汽車前側(cè)風(fēng)擋飾條模具熱流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉鑫，李金良，郭恒亞，黃明

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江紹興 312000； 2.鄭州大學(xué)橡塑模具國家工程研究中心，鄭州 450002)

近年來，隨著我國制造業(yè)由制造大國向制造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變，模具行業(yè)特別是精密制造模具中大量應(yīng)用多色多材料共注成型、熱流道技術(shù)、模內(nèi)裝配及裝飾、氣體輔助注塑、疊層模具生產(chǎn)等新技術(shù)手段，我國的模具制造水平也快速發(fā)展，出口模具的份額也迅猛發(fā)展[1]。特別是隨著汽車行業(yè)競爭日趨激烈，熱流道技術(shù)由于其具有無水口料、壓力損耗小、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)互換性好、完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、節(jié)省工作時(shí)間、提高生產(chǎn)效率等顯著優(yōu)勢，在汽車塑料模具的制造中已經(jīng)廣泛應(yīng)用[2]，相比較國外50%以上的普及率，我國的使用比例也逐年提高。雙色注塑汽車配件產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性高，同時(shí)可減少成型后產(chǎn)品的組裝和后處理過程，增加產(chǎn)品的外觀視覺效果，提升汽車配件的檔次和附加價(jià)值，但是采用雙色注塑后模具的設(shè)計(jì)難度隨之增加[3]，而其中熱流道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也具有較高的難度。筆者以汽車前側(cè)風(fēng)擋飾條為例，詳細(xì)介紹了其雙色注塑模具熱流道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

1 制件結(jié)構(gòu)分析

汽車前側(cè)風(fēng)擋飾條主要安裝在汽車的前擋風(fēng)玻璃的邊緣部位，主要作用是密封前擋風(fēng)玻璃和汽車邊框之間的縫隙，避免雨水進(jìn)入車內(nèi)，因此采用材質(zhì)較軟的聚烯烴熱塑性彈性體(TPO)以滿足良好的密封作用。但是，風(fēng)擋飾條又需要安裝在汽車邊框上達(dá)到固定擋風(fēng)玻璃的作用，材質(zhì)太軟不能滿足牢固固定安裝的需求，因此，只用一種TPO 材料難以滿足產(chǎn)品使用需求，結(jié)合汽車行業(yè)流行的雙色注塑模具技術(shù)，采用兩種不同材料來設(shè)計(jì)汽車前側(cè)風(fēng)擋飾條，需要固定安裝的部位使用硬膠材質(zhì)丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)，需要密封配合的部位使用軟膠材質(zhì)TPO，將兩種不同材料分別注塑到同一副模具中從而實(shí)現(xiàn)由硬膠和軟膠兩種不同材料組成的汽車前側(cè)風(fēng)擋飾條產(chǎn)品，如圖1 所示。

圖1 汽車前側(cè)風(fēng)擋飾條

2 制件成型分析及模具熱流道系統(tǒng)工藝方案確定

由于制件在實(shí)際使用時(shí)需要在擋風(fēng)玻璃左右兩邊對稱使用，因此，在模具設(shè)計(jì)時(shí)將左右對稱的一副汽車前側(cè)風(fēng)擋飾條在一副模具中同時(shí)注射成型，產(chǎn)品長度方向外形尺寸為1 274.3 mm，模具外形尺寸較大，單副模具重量達(dá)到十幾噸，為避免因模具自重太大引起的模具損壞，選擇配有水平轉(zhuǎn)盤的對射式模具結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)汽車前側(cè)風(fēng)擋飾條的雙色注塑。由于對射式模具有兩套獨(dú)立的模具分別注塑不同材料的產(chǎn)品，模具動(dòng)模型芯相同，定模型腔不同，硬膠部分注射完成包裹在動(dòng)模型芯上旋轉(zhuǎn)180°后需要實(shí)現(xiàn)和軟膠部分定模的精密定位配合，避免第二次注射成型合模時(shí)局部發(fā)生碰撞或者對第一次成型制件的表面產(chǎn)生劃痕等不良現(xiàn)象。澆口位置的設(shè)置也要考慮不影響旋轉(zhuǎn)后的精確定位，故需要通過精確計(jì)算熔料流量，合理設(shè)計(jì)主流道、分流道和澆口尺寸，并分別調(diào)節(jié)不同噴嘴的溫度控制熔料的黏度，從而達(dá)到使流道和澆口保持平衡的目的；另外，每個(gè)澆口塑料的填充時(shí)間和注塑壓力等需要做到盡量相同，同時(shí)制件的重心位置布置需要做到盡量平衡，從而保證整個(gè)注塑過程的整體平衡。

