汽車側(cè)裙板的熱流道大型注塑模具設(shè)計(jì)

何鏡奎，陳洪土

(1.廣東開放大學(xué)廣東理工職業(yè)學(xué)院，廣州 510091；2.廣東創(chuàng)新科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東 東莞 523960)

0 前言

汽車側(cè)裙板是指車體兩側(cè)安裝的裙板，位于汽車前后門檻上。它是集外觀性與功能性于一體的重要外飾件之一，不但具有美觀裝飾作用，而且具有一定的擾流作用，可以減少車體兩側(cè)的氣流進(jìn)入車底，以降低空氣阻力，減少車輛行駛中產(chǎn)生的逆向氣流，高速行駛時就像地面吸著底盤一樣。側(cè)裙板需要配合前后擾流板使用，使汽車高速運(yùn)行時產(chǎn)生的風(fēng)阻流暢的從車底劃過，而不會使車輛行駛時產(chǎn)生漂移現(xiàn)象，因此側(cè)裙板在很大程度上提高了汽車操控的穩(wěn)定性。一些高檔汽車如奔馳、寶馬等，具有高速行車主動修正線路的功能，駕駛員在高速路上駕駛汽車，如果一直保持很穩(wěn)定的方向，電腦會記錄下來，如果因氣流造成的行車方向發(fā)生偏移，電腦則會自動修正方向。本文詳細(xì)介紹了一副汽車側(cè)裙板注塑模具的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)技巧。

1 汽車側(cè)裙板的結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為某品牌汽車側(cè)裙板的零件圖，所用材料為聚丙烯(PP)/三元乙丙橡膠(EPDM)/滑石粉(TD20)，其中EPDM是乙烯、丙烯和少量的非共軛二烯烴的共聚物，TD20為20 %滑石粉添加劑，用以提高側(cè)裙板的剛性[1]，共混后的塑料收縮率取1.1 %[2]。該款側(cè)裙板外形最大尺寸為1 865.9 mm×149.2 mm×108.2 mm，長寬比例相差較大，屬于大型塑件，尺寸精度要求達(dá)到MT4(GB/T 1486—2008模塑件尺寸公差)。對側(cè)裙板的技術(shù)要求包括：

(1)外表面要求高，需做皮紋處理，不允許有推桿痕跡，也不允許有澆口痕跡，更不允許有收縮凹陷、熔接痕和飛邊等缺陷；

(2)由于塑件外觀面需做皮紋，塑件外觀面脫模斜度至少5 °，防止加工皮紋后塑件粘定模，或拖傷外表面；

(3)塑件外側(cè)有8處倒扣，倒扣面積較大；塑件內(nèi)側(cè)有15處倒扣，倒扣距離長，均在25～45 mm之間，塑件側(cè)向抽芯較困難。

S1～S8—外部側(cè)向倒扣，L1～L15—內(nèi)部側(cè)向倒扣(a)主視圖 (b)F-F剖視圖 (c)E-E剖視圖圖1 汽車側(cè)裙板零件圖Fig.1 The automobile side apron

2 汽車側(cè)裙板的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)側(cè)裙板的生產(chǎn)綱領(lǐng)和細(xì)長形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用1模成型2腔，模具采用熱流道5點(diǎn)進(jìn)膠，進(jìn)膠順序由順序閥控制。塑件外側(cè)8個側(cè)孔倒扣采用“斜導(dǎo)柱+滑塊”抽芯結(jié)構(gòu)，塑件內(nèi)側(cè)面的15個倒扣采用“斜頂+斜推桿”抽芯結(jié)構(gòu)。模具外形尺寸為2 550 mm×1 300 mm×1 091 mm,總質(zhì)量約25 t，屬于大型注塑模具，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖2。

