汽車儀表板下本體的大型注塑模具設(shè)計(jì)

洪維，傅瑩龍

(臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院，浙江臺(tái)州 318000)

近年來隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車工業(yè)的發(fā)展又上了一個(gè)新的臺(tái)階，汽車儀表板下本體是汽車中控臺(tái)的重要組成部分，也是車輛的重要內(nèi)飾件，它集安全性、美觀性于一體，還要滿足裝配的功能性與方便性等要求[1–3]。在汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)，還可以適當(dāng)起到緩沖保護(hù)的作用，同時(shí)對(duì)車內(nèi)的靜音也起到一定的效果，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度在所有汽車內(nèi)飾件中較高[4–5]。汽車儀表板下本體的成型難度大，注塑模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜[6]。筆者承接某集團(tuán)有限公司某款汽車儀表板下本體注塑模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)塑件產(chǎn)品特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一副基于順序閥控制的大型熱流道注塑模具。

1 塑件產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)工藝及外觀要求

圖1為某款汽車儀表板下本體的結(jié)構(gòu)圖。該塑件的總體尺寸為959 mm×379 mm×282 mm，主體壁厚為2.5 mm，側(cè)面加強(qiáng)筋平均壁厚1.5 mm，屬于中大型塑件。由于該產(chǎn)品屬于裝配件，因此其尺 寸 公 差 等 級(jí) 為MT4 級(jí)(GB/T 14486–2008)[7–8]。圖1中的T1特征為厚度2 mm、深度30 mm、長(zhǎng)度650 mm的側(cè)加強(qiáng)筋；T2～T4為側(cè)向倒扣，采用常規(guī)的滑塊很難完成脫模；T5～T6為較深的側(cè)孔，T5深度為48 mm，T6深度達(dá)到70 mm；T7為厚度1.8 mm、平均深度3.5 mm的加強(qiáng)筋，起到加固產(chǎn)品強(qiáng)度的作用；T8為產(chǎn)品的卡扣；T9處為皮紋面，因此該處外觀要求較高，不得出現(xiàn)熔接痕、縮影、氣痕等缺陷[9–10]。

該產(chǎn)品的材料由聚丙烯(PP)、三元乙丙橡膠(EPDM)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%滑石粉(TD20)這3種原料制備而成，收縮率為1.2%。這種混合的改性材料解決了常規(guī)PP性能上的缺點(diǎn)，提高了材料的流動(dòng)性、降低了熱扭曲溫度，同時(shí)具有耐沖擊性好、光澤度高、剛性好的優(yōu)點(diǎn)，綜合性能得到很大提高，另外，其抗老化及氧化性能好、表面抗劃痕性能優(yōu)異，大大提高了汽車儀表板下本體的綜合性能[11–13]。

2 產(chǎn)品的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)及CAE分析

2．1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為避免汽車儀表板下本體塑件出現(xiàn)短射、熔接線等現(xiàn)象，采用了先進(jìn)的順序閥熱流道技術(shù)，如圖2所示。圖2中，閥針打開的順序?yàn)镚3→G2→G1，通過電磁閥控制各個(gè)閥針的打開順序，保證該產(chǎn)品的成型質(zhì)量。從圖2可以看出該模具采用“熱流道+冷流道”的澆注系統(tǒng)。

圖2 熱流道澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2．2 CAE分析

為驗(yàn)證以上澆注系統(tǒng)的合理性，可通過CAE軟件進(jìn)行分析。

(1)氣穴分析。

圖3為氣穴分析。從圖3可以看出產(chǎn)品成型時(shí)，氣穴主要分布在側(cè)面加強(qiáng)筋和卡扣等難以排氣的位置。

圖3 氣穴分析

(2)熔接線分析。

圖4為汽車儀表板下本體填充時(shí)的熔接線分布圖。

從圖4可以看出，塑件皮紋面部位無明顯熔接線，其它熔接線主要分布在加強(qiáng)筋及非外觀處，這些熔接線主要是由孔洞引起的，一般不可避免，但都比較短，符合外觀要求。

