汽車行李架水輔注塑模具設計

藺福志，舒友祥，高登明，劉黃軍

(嘉興信元精密模具科技有限公司，浙江 嘉興 314031)

0 引言

目前市場上的汽車行李架分為： ①金屬行李架，其缺點是由多個部件組成，需非常復雜的結(jié)構設計，且金屬件外觀的拋光處理費工費時，產(chǎn)品成本高昂；②鋁合金擠出型材噴漆+塑料安裝腳(噴漆)，缺點是鋁合金噴漆后，漆容易脫落，且維修麻煩，成本也較高；③普通注塑成型，全塑料底座+外殼(噴漆)，缺點是設計限制，需要與車頂多點連接，且產(chǎn)品的承重有限，無法作為承重的功能件使用[1-4]?；谝陨蠁栴}，本文以降低成本、提高品質(zhì)為導向，提出以PA6+GF50塑膠材料來做行李架，并以水輔模具來注塑成型，避免了市場上各類行李架制作成本高、效率低的問題。水輔注塑模具可以將行李架一體注塑成型，使其集約化設計，大幅度減少零部件，總體零部件成本降低20%以上。生產(chǎn)高度自動化，提高了生產(chǎn)效率，降低了工藝出錯概率，利用注塑成型良好的工藝特性，提高了產(chǎn)品的設計想象空間。

1 水輔注塑原理

水輔注塑原理說明： ①將模具型腔快速充填完成；②注水噴頭將高壓水注入型腔推動膠料前進，與此同時，注塑機螺桿及熱咀閥針回退；③持續(xù)的高壓水將多余熔體推回熱咀后，注塑機螺桿停止回退及熱咀閥針關閉；④等熔體冷卻完成后，注水噴頭又將水回抽，抽水完成后注水噴頭在抽芯機構的帶動下退到指定位置。最后開模并頂出，取出產(chǎn)品。水輔注塑原理如圖1所示。

(a) 注膠階段

(b) 注水

(c) 水保壓階段

(d) 水回流階段圖1 水輔注塑基本原理示意

2 水輔模具的設計

2.1 澆注系統(tǒng)

基于Moldflow軟件分析，行李架水輔注塑成型所涉及澆注系統(tǒng)基本信息如下。

材料： PA6+GF50，B3G10SI；產(chǎn)品體積： 859 cm3；型腔數(shù)量： 1+1；澆口數(shù)量： 1+1；基本壁厚： 17 mm；充填時間： 8.7 s；熔體溫度： 280℃；脫模溫度： 165℃；模具溫度： 80℃；V/P轉(zhuǎn)換： 98.9%。CAE解析： 考慮到零件外觀需求、結(jié)構特點，水輔成型的原理，水輔注塑殘余壁厚的影響[5]，水輔注塑對產(chǎn)品變形及收縮的影響[6]，PA6+GF5材料模擬[7]及變形的分析[8]，該行李架產(chǎn)品采用單點進膠，在產(chǎn)品兩端設計一段較長的流道，后續(xù)澆口料頭通過二次加工去除，此材料可二次回收使用，對成本影響較小[9]。

對于進膠端的料流通道，為在高壓注水時將產(chǎn)品中空區(qū)域的塑料通過流道退回至熱流道系統(tǒng)內(nèi)，此流道的直徑設計如果不到產(chǎn)品總厚度的2/3，會造成流道冷卻凝固，無法快速、甚至無法將產(chǎn)品中空部分的塑料退回至熱流道系統(tǒng)內(nèi)，因此建議流道直徑做到與產(chǎn)品總厚度一致。對于此段流道的長度也不能設計得過短，因為高壓注水既要保證能吹空產(chǎn)品，又必須保證注水不能進入熱流道系統(tǒng)內(nèi)(注水進入熱流道系統(tǒng)內(nèi)會造成下面連續(xù)幾模產(chǎn)品報廢)，且注水設備在同樣壓力與時間下，吹空到達的位置都不一致，連續(xù)50次模擬實驗結(jié)果表明： 偏差在0～150 mm范圍內(nèi)，故流道長度需設計在250 mm左右。

對于注水端的料流通道，水輔高壓注水需通過此流道將產(chǎn)品中空區(qū)域的塑料退回至熱流道系統(tǒng)內(nèi)，需要將料流通道內(nèi)中空的體積與產(chǎn)品中空的體積做到接近一致來實現(xiàn)快速注水的目的，最大程度地降低產(chǎn)品外觀缺陷。高壓注水進入流道需要一段直身的緩沖區(qū)域，否則此段緩沖區(qū)域高壓注水會擊穿流道或產(chǎn)品，無法實現(xiàn)水輔成型，通過驗證將流道長度設計為約130 mm(見圖2)。

圖2 水輔注塑的澆口及注塑填充過程示意

2.2 抽芯結(jié)構設計

如圖3所示，零件兩側(cè)沿開模方向存在呈倒扣狀的側(cè)凹特征，為了實現(xiàn)順利脫模，采用兩側(cè)滑塊抽芯結(jié)構。產(chǎn)品兩側(cè)均為外觀面，為使兩側(cè)滑塊段差線在模具配合國產(chǎn)中做到最優(yōu)，將兩側(cè)大滑塊設計成前模彈塊式樣，采用彈簧+T型塊方式驅(qū)動。因型腔為1+1對稱排布，模具中的側(cè)滑塊會做相對方向運動，考慮到模具空間的合理利用，模具中間的滑塊采取T型槽式的斜向驅(qū)動結(jié)構，且中間相對運動的滑塊共用同一鏟基，在保證滑塊正常運動行程的前提下，有利于中間間距的合理縮小，減少模具總體寬度，降低模具成本。因注塑零件整條都有側(cè)凹倒扣，所以外側(cè)整條側(cè)面都由大型滑塊抽芯實現(xiàn)，本注塑零件的兩外側(cè)大滑塊長度為1 480 mm，寬度為165 mm，高度為145 mm。為便于鉗工裝配及提高摩擦面、碰撞面的使用壽命，滑塊上表面間段式分布平衡塊，滑塊外側(cè)斜面間段式設計耐磨塊。考慮到大滑塊的熱量控制需求，在大滑塊內(nèi)部需排布冷卻水路?；瑝K冷卻水路為一進一出，因滑塊為運動件，進、冷卻出水管采用不銹鋼加長管接頭，便于引出到外圍軟管轉(zhuǎn)接，且預留滑塊運動時的水路管道部件活動空間。

