汽車空調(diào)出風(fēng)口注塑模優(yōu)化設(shè)計(jì)

毛江峰

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興 312000)

汽車空調(diào)出風(fēng)口塑件是汽車空調(diào)系統(tǒng)的一種重要零件，特別是對(duì)于儀表臺(tái)上左右兩側(cè)和中間位置布置的4個(gè)出風(fēng)口，其出風(fēng)效果及可操作性深刻影響到消費(fèi)者的使用體驗(yàn)感。因而，此種塑件在4個(gè)方面應(yīng)引起塑件設(shè)計(jì)者重視：第一是安裝牢固性，第二是拆卸方便性，第三是風(fēng)口內(nèi)置裝置的多功能可調(diào)性，第四是能為使用者后續(xù)提供可改裝和加裝空間。出風(fēng)口塑件形狀及較多的內(nèi)外壁附加特征是此種塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要特點(diǎn)，隨著塑件結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，對(duì)注塑工藝中模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來很大的挑戰(zhàn)，需要模具設(shè)計(jì)工程師從澆注、成型件設(shè)計(jì)、冷卻方式、脫模機(jī)構(gòu)及模具整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面做更多的綜合和優(yōu)化考慮，以最優(yōu)化的技術(shù)因素將模具投入生產(chǎn)，增加模具制造企業(yè)在市場(chǎng)資源競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)[1–4]。筆者結(jié)合某新款汽車儀表臺(tái)出風(fēng)口塑件的模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一副假三板注塑模具，能為模具企業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐提供有益借鑒。

1 空調(diào)出風(fēng)口塑件

某新款汽車空調(diào)出風(fēng)口塑件的結(jié)構(gòu)形狀如圖1所示，塑件結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成，以DL平面為界，分成兩部分，一部分為水平矩形口部分，另一部分為斜喇叭口部分。水平矩形口部分用于與汽車儀表臺(tái)內(nèi)空調(diào)管道的插接，斜喇叭口部分用于塑件在儀表臺(tái)上的扣接安裝。斜喇叭口外壁上所設(shè)置的特征主要用于出風(fēng)口本身在儀表臺(tái)上的插接安裝，內(nèi)壁上所設(shè)置的特征主要用于調(diào)節(jié)風(fēng)葉的安裝。塑件材料的選擇依據(jù)汽車的配置有所不同，高檔配置使用聚碳酸酯(PC)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)合金，中檔配置使用ABS，低檔配置使用30%滑石粉改性的聚丙烯塑料。針對(duì)不同的配置，模具結(jié)構(gòu)使用同種結(jié)構(gòu)。本例中，材料使用高配的PC/ABS合金，材料的收縮率為0.54%～0.59%。塑件的包裝尺寸為107 mm×56 mm×129 mm，其整體結(jié)構(gòu)尺寸不大，在注塑模具設(shè)計(jì)分類中，屬于中小型塑件注塑模具[5–8]。

圖1 空調(diào)出風(fēng)口塑件

2 模具設(shè)計(jì)方案

鑒于各壁上所設(shè)置的附加特征各不相同的緣故，在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，須首先對(duì)各面進(jìn)行標(biāo)識(shí)區(qū)分后，再針對(duì)各壁上的特征進(jìn)行有針對(duì)性的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣能有效簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，同時(shí)也能化繁就簡(jiǎn)，降低模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。因而，對(duì)塑件的結(jié)構(gòu)構(gòu)成作以下區(qū)分：結(jié)合圖1，針對(duì)塑件的外壁，將塑件外壁劃分為頂壁、底壁、前端口、后端口、左側(cè)壁、右側(cè)壁6個(gè)分區(qū)；內(nèi)壁則直接劃分為水平矩形口內(nèi)壁和斜喇叭口內(nèi)壁2個(gè)分區(qū)。按此劃分后，再進(jìn)行有針對(duì)性的成型件設(shè)計(jì)和脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)置，這樣能非常有效地降低塑件的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。經(jīng)綜合調(diào)整后，此塑件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度在于塑件外壁各附加特征的脫模和斜喇叭口內(nèi)壁的脫模。