汽車前側(cè)風(fēng)擋飾條由于需要安裝固定，制件上存在卡扣、U 字型抵靠腳等結(jié)構(gòu)，多處有倒扣和凹槽結(jié)構(gòu)，需要設(shè)計(jì)側(cè)抽芯和斜頂結(jié)構(gòu)，又需要雙色注塑，其模具由分別成型不同材料的兩幅模具組成，模具結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。模具設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮兩種材料之間必須具有良好的粘合性和融合性，同時(shí)還需考慮兩種材料的界面作用、收縮率差異、熱力學(xué)性能、流動(dòng)性能、加工工藝參數(shù)等方面。制件外形尺寸為1 274.3 mm×83.7 mm×169.7 mm、壁厚2.5 mm，外觀整體結(jié)構(gòu)屬于細(xì)長薄壁類零件，為了保證軟膠能緊緊包裹硬膠，在硬膠部分產(chǎn)品上設(shè)置有18 個(gè)狹長型工藝孔，軟膠穿過工藝孔牢固包裹硬膠，注塑完成后不影響制件結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。采用傳統(tǒng)工藝在注塑過程中會因?yàn)榱鞯捞L而引起流動(dòng)末端成型困難，嚴(yán)重影響制件質(zhì)量[4]，采用熱流道技術(shù)可以使熔料在流道中始終保持熱的流動(dòng)狀態(tài)且壓力損耗小，可以很好地解決這類問題。熱流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是汽車前側(cè)風(fēng)擋飾條雙色模具的難點(diǎn)[5]，因此，需先結(jié)合CAE 技術(shù)模擬分析塑料成型過程來合理設(shè)計(jì)熱流道系統(tǒng)。

圖2 工藝孔細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)

3 模具澆注系統(tǒng)CAE 分析

筆者使用的CAE 注塑仿真工具為Moldflow，它能通過模擬熔料在注射過程中的流動(dòng)速度、瞬間溫度、壓力和冷卻過程等狀態(tài)來驗(yàn)證和優(yōu)化制件的注塑過程[6]。

3．1 澆口設(shè)計(jì)及位置選擇

根據(jù)制件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由于軟膠材料容易變形，為防止第二次注射時(shí)的注塑壓力沖擊第一次注射成型完成的制件而造成變形，必須先注塑硬膠材料，后注塑的軟膠材料將硬膠材料包裹。第一次注射成型的硬膠部分采用點(diǎn)澆口形式進(jìn)膠，這樣制件和流道可以自動(dòng)切斷，硬膠部分注射完成后的制件包裹在動(dòng)模型芯上，必須保證制件在旋轉(zhuǎn)180°時(shí)不能掉落或者發(fā)生位移、變形。硬膠材料的點(diǎn)澆口直接澆注在產(chǎn)品的外表面，點(diǎn)澆口脫落后的痕跡會被第二次注射成型的軟膠材料覆蓋，不會影響制件外觀質(zhì)量。第二次注射成型的軟膠部分需要在設(shè)計(jì)的澆口部位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆口脫落，但由于軟膠部分由高彈性軟材料制成，故在軟膠部分澆口設(shè)計(jì)中，需要考慮澆口脫落時(shí)的應(yīng)力集中問題對產(chǎn)品外觀的影響。軟膠材料的澆口形式采用香蕉型澆口澆注在制件背面，有利于澆口的自動(dòng)脫落，為了避免軟膠澆口分離時(shí)應(yīng)力集中破壞制件表面，在香蕉澆口對應(yīng)位置的硬膠部分設(shè)置有澆口工藝凹槽，軟膠從硬膠上的工藝凹槽進(jìn)入軟膠型腔進(jìn)行充填成型，從而有效地避免了第二次注射成型對第一次注射成型制件的沖擊影響，保證了整個(gè)制件的外觀質(zhì)量，如圖3 所示。