1—定模固定板 2—熱流道框板 3、16—撐柱 4—內(nèi)斜導(dǎo)柱 5—斜導(dǎo)柱固定板 6—內(nèi)側(cè)抽芯 7、35—定位塊 8、36—定位彈簧 9—導(dǎo)套 10—導(dǎo)柱 11—油缸 12—油缸固定座 13—動模固定板 14—限位柱 15—推件固定板 17—推桿 18—推件固定板導(dǎo)柱 19—推件固定板導(dǎo)套 20、41—復(fù)位桿 21—動模B板 22—硬塊 23—定模A板 24—方鐵 25—二級熱咀固定板 26—二級熱咀 27—熱流道板 28—定位圈 29—一級熱咀壓塊 30—一級熱咀 31—斜頂 32—外側(cè)抽芯 33—斜導(dǎo)柱固定板 34—斜導(dǎo)柱 37—斜推桿導(dǎo)向套 38—斜推桿 39—斜推桿滑座 40—流道推桿 42—承壓塊(a)動模排位圖 (b)A-A剖視圖 (c)B-B剖視圖圖2 汽車側(cè)裙板注塑模具結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The injection mold stracture for automobile side aprons

2.1 成型零件的設(shè)計(jì)

汽車側(cè)裙板注塑模具的定、動模均采用整體式，A、B板采用四面圍邊互鎖定位的形式，這大大提高了模具的整體強(qiáng)度和剛性。定模板鋼材選用預(yù)加硬塑膠模具鋼718H，調(diào)質(zhì)硬度為30～35 HRC；動模板鋼材為預(yù)硬化塑料模具鋼P(yáng)20，調(diào)質(zhì)硬度為30～33 HRC。

模具分型面順滑無尖角銳邊，無薄鋼，加工方便，配模簡單，封膠可靠。所有非成型轉(zhuǎn)角均設(shè)計(jì)為圓角，防止應(yīng)力開裂。分型面的配合面尺寸攸關(guān)模具的大小和壽命，通過計(jì)算，1模2腔的側(cè)裙板注塑模具的鎖模力約為1 200 t，模具分型面的封膠寬度取45 mm，封膠面以外的區(qū)域分型面全都避空1 mm，以降低制造難度和成本。在分型面避空處設(shè)計(jì)了22塊承壓塊，承壓塊淬火處理，以保證模具受力均勻，提高模具壽命[3]。

2.2 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.2.1 進(jìn)膠方案

鑒于以前其他車型側(cè)裙板在注射成型過程中塑件經(jīng)常出現(xiàn)的變形、熔接痕等缺陷，本文在澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中做了多處改進(jìn)，采用了一些先進(jìn)技術(shù)，包括熱流道技術(shù)和順序閥控制技術(shù)[4]，制定了澆注系統(tǒng)的方案為：(1)因表面不允許進(jìn)膠，熱流道轉(zhuǎn)普通流道；(2)采用5點(diǎn)進(jìn)膠(G1～G5)的方式，其澆口位置見圖3(a)；(3)進(jìn)膠順序?yàn)镚3→G2→G4→G1→G5，即先從中間進(jìn)膠，然后依次從兩邊進(jìn)膠，進(jìn)膠順序由順序閥控制；(4)分流道截面為梯形，澆口采用側(cè)澆口，見圖3(b)。

(a)進(jìn)膠口位置 (b)側(cè)澆口圖3 汽車側(cè)裙板的5點(diǎn)進(jìn)膠口位置及側(cè)澆口Fig.3 The hot runner injection gate with 5 points and the side gate for the side apron

2.2.2 模流分析

為了驗(yàn)證以上澆注系統(tǒng)的可行性和正確性，采用Moldflow軟件根據(jù)以上方案進(jìn)行模擬填充分析，結(jié)果見圖4。圖4(a)顯示汽車側(cè)裙板的填充時間為3.66 s，且填充均勻；圖4(b)顯示推薦的成型溫度范圍為200～250 ℃，塑件的流體溫度范圍為223～225 ℃，溫差為2 ℃，在合理范圍之內(nèi)；圖4(c)顯示塑件填充+保壓時間為20 s，澆口、流道的凍結(jié)情況及凍結(jié)時間合理，沒有出現(xiàn)澆口處過早凍結(jié)，影響塑件保壓補(bǔ)縮的情況；圖4(d)顯示塑件外觀面無明顯熔接痕；圖4(e)顯示塑件主體的體積收縮比較均勻，其判斷依據(jù)為理想的體積收縮是塑件整體收縮均勻，局部的體積收縮不均是引起塑件翹曲、縮痕的主要原因；圖4(f)顯示塑件外觀沒有明顯的縮痕。