2.1 模腔布置

結(jié)合前述設(shè)計(jì)難度，較優(yōu)的模腔布局及分型設(shè)置如圖2a所示，以塑件水平矩形口部分的平躺布置作為塑件模腔的基準(zhǔn)布置，模具按開模方向K打開，這種布置有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，便于采用直接澆口對(duì)模腔進(jìn)行澆注，第二，能有效簡(jiǎn)化塑件外壁各附加特征和斜喇叭口內(nèi)壁的脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。模腔布置中，若使用水平矩形口部分的站立式布置為塑件模腔的基準(zhǔn)布置，則無法開設(shè)模腔澆口，內(nèi)、外壁的脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)也變得復(fù)雜；若使用斜喇叭口部分作平躺布置，要增加脫模機(jī)構(gòu)；若使用斜喇叭口部分作站立式布置，澆口也無法開設(shè)，且脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大。因此，模腔布置的最優(yōu)方案為采用圖2a所示的水平矩形口部分的平躺布置，在此布局布置下，鑒于塑件四周需要進(jìn)行側(cè)向脫模的緣故，模腔在開模方向K上的分型使用上分型面PS和下分型面PX進(jìn)行分型。由上分型面PS分型而獲得塑件的頂壁成型件，由下分型面PX分型而獲得塑件的底壁成型件，如圖2b所示。其余部分則須結(jié)合塑件分區(qū)上特征的具體脫模方向要求再進(jìn)行局部成型件的分型設(shè)置。

圖2 模具基本設(shè)計(jì)方案

2.2 澆注布置

如圖2a所示，塑件的澆注擬采用單點(diǎn)直接澆口G進(jìn)行澆注，這樣設(shè)置雖有塑件出模后須手工剪切主澆道廢料的工序，但能最大限度保證澆注系統(tǒng)流道最短，最大程度保證模腔充填的飽滿性，也有利于為提高塑件成型品質(zhì)而實(shí)施的保壓工藝。相比于采用多點(diǎn)點(diǎn)澆口澆注方案，直接澆注對(duì)模具模架的使用要求低，流道加工量少，模具制造成本更為低廉；相比于使用熱流道澆注方案，可以避免使用昂貴的熱流道嘴，并且熱嘴在生產(chǎn)過程中維護(hù)較為復(fù)雜，維護(hù)成本高，不適用熱流道澆注方案的另一個(gè)原因是塑件中有一處特征需要進(jìn)行定模先抽芯，定模板與定模座板需要打開，若采用熱流道則會(huì)影響熱流道嘴工作的穩(wěn)定性[9–12]。

2.3 冷卻布置

由于塑件的形狀和結(jié)構(gòu)都相對(duì)較為復(fù)雜，塑件的各處壁厚很難做到均勻，塑件的最大壁厚3.6 mm，最小壁厚2.2 mm，顯然，加強(qiáng)模腔的冷卻，使塑件的各部位溫度在模腔中冷卻時(shí)能保持基本一致是保證塑件最終成型后尺寸穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。因而，針對(duì)模腔的冷卻，如圖2c所示，優(yōu)化為使用W1～W5五條水路進(jìn)行冷卻，各水路的基本管徑為?10 mm。針對(duì)頂壁成型件，塑件頂壁散發(fā)的熱量相對(duì)較少，故使用一般的“回”形水路W1即可滿足冷卻要求，而對(duì)于底壁成型件，其吸收的熱量相對(duì)較多，故須采用冷卻增強(qiáng)手段，該成型件的水路W2上使用7個(gè)冷卻水井來增強(qiáng)冷卻，7個(gè)冷卻水井之間使用等效截面積相同的6個(gè)過水槽連通，7個(gè)冷卻水井外圍使用整條密封圈進(jìn)行整體密封。塑件內(nèi)壁使用W4，W5進(jìn)行冷卻，左右側(cè)壁中，鑒于設(shè)計(jì)空間限制，只對(duì)左側(cè)壁使用水路W3進(jìn)行冷卻。

3 局部分型與脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)塑件的脫模，在前述開模方向K向上所確定的頂壁成型件、底壁成型件的基礎(chǔ)上，還需結(jié)合塑件外壁、內(nèi)部局部區(qū)域上的附加特征的脫模方向來進(jìn)行局部分型，以獲得局部成型件，并針對(duì)局部成型件設(shè)置對(duì)應(yīng)的抽芯驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這是本模具能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化注塑生產(chǎn)的關(guān)鍵所在[13–14]。