圖4 熔接線分析

(3)總翹曲變形量分析。

圖5為汽車儀表板下本體總體翹曲變形情況分布圖。由圖5可以得到，產(chǎn)品的整體翹曲變形不大，局部最大也只有2.6 mm左右，符合要求。

圖5 總翹曲變形量分析

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3．1 主要成型零件的設(shè)計(jì)及排氣系統(tǒng)的分布

由于該產(chǎn)品的尺寸較大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，模具整體采用鑲拼式，A板(型腔固定板)跟B板(型芯固定板)的材料為S50C，定模型芯由于要做皮紋面，故型芯大鑲塊的材料采用718H預(yù)硬模具鋼，定模整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。A板邊緣均勻設(shè)有承壓板，使合模時(shí)壓力分布更加均勻，兩個(gè)大鑲塊背部用M20螺釘均勻鎖住，此外在其正面還設(shè)計(jì)了6個(gè)擠塊，一方面增加大鑲塊的定位精度，另一方面提高其鎖緊力。擠塊四周三個(gè)面為垂直面、剩余一面設(shè)計(jì)為7°的斜面，方便鉗工研配。同時(shí)在鑲塊的分型面上設(shè)計(jì)有一級(jí)排氣槽與二級(jí)排氣槽，分型面上的排氣槽排氣效果好，不容易堵塞，也方便加工。設(shè)計(jì)排氣槽時(shí)，要求與外部連通，避免形成內(nèi)循環(huán)，導(dǎo)致排氣不良，排氣槽不得與流道和澆口等發(fā)生干涉，排氣槽之間的距離一般為40～60 mm[14–15]。在產(chǎn)品的A面(如圖1所示)的卡扣處為了排氣順暢，避免短射，需設(shè)計(jì)排氣鑲塊。

圖6 定模結(jié)構(gòu)圖

動(dòng)模的整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。由于產(chǎn)品的B面(如圖1所示)為非外觀面，為了降低模具的成本，型芯大鑲塊的材料采用P20H預(yù)硬塑膠模具鋼，其固定方式也與定模相同，采用螺釘和擠塊組合固定。同時(shí)在大鑲塊分型面的邊緣每隔45 mm設(shè)計(jì)一個(gè)深0.02 mm、寬6 mm、長(zhǎng)15 mm的一級(jí)排氣槽。

圖7 動(dòng)模結(jié)構(gòu)圖

3．2 側(cè)向抽芯及推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于產(chǎn)品四周都有側(cè)孔、加強(qiáng)筋、卡扣等特征結(jié)構(gòu)，而且都為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，需設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的抽芯機(jī)構(gòu)。經(jīng)反復(fù)計(jì)算分析及考慮制造成本后，在產(chǎn)品寬度為282 mm的一側(cè)(如圖1所示)采用液壓抽芯機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以適用長(zhǎng)距離的抽芯，該處滑塊的抽芯距離需達(dá)到120 mm，可以通過選擇油缸的大小提供不同的脫模力，缺點(diǎn)是由于油缸一般比較長(zhǎng)，會(huì)占用比較大的空間。為了克服這一缺點(diǎn)[14]，設(shè)計(jì)的模具液壓抽芯機(jī)構(gòu)如圖8所示。圖8中，采用方形的液壓油缸，設(shè)計(jì)在滑塊的下方，通過螺釘固定在動(dòng)模上，用連接塊將滑塊與油缸固定在一起；為了減少滑塊的裝配時(shí)間，在滑塊的斜面及側(cè)面都設(shè)計(jì)了承壓板；滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)通過固定在滑塊上的延長(zhǎng)桿及接觸限位開關(guān)達(dá)到限位的目的，再通過固定在滑塊上的定位銷與固定在動(dòng)模板上的定位器進(jìn)行配合，保證滑塊的定位精度。該組滑塊的材料也采用718H預(yù)硬模具鋼，壓條采用黃銅石墨組合的材料，使滑塊在運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠達(dá)到自潤(rùn)滑的目的。