圖3 工藝凹槽

汽車前側(cè)風(fēng)擋飾條為細(xì)長類零件，產(chǎn)品長度方向尺寸較大，寬度方向尺寸除了端部寬度增大其它部位基本均勻，根據(jù)以上特征將制件模型導(dǎo)入Moldflow 軟件中定義劃分網(wǎng)格，使用澆口分析模塊計(jì)算分析求得最佳澆口位置[7]，并結(jié)合制件的形狀和模具設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在寬度均勻部位沿著長度方向均布四個(gè)澆口，在端部寬度增大的部分增加一個(gè)澆口，制件上總共設(shè)置五個(gè)澆口，從而保證塑料能沿著長度方向快速均勻地將型腔充滿[8]。由于產(chǎn)品兩種材料不同，澆口形式不同，在Moldflow 軟件中分別建立兩種材料的澆注系統(tǒng)模型，以硬膠部分的注塑成型過程為例進(jìn)行分析。

3．2 充填過程模擬及結(jié)果分析

硬膠部分材料為ABS，主要成型工藝參數(shù)為：熔融溫度270℃、模具溫度70℃、注塑壓力120 MPa；注塑機(jī)主要參數(shù)為：最大注塑壓力180 MPa、最大注射速度132 mm／s、最大鎖模力3 000 t。在Moldflow 軟件中選擇對應(yīng)的材料參數(shù)及注塑工藝參數(shù)后進(jìn)行填充過程熔料流動(dòng)模擬分析，主要模流分析結(jié)果如圖4、圖5、圖6 所示。

圖4 充填時(shí)間

圖5 流動(dòng)前沿溫度

圖6 注塑壓力

如圖4 所示，制件熔料完成填充全部型腔需要的時(shí)間是5.889 s，制件兩端充填時(shí)間最長的區(qū)域是由于制件在兩個(gè)端部的寬度方向尺寸增大造成的，兩個(gè)腔體的充填時(shí)間基本相同，說明熔料流動(dòng)基本平衡，能保證熔料在制件端部同時(shí)充滿模具型腔。如圖5 所示，熔料流動(dòng)前沿溫度分布比較均勻，最高溫度233.5℃，最低溫度223℃，最低溫度區(qū)域較小且出現(xiàn)在制件端部即制件體積突然增大部分，流動(dòng)前沿溫差不大，在材料允許范圍內(nèi)，不會對制件質(zhì)量產(chǎn)生影響。如圖6 所示，整個(gè)模具型腔壓力分布均勻，塑件收縮差異較小。

4 熱流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱流道系統(tǒng)主要組成部件包括：主流道噴嘴、熱噴嘴、熱流道板、加熱部件、支承部件以及溫控系統(tǒng)等。其中加熱以及加熱溫度的合理控制是應(yīng)用熱流道技術(shù)的最關(guān)鍵因素，特別是加熱元件的位置、數(shù)量和加熱功率的設(shè)計(jì)。

4．1 熱流道板設(shè)計(jì)

熱流道板是整個(gè)系統(tǒng)中的重要部件，熱流道系統(tǒng)中大部分部件安裝在熱流道板上，通過合理劃分加熱區(qū)域，每個(gè)區(qū)域單獨(dú)設(shè)計(jì)布置加熱元件和溫控系統(tǒng)可以高效地實(shí)現(xiàn)熱流道系統(tǒng)的溫度控制。采用外加熱方式，在熱流道板的表面上平行對稱地于流道的兩側(cè)開槽，再將容易彎曲成不同形狀的管狀加熱元件鑲嵌在溝槽內(nèi)實(shí)現(xiàn)將溫度傳遞到熱流道板中的流道內(nèi)[9]。根據(jù)制件外觀形狀和確定的五個(gè)澆口位置在熱流道板上對稱布置加熱元件，最終設(shè)計(jì)的熱流道板如圖7 所示。

