汽車前保險(xiǎn)杠熱流道精密注塑模設(shè)計(jì)

溫煌英，趙利平，劉付國(guó)宇

(1.廣東科技學(xué)院，廣東東莞 523000； 2.東莞市偉源五金有限公司，廣東東莞 523000)

汽車前保險(xiǎn)杠位于小汽車車頭部位，使用螺絲固定和卡扣固定的方式，是汽車防護(hù)車身及保護(hù)乘客安全裝置的重要組成部分，此外還具有裝飾車輛的作用。設(shè)計(jì)前保險(xiǎn)杠時(shí)要考慮與車體造型的和諧與統(tǒng)一，同時(shí)追求零件本身的輕量化，筆者詳細(xì)介紹了汽車前保險(xiǎn)杠注塑模的設(shè)計(jì)要點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)技巧。

1 塑件外觀要求與結(jié)構(gòu)分析

汽車前保險(xiǎn)杠一般采用增韌改性聚丙烯(PP)材料作為原料，PP 熔點(diǎn)達(dá)167 ℃，耐熱，密度低(0.90 g／cm3)[1]，不僅有裝飾功能，更重要是具有吸收及緩和外界沖擊力、保護(hù)車身及乘客安全的功能。塑件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。產(chǎn)品壁厚很薄，扣位多。塑件為外觀件，要求如下：①表面要求光潔，分型面位置不能有夾線、斑點(diǎn)、熔接痕、收縮凹陷等缺陷；②塑件是功能件，要求彈性變形特性能吸收大量的碰撞能量，對(duì)強(qiáng)烈撞擊有較大的緩沖作用，對(duì)車輛和乘客起到保護(hù)作用的功能要求；③塑件正面有1 個(gè)面積較大的主進(jìn)氣窗口孔和2 個(gè)輔助的進(jìn)氣窗口孔，需要較大鎖模力、較大熔體填充，排氣困難；④塑件邊緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，底部有很多的螺絲孔，兩端側(cè)面內(nèi)部有扣位，如圖1 所示。

圖1 前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)

2 模具結(jié)構(gòu)分析

汽車前保險(xiǎn)杠外觀要求高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)品尺寸大，進(jìn)氣窗口區(qū)域的位置成型困難。前期使用CAE 模流分析和方案討論，確定模具使用熱流道注射模結(jié)構(gòu)，使用1 個(gè)直通閥熱流道+3 個(gè)順序閥熱流道的進(jìn)膠設(shè)計(jì)方案來(lái)保證熔體較好的填充效果。在主進(jìn)氣窗口附近設(shè)置1 個(gè)直通熱噴嘴，在底部邊緣附近設(shè)置3 個(gè)順序閥熱噴嘴。

圖2 前保險(xiǎn)杠注塑模具結(jié)構(gòu)

塑件頂部邊緣外側(cè)孔使用動(dòng)?！靶睂?dǎo)柱+滑塊”的抽芯機(jī)構(gòu)。塑件底部邊緣外側(cè)孔和兩端內(nèi)側(cè)的倒扣分別使用定模“液壓缸+鎖緊塊+滑塊抽針”的抽芯機(jī)構(gòu)和動(dòng)?！靶表敆U+斜推桿”的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)[2–7]。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單一型腔布局，模具外形尺寸約為2 450 mm×1 140 mm×1 466 mm，模具總重量約為18 540 kg，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2．1 模具成型零件設(shè)計(jì)

汽車前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分型面也相對(duì)復(fù)雜，需采用塑件仿形延伸和曲面掃掠網(wǎng)格的方法來(lái)確保分型面光順連接不出現(xiàn)尖角、易損壞和斷裂、薄弱結(jié)構(gòu)；同時(shí)模具的動(dòng)、定模插穿斜面采用8°的合理插穿角度，以保證動(dòng)、定模的合模精度。預(yù)計(jì)該模具的鎖模力15 000～20 000 kN，分型面密封尺寸為150～180 mm，除密封面以外分型面都做0.5 mm 的避空位，減少模具高精度裝配面的加工時(shí)間和配模時(shí)間，提高分型面的密封性。

