高端輕卡儀表板優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王珍珍，劉憲，張衛(wèi)華

(東風(fēng)延鋒汽車(chē)飾件系統(tǒng)有限公司，湖北武漢 430056)

0 引言

汽車(chē)儀表板作為車(chē)身內(nèi)飾的核心部件，一直都是零部件廠家競(jìng)爭(zhēng)的主流產(chǎn)品。近年來(lái)我國(guó)與國(guó)際市場(chǎng)接軌，各大主機(jī)廠陸續(xù)推出高端輕型商用車(chē)。

為應(yīng)對(duì)高端輕卡儀表板的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)要求，通過(guò)消化吸收，多方論證，同時(shí)結(jié)合當(dāng)前儀表板行業(yè)存在的缺陷和產(chǎn)品特殊工藝要求，開(kāi)展創(chuàng)新性工藝研究與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用了獨(dú)創(chuàng)的模具預(yù)變形設(shè)計(jì)技術(shù)、環(huán)形定位緊固技術(shù)、高分子熔體注射角度設(shè)計(jì)技術(shù)，使產(chǎn)品外觀質(zhì)量及可靠性大大提高，勞動(dòng)生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益等都有了綜合性的提升。

1 注塑模預(yù)變形制造技術(shù)

1.1 問(wèn)題描述

方形雜物盒是商用車(chē)乘用車(chē)常見(jiàn)的儲(chǔ)物空間，這類(lèi)雜物盒制造過(guò)程普遍存在一個(gè)問(wèn)題——盒體長(zhǎng)邊向內(nèi)側(cè)凹陷變形。變形后的盒體與周邊零件間隙不均，無(wú)法直接裝車(chē)使用。

針對(duì)雜物盒變形造成的影響，傳統(tǒng)方法是使用矯形工裝對(duì)口部進(jìn)行矯形。但長(zhǎng)時(shí)間受到環(huán)境溫度交替變化影響后，雜物盒口部變形回彈再次出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象。

1.2 技術(shù)原理

利用模流分析工具計(jì)算了雜物盒開(kāi)口多點(diǎn)的體積收縮率[1](圖1)，用開(kāi)口處最大體積收縮率乘以體積得到雜物盒開(kāi)口的理論最大變形量xmax，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，理論最大變形量并不是實(shí)際的最大變形量，因此總結(jié)了預(yù)變形經(jīng)驗(yàn)系數(shù)κ0，不同的原材料有不同的κ0值。另外，考慮到原材料收縮率的影響，將收縮率η納入考量范圍。最大變形量nmax=理論最大變形量xmax×預(yù)變形經(jīng)驗(yàn)系數(shù)κ0×原材料收縮率η×1 000。同理，可計(jì)算出盒體每個(gè)點(diǎn)的變形量并連接成曲線和曲面。

圖1 體積收縮率

1.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

(1)最大預(yù)變形量計(jì)算。通過(guò)數(shù)據(jù)分析計(jì)算雜物盒口部變形位置及變形量，并在模具設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留變形量，如圖2所示。

圖2 預(yù)留變形量示意

最大預(yù)變形量nmax最大值的計(jì)算方法如下：

nmax=xmax×κ0×η×1 000

式中：nmax為雜物盒口部最大預(yù)變形量；

x為模流分析得出的變形量；

xmax為模流分析得出的最大變形量；

κ0為第一次預(yù)變形經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；

η為塑料材料收縮率(千分比)。

通過(guò)模流分析得出的變形量x計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的變形量(n),形成變形量曲線/面。

(2)預(yù)變形量的修正?？紤]到模具材質(zhì)導(dǎo)熱能力有高有低，預(yù)變形量需作相應(yīng)修正，模具材質(zhì)的修正系數(shù)為κ1。

預(yù)變形修正值f(n)′計(jì)算如下：

f(n)′=f(n)×κ1

通過(guò)對(duì)變形量的計(jì)算及修正，將修正后的預(yù)變形量應(yīng)用到模具設(shè)計(jì)中，取得了良好的效果。

2 環(huán)形定位緊固技術(shù)