3.1 右側(cè)壁局部分型與成型件設(shè)計(jì)

右側(cè)壁分型設(shè)計(jì)如圖3所示。圖3a為右側(cè)壁上的附加特征分布，該側(cè)壁上，位于塑件斜喇叭口部分外壁上附加的特征有：矩形槽、內(nèi)孔a、外孔c、外孔d、外孔e各1個(gè)；矩形槽外側(cè)壁上的特征有：外孔b、卡槽筋及“A”字筋各1個(gè)；位于水平矩形口部分外壁附加的特征有：1個(gè)外孔f。上述特征中，外孔f、矩形槽的脫模方向與其它特征的脫模方向不一致，須單獨(dú)設(shè)置成型件進(jìn)行側(cè)抽芯脫模，其余各特征的脫模方向可匯總為同外孔b的脫模方向相同，外孔b的脫模方向?yàn)檠仄淇字行木€方向。外孔b與內(nèi)孔a為同軸孔，且內(nèi)孔a直徑小于外孔b直徑，故內(nèi)孔a和外孔b為同軸脫模。進(jìn)而，該右側(cè)壁的成型件可優(yōu)化設(shè)計(jì)為：如圖3b所示，內(nèi)孔a、外孔b優(yōu)先設(shè)置使用同一成型件肩臺(tái)式圓柱鑲件I成型；外孔c、外孔d、外孔e使用3個(gè)直桿圓柱鑲件成型(圓柱鑲件II～圓柱鑲件IV)；卡槽筋、“A”字筋使用1個(gè)右側(cè)壁斜滑塊直接成型。圓柱鑲件I～圓柱鑲件IV鑲裝在右側(cè)壁斜滑塊上?？紤]到使用滑塊對(duì)外孔f進(jìn)行側(cè)抽芯脫模時(shí)，滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)空間受到右側(cè)壁斜滑塊的限制，故外孔f的成型件使用1個(gè)斜頂進(jìn)行成型和脫模。矩形槽的脫模方向與后端口的脫模方向一致，故其成型件——槽鑲件的抽芯方向設(shè)置為與斜喇叭口內(nèi)壁的成型件抽芯方向相同，但其抽芯時(shí)，應(yīng)先將圓柱鑲件I先抽出。

圖3 右側(cè)壁分型設(shè)計(jì)

3.2 后端口局部分型與成型件設(shè)計(jì)

后端口分型設(shè)計(jì)如圖4所示。圖4a為后端口的附加特征，其主要分布在后端口附近的上頂壁和下底壁上。上頂壁上的特征有：1個(gè)上斜板、2個(gè)上掛鉤、8個(gè)上壁孔h；上斜板上設(shè)置有1個(gè)斜板孔i。下底壁上的特征有：1個(gè)下斜板、2個(gè)下掛鉤、9個(gè)下壁孔g；下斜板上設(shè)置有1個(gè)斜板孔i′。上述附加特征中，斜板孔i′、斜板孔i、8個(gè)上壁孔h、9個(gè)下壁孔g的脫模方向與后端口的脫模方向不一致，其余附加特征的脫模方向與斜喇叭口部分的內(nèi)壁脫模方向一致，因而，在優(yōu)先設(shè)置斜喇叭口部分內(nèi)壁的脫模方向基礎(chǔ)上，后端口附近附加特征的成型與脫模作以下安排：如圖4b所示，斜喇叭口部分內(nèi)壁使用斜喇叭口內(nèi)壁鑲件進(jìn)行成型，后端口外壁使用后端口外壁斜滑塊進(jìn)行成型，斜喇叭口內(nèi)壁鑲件鑲裝在后端口外壁斜滑塊上；2個(gè)上掛鉤使用2個(gè)上掛鉤鑲件、2個(gè)下掛鉤使用1個(gè)下掛鉤鑲件進(jìn)行成型，此3個(gè)掛鉤鑲件也鑲裝在后端口外壁斜滑塊上；圖3b中所示的槽鑲件也鑲裝在后端口外壁斜滑塊上，以上5個(gè)鑲件都由后端口外壁斜滑塊帶動(dòng)實(shí)施斜抽芯脫模。8個(gè)上壁孔h的成型件為8個(gè)圓柱鑲件V，鑲裝在圖2b中所示的頂壁成型件中；9個(gè)下壁孔g的成型件為9個(gè)圓柱鑲件，鑲裝在圖2b中所示的底壁成型件中。鑒于斜板孔i的脫模需要，需要設(shè)置上斜板斜頂對(duì)上斜板進(jìn)行成型和斜抽芯脫模，鑒于斜板孔i′的脫模需要，需要設(shè)置下斜板斜頂對(duì)下斜板進(jìn)行成型和斜抽芯脫模。

