車通風器罩雙色注射塑件的CAD結構圖，其塑件尺寸為1,516.5×324.5×118mm。根據實際的工業應用，塑件由兩種材料組成，其中主體結構（即硬膠部分）如圖1b所示，材料采用PP（聚丙烯），保證塑件力學強度和性能；外圍結構（即軟膠部分）如圖1c所示，材料采用TPE（Thermoplastic Elastomer，熱塑性彈性體），保證塑件的觸感柔軟并實現與其他零件之間的密封性能。塑件的平均厚度為2.0mm，總重量約為450g，生產批量為30萬次，型腔排位為單型腔，結合塑件的結構特點和工藝要求，需要采用雙色注射成型工藝。

圖1 塑件結構CAD模型a——整體結構 b——主體結構（即硬膠部分）c——外圍結構（即軟膠部分）

在注射成型過程中，首先注射PP獲得塑件的主體結構，然后進行第二次注射，TPE塑料熔體在PP表面流動，待冷卻后便與PP粘結在一起獲得雙色注射塑件。

（1）材料的成型工藝分析：PP的收縮率為1.1%，TPE的收縮率約為1.5%～2.0%，由于兩種材料的收縮率不同，在模具結構和注射工藝設計時需進行綜合考慮；而且模具結構設計要考慮通過滑塊抽芯機構實現PP和TPE的先后次序注射。

（2）塑件的結構分析：塑件的分型面需設計在塑件斷面尺寸的最大位置，因塑件厚度方向尺寸相對較小，較為容易確認。但塑件尺寸大，需采用多個澆口；且塑件存在大量的孔位和筋位，模具的斜頂、滑塊等機構復雜。

（3）注射成型設備分析：結合該塑件的種類、型腔分布和實際情況，采用海天公司鎖模力為1,600t的注塑機生產。

3 模具結構設計

由于該塑件的結構特點和工藝要求，采用滑塊抽芯式雙色注射工藝，相對普通注射模而言，其模具具有復雜的澆注系統和抽芯機構等特點，下面介紹該塑件雙色注射模的主要結構設計和實現。

3.1 澆注系統

澆注系統設計的好壞將直接影響成型難易程度、塑件的外觀和性能。盡管PP和TPE均具有較好的流動性，但由于塑件尺寸很大，為了減少流動長度和保證充填效果，需要多個澆口，且往往采用熱流道系統。同時，由于在該模具中需要進行兩次注射，因此，針對塑件的主體結構和外圍結構需單獨設計澆注系統，且這兩個澆注系統相互垂直布置。圖2和圖3分別為塑件主體結構和外圍結構的熱流道系統。

3.2 抽芯機構

相對于普通注射模而言，雙色注射模的主要特點在于具有兩個型腔，其中主型腔用于成型塑件的主體結構，副型腔用于成型塑件的外圍結構。同時模具結構采用滑塊抽芯機構來實現：當模具合模時，該滑塊抽芯機構填滿副型腔，此時模具只形成主型腔，進行PP注射成型，獲得塑件的主體結構；然后，滑塊抽芯機構退出形成副型腔，進行TPE注射成型，待冷卻后與PP粘合從而獲得雙色注射塑件。根據塑件的外圍結構特點，設計5個滑塊抽芯機構，且采用液壓油缸方式驅動，具體如圖4所示。

圖2 塑件主體結構的熱流道系統

圖3 塑件外圍結構的熱流道系統

圖4 副型腔的滑塊抽芯機構

3.3 總體結構

完成上述澆注系統和滑塊抽芯機構設計后，進行模具的詳細設計，圖5為模具的整體三維結構。

圖5 模具的整體三維結構圖a——動模部分 b——定模部分

4 輔助控制系統的研究與實現

雙色注射過程的工藝控制比常規注射成型更加嚴格、模具動作過程更復雜，往往需要采用專用的雙色注塑機，不僅價格昂貴，是通用注塑機價格的2～3倍，而且缺乏靈活性。因此，在通用注塑機上外接雙色注射輔助控制系統，并實現與童穎注塑機的集成引用以滿足雙色注射工藝的需求，不僅可以降低成型設備的成本，而且將該控制系統連接到不同噸位的通用注塑機上，滿足不同尺寸塑件的雙色注射成型工藝，具有很好的靈活性。