在保證模具零件強(qiáng)度和剛度的前提下，適當(dāng)降低模具成本，同時(shí)保證零件的加工可行性[8]。定模芯采用整體式結(jié)構(gòu)，模芯和模板一體成型，使用無(wú)預(yù)加硬的模具材料738，防止整體式結(jié)構(gòu)過(guò)硬開裂。動(dòng)模芯采用精密組合式結(jié)構(gòu)，使用預(yù)加硬的模具材料738H，提高成型零件的強(qiáng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和綜合計(jì)算得到成型零件模芯尺寸，如圖3 所示。

圖3 前保險(xiǎn)杠定模芯和動(dòng)模芯

2．2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車前保險(xiǎn)杠呈弧面形狀，需要采用多種進(jìn)料方式同時(shí)進(jìn)料[9]，使用“熱流道+冷流道+側(cè)澆口進(jìn)膠”的進(jìn)料方式，分別為1 個(gè)直通熱噴嘴設(shè)置在主進(jìn)氣窗口附近的膠位面上，3 個(gè)順序閥熱噴嘴設(shè)置在底部邊緣附近作為熱流道轉(zhuǎn)冷流道側(cè)進(jìn)料。1個(gè)直通熱噴嘴和3 個(gè)順序閥熱噴嘴協(xié)同進(jìn)料，生產(chǎn)時(shí)再做局部調(diào)整以平衡各個(gè)澆口的熔體填充，減少塑膠熔體的熱量流失，達(dá)到較好的填充效果，大大避免熔接痕，以確保塑件成型以后有較高的質(zhì)量。熱噴嘴的位置及熱流道澆注系統(tǒng)如圖4 所示。

熱流道設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)如下：1 個(gè)直通熱噴嘴設(shè)置在主進(jìn)氣窗口附近的產(chǎn)品膠位面上，必須在直通熱噴嘴G1 區(qū)域設(shè)計(jì)凸臺(tái)，殘留的進(jìn)料口高出產(chǎn)品表面影響外觀，如圖5a 所示；3 個(gè)順序閥熱噴嘴設(shè)置在底部邊緣附近，并在滑塊A 上面做熱流道轉(zhuǎn)冷流道側(cè)進(jìn)料，防止順序閥熱噴嘴在熱膨脹的影響下噴嘴會(huì)凸出來(lái)碰撞和頂住封膠面，會(huì)形成合模間隙和出現(xiàn)披風(fēng)，順序閥熱噴嘴G2，G3，G4 設(shè)計(jì)口部時(shí)要比定模芯封膠平面凹低2 mm，如圖5b 所示。

圖4 熱噴嘴位置及熱流道澆注系統(tǒng)

圖5 熱流道設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

熱流道順序閥控制熱流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)有：①熱流道板外形做工藝倒角，避免劃傷人，通線槽盡量設(shè)計(jì)成直線方便加工，還要倒工藝圓角避免劃傷電線。②每個(gè)熱噴嘴設(shè)置4 個(gè)固定螺絲，防止熱噴嘴在注塑成型時(shí)受力后退。③在熱流道板背面上增加圓柱形墊塊，來(lái)抵消熱流道板在注塑成型時(shí)的反作用，防止變形。④根據(jù)客戶注塑機(jī)的配套接口要求來(lái)選用熱流道插座，電磁閥的規(guī)格型號(hào)和電氣系統(tǒng)的接線插座。⑤接線盒、電磁閥、壓力計(jì)等部件必須安裝在操作側(cè)，方便調(diào)試和操作。⑥轉(zhuǎn)冷流道的料口設(shè)置在滑塊頂面上時(shí)熱噴嘴要低于封膠配合面，滑塊需要加硬提高強(qiáng)度防止沖蝕和變形。

2．3 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使汽車前保險(xiǎn)杠側(cè)孔及倒扣順利脫模，模具采用滑塊抽芯機(jī)構(gòu)與斜頂桿頂出機(jī)構(gòu)組合形式脫模。塑件上下兩部分的16 個(gè)外側(cè)倒扣孔，采用“定模油缸+滑塊+滑塊針”的抽芯機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖6a所示。塑件兩端和底部的5 個(gè)外側(cè)倒扣，采用動(dòng)?！靶睂?dǎo)柱+滑塊”和“油缸+滑塊”的抽芯機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖6b 所示。塑件內(nèi)側(cè)5 個(gè)倒扣，由于結(jié)構(gòu)限制，均采用“斜頂桿+斜推桿”的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖6c 所示。塑件較大，內(nèi)部使用頂出力較大的直頂來(lái)頂出產(chǎn)品。