圖4 后端口分型設(shè)計(jì)

3.3 左側(cè)壁局部分型與成型件設(shè)計(jì)

左側(cè)壁分型設(shè)計(jì)如圖5所示。圖5a為左側(cè)壁附加特征，該側(cè)壁位于塑件斜喇叭口部分外壁上的附加特征有1個(gè)“A”字筋、1處插槽筋、3個(gè)外孔(m，k，j)，位于塑件水平矩形口部分外壁上附加的特征有1個(gè)外孔n。3個(gè)外孔(m，k，j)和外孔n的脫模方向相同，且“A”字筋、插槽筋也與4個(gè)孔脫模方向相同，故而使用1個(gè)左側(cè)壁滑塊即可滿足這些特征的成型與脫模，如圖5b所示。為了降低成型件的加工難度，3個(gè)外孔(m，k，j)的成型件使用圓柱鑲件VI～VIII進(jìn)行成型。

圖5 左側(cè)壁分型設(shè)計(jì)

3.4 前端口局部分型與成型件設(shè)計(jì)

前端口的成型件設(shè)計(jì)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，直接使用圖5b中所示的水平矩形口內(nèi)壁滑塊進(jìn)行成型和抽芯脫模。

3.5 底壁成型設(shè)計(jì)

結(jié)合圖2b所示，底壁使用底壁成型件進(jìn)行成型，但是，如圖6所示，下底壁上還有一個(gè)下斜板特征及其上的斜板孔q子特征。當(dāng)塑件由頂桿頂出完全脫模時(shí)，該處特征會(huì)在頂出方向下形成倒扣，此倒扣可以使用斜滑塊機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行成型和脫模，但滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)置使頂桿的布置受限制，塑件無法實(shí)現(xiàn)平衡頂出，因而，較為優(yōu)化的方式是使用下斜板斜頂對(duì)其進(jìn)行成型和頂出脫模。右側(cè)壁上的外孔f也需要使用外孔f斜頂實(shí)施側(cè)抽芯脫模。

圖6 斜頂成型件

4 模具機(jī)構(gòu)布置及工作原理

4.1 模具機(jī)構(gòu)布置

綜合圖2～圖6，為實(shí)現(xiàn)塑件的成型與自動(dòng)化生產(chǎn)，模具的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：

①模腔使用單點(diǎn)直接澆口進(jìn)行澆注。

②頂壁、底壁使用兩個(gè)成型件完成大部分特征的成型。

③四個(gè)側(cè)面需要使用1個(gè)右側(cè)壁斜滑塊、1個(gè)后端口外壁斜滑塊、1個(gè)左側(cè)壁滑塊、1個(gè)水平矩形口內(nèi)壁滑塊、1個(gè)上斜板斜頂、1個(gè)外孔f斜頂及1下斜板斜頂共7個(gè)脫模機(jī)構(gòu)進(jìn)行成型和抽芯脫模。

④塑件的完全脫模使用頂桿進(jìn)行頂出脫模，7個(gè)脫模機(jī)構(gòu)中，除上斜板斜頂位于定模一側(cè)外，其余6個(gè)機(jī)構(gòu)皆可設(shè)置在動(dòng)模一側(cè)。因而，模具可優(yōu)化采用兩板模架結(jié)構(gòu)來承載7個(gè)脫模機(jī)構(gòu)并保證機(jī)構(gòu)的功能得到實(shí)現(xiàn)。但是，要實(shí)現(xiàn)上斜板斜頂機(jī)構(gòu)在定模一側(cè)的頂出動(dòng)作，兩板模架定模一側(cè)必須增加一次開模打開。機(jī)構(gòu)兩板模具中的布置如圖7所示。