(a)填充分析 (b)前沿溫度分布，℃ (c)凍結(jié)層因子分布 (d)填充時熔接線分布圖(e)體積收縮率分布，% (f)縮痕分布，mm圖4 汽車側(cè)裙板的模流分析Fig.4 Filling analysis of the side apron

模流分析顯示，采用以上澆注系統(tǒng)方案時汽車側(cè)裙板的充填效果良好，填充順暢，填充壓力比較小，塑件沒有填充不足、熔接痕，沒有嚴(yán)重困氣，變形在公差范圍之內(nèi)，所定方案完全合理[5]。模具熱流道澆注系統(tǒng)包括一級熱射咀、二級熱射咀、熱流道板、順序閥和相關(guān)電子配件，其立體圖詳見圖5。

圖5 汽車側(cè)裙板模具熱流道澆注系統(tǒng)Fig.5 The hot runner system with sequentialvalves for the side apron

2.3 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)是本模具最重要的核心結(jié)構(gòu)之一。針對塑件外側(cè)的8處倒扣(S1～S8)，模具采用了8個“動?；瑝K+斜導(dǎo)柱”的抽芯機(jī)構(gòu)，抽芯方向見圖2和圖6(a)?；瑝K的定位采用藍(lán)彈簧加限位柱，安全可靠，而向下抽芯的滑塊由于滑塊自身的質(zhì)量，所以不需要彈簧，采用限位柱限位[6]。為了提高模具壽命，方便模具的加工、維修，滑塊底部和背部都設(shè)計(jì)了耐磨塊，耐磨塊與滑塊之間設(shè)計(jì)了油槽，以減小摩擦力。

塑件內(nèi)側(cè)有L1～L15共15處倒扣，模具全部采用“內(nèi)側(cè)斜頂+斜推桿”的抽芯機(jī)構(gòu)，抽芯方向見圖2和圖6(b)。內(nèi)側(cè)倒扣距離較長，最長為38 mm，安全脫模距離取5 mm，總抽芯距離達(dá)43 mm。因此本模具斜頂數(shù)量多，抽芯距離長，設(shè)計(jì)時需避免塑件脫模時因?qū)π表敯o力過大而發(fā)生變形，同時還要避免所有斜頂沿同一方向抽芯，以防止塑件跟著斜頂移動。在汽車注塑模具設(shè)計(jì)中，防止塑件粘斜頂?shù)姆椒ㄓ泻芏喾N，而汽車側(cè)裙板的注塑模具主要采用加大塑件倒扣處的脫模斜度和將塑件的加強(qiáng)筋全部設(shè)計(jì)在模板或鑲塊上的方法來防止塑件粘斜頂。

(a)“動?；瑝K+斜導(dǎo)柱”的抽芯機(jī)構(gòu) (b)“內(nèi)側(cè)斜頂+斜頂桿”的抽芯機(jī)構(gòu)圖6 汽車側(cè)裙板模具側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)立體圖Fig.6 The side core pulling mechanism of the mold

汽車側(cè)裙板模具的斜推桿直徑全部為φ25 mm，鋼材為SUJ2，并經(jīng)過高頻淬火處理。斜推桿底部通過螺釘固定在滑輪上，在模具底板相應(yīng)位置設(shè)計(jì)過孔，這樣可在不拆模具的情況下就能裝拆斜頂。斜推桿導(dǎo)向套的長度為斜推桿長度的2/3，斜推桿頂出角度分別為10 °和12 (° )。

2.4 溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汽車側(cè)裙板的長寬尺寸相差懸殊，塑件注射成型后容易變形，溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞對模具的成型周期與成型質(zhì)量具有很大的影響。本模具屬于大型汽車注塑模具，冷卻水道間距應(yīng)嚴(yán)格控制在45～60 mm之間，冷卻水管距離型腔面應(yīng)控制在20～25 mm之間；冷卻水流向需與料流方向一致，每個熱射咀區(qū)域需重點(diǎn)冷卻。對于長條形塑件，為了防止塑件翹曲變形，冷卻水道設(shè)計(jì)成內(nèi)外部均可連接的方式，注塑生產(chǎn)時還可根據(jù)塑件變形的缺陷調(diào)整冷卻方式。

