汽車(chē)車(chē)燈邊框薄壁件多向側(cè)抽芯注塑模具設(shè)計(jì)

費(fèi)曉瑜，鄭偉

(天津市職業(yè)大學(xué)，天津 300410)

隨著塑料制件在汽車(chē)制造業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，汽車(chē)注塑類(lèi)模具的需求日益增大，由于汽車(chē)配件往往形狀復(fù)雜、具有較多的倒扣結(jié)構(gòu)，且要求質(zhì)量和美觀(guān)性，這就給模具的設(shè)計(jì)增加了難度。

筆者針對(duì)某車(chē)型的車(chē)燈邊框進(jìn)行了結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)分析，該制件具有很強(qiáng)的代表性，總體為弧形結(jié)構(gòu)，屬于薄壁件，用于安裝固定的卡扣數(shù)量較多且方向不一致，尺寸精度要求高，工藝復(fù)雜，成型過(guò)程中易出現(xiàn)變形、翹曲、欠注等缺陷。為有效解決這些問(wèn)題，制定了針對(duì)此類(lèi)產(chǎn)品的熱流道多向復(fù)雜側(cè)抽芯注塑模具的整體設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)制件弧形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了隨型冷卻系統(tǒng)，為解決類(lèi)似結(jié)構(gòu)制件難以均勻冷卻的問(wèn)題提供了可行的方案依據(jù)。

1 制件結(jié)構(gòu)和工藝分析

制件為某汽車(chē)車(chē)燈邊框，所用材料為聚碳酸酯(PC)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)，收縮率為0.5%[1]，該制件尺寸為430 mm×111.5 mm× 331 mm，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出，制件是具有不規(guī)則弧形結(jié)構(gòu)的薄壁件，利用三維建模軟件UGNX12.0檢查制件的壁厚，制件最大壁厚為2.3 mm，最小壁厚1.3 mm，制件的外觀(guān)及尺寸精度要求達(dá)到MT3級(jí)。制件內(nèi)側(cè)及邊緣有多處細(xì)小的卡扣，且卡扣的方向和角度不同。該模具設(shè)計(jì)難點(diǎn)是：制件為不規(guī)則弧形結(jié)構(gòu)，制件在模具中的擺放位置尤為關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)分型面時(shí)既要考慮模具結(jié)構(gòu)尺寸又要利于制件的成型與脫模，同時(shí)為了保證制件的成型流動(dòng)性以及尺寸精度，需采用熱流道澆注系統(tǒng)[2-3]；不規(guī)則弧形結(jié)構(gòu)也給冷卻水路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的困難，需要設(shè)計(jì)隨型水路；制件多方向的卡扣結(jié)構(gòu)導(dǎo)致制件脫模困難并且影響制件的成型流動(dòng)性和精度，增加了模具的復(fù)雜度，設(shè)計(jì)多向側(cè)抽芯以及斜頂機(jī)構(gòu)時(shí)需要考慮側(cè)滑塊的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和位置。當(dāng)在模具中同時(shí)存在內(nèi)外側(cè)抽芯，且有斜向內(nèi)側(cè)抽芯時(shí)，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必需考慮以下三點(diǎn)：①各個(gè)滑塊的抽芯距離；②多向側(cè)抽芯同時(shí)移動(dòng)時(shí)，抽芯力的大小，抽芯時(shí)是否會(huì)拉裂塑料制件；③模具各零部件之間是否存在干涉碰撞，致使模具運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖死[4]。

圖1 制件三維結(jié)構(gòu)

2 成型零件設(shè)計(jì)

型腔的布局直接影響模具的結(jié)構(gòu)以及制件的成型工藝，由于制件結(jié)構(gòu)長(zhǎng)而窄，同時(shí)為了保證設(shè)計(jì)的模具生產(chǎn)的塑料制件能夠滿(mǎn)足精度要求，也能滿(mǎn)足澆注系統(tǒng)平衡的要求，確定模具設(shè)計(jì)為一模兩腔的形式，如圖2所示。為了保證塑件的質(zhì)量要求以及順利脫模，選取制件的最大輪廓處作為分型面，模具開(kāi)模后產(chǎn)品留在型芯一側(cè)。型腔采用整體式結(jié)構(gòu)，型芯設(shè)計(jì)成鑲塊拼接結(jié)構(gòu)，為了節(jié)約成本減輕型芯質(zhì)量，鑲塊1底部與鑲塊2設(shè)計(jì)成臺(tái)階式，型芯與模板的配合為過(guò)渡配合，公差為H7/m6?？紤]到制件的弧形結(jié)構(gòu)，型腔和型芯各設(shè)有兩個(gè)管位以保證合模精度，型腔和型芯外圍開(kāi)設(shè)有耐磨板，便于模具的加工與裝配。該模具的成型零部件還包括10個(gè)對(duì)稱(chēng)滑塊及4個(gè)對(duì)稱(chēng)斜頂。

