王爱阳，贾铁钢
大连职业技术学院，辽宁大连116037
摘要：家用电器、通讯产品等大量使用塑件，而“轻、薄、小”是今后发展方向。因此薄壁塑件模具设计及其注塑工艺的应用，需要在厚度结构设计、材料性能要求、模具结构、注塑工艺等方面进行改进。本文列举实例，针对薄壁塑件出现的典型问题进行研究，提出解决措施，以满足日益增长的薄壁塑件的需要。
关键词：薄壁塑件；结构设计；塑料材质；模具结构；注塑工艺
中图分类号：TQ320.52 文献标识码：A
塑料是以树脂为主要成分的高分子有机化合物，塑料制品以密度低、质轻、绝缘性好、化学稳定、耐磨减震、透光性好等优点，广泛应用于家用电器、通讯器材、生活用品等。目前我国已成为世界工业加工中心(生产基地)，尤其是彩电、手机、空调、冰箱、洗衣机等系列产品已占据全球产量的50%[1]。这些产品大量使用塑料件，其成本占产品总成本的50%～80%，因而在保证产品质量的同时，薄壁有助于降低产品成本。另外手机、笔记本电脑等正向“轻、薄”型发展，加之一次性水杯、碗、勺、饭盒等大量使用，促使国内外相关科研人员着手研究塑件的薄壁技术。但是塑件壁厚减薄在其结构设计、材料性能要求、模具结构、注塑工艺等方面还存在不少问题。本文针对这些问题进行了研究，并提出了解决措施。
1塑件厚度与结构设计
图1所示塑件不仅有结构及外观形状要求，内部还要安装一些零部件，需具有一定强度和刚度，同时还要考虑注塑成型工艺要求等，因此该塑件的厚度设计非常重要。
图1塑料件
1.1塑件厚度设计
1.1.1壁厚
塑件壁厚过薄，会使成型时的流动阻力太大，大型塑件难以充满；塑件壁厚过厚，则易产生缩坑、气泡等缺陷。在保证刚度和强度的基础上，推荐塑件壁厚[1]范围在0.45～6.5mm，常用范围1.5～3.0mm，要求壁厚均匀。
根据使用要求，设计塑件整体壁厚时，必须考虑加强筋、螺钉柱等结构对刚度、强度、外观的影响。
1.1.2加强筋
设立加强筋可提高塑件的强度和刚度，还可以防止塑件变形且有利于塑料熔体的流动。普通
加强筋的结构及尺寸如图2所示。从图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为加强筋厚度，t为壁厚，L为加强筋高度，α为脱模斜度。
图2加强筋
1.1.3螺钉柱
通常在塑件内部需用自攻螺钉安装其他部件，故可设立如图3所示的螺钉柱。螺钉柱分为有加强筋和无加强筋两种，其中加强筋底部长度c=(0.2～0.5)×螺钉柱高度。
图3螺钉柱
此外，壁厚还涉及凸台、转角、通孔和不通孔等结构的设计，但如果采用薄壁结构，上述加强筋和螺钉柱等的结构和尺寸都要改变。
1.2薄壁塑件结构设计
薄壁塑件一次性饭盒如图4所示，其壁厚通常小于1.2mm，但定义薄壁塑件并不是只看厚度尺寸，还要计算熔体流程与塑件壁厚之比l/t，当l/t＞150时称之为薄壁[3]。由于塑料熔体在注塑过程中先经过主流道、分流道、浇口，然后注入模具型腔，因此实际流程与壁厚各处均不相同(图5)，总的流程与壁厚之比等于各段流程与壁厚之比的和。
图4一次性饭盒
图5实际流程与壁厚
一次性饭盒比较柔软、外表面要求不高，但为了提高刚性，大多数薄壁塑件的结构形状采用曲面、加强筋等。薄壁加强筋如图6所示，其中，加强筋厚度b与壁厚t相等，甚至小于壁厚。固定自攻螺钉的薄壁塑件螺钉柱如图7所示。
图6薄壁加强筋
图7薄壁塑件的螺钉柱
由于壁厚较薄，而加强筋、凸台(如螺钉柱)厚度没有改变，按照常规生产方式，塑件易出现凹陷、欠注、扭曲变形等缺陷，因此还要从塑件材质、模具结构、注塑工艺等着手研究。
2薄壁塑件材质选择
由于薄壁塑件厚度的减小，需使用流动性好的材料，该材料还需具有较高冲击强度和热变形温度，以及良好的尺寸稳定性等[4]。
2.1塑料的流动性
注塑成型薄壁塑件时，塑料的流动性要好，其流动距离与厚度之比(l/t)大于150。塑料的流动性可以用其熔体黏度系数来表征，常用塑料的熔体黏度系数[5]如表1所示。在实际生产中，通常以塑料树脂的熔体质量流动速率(MFR)作为其流动性选择的依据。由于不同企业生产的不同牌号和批次塑料树脂的MFR各不相同，需要在生产前进行检验。
表1常用塑料的黏度系数
生产薄壁塑件需要低黏度、中高流动性的塑料树脂，对于表1中流动性差的树脂(如PC)可以通过改性，使其黏度降低、MFR提高到30g/10min，达到中高流动性，因此生产薄壁塑件所用材料比较广泛。
2.2塑料的冲击性能
薄壁塑件所使用的材料应具有较高的冲击性能，常温冲击强度不低于640J/m；在低温(-29℃)条件下能正常使用。
2.3塑料的耐热性
要保证薄壁塑件在70～90℃下不变形，不出现凹陷和老化现象。
综合塑料的流动性、冲击性能、耐热性等要求，推荐薄壁塑件常用材料有PP、ABS、PC/ABS合金、PA6等。
3薄壁塑件模具的结构设计
3.1模具总体结构