(a)定模冷卻系統(tǒng) (b)動模冷卻系統(tǒng)圖7 汽車側(cè)裙板模具溫度控制系統(tǒng)Fig.7 The temperature control system of the mold

汽車側(cè)裙板模具的定模設(shè)計(jì)了20組水路，其排布方式見圖7(a)，動模設(shè)計(jì)了18組水路，其排布方式見圖7(b)。由于模具為大型熱流道模具，推件板由油缸驅(qū)動，因此模具既有水路，還有油路、氣路和電路，它們的接頭全部安裝在非操作側(cè)，按照電、氣、水、油的順序排列，避免相互干涉。側(cè)裙板模具采用“直通式水管+隔片式水井”的組合冷卻系統(tǒng)，進(jìn)出水管的距離大致相等，水管直徑為φ10 mm，水井直徑為φ24 mm，冷卻水管的面積達(dá)到了塑件面積的60 %。側(cè)裙板模具溫度高的地方，如熱射咀附近，單獨(dú)設(shè)計(jì)了一組冷卻水路，而在塑件易出現(xiàn)熔接痕的位置都避免了冷卻水經(jīng)過。由于模具得到了均衡且充分的冷卻，成型塑件的尺寸和外觀質(zhì)量均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，其注射周期控制在75 s之內(nèi)，比此前同類型模具縮短了約5 s[7]。

2.5 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

模具包含4個頂出油缸，并固定在動模B板上。根據(jù)頂針面板和頂針底板的質(zhì)量，基于常用的安全系數(shù)，油缸選用高壓HOB油缸，缸徑為φ80 mm，油缸頂出行程為220 mm，頂出油路設(shè)計(jì)在B板上，如圖8所示。為保證頂出平衡，汽車側(cè)裙板模具油路的長度差均不超過50 mm，油嘴間距均大于油管的彎曲直徑，防止油管接不上。

2.6 導(dǎo)向定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汽車側(cè)裙板模具的導(dǎo)向系統(tǒng)包括4個部分：(1)動、定模之間的4支圓導(dǎo)柱10，及與之相配合的4支圓導(dǎo)套9，其中導(dǎo)柱尺寸為φ70 mm×340 mm；(2)動模內(nèi)對推件固定板導(dǎo)向的6支圓導(dǎo)柱18，及與之相配合的6支圓導(dǎo)套19，其中導(dǎo)柱尺寸為φ50 mm×450 mm；(3)側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)中滑塊的導(dǎo)向T形槽；(4)圓形斜推桿的導(dǎo)向套37，其數(shù)量為30個。

圖8 汽車側(cè)裙板模具頂出機(jī)構(gòu)油路Fig.8 The oil pipe of the mold

定位系統(tǒng)也包括4部分：(1)8個1 °斜度的精定位，布置于模具內(nèi)部靠型腔側(cè)，每側(cè)2個；(2)8個0 °精定位塊(俗稱邊鎖)，布置于模具外側(cè)，每側(cè)2個；(3)滑塊的定位塊；(4)分型面四周的定位斜面，斜度為8 °，為提高模具壽命及方便維修，定位斜面上設(shè)計(jì)耐磨塊。本模具的導(dǎo)向定位系統(tǒng)詳見圖2和圖9。

(a)定模立體圖 (b)動模立體圖圖9 汽車側(cè)裙板模具的導(dǎo)向定位系統(tǒng)Fig.9 The stereogram of the mould

由于模具有“滑塊+斜導(dǎo)柱”的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，動、定模之間的導(dǎo)柱必須在斜導(dǎo)柱插入滑塊前20 mm插入導(dǎo)套，否則在模具的制造和生產(chǎn)中可能會產(chǎn)生故障，嚴(yán)重時會損壞模具。