圖7 機(jī)構(gòu)在模具中的安裝

脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如圖7a所示，水平矩形口內(nèi)壁滑塊5使用斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)，后端口外壁斜滑塊13使用第一油缸12驅(qū)動(dòng)；上斜板斜頂15由緊固安裝于定模座板3上的T型驅(qū)動(dòng)塊16在開模面P1面打開時(shí)驅(qū)動(dòng)實(shí)施斜抽芯；下斜板斜頂7、外孔f斜頂8通過推板9進(jìn)行頂出而實(shí)施斜抽芯，下斜板斜頂7、外孔f斜頂8優(yōu)化使用“萬能斜頂”結(jié)構(gòu)形式以縮減對(duì)模架的尺寸使用要求；左側(cè)壁滑塊19使用簡(jiǎn)化型斜導(dǎo)柱滑塊結(jié)構(gòu)；右側(cè)壁斜滑塊20使用第二油缸21實(shí)施抽芯驅(qū)動(dòng)，如圖7b所示。結(jié)合圖3，右側(cè)壁斜滑塊20與后端口外壁斜滑塊13有運(yùn)動(dòng)干涉，油缸抽芯時(shí)，第二油缸21必須先動(dòng)作，然后第一油缸12才能動(dòng)作，模腔閉合時(shí)，動(dòng)作順序相反。

內(nèi)壁成型件中，水平矩形口內(nèi)壁滑塊5與斜喇叭口內(nèi)壁鑲件14的配合部位須設(shè)置相互定位錐臺(tái)進(jìn)行定位，如圖7中M部分所示，以保證模具閉合時(shí)，兩者之間不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)位，否則將導(dǎo)致塑件成型失敗。

4.2 模具工作原理

模具外形及工作原理示意圖如圖8所示。圖8a為模具的整體外觀形狀，模具在注塑機(jī)上注塑工作時(shí)，模架打開以驅(qū)動(dòng)脫模機(jī)構(gòu)順序工作的原理示意圖如圖8b所示。首先，模具打開時(shí)，由彈簧24推開P1面，以保證T型驅(qū)動(dòng)塊16先驅(qū)動(dòng)上斜板斜頂15，P1面打開距離D1由墊環(huán)22控制，可做活動(dòng)調(diào)節(jié)；其次，模具在P2面處打開，水平矩形口內(nèi)壁滑塊5、左側(cè)壁滑塊19由各自對(duì)應(yīng)的斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)實(shí)施側(cè)抽芯；再次，第二油缸21驅(qū)動(dòng)右側(cè)壁斜滑塊20先完成抽芯后，第一油缸12驅(qū)動(dòng)后端口外壁斜滑塊13完成抽芯動(dòng)作；最后，由注塑機(jī)頂桿推動(dòng)推板9頂出，推板9推動(dòng)其上的斜頂座28，29推動(dòng)外孔f斜頂8、下斜板斜頂7及頂桿頂出，實(shí)現(xiàn)塑件的完全脫模。模具復(fù)位時(shí)，由復(fù)位彈簧31推動(dòng)推板9先復(fù)位，其余動(dòng)作過程與開模過程相反。模具的打開動(dòng)作中，定模板4和動(dòng)模板11的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向由帶肩導(dǎo)柱25及配套的定模導(dǎo)套26、動(dòng)模導(dǎo)套27進(jìn)行導(dǎo)向。

圖8 模具外形及工作原理示意圖

5 結(jié)語

(1)針對(duì)出風(fēng)口塑件的結(jié)構(gòu)形狀，采用整體分型和局部分型相結(jié)合的辦法對(duì)塑件模腔進(jìn)行分型，獲得2個(gè)主體成型件和7個(gè)側(cè)面抽芯成型件，使模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化和優(yōu)化。

(2)模具結(jié)構(gòu)使用1模1腔布局，單點(diǎn)直接澆口澆注，模架使用兩板模結(jié)構(gòu)，模具的打開改進(jìn)為2次開模打開。

(3)脫模機(jī)構(gòu)包括1個(gè)定模斜頂機(jī)構(gòu)、2個(gè)動(dòng)模斜頂機(jī)構(gòu)、2個(gè)斜導(dǎo)柱驅(qū)動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)、2個(gè)油缸驅(qū)動(dòng)斜滑塊機(jī)構(gòu)。塑件的最終脫模使用頂桿頂出脫模。