图8所示塑件为物品盒，材料为PP，壁厚1.0mm，为典型的薄壁塑件。由于采用薄壁技术，材料在模具内的流动性较差，需要较高的注射压力，模具的刚度、强度都要相应提高。因此在设计物品盒模具(图9)的动模板12、定模板14及其支承板8时，其厚度通常比传统模具的模板要厚30%～50%，而且要增加支承柱5。模具合模面定模板14与动模板12要设置锥面定位(整体圆锥面定位或锥面定位块)，以保证精确定位和良好的侧支撑，防止弯曲和偏移。另外，薄壁塑件需要注射机高速注射，增加了模具的磨损，因此要求模具型腔、型芯、浇口等材料具有较高的硬度、强度、刚度和耐磨性，通常采用S136、2344、SKD61、PMS等模具钢，并进行预硬或热处理，使其表面硬度达到48～52HRC。
图8物品盒
1-垫钉；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-动模板；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-定位环；19-浇口套；21、25、30-导柱；
22、23、24、26、31-导套；27-复位杆；28-复位弹簧；29-垫块；32-推板；
33-推杆固定板；35-动模座板
图9物品盒模具
3.2浇注系统
对于PP等流动性极好的塑料，可以采用点浇口形式；对于流动性中等的塑料(如ABS、聚甲醛等)，浇口尽量设计在塑件的较厚部位，注塑过程从较厚向较薄过渡以减少凹陷、翘曲现象。可以采用多浇口形式(如图10所示的潜伏式浇口和薄片式浇口)，使塑料熔体容易充满型腔，减小压力降。还可以采用热流道技术，以降低塑料熔体黏度，达到快速将其注入模具型腔的目的。
图10多浇口结构
3.3脱模机构
由于塑件壁厚很薄，还带有加强筋、凸台等，出模时极易损坏。塑件沿厚度方向的收缩很小，同时较高的保压压力使其收缩更小，加强筋等部位容易黏合，为避免顶穿和粘模，需要比常规注塑成型数量更多、尺寸更大的顶出推杆，如图9所示的物品盒模具采用了中心推杆与推件板相结合的结构形式。
对于一些带钩、爪以及塑件内部需要安装螺钉的脱模机构相对复杂一些。如图11所示螺钉柱采用简单的推管推出结构(如图12所示)，推管推出脱模过程如图13所示。因塑件壁厚较薄，其中的螺钉柱要紧固ST4.2自攻螺钉，其圆柱厚度远远大于塑件壁厚，表面很容易出现凹坑，为避免这一缺陷，根据螺钉柱的位置将其设计成如图14所示的悬空结构，模具脱模设计成如图15所示的斜顶结构，脱模过程如图16所示。螺钉柱从模具推出来，推杆侧向移动的距离为e，尽管产品脱模有时需要人工收取，复杂程度大大提高，但解决了塑件表面凹坑等问题。
图11螺钉柱
1-凹模；2-推管；3-型芯；4-推件固定板；5-推板；6-动模座板；7-丝堵
图12推管推出机构
图13推管推出脱模过程
图14悬空结构
图15斜顶机构
图16斜顶机构脱模过程
如果有多个螺钉柱，则需要考虑斜顶顶出后塑件的取出问题，应保证斜顶方向一致。
4注塑成型工艺
4.1薄壁塑件的充模过程
在塑件生产过程中，塑料熔体经过分流道、浇口填充至模腔(图17)时，贴在模壁的熔料变成凝固层，使流动通道变小。薄壁塑件由于壁厚很小，流动通道会变得更窄，容易出现欠注现象。因此薄壁塑件需较高的注射压力与注射速度才能将型腔完全充满，此外注射速度高还可以提高剪切热，增大熔料的流动距离[6]。
图17填充模腔
4.2薄壁塑件注塑工艺
薄壁塑件的生产除了模具之外，非常重要的是注塑工艺参数(时间、压力、温度)的选择，由于注射压力增大、时间缩短，势必给生产带来一定难度，因此需要专门的薄壁注射机。薄壁塑件厚度薄，单件重量轻，每次注塑量较少。薄壁注射机的机筒容积较小，可避免塑料原料因停留时间过长而分解。不同壁厚塑件注塑成型时，其注射机工艺参数[4]如表2所示。
表2不同壁厚塑件注射机工艺参数
5结论
对薄壁塑件的结构、材质、模具结构、注塑工艺等的分析结果表明，通过改进薄壁塑件的结构、选择合适的塑料材质、有针对性地改进模具结构、选择合理的注塑工艺，完全能够解决薄壁塑件的产品质量问题，满足日益增长的薄壁塑件的需求。
由于塑件可以制成各种复杂形状，给模具的结构设计、加工制造带来挑战，尤其是塑件薄壁技术的应用国内外都在进行研发和完善。相信通过薄壁塑件生产不断积累经验，塑件薄壁技术的推广应用势在必行。
参考文献：
[1]中国家电网.中国家电全球份额超50%[EB/OL].[2017-10-18].http://news.cheaa.com/2017/1018/519401.shtml.
[2]王鹏驹.塑料模具设计师手册[M].北京:机械工业出版社,2008.
[3]颜克辉.薄壁注塑成型技术[J].上海塑料,2007(2):35-37.
[4]钟震华.家用器具中塑料零件的薄壁技术[J].家用电器科技,2000(6):55-57.
[5]张维合.注塑模具设计经验技巧与实例[M].北京:化学工业出版社,2015.
[6]宋满仓.薄壁注塑成型数值模拟技术的发展现状[J].塑料科技,2006,34(1):51-53.
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