保险杠的快速成型

随着汽车工业的发展，保险杠作为一种重要的汽车安全装置，也在不断进行革新。轿车的前后保险杠除了要保持原有的保护功能外，还要追求外观与车体造型的和谐统一，以及实现本身的轻量化。目前，轿车的前后保险杠均采用了塑料材料。

不论是生产高端轿车，还是普通经济型车，本田公司每一根保险杠的材料都具有相同的性能（采用改性聚丙烯）。其中，广州本田保险杠的注塑成型周期仅为45s，达到了世界先进水平，并且由于在产品设计时采用了“肉厚渐变”技术，可以节省15％的材料。下面就以广州本田保险杠为例，从设备、工艺、材料、产品设计及模具等方面，介绍保险杠的快速成型解决方案。

注塑机

注塑机大致由射出机构、锁模机构、动力装置和电动控制装置构成，如图1所示。广州本田所采用的注塑机为三菱重工的3000MMⅢ-470和海天公司的HTF3000X，均为保险杠和仪表台专用注塑机。这些机器的运转周期（也称为“干周期”）比一般注塑机的要短30％，其开合模速度是一般注塑机的1.3倍，注塑速度是一般注塑机的1.3倍，计量与开合模的动作重叠，模具顶出机构的速度也比一般注塑机更快。下面以三菱注塑机为例，简单介绍该注塑机在快速成型方面的技术特色。

图1 注塑机结构

1.射出机构

射出机构是注塑机中主要负责粒料移送、熔融的部分。熔融的热量主要来自料筒的电加热器，也有部分来自螺杆旋转使粒料间生成的机械摩擦热，当提高螺杆转速，摩擦作用加强，就会产生更多的热量去参与树脂熔融。三菱重工根据多年的经验，对已有技术进行改良，开发了“UB螺杆”（2条螺纹型螺杆），使得树脂熔体能够以均一的温度充填到模具内，达到了尺寸精度稳定化的效果。

2.MM锁模方式

图2 锁模升压时

图3 模开结束时

MM锁模结构是在动模板和定模板内构成锁模部的新型复合锁模结构（如图2、图3所示），该结构最大的优点是，在确保注塑机获得同等锁模力的情况下，其长度也最短。其锁模动作按下列顺序进行：

（1）在模具完全打开的状态下，不能对任何一个油缸注油。
（2）模闭高速：将液压油送入模开合油缸的A内。
（3）模闭低速（模具保护）：与（2）相同，但油量少，且油压要降低。
（4）开合螺母闭：向A部加高压油，再向开合螺母动作油缸的C加辅助液压油，合上螺母，使螺母的螺纹与拉杆的螺纹咬合。
（5）升压：合上开合螺母，将油压送入锁模机构的E部。
（6）开合螺母开：在锁模的状态下，将辅助液压油送入D部，并打开螺母。
（7）降压：开合螺母后退后，排出E部的液压油。
（8）离模：将液压油送入模开关机筒的B部。
（9）模开高速：向B部送入液压油。
（10）模开低速：向B部送入小流量的液压油。

其中（1）～（5）为模闭，（6）～（10）为模开。

3.辅助设备

与主机相配套的辅助设备包括：产品取出机械手、自动换模台车、材料自动投入装置、液压油冷却系统、模具温度调节机、冷冻设备及车间空调等。

广州本田采用的机械手来自STAR公司，型号为TW-2000FMV-3，用于自动取出保险杠。由于需要与取件相对应，制品臂的上下行程由标准的2000mm改为2500mm，从而实现了高速取出。注塑机的模具交换是通过自动换模台车完成的，换模时间约3min（不包括辅助时间）。同时，广州本田通过采用松井或川田的材料输送装置，将材料自动投入注塑机。为实现注塑机的高速运转，还配置了液压油冷却系统。此外，为降低模具的表面温度，广州本田配置了模具温度调节机，控制温度大约在18~20℃；为保证注塑品质，车间长年开动空调系统，将车间温度控制到25℃左右，湿度控制在60％左右。