2.1 問(wèn)題描述

世界各國(guó)交通規(guī)則的差異使得左舵車(chē)和右舵車(chē)并存，同一型號(hào)的左/右舵車(chē)型以及新開(kāi)發(fā)的換代車(chē)型要求盡可能通用配件，以減少開(kāi)發(fā)和制造成本[2]。在這個(gè)前提下，將儀表板設(shè)計(jì)為多段式分體結(jié)構(gòu)，由多段單獨(dú)的儀表板本體及除霜蓋板裝配組合成一個(gè)整體，如圖3所示。為實(shí)現(xiàn)儀表板的分塊拼裝并保證儀表板的整體間隙面差均勻，外觀質(zhì)量良好，對(duì)定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

圖3 多段拼接式儀表板

儀表板整體強(qiáng)度剛性要求較高，卡接式結(jié)構(gòu)往往不能滿(mǎn)足要求，螺釘裝配儀表板產(chǎn)品是最常見(jiàn)的安裝方式[3]。普通的螺釘安裝結(jié)構(gòu)存在不足之處，如圖4所示。

圖4 無(wú)定位功能的緊固結(jié)構(gòu)圖

由圖可知，由于A零件的螺釘孔是一個(gè)過(guò)孔，僅能起到使A、B零件相互鎖緊的作用，不能作定位。因此，A、B零件定位需要靠其他的結(jié)構(gòu)(如定位筋、定位柱等)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而增加了產(chǎn)品和模具的復(fù)雜程度。當(dāng)A、B零件安裝結(jié)構(gòu)的空間很小時(shí)，就會(huì)給定位結(jié)構(gòu)的布置帶來(lái)困難。同時(shí)，粗大的定位結(jié)構(gòu)會(huì)使得產(chǎn)品表面產(chǎn)生縮痕缺陷[4]。

2.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

為了保證儀表板的裝配效果和提高產(chǎn)品表面質(zhì)量。設(shè)計(jì)了環(huán)形定位緊固結(jié)構(gòu)，除了能起到使兩個(gè)零件相互鎖緊的作用，還能對(duì)兩個(gè)零件的安裝進(jìn)行定位，不需要另外布置定位結(jié)構(gòu)，節(jié)省安裝結(jié)構(gòu)的空間，簡(jiǎn)化零件結(jié)構(gòu)。

如圖5所示，在A零件安裝孔外增加環(huán)形凸臺(tái)，其內(nèi)徑與B零件螺釘柱外徑相同，安裝時(shí)通過(guò)環(huán)形凸臺(tái)與螺釘柱的配合，可以實(shí)現(xiàn)A、B零件的定位功能。環(huán)形凸臺(tái)有倒角，在裝配時(shí)便于螺釘柱的插入，給工人的裝配操作帶來(lái)便利。總結(jié)形成技術(shù)規(guī)范，見(jiàn)表1。

圖5 帶定位功能的緊固結(jié)構(gòu)圖

表1 環(huán)形定位結(jié)構(gòu)技術(shù)要求

新型的螺釘定位緊固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了將儀表板本體一分為多的設(shè)計(jì)構(gòu)想，同時(shí)減少了單獨(dú)的定位結(jié)構(gòu)布局，實(shí)現(xiàn)了單結(jié)構(gòu)多用途的功能。大大簡(jiǎn)化了模具和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，也避免了單獨(dú)定位結(jié)構(gòu)帶來(lái)的縮痕風(fēng)險(xiǎn)，提高了產(chǎn)品外觀質(zhì)量和裝配效率。同時(shí)儀表板間隙尺寸得到保證，儀表板間隙均在公差范圍內(nèi)。