2.7 脫模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本模具采用“推桿+斜頂+油缸頂出”組合脫模機(jī)構(gòu)，模具在定、動模開模后，油缸通過液壓驅(qū)動推件固定板，依靠推桿和斜頂推出塑件。合模之前，油缸驅(qū)動推件先復(fù)位，合模后，定模推動6支復(fù)位桿，所有推桿及斜頂準(zhǔn)確復(fù)位(這是因?yàn)橛透變?nèi)的液體為非剛性體，無法保證推件固定板的準(zhǔn)確復(fù)位)。由于定模A板硬度遠(yuǎn)小于復(fù)位桿的硬度，在反復(fù)的撞擊后易出現(xiàn)凹坑，因此在二者接觸的地方設(shè)計(jì)了一塊硬塊22(見圖1)，墊塊直徑比復(fù)位桿直徑大2 mm，材料為45#鋼(或S50C)，淬火至硬度為45 HRC。

汽車側(cè)裙板屬于大型塑件，推桿直徑全部取φ16 mm，數(shù)量為31支，其中包括流道推桿11支(注意在斜頂30 mm之內(nèi)不能設(shè)置推桿，避免相互干涉)。汽車側(cè)裙板內(nèi)外表面屬于復(fù)雜的空間曲面，所有推桿的固定端必須設(shè)計(jì)止轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，且頂出端曲面上必須設(shè)計(jì)網(wǎng)格槽，避免頂出時推桿打滑導(dǎo)致塑件變形。推件固定板導(dǎo)柱要布置在推出力大的推出元件(如油缸、復(fù)位桿等)附近，而為了簡化模具結(jié)構(gòu)，提高模具剛性，汽車側(cè)裙板模具只采用了一塊推件固定板，而沒有推件底板。

2.8 模具排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖10 汽車側(cè)裙板注塑模具排氣系統(tǒng)Fig.10 The exhaust system of the mould

汽車側(cè)裙板屬于大型外飾件，模具型腔內(nèi)空氣較多，熔體填充時若氣體不能及時排除，就會在塑件表面產(chǎn)生氣紋、熔接痕或因填充不良而影響制品外觀，或在塑件內(nèi)部產(chǎn)生氣泡而影響制品的強(qiáng)度。模具的排氣槽都開設(shè)在型腔靠模具外側(cè)的周圍，詳見圖10。排氣槽總數(shù)量為58處，寬度均為10 mm，深度為0.05 mm。所有排氣槽均與外部貫通，排氣槽與排氣槽之間的距離應(yīng)均勻合理，控制在60～80 mm之間，模具分型面上的排氣槽全部開設(shè)在定模A板上。

3 模具的工作過程

熔體通過一級熱射咀30進(jìn)入熱流道板27，再由順序閥控制的二級熱射咀26進(jìn)入模具分型面上的普通流道，最后經(jīng)側(cè)澆口進(jìn)入模具型腔。熔體充滿型腔后，經(jīng)保壓、冷卻和固化至足夠剛性后，注塑機(jī)拉動模具的動模固定板13，模具從分型面Ⅰ處打開，在開模過程中，動模側(cè)的16個滑塊6、32分別在斜導(dǎo)柱4、34的作用下進(jìn)行側(cè)向抽芯；分型面Ⅰ打開距離500 mm完成開模行程后，油缸啟動，通過液壓推動推件固定板15，在此過程中斜頂與塑件倒扣分離，同時和推桿一起推動成型塑件推離動模；塑件推出距離200 mm后，由油缸控制；塑件取出后，油缸拉動推件及其固定板復(fù)位，接著注塑機(jī)推動動模合模，模具開始下一次注射成型。

4 結(jié)論

(1)汽車側(cè)裙板注塑模具通過采用一副順序閥控制5點(diǎn)進(jìn)膠的熱流道澆注系統(tǒng)成功解決了大型塑件熔體填充困難，容易產(chǎn)生填充不良、熔接痕等問題，成型周期控制在75 s之內(nèi)，塑件尺寸精度達(dá)到了MT4；

(2)模具采用“動?；瑝K+斜導(dǎo)柱”、“內(nèi)側(cè)斜頂+斜頂桿”的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)以及“推桿+斜頂+油缸頂出”組合脫模機(jī)構(gòu)，成功解決了汽車側(cè)裙板倒扣多、脫模難、脫模力大的難題；本模具自放產(chǎn)以來，由于各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)合理，模具運(yùn)行穩(wěn)定可靠，成型塑件各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合要求。

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