圖8 液壓抽芯機(jī)構(gòu)

在該產(chǎn)品長(zhǎng)度為959 mm一側(cè)(如圖1所示)的抽芯機(jī)構(gòu)如圖9所示。由于圖9中滑塊的長(zhǎng)度達(dá)到980 mm，因此在它的底部設(shè)計(jì)了兩根精密的導(dǎo)滑條，起到導(dǎo)向和定位的作用，同時(shí)選用了雙斜導(dǎo)柱抽芯結(jié)構(gòu)，斜度為15°，抽芯距離為70 mm，經(jīng)詳細(xì)計(jì)算斜導(dǎo)柱的直徑為70 mm，有效工作長(zhǎng)度為280 mm，通過銷釘固定在定模的A板上。

圖9 雙斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)

同時(shí)該側(cè)面由于分布較多的加強(qiáng)筋，成型時(shí)會(huì)在滑塊上產(chǎn)生很大的包緊力，在圖1中D-D的放大圖可以比較清楚地看到有較多的側(cè)向倒扣，如果直接用滑塊脫模，很容易拉斷這些側(cè)向倒扣，而且使產(chǎn)品變形。在大滑塊內(nèi)部設(shè)計(jì)了3組如圖10所示的斜頂脫模機(jī)構(gòu)。圖10中導(dǎo)柱固定在定模中，導(dǎo)套、斜頂滑塊以及斜頂通過螺釘固定在一起。該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)零件為大滑塊，斜頂滑塊通過壓條跟大滑塊構(gòu)成滑動(dòng)副連接，它們之間的傾角為16°，當(dāng)滑塊做側(cè)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)向零件的作用下，斜頂沿著導(dǎo)向零件的方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抽芯。在加強(qiáng)筋較多部位的滑塊內(nèi)部設(shè)計(jì)了10組如圖11所示的直頂脫模機(jī)構(gòu)，當(dāng)模具開模距離少于38 mm時(shí)，在延時(shí)擋塊的作用下，內(nèi)置的延時(shí)頂針通過頂塊頂住產(chǎn)品，而大滑塊在斜導(dǎo)柱及氮?dú)鈴椈傻碾p重作用下，克服包緊力順利脫模；當(dāng)延時(shí)頂針脫離延時(shí)擋塊后，直頂機(jī)構(gòu)在彈簧的作用下與產(chǎn)品分離。在圖1中的T1特征中加強(qiáng)筋深度到達(dá)30 mm，為了提高該處的散熱冷卻效果，在滑塊的成型部位上鑲拼了鈹銅材料。

圖10 滑塊內(nèi)置斜頂機(jī)構(gòu)

圖11 滑塊內(nèi)置直頂機(jī)構(gòu)

該模具采用“斜頂塊+直頂塊+頂桿+頂管”的組合推出機(jī)構(gòu)，如圖12所示，模具的直頂桿底部布置了調(diào)整塊，可以調(diào)節(jié)直頂桿長(zhǎng)度，以避免在配模時(shí)造成直頂桿的長(zhǎng)度誤差，從而避免造成直頂桿報(bào)廢。開模后，頂桿固定板在模具上的4個(gè)頂出油缸的推動(dòng)下，依靠推出機(jī)構(gòu)頂出塑件；完成后同樣在4個(gè)頂出油缸的推動(dòng)下，沿著4根復(fù)位桿復(fù)位。

圖12 推出機(jī)構(gòu)

3．3 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汽車儀表板下本體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為提高生產(chǎn)效率，必須保證模具冷卻均勻充分，溫度均勻，防止塑件脫模后變形。模具的冷卻系統(tǒng)如圖13所示，模具定模鑲塊設(shè)計(jì)了5組水路，動(dòng)模鑲塊設(shè)計(jì)了6組水路，4個(gè)滑塊都有自己的獨(dú)立回路，各個(gè)水路交叉布置，形成了縱橫交錯(cuò)的“隨形水路”。水路主要由直通式水管與隔片式水井組成。

圖13 冷卻系統(tǒng)