(b) 產(chǎn)品主體結(jié)構截面

(c) 產(chǎn)品澆口截面圖3 模具抽芯結(jié)構示意

產(chǎn)品的螺釘嵌件在出模方向存在一定角度，螺釘?shù)囊话雲(yún)^(qū)域為出模倒扣，將倒扣區(qū)域采用斜頂方式出模，另一半采用動模鑲件，方便加工及后續(xù)的調(diào)試。

產(chǎn)品兩頭端部區(qū)域為外觀可視面，故需將流道伸入產(chǎn)品底部，防止去除料頭時損壞產(chǎn)品外邊緣，所以產(chǎn)品兩端連接流道區(qū)域采用滑塊方式出模。

注水噴頭的端部有凹槽，產(chǎn)品填充時會灌膠進去，形成側(cè)向倒扣，造成頂出拉傷，需將噴頭做成滑塊式樣，使其在開模前退開一定行程脫離倒扣，從而避免頂出拉傷。

2.3 頂出系統(tǒng)設計

一體式行李架產(chǎn)品的頂出系統(tǒng)重點在于頂出平衡，防止出現(xiàn)掉件。本例中注塑零件總成組件為細長狀，零件中可排布圓形頂針的位置比較充足，產(chǎn)品底面比較平整，斜頂頂出時有側(cè)向力，易使產(chǎn)品掉件，設計時將兩端流道上的頂針做5 mm深凸臺定位，防止產(chǎn)品頂出時被斜頂帶走，頂出后可以固定產(chǎn)品，防止掉件，且此5 mm凸臺不會對機械手取件造成影響。

2.4 冷卻系統(tǒng)設計

本例注塑模定模及動模都采用橫向沿制品外表面冷卻，其優(yōu)點是冷卻均勻、可通過水路調(diào)節(jié)模溫來控制產(chǎn)品變形[10]，如圖4所示。

(a) 定模冷卻

(b) 動模冷卻圖4 動模及定模冷卻示意

2.5 模具總裝結(jié)構

如圖5所示，水輔注塑過程及模具結(jié)構的運動方式如下：

(1) 模具復位。在開模狀態(tài)下，油缸將頂針板回拉退到位(在導柱、回針的導向下運動)，頂針板上的司筒、頂針等零部件隨著回位。

(a) 模具截面示意一

(b) 模具截面示意二圖5 模具結(jié)構

(2) 放置嵌件。接著將嵌件放入公模入子中。

(3) 閉模。在注塑機合模力的作用下，母模板、滑塊、公模板、滑塊等部件跟隨回到位，在油缸的作用下，將滑塊上的鏟基往回推，注水噴頭在鏟基的作用下回位，直到完成模具的合模，此為合模過程。

(4) 注膠。模具型腔在3 s內(nèi)快速充填完成，同時給水輔外接設備信號。

(5) 注水。水輔設備接收信號后，然后注水噴頭將高壓水注入型腔，推動膠料前進。與此同時，水輔外接設備又將信號反饋給注塑機及熱流道系統(tǒng)，注塑機螺桿及熱咀閥針回退，持續(xù)的高壓水將多余熔體推回熱咀后，注塑機螺桿停止回退及熱咀閥針關閉；油缸推動滑塊前進，在滑塊的作用下，滑塊又推動司筒針達到指定位置(司筒針的作用是減薄此處的膠料，防止膠料太厚難以冷卻，在頂出時沒冷卻的膠位溢流到模腔中)。

(6) 抽水。等熔體冷卻完成后，注水噴頭又將水回抽，抽水完成后注水噴頭在抽芯機構的帶動下回退到指定位置。

(7) 開模。模具在注塑機開模力的作用下，將公母模板分開。同時，滑塊等抽芯機構也隨著動作，直到完成抽芯。

(8) 頂出。開模到注塑機限定位置后，上、下頂針板在油缸的作用下向上運動，司筒、頂針隨著向上頂出，到限位塊的限定位置，與此同時，塑膠產(chǎn)品在司筒及頂針的作用下完成頂出，塑膠產(chǎn)品自動掉落，此為開模過程。

(a) 試模樣件

(b) 剖切后樣件

(c) 涂裝后樣件圖6 實物產(chǎn)品示意

3 結(jié)束語

通過Moldflow軟件模流分析，對水輔行李架注塑成型的澆口采用單點灌嘴，從一端進膠，通過高壓注水使產(chǎn)品形成中空狀態(tài)，加以輔助熔體保壓，使產(chǎn)品的外觀達到良好狀態(tài)，最后將水從產(chǎn)品空腔中抽出，實現(xiàn)行李架一體注塑成型。試模過程中，模具結(jié)構合理，所有的動作順暢，產(chǎn)品涂裝后的外觀達到了客戶的要求。經(jīng)過批量生產(chǎn)驗證，注塑模具所生產(chǎn)的產(chǎn)品外觀無缺陷，尺寸符合圖紙要求，生產(chǎn)穩(wěn)定。