圖2 模具的型腔和型芯

3 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

制件形狀為弧形結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)有多處不同方向的卡扣使得模具側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，內(nèi)抽芯、外側(cè)抽芯以及斜頂?shù)奈恢貌季职才艖?yīng)合理，以避免發(fā)生干涉現(xiàn)象[4-7]。圖3為制件扣位放大圖，從圖3可以看出制件有10處卡扣(K1～K10)，且方向各異，相鄰卡扣之間距離較小，同時(shí)由于分型面位于制件最大輪廓處，因此分型面為曲面，這就給滑塊成型部分的設(shè)計(jì)增加了難度。綜合考慮制件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為避免模具各零部件發(fā)生干涉碰撞，K1，K7，K8處卡扣采用斜頂脫模，其它卡扣處設(shè)計(jì)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)進(jìn)行先抽芯再脫模。側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)布局如圖4所示，其中卡扣K2，K3和K4處分別對(duì)應(yīng)側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)S1，S2和S3，卡扣K5和K6距離較近且側(cè)向抽芯方向一致，因此設(shè)計(jì)為一個(gè)整體式側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)S4，卡扣K9和K10斜度較大，為減小抽芯力，防止抽芯時(shí)拉裂制件，側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)S5采用組合式滑塊。各側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的組成零件如圖5所示。

圖3 扣位放大圖

圖4 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)布局

圖5 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)

側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)S1，S2，S4為外側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，S3為內(nèi)抽芯機(jī)構(gòu)，均為“滑塊+斜導(dǎo)柱+楔緊塊”結(jié)構(gòu)，考慮兩個(gè)制件內(nèi)側(cè)距離較短，將S3楔緊塊做成整體式。為預(yù)防滑塊在使用過(guò)程中出現(xiàn)松動(dòng)，結(jié)構(gòu)較小的S1，S2，S3采用限位夾進(jìn)行限位，S4整體結(jié)構(gòu)較大，采用“限位塊+限位夾”限位，滑塊與楔緊塊之間均設(shè)有耐磨塊。經(jīng)過(guò)計(jì)算，制件垂直頂出距離均滿(mǎn)足脫模要求，S1側(cè)抽芯方向與水平方向夾角為3.9°，S2側(cè)抽芯方向與水平方向夾角為15.7°，S3側(cè)抽芯方向與水平方向夾角為11.4°，S4側(cè)抽芯方向與水平方向夾角為35.8°。開(kāi)模時(shí)定模與動(dòng)模部分沿著分型面分開(kāi)，各滑塊在斜導(dǎo)柱的導(dǎo)向作用下遠(yuǎn)離制件實(shí)現(xiàn)側(cè)抽芯，當(dāng)滑塊底部的限位槽接觸到限位夾時(shí)，滑塊停止運(yùn)動(dòng)，側(cè)抽芯動(dòng)作完成。

S5設(shè)計(jì)為“滑塊+拔塊+工字塊”結(jié)構(gòu)，采用“限位塊+限位夾”限位。K9和K10兩個(gè)卡扣雖方向一致，但是考慮到距離較遠(yuǎn)，若做成整體式滑塊抽芯力較大，在抽芯時(shí)可能會(huì)對(duì)制件造成破壞，因此設(shè)計(jì)為兩個(gè)滑塊組合式抽芯機(jī)構(gòu)，兩個(gè)滑塊安裝在一個(gè)工字塊的T型槽內(nèi)，開(kāi)模時(shí)工字塊在拔塊的帶動(dòng)下開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)滑塊沿著抽芯方向運(yùn)動(dòng)，使之脫離卡扣，當(dāng)工字塊底部的限位槽接觸到限位夾時(shí)，滑塊停止運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)側(cè)抽芯。

4 頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于制件要求表面光滑無(wú)頂痕，因而頂出系統(tǒng)由斜頂、頂桿以及“頂桿+頂塊”構(gòu)成，如圖6所示。斜頂采用分體式，便于更換和維修，斜頂頭和斜頂桿用定位銷(xiāo)進(jìn)行定位，為了保證斜頂頭和斜頂桿角度精度一致，防止頂出時(shí)妨礙斜頂頂出以及出現(xiàn)毛刺，將斜頂頭三面設(shè)計(jì)成斜面，同時(shí)為了避免產(chǎn)生撅白或折斷現(xiàn)象，將斜頂頭設(shè)計(jì)為只成型倒扣中妨礙脫模的部分，從而減小開(kāi)模時(shí)對(duì)倒扣處產(chǎn)生的側(cè)向拉力。頂桿和頂塊均采用T8鋼，經(jīng)熱處理后硬度達(dá)到53～55HRC。

圖6 頂出機(jī)構(gòu)