注塑工艺

一般的注塑机在塑化过程中是不能卸压和开模的，到塑化完成后才进行卸压等动作。注塑过程包括合模、升压、注射、保压、冷却（PP材料由熔融状态降低到约60℃）、塑化、卸压及取出（广州本田是用机械手取件）等动作过程，如图4所示。

图4 一般注塑过程

图5 快速成型

与普通注塑机的产品周期不同，该产品周期中有多个阶段是重叠的，因而使成型周期缩短。具体过程如下：

1.材料在塑化过程中同时进行冷却和开模动作；
2.在冷却的后半段，锁模力提前降压；
3.抽芯机构在高速开模过程中后退；
4.顶出机构在模具打开及取出工件时同时动作；
5.在低速开模的后半段，机械手进入取件区。

在注塑过程中，各动作速度比一般的注塑机快，因此根据不同动作需求，设定了合理的参数：

1.模具打开和闭合时速度分为低速和高速段，使得模具开合的时间缩短，同时使设备振动较小；

2.实现分段注射，并根据产品的品质需要调整注射状态。

3.根据需要进行分段保压，选择合适的保压时间和保压压力。

4.通过V-P转换，实现注射到保压的转换。该转换主要采用位置控制，对注射时间、成型周期和产品品质具有直接的影响。

材料选择

广州本田所选用的材料是中山三井公司提供的改性聚丙烯（PP），成分大致为：PP（约60％）、#p#分页标题#e#橡胶（交联）约30％、填料（滑石粉）约9％、助剂（抗氧化剂、防腐剂、成核剂和抗紫外线剂等）1％。该材料具有耐低温冲击性（在-30℃下，IZOD冲击强度为6.0kg.cm/cm，）且流动性较高，同时还具有较高的涂装密着性（对应E-10）。

另外，该材料的外观品质好，能够满足熔合纹细、表面张力好以及A级面无熔合纹等要求。材料可循环使用，并可进行100%回收。

产品设计

在产品设计阶段，使用MOLDFLOW软件对设计进行CAE分析，以进行生产技术性检证。该分析包括：进胶点位置、进胶点尺寸、产品重量、锁模力、产品填充模拟、流动前沿温度、充填压力、剪切应力、收缩率、困气位置、熔接线、翘曲量、冷却液温度以及制件最高温度等。通过CAE分析，可以在设计阶段对产品的不良情况进行调整预防，保证产品成型的顺利进行。

值得一提的是，本田保险杠不是“等肉厚”设计，而是根据产品的不同部位需要进行“肉厚变化”，变化范围2.6~3.4mm。大致的原则为：中间属于厚肉区，胶口远端为薄肉区，产品合流部分为薄肉区。

通过产品肉厚渐变技术，可以实现以下作用：注塑胶口较少，一般为2~4水口（如图6所示部位），这样模具简单，造价成本相对较低；可以实现快速成型，由于胶口远端为薄肉区，容易实现产品填充；可以节省注塑材料，通过计算，等肉厚的保险杠和肉厚渐变的保险杠重量相差约15%。

图6 注塑胶口位置图

模具

模具的主要结构包括：供熔融树脂通过的主流道、分流道、注料口和模腔部分，用于模具温度调节的冷却回路，从注塑机取出成型品的凸出装置（动模），在成型机上安装的模具部分（定模），以及构成模具本身的模压基础部分。

由于模具相对复杂，下面简略谈谈和快速成型相关的部分：

1.模具内部需足够冷却能力的冷却水，一般可以通过公式进行计算。广州本田的模具冷却方式为通入18~22℃的冷水进行冷却，流量约120~150L/min；

2.树脂在进入模腔过程中，需经过带加热装置的热流道和热喷嘴，保持温度为180~220℃；

3.需根据产品CAE分析的困气情况，在模具适当的部位开排气槽；

4.考虑抽芯机构的速度，油压一般选用70~80kg/cm2；

5.考虑冷却效率及防止模具漏水，一般水道离产品距离为30~80mm。

结束语

随着技术的发展，快速成型也出现了新的技术，如产品的超高刚性及超薄化、注塑机的多点进胶、模具的无热流道及热喷嘴以及注塑机的高速全电动化等，从而推动注塑的快速成型向更高的水平发展。