圖7 熱流道板

通過安裝在熱流道板中的加熱部件補(bǔ)償熔料在流動(dòng)過程中的熱損失，使塑料從注塑機(jī)噴嘴射出后經(jīng)過澆注系統(tǒng)進(jìn)入模具腔體的整個(gè)流動(dòng)過程中始終處于熔融狀態(tài)，不需要修剪澆口，從而實(shí)現(xiàn)綠色無廢料加工。熱流道系統(tǒng)的熱損失主要包括：熱對流、熱傳導(dǎo)和熱損失，為了彌補(bǔ)熱損失需要加熱元件的熱補(bǔ)充來保證整個(gè)熱流道溫度均勻，從而提高注射成型產(chǎn)品質(zhì)量。熱流道板的加熱總功率主要由熱流道板從室溫加熱到工作溫度所需的加熱功率和熱損失造成的損耗功率兩部分組成。

采用簡化算法根據(jù)熱流道板的體積估算所需的加熱功率，即在一定時(shí)間內(nèi)將熱流道板從室溫加熱到塑料注射溫度所需的功率，同時(shí)由溫控系統(tǒng)補(bǔ)償熱損失功率，維持熱流道溫度的恒定[10]。加熱功率計(jì)算公式如式(1)所示。

式(1)中，P為熱流道板加熱元件的加熱總功率，kW；m為熱流道板的質(zhì)量，kg；c為熱流道板材料的比熱容，kJ／kg℃；ΔT為熱流道板塑料注射時(shí)工作溫度與室溫之差，℃；t為熱流道板從室溫加熱到工作溫度的升溫時(shí)間，min；η0為加熱效率系數(shù)，不僅包含加熱元件本身的電加熱效率，還包括對熱流道板熱損失部分的補(bǔ)充功率，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)一般取0.2～0.3。

該熱流道板質(zhì)量約為99.317 kg，鋼板的比熱容取0.48，熱流道板從室溫20℃升溫到工作溫度230℃需要30 min，加熱效率系數(shù)取0.2，由此可計(jì)算熱流道板所需的加熱總功率P=27.808 kW，由圖7 可以看出熱流道板的上下兩面共布置20 根加熱管，因此選取每根加熱管的功率為1.5 kW，可以滿足設(shè)計(jì)需要。

4．2 噴嘴設(shè)計(jì)

噴嘴選用延伸型針閥系列噴嘴，塑料注射過程中閥針打開，熔料在注射壓力作用下進(jìn)入型腔，模具型腔充滿后閥針關(guān)閉，從而防止熔料流出拉絲。噴嘴采用高導(dǎo)熱材料，周圍安裝有加熱圈，使噴嘴保持溫度控制平穩(wěn)，避免熔料流動(dòng)性能變化進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量。硬膠和軟膠的熱流道噴嘴如圖8 所示。

圖8 熱流道噴嘴

結(jié)合熱流道板的相關(guān)分析計(jì)算和CAE 模流分析結(jié)果對熱流道系統(tǒng)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)確定的硬膠部分模具的熱流道系統(tǒng)如圖9 所示，軟膠部分模具的熱流道系統(tǒng)如圖10 所示，熱流道系統(tǒng)定模結(jié)構(gòu)圖如圖11 所示。

圖9 硬膠部分熱流道系統(tǒng)

圖10 軟膠部分熱流道系統(tǒng)

圖11 熱流道系統(tǒng)定模結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語

針對汽車前側(cè)風(fēng)擋飾條這類采用兩種不同材質(zhì)組成的細(xì)長類大型塑料件，利用CAE 技術(shù)模擬熔料在注射過程中的流動(dòng)速度、瞬間溫度、壓力和冷卻過程等狀態(tài)來驗(yàn)證和優(yōu)化制件的注塑過程。通過對熱流道板加熱功率分析計(jì)算設(shè)計(jì)了熱流道板和噴嘴，完成了雙色模具不同材料熱流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。模具實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐證明，汽車前側(cè)風(fēng)擋飾條雙色注塑模具熱流道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，提高了制件成型質(zhì)量，縮短了成型周期，大批量生產(chǎn)過程運(yùn)行平穩(wěn)。