圖6 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)

2．4 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該塑件屬于外觀與功能都有較高要求的零件，為保證塑件能夠順利生產(chǎn)，要有較穩(wěn)定的模溫，塑件冷卻均勻，水路需要均衡分布。

定模設(shè)計(jì)了18 組冷卻水路，如圖7a 所示，定模冷卻水路沿產(chǎn)品外形表面35～45 mm 的距離來(lái)布置，每一條冷卻水路的長(zhǎng)度均保持在200～250 mm，水井的深度在30～45 mm，每組冷卻水路均采用“直通式水管+隔片式水井”的組合形式。

動(dòng)模設(shè)計(jì)了14 組冷卻水路，如圖7b 所示，動(dòng)模冷卻水路由于結(jié)構(gòu)的原因，每一條冷卻水路距離后模仁底面的高度為60 mm，水井的深度在28～40 mm，水井的深度沿產(chǎn)品內(nèi)形表面30～40 mm的距離來(lái)布置，冷卻水路全部采用“直通式水管+隔片式水井”的組合形式來(lái)達(dá)到均勻的冷卻效果。

滑塊A 和滑塊C 體積較大，每個(gè)滑塊各設(shè)計(jì)1組冷卻水路，水路距離產(chǎn)品外形表面35～45 mm，滑塊A 采用“直通式水管”的形式，滑塊C 采用“直通式水管+斜通式水管”的組合形式，如圖7c 所示。

圖7 冷卻系統(tǒng)

定模、動(dòng)模水路使用集水塊將眾多的進(jìn)出水管接頭接在一起，以簡(jiǎn)化操作人員的水管駁接工作。

采用以上溫度控制系統(tǒng)，冷卻總面積達(dá)到了塑件總面積的80%左右。模具各處溫度均衡，冷卻快速且充分，成型塑件尺寸精度達(dá)到了MT3(GB／T 14486–2008)的設(shè)計(jì)要求，注塑周期成功控制在65 s 左右，與同類型車型相比縮短約15%，大大提高了模具的生產(chǎn)效率。

2．5 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該模具型腔體積較大，有1 個(gè)主進(jìn)氣窗口和2個(gè)輔助進(jìn)氣窗口較大的碰穿區(qū)域，熔體流動(dòng)阻力大，容易形成熔接痕、填充不良，如果排氣不良容易造成困氣燒焦等成型缺陷。需設(shè)計(jì)良好的排氣系統(tǒng)來(lái)保證塑件的成型質(zhì)量，以產(chǎn)品大分型面上的排氣槽為主，同時(shí)兼有滑塊分型面與斜頂，直頂分型面的排氣槽為輔助，再增加1 個(gè)主進(jìn)氣窗口和2 個(gè)主進(jìn)氣窗口碰穿區(qū)域內(nèi)部的排氣槽和排氣孔。分型面排氣槽位置如圖8a 所示。輔助進(jìn)氣窗口區(qū)域，排氣槽寬度為8～10 mm，深度為0.03 mm，排氣孔直徑為10 mm，直通模心底部排氣，如圖8b 所示。

圖8 排氣系統(tǒng)

2．6 脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部扣位多使包緊力較大，為了防止產(chǎn)品頂出力不足導(dǎo)致變形，選用面積較大的直頂桿和斜頂桿頂出方式，部分位置采用圓推桿頂出 (使用 10 支 ?12 mm 及 24 支 ?16 mm的圓推桿)。為順利脫模及保證產(chǎn)品質(zhì)量，模具使用“頂針板油缸+直頂桿(推塊)+斜頂桿”組合頂出脫模機(jī)構(gòu)，如圖9 所示。使用4 個(gè)規(guī)格為?80 mm×120 mm 的油缸，油管并聯(lián)布置，油缸固定于動(dòng)模板上，油缸實(shí)現(xiàn)推桿的推出和復(fù)位的功能來(lái)進(jìn)行脫模，保證了模具推出平衡。