5 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱流道澆注系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠始終保持塑料熔體在型腔中的流動(dòng)狀態(tài)，降低熱量和壓力損耗，并且熱流道澆注系統(tǒng)具有無(wú)水口料、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(shì)，在汽車(chē)塑料模具的制造中已經(jīng)廣泛應(yīng)用[8-10]。制件長(zhǎng)度方向尺寸較大，如果采用普通流道澆注系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致塑料熔體在型腔內(nèi)流動(dòng)距離太長(zhǎng)，造成型腔末端填充不滿(mǎn)，因此采用開(kāi)放式熱流道澆注系統(tǒng)，如圖7所示。該系統(tǒng)包含一塊熱流道板、兩塊分流道板、一個(gè)一級(jí)熱嘴、兩個(gè)二級(jí)直通熱噴嘴，熱流道板與分流道板之間夾角為41.4°。為防止熱噴嘴周?chē)鷾囟冗^(guò)高造成拉絲、流延、膠流殘留等缺陷，設(shè)計(jì)了獨(dú)立的澆注系統(tǒng)冷卻水道。通過(guò)CAE模流分析確定合理的澆口位置，將澆口設(shè)置在制件碰穿孔的邊緣附近，能夠較好地填充型腔、避免熔接痕的產(chǎn)生以及減少塑膠熔體的熱量流失。

圖7 澆注系統(tǒng)

6 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨形冷卻是隨著模具型芯、型腔的復(fù)雜形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃冷卻管道，管道直徑可以不斷變化。相對(duì)傳統(tǒng)水路，隨形水路能夠隨著制件表面幾何形狀的變化而變化，更加均勻地分布在模具型腔的周?chē)?，給制件均勻降溫，同時(shí)可以縮短注塑周期、防止零件變形[11-13]。根據(jù)制件弧形結(jié)構(gòu)，水路依據(jù)制件外形設(shè)計(jì)為7組回路，其中澆注系統(tǒng)1組(H1)、型腔2組(H2，H3)、型芯4組(H4～H7)，均采用直通式水管+傾斜式水管，如圖8所示。冷卻管道直徑D和管道之間間距L的關(guān)系式為L(zhǎng)=kD，系數(shù)參數(shù)k取3～5[14]，受空間結(jié)構(gòu)的影響，水管直徑設(shè)計(jì)為10 mm，在空間允許的范圍內(nèi)，水管直徑為16 mm，管道間距最小為30 mm。隨型冷卻回路成網(wǎng)狀分布，冷卻總面積達(dá)到90%左右，能夠保證成型制件尺寸達(dá)到客戶(hù)要求的MT3精度。在設(shè)計(jì)冷卻回路時(shí)要避免與頂出機(jī)構(gòu)和側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)干涉，否則注塑時(shí)會(huì)發(fā)生漏水現(xiàn)象。為了便于安裝，各個(gè)回路的進(jìn)水口與出水口都設(shè)置在模具的同一側(cè)。

圖8 隨型冷卻水路

7 模具工作過(guò)程

模具裝配圖如圖9所示。合模狀態(tài)下，塑料顆粒經(jīng)注塑機(jī)加熱塑化后，依次進(jìn)入一級(jí)熱嘴、熱流道板、分流道板、二級(jí)熱噴嘴，最后進(jìn)入型腔；塑料熔體充滿(mǎn)型腔后保壓一段時(shí)間開(kāi)始冷卻，冷卻水從7個(gè)進(jìn)水口同時(shí)進(jìn)入型腔，能夠均勻冷卻制件各個(gè)位置；當(dāng)達(dá)到頂出條件后，注塑機(jī)帶動(dòng)模具動(dòng)模固定板運(yùn)動(dòng)，使得動(dòng)模與定模部分沿著分型面打開(kāi)，在開(kāi)模的同時(shí)，側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)開(kāi)始進(jìn)行側(cè)向抽芯；開(kāi)模結(jié)束后，注塑機(jī)油缸帶動(dòng)頂棍推動(dòng)推出機(jī)構(gòu)將制件頂出，待制件脫落后開(kāi)始合模，復(fù)位桿在彈簧的作用下開(kāi)始復(fù)位，在注塑機(jī)的推動(dòng)下，斜導(dǎo)柱和鏟機(jī)帶動(dòng)滑塊復(fù)位，推件板以及頂桿固定板在復(fù)位桿的作用下完成復(fù)位，之后進(jìn)行下一個(gè)注塑過(guò)程循環(huán)。

圖9 模具裝配圖

8 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)制件弧形結(jié)構(gòu)以及具有多處卡扣的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款復(fù)雜側(cè)抽芯注塑模具結(jié)構(gòu)，模具分型面為制件最大輪廓處。

(2)采用開(kāi)放式熱流道澆注系統(tǒng)，并利用CAE軟件模擬分析確定最佳澆口位置，確保塑料熔體均勻填滿(mǎn)型腔，減少熔接痕。

(3)采用多向側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，內(nèi)外側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)，解決了制件多處不同方位存在卡扣導(dǎo)致脫模難度大的問(wèn)題。

(4)采用隨型冷卻系統(tǒng)按照制件外形設(shè)計(jì)冷卻回路，達(dá)到較好的均勻冷卻效果，保證了制件的成型質(zhì)量。