3 高分子熔體注射角度設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1 問(wèn)題描述

通過(guò)對(duì)競(jìng)品車(chē)型調(diào)查分析，歐洲/日本的輕卡儀表板外觀質(zhì)量明顯高于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)車(chē)型，而國(guó)產(chǎn)車(chē)型最明顯的外觀缺陷就是應(yīng)力痕。目前國(guó)產(chǎn)車(chē)型儀表板的應(yīng)力痕主要靠噴漆掩蓋或客戶(hù)讓步接受。然而噴漆成本高，同時(shí)造成環(huán)境污染，因此必須從根本上解決產(chǎn)品的應(yīng)力痕問(wèn)題。

注塑成型時(shí)，受剪切力的作用，產(chǎn)品加強(qiáng)筋擾亂熔體的流動(dòng)，改變筋位附近的分子取向形成應(yīng)力痕(圖6)。應(yīng)力痕是由無(wú)數(shù)與料流方向垂直的拉伸取向分子和它們之間的微細(xì)距離組成的集合體[5]。尤其是熔體流動(dòng)方向與加強(qiáng)筋平行時(shí)，分子取向最為明顯[1]，表面的應(yīng)力痕也最為嚴(yán)重。

圖6 儀表板應(yīng)力痕

3.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

首先從不同產(chǎn)品的長(zhǎng)寬尺寸與入射角度的關(guān)系著手進(jìn)行仿真分析，當(dāng)澆口呈90°直角時(shí)，虛線框內(nèi)熔體發(fā)生滯留產(chǎn)生應(yīng)力痕，模流分析結(jié)果如圖7所示;當(dāng)澆口呈一斜角時(shí)，熔體流動(dòng)無(wú)明顯滯留，模流分析結(jié)果如圖8所示。由圖可知，當(dāng)入射角度為arctan(x/y)(x為產(chǎn)品最大寬度，y為產(chǎn)品最大長(zhǎng)度)時(shí)熔體滯留最不明顯。然后設(shè)計(jì)了不同壁厚的同一產(chǎn)品進(jìn)行仿真分析，針對(duì)壁厚的影響進(jìn)一步修正了公式，熔體滯留現(xiàn)象進(jìn)一步得到改善。最后又用不同的材料進(jìn)行仿真分析，不同的材料有不同的流動(dòng)性能，適用不同的入射角度，因此總結(jié)了幾種常用材料的角度系數(shù)。經(jīng)過(guò)逐步完善注射角度計(jì)算公式以及多產(chǎn)品多材料的模流分析驗(yàn)證，最終得到可完全消除應(yīng)力痕的入射角度公式。

圖7 應(yīng)力痕明顯的模流分析結(jié)果

圖8 應(yīng)力痕不明顯的模流分析結(jié)果

最佳的入射角計(jì)算公式：

式中：α為入射角度;

x為產(chǎn)品最大寬度;

y為產(chǎn)品最大長(zhǎng)度;

d為產(chǎn)品壁厚;

k為角度系數(shù),PP材料k=0.92,ABS材料k=0.89,PA6材料k=1.06。

注射角度優(yōu)化后，產(chǎn)品外觀面無(wú)可視應(yīng)力痕(圖9)，生產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，調(diào)試廢損率低，達(dá)到預(yù)期效果。

圖9 儀表板應(yīng)力痕消除

4 結(jié)論

通過(guò)模具預(yù)變形制造技術(shù)、環(huán)形定位緊固技術(shù)和熔體注射角度設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，使出口高端輕卡儀表板項(xiàng)目順利量產(chǎn)，產(chǎn)品外觀質(zhì)量及可靠性得到提升，生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益等都有了綜合性的提升。經(jīng)過(guò)理論與實(shí)際結(jié)合，反復(fù)驗(yàn)證優(yōu)化，形成了一套有效的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能縮短同類(lèi)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，以及在設(shè)計(jì)階段預(yù)防潛在質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生。然而，在技術(shù)開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)一些不足之處，如采用預(yù)變形技術(shù)的模具制造成本比普通模具高，后期將對(duì)非平衡冷卻技術(shù)進(jìn)行研究，力爭(zhēng)在不提高成本的情況下解決產(chǎn)品變形問(wèn)題。