4.1 基本原理

由于嵌入式控制系統具有可靈活定制、操作方便簡單、具備統一的接口等優點，因此，雙色注射輔助控制系統（以下簡稱輔助控制系統）采取基于嵌入式的控制系統。圖6為該輔助控制系統工作原理圖，具體思路為：在雙色注射成型工藝過程中，原通用注塑機控制系統產生的一些關鍵信號（如副型腔滑塊抽芯機構的退出到位信號等）輸入到輔助控制系統中，由輔助控制系統來實現副型腔的注射過程控制等，然后將信號輸出返回到原注塑機控制系統中，從而驅動注塑機的液壓傳動系統、合模系統等相關執行機構和模具共同完成雙色注射的工藝過程。

圖6 基于嵌入式輔助控制系統的工作流程框圖

4.2 硬件平臺

輔助控制系統實現的主要功能為完成副注射單元的料筒溫度加熱和副型腔的注射成型，其總體方案設計結構框圖如圖7所示，主要由注射單元模塊和主控單元模塊組成。其中，注射單元模塊可采用通用注塑機的注射裝置，主要包括螺桿及其傳動裝置、加料計量裝置和注射座等組成。主控單元模塊主要由溫度控制子模塊和液壓控制子模塊組成，主要實現料筒溫度的加熱與監測、射嘴的注射動作控制等；考慮功能、成本及可靠性等要求，主控單元模塊的上位機采用工控機(Industrial Personal Computer)，配PC104 總線接口，下位機采用FPGA（Field-Programmable Gate Array，即現場可編程門陣列）。

4.3 軟件平臺

根據硬件系統的設計，輔助控制系統的軟件系統包括上位機軟件和下位機軟件，即工控機軟件和FPGA軟件。其中，上位機軟件主要包括人機交互界面、副注射單位的料筒溫度控制、注射動作控制和I/O操作，并實現與下位機的通信。下位機的工作流程如圖8所示。

圖7 輔助控制系統的總體方案設計

圖8 下位機軟件的工作流程

基于硬件平臺和軟件平臺的設計與實現，開發的雙色注射成型輔助控制系統如圖9所示。

5 工藝應用與驗證

在完成該塑件的模具結構設計與制造后，安裝到海天通用注塑機上；同時將開發的輔助控制系統連接到該注塑機上，如圖10所示。經工藝調試實現了該塑件的雙色注射成型，所獲得的塑件如圖11a所示，經檢測，塑件的尺寸和裝配間隙、力學性能、翹曲變形等參數指標均達到了汽車工業的應用要求。圖11b所示為該塑件在大眾汽車某車型上的應用情況。

圖9 輔助控制系統實物照片

圖10 汽車通風器罩的雙色注射模具a——動模部分 b——定模部分

以汽車通風器罩為例，研究了雙色注射成型工藝中的模具結構設計和輔助控制系統等關鍵技術，實現該工藝的工程化應用與驗證，為該工藝的進一步推廣應用提供了理論指導和技術支撐。

圖11 汽車通風器罩雙色注射塑件及其應用a——塑件 b——應用情況

聲明：為實現科技期刊編輯、出版發行工作的電子化，推進科技信息交流的網絡化進程，擴大作者學術交流渠道，本刊現已加入《中國學術期刊（光盤版）》、“萬方數據資源系統（ChinaInfo）數字化期刊群”、“中文科技期刊數據庫”。因此，向本刊投稿并錄用的稿件，將一律由編輯部統一納入以上系統提供信息服務。其作者著權使用費與本刊稿酬一次性給付。如作者不同意，請在來稿時聲明，謝謝合作與支持！《模具制造》編輯部