圖9 脫模機(jī)構(gòu)

2．7 導(dǎo)向定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大型模具的合模精度直接影響模具的使用壽命，故采用4 根?80 mm×820 mm 的圓形導(dǎo)柱導(dǎo)向設(shè)計(jì)。定模板3 和動(dòng)模板10 的導(dǎo)柱旁邊設(shè)計(jì)了8°的定位斜面，以保證動(dòng)定模板的合模緊密性。模具立體結(jié)構(gòu)見圖10。

圖10 模具立體圖

3 模具工作過(guò)程

整套模具工作過(guò)程如下：

(1)注塑成型。在注塑機(jī)的作用下塑料熔體進(jìn)入一級(jí)熱流道板16 內(nèi)的保溫流道，再經(jīng)過(guò)二級(jí)直通熱噴嘴18 和二級(jí)順序閥熱噴嘴17 進(jìn)行填充成型，其中二級(jí)直通熱噴嘴18 的1 個(gè)進(jìn)膠口G1 是直接進(jìn)膠，塑料熔體直接進(jìn)入模具型腔成型，順序閥熱噴嘴 17 的 3 個(gè)進(jìn)膠口 G2，G3，G4 是間接進(jìn)膠，塑料熔體需流經(jīng)冷流道再由側(cè)澆口進(jìn)入模具型腔。如圖2、圖4 所示。塑料熔體充滿型腔后，經(jīng)保壓、冷卻和固化至足夠剛性。

(2)定模抽芯。開模之前，定模油缸4 開始工作，在油缸活塞的作用力下拉動(dòng)帶T 形扣的定模滑塊座5，同時(shí)帶動(dòng)定?；瑝K6 和定?；瑝K鑲針7 運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行側(cè)向抽芯脫模，抽芯行程為30 mm，如圖2、圖6a 所示。

(3)動(dòng)模抽芯。模具打開，注塑機(jī)帶動(dòng)動(dòng)模座板14 后退，斜導(dǎo)柱26 帶動(dòng)動(dòng)模滑塊27 進(jìn)行側(cè)向抽芯，抽芯行程為20 mm。如圖2、圖6b 所示。

(4)頂出。模具打開后，頂針板油缸41 帶動(dòng)頂針面板12 推動(dòng)斜頂桿35 和直頂桿23 推出成型的塑件，推出距離為120 mm。如圖2、圖9 所示。

(5)復(fù)位。塑件取出以后，頂針板油缸41 帶動(dòng)頂針底板13 推動(dòng)斜頂桿35 和直頂桿23 復(fù)位。

(6)合模。模具閉合，注塑機(jī)帶動(dòng)動(dòng)模座板14前進(jìn)，斜導(dǎo)柱26 帶動(dòng)動(dòng)?；瑝K27 復(fù)位，動(dòng)模、定模閉合，同時(shí)定模油缸4 帶動(dòng)定?；瑝K座5 復(fù)位，等待下一次注塑循環(huán)。

4 結(jié)論

(1)動(dòng)、定模插穿斜面8°的合理插穿角度，解決了大型模具合模的精度這一難題；

(2)通過(guò)采用“定模油缸+滑塊+滑塊針”的抽芯機(jī)構(gòu)，動(dòng)?！靶睂?dǎo)柱+滑塊”和“油缸+滑塊”的抽芯機(jī)構(gòu)，成功解決了多方向扣位脫模難的問(wèn)題；

(3)通過(guò)采用“頂針板油缸+直頂桿(推塊)+斜頂桿”組合脫模機(jī)構(gòu)，成功解決了因推桿復(fù)位不良，導(dǎo)致和滑塊相撞問(wèn)題；

(4)通過(guò)采用組合式的冷卻水路結(jié)構(gòu)和水冷溫度控制系統(tǒng)的控制，快速降低和穩(wěn)定模溫，可以將注射周期縮短15%；

(5)模具各機(jī)構(gòu)先進(jìn)合理，投產(chǎn)后運(yùn)行平穩(wěn)，安全可靠。前保險(xiǎn)杠成型塑件尺寸精度達(dá)到了MT3(GB／T 14486–2008)的設(shè)計(jì)要求，裝配效果良好，通過(guò)了各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。