由于模具水路設(shè)計(jì)合理，冷卻效果良好，采用了先進(jìn)的順序閥熱流道澆注系統(tǒng)，成型周期控制在55 s以下，縮短了8%，塑件的尺寸精度達(dá)到了MT4級(jí)(GB/T 14486–2008)，產(chǎn)品最大變形量由3.8 mm降為1.4 mm。

4 模具工作過程

汽車儀表板下本體的模具整體結(jié)構(gòu)圖如圖14所示，采用3點(diǎn)順序閥控制的熱流道澆注系統(tǒng)，模具為1模1腔橫向布局、四面四方向滑塊抽芯、斜直頂組合推出的單分型面注射模，模具總體尺寸為2 100 mm×1 400 mm×1 380 mm。

圖14 模具裝配圖

模具工作原理如下：模具合模后，將熱流道接口7與溫控箱相連，電磁閥31與注塑機(jī)控制單元的接口相連；待熱流道溫度加熱到設(shè)定值后，塑料熔體通過料筒進(jìn)入一級(jí)熱流道，流向熱流道板12，在順序電磁閥的作用下，依次打開二級(jí)熱流道12的閥針G3→G2→G1 (見圖2)，通過冷流道進(jìn)入模具型腔；待熔體充滿型腔，經(jīng)保壓、冷卻、固化后，注塑機(jī)緩慢開模，兩個(gè)大滑塊18在四根斜導(dǎo)柱36的作用下，沿著精密導(dǎo)滑條37的方向運(yùn)動(dòng)；同時(shí)大滑塊中的斜頂桿42沿著內(nèi)導(dǎo)柱41的方向完成側(cè)向倒扣的脫模，隨著開模動(dòng)作的繼續(xù)進(jìn)行，延時(shí)頂針19脫離延時(shí)擋塊21的作用，跟著大滑塊一起完成分型，快速開模到設(shè)定位置；接著方形抽芯油缸32推動(dòng)小滑塊34運(yùn)動(dòng)，碰到行程開關(guān)33后完成抽芯；緊接著頂針板28在4個(gè)頂出油缸35的作用下，推動(dòng)頂出機(jī)構(gòu)將產(chǎn)品和冷流道頂出，在機(jī)械手與吸盤的抓取下產(chǎn)品順利脫模；最后，頂出油缸35帶動(dòng)頂針板28先行復(fù)位，抽芯油缸32推動(dòng)小滑塊34復(fù)位；注塑機(jī)合模，在斜導(dǎo)柱的作用下，所有機(jī)構(gòu)恢復(fù)到開模前的狀態(tài)，進(jìn)入下一次的循環(huán)。

5 結(jié)語

(1)根據(jù)汽車儀表板下本體的結(jié)構(gòu)和特征，成功設(shè)計(jì)了一副3點(diǎn)順序閥控制的熱流道系統(tǒng)大型注塑模具；冷卻系統(tǒng)采用了組合的“直通式水管+隔片式水井”，成型周期縮短了8%，塑件的精度等級(jí)達(dá)到了MT4級(jí)(GB/T 14486–2008)，產(chǎn)品最大變形量由3.8 mm降為1.4 mm。

(2)針對(duì)產(chǎn)品側(cè)向滑塊脫模時(shí)容易變形或破裂的問題，創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了滑塊內(nèi)置斜頂機(jī)構(gòu)與滑塊內(nèi)置直頂機(jī)構(gòu)，解決了因側(cè)向倒扣多導(dǎo)致的脫模困難的問題，以及側(cè)向包緊力引起產(chǎn)品變形的問題。

(3)前期模具設(shè)計(jì)采用CAE分析，對(duì)產(chǎn)品的氣穴位置、熔接線位置和翹曲變形等進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為模具的成功設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)，模具試模一次成功，投產(chǎn)后模具運(yùn)行平穩(wěn)順利，塑件尺寸和外觀均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，說明模具結(jié)構(gòu)先進(jìn)合理，為類似結(jié)構(gòu)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。