汽車手套箱外蓋注塑模具設計

胡開元，李虹波，王雷剛

(1.成都理工大學工程技術學院，四川樂山 614000； 2.江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

在國內國際雙循環(huán)和“碳中和，碳達峰”的大背景下，汽車作為拉動消費的代表之一，產銷量牢牢占據全球首位，新能源車消費也是實現雙碳目標有力途徑之一[1]。手套箱作為汽車必備的飾件，是車輛副駕駛儀表臺下方的儲物盒[2–3]。無論汽車結構和汽車消費怎么變化，人們對于汽車的收納空間、表面質量、輕量化以及節(jié)能性、舒適性等要求不降反升[4–5]。筆者根據手套箱外蓋的結構特點和技術要求進行分析，并結合Moldex 3D模流分析軟件優(yōu)化設計了該產品的注塑模具[6–8]。

1 產品結構分析

該零件的原型為某新能源車的手套箱外蓋，外形結構如圖1所示，材料為聚丙烯(PP) API-1609，密度ρ=1 g/cm3。由于本產品外表面是皮紋，塑件為外觀內飾件，表面要求高。其尺寸為長431 mm，寬260 mm，高65.5 mm。該零件的壁厚變化很大，最大壁厚達到了12.644 mm，最小壁厚僅有0.068 mm，塑件的體積V1=331.21 cm3，并且模型的平面呈曲面分布。

圖1 手套箱外蓋

根據要求，零件的總體變形量不大于3 mm或者應該低于零件各向長度×材料收縮率，并且表面不應有熔接痕、縮痕等外觀缺陷出現。塑件結構有很多表面皮紋及轉軸卡座等復雜結構，模具結構較為復雜。由于手套箱外蓋是與手套箱斗進行裝配，需要較高的配合精度，對強度和剛度也有較高的要求。該零件的壁厚不均勻，制件表面是曲面，為了保證其性能要求，翹曲變形量的控制至關重要。為保證成型質量和脫模順利，筆者將分型面設計在塑件背面。根據鎖模力以及理論注射量選定注塑機為海天MA4700Ⅱ/2950-B型臥式注塑機[9–12]。

2 模具結構設計

2.1 澆注系統(tǒng)的設計

由于該零件屬于內飾件，其表面不能有縮痕外觀缺陷，所以澆口位置不能選在塑件表面。若澆口選擇在四周，在手套箱的左右兩側(短邊)和上方會有澆口痕跡，在手套箱被打開時很容易被看見，影響美觀。因此，澆口位置最好選擇在手套箱外蓋下側可以隱藏不被發(fā)現的位置[13]。圖2為澆口位置。澆口位置只能位于開啟扳手背面遮蓋隱藏的區(qū)域，如圖2a所示，或者手套箱外蓋四周，如圖2b所示。

圖2 澆口位置

圖3為剪切應力分布圖。將圖3的兩種澆口位置進行模擬填充分析發(fā)現，采用開啟扳手背面處進行澆注會使手套箱外蓋的剪切應力分布不均勻，很容易造成邊緣翹曲，致使產品變形不能使用而報廢。采用手套箱外蓋下側澆注，產品的整體剪切應力分布比較均勻，故澆口位置選擇在零件下側，采用潛伏式澆口。

圖3 剪切應力分布

由于該塑件尺寸比較大，且只采用一個澆口，在塑件充填時間較長，腔邊緣位置極易發(fā)生填充不滿的情況下，如若采用增大注塑壓力來縮短充填時間，易粘?；蛘咭缌袭a生飛邊。綜合考慮，采用熱流道進行澆注，熱流道總體布局如圖4所示。

圖4 熱流道總體布局

2.2 冷卻系統(tǒng)設計

采用Moldex3D軟件的智能設計精靈做冷卻流道設計的引導，由于零件的表面積較大，且具有兩個突出的轉軸卡座和斜抽芯等復雜結構，在滿足塑件冷卻和不發(fā)生干涉條件下，為提高模具的冷卻效果，在塑件上表面使用傳統(tǒng)水路冷卻與在塑件下表面使用隔水板式冷卻水路冷卻的混合方案[14]，冷卻水路設計圖如圖5所示。

圖5 冷卻水路設計圖

將兩種冷卻水路方案進行模擬分析，圖6為冷卻方案對比。

圖6 冷卻方案對比

將兩種的冷卻水路方案進行模擬分析，從圖6的冷卻效率、翹曲變形量、冷卻至頂出溫度所需時間分析結果對比可以得出，在其它參數都相同的條件下，采用混合方案的冷卻效率為45.41%是傳統(tǒng)冷卻水路的8.97%的5.06倍，并且與傳統(tǒng)水路方案對比，采用混合方案塑件冷卻至頂出溫度的時間為65.7 s，翹曲變形量為3.282 mm。分析結果證明，采用混合水路冷卻可以大幅度提高生產效率和產品質量。

2.3 成型零件的設計

手套箱外蓋平均厚度僅為3 mm左右，型腔較淺且在背面有較多的沉孔及轉軸支座等復雜結構。如若采用組合式型腔，在型腔裝配過程中不能夠很好地保證型腔整體尺寸精度和強度，同時結合塑件大小，采用整體式型腔，其具備的高強度及不易變形的特點能夠很好地滿足塑件設計要求。整體式型芯和型腔分別如圖7，圖8所示。

圖7 塑件型芯設計圖

圖8 塑件型腔設計圖

2.4 排氣系統(tǒng)設計

根據PP材料特性表，排氣槽深度尺寸取0.01～0.02 mm，筆者選取0.02 mm，圖9為排氣槽分布。排氣槽寬度是6～20 mm，本設計中取值為10 mm，相鄰排氣槽中心距為40～80 mm，本設計中取值約為50 mm，如圖9箭頭所示。

圖9 排氣槽分布

2.5 側向抽芯機構設計

在手套箱外蓋的下方有兩個轉軸卡座，其結構復雜且含有與開模方向垂直的側壁盲孔結構，在開模時，會阻礙塑件的推出，無法直接脫模，需設計側向抽芯機構。由于本塑件側壁盲孔和搭扣結構較淺，采用斜抽芯滑快機構。為減少成本，精確控制抽芯機構運動，確定選用液壓驅動機構。圖10為斜滑塊抽芯機構設計圖。

圖10 斜滑塊抽芯機構設計圖

圖10a標示的內抽芯滑塊機構和外抽芯滑塊機構。工作過程是：在液壓系統(tǒng)的作用下，首先手套箱外蓋動模帶動手套箱外蓋和整個滑塊機構后退，同時帶動固定塊、斜推桿1和限位板一起后退，當限位板運行與T型導向槽接觸時，推動斜推桿2和轉軸卡座內側壁沉孔滑塊后退成型沉孔，轉軸卡座外側壁沉孔滑塊在斜導柱的作用下，開模成型外側壁沉孔，在動模推桿的作用下，將手套箱外蓋完全頂出[15–16]。

3 模具工作原理

通過對手套箱外蓋模具主要非標準件的設計及標準件的選配，完成如圖11所示的模具總裝圖。

圖11 模具總裝圖

模具開模時，整個動模部分帶著制件后退，帶動斜抽芯機構6后退，并拉斷分型面處定模7、分流道19與動模相交處的潛伏式澆口凝料，然后動模繼續(xù)后退，在斜抽芯機構6的作用下完成塑件卡座內外沉孔抽芯，同時在頂桿3等頂桿的共同配合下，頂出制件。合模過程中，在導柱15，導套14的推動下，推桿固定板帶動推桿一起回復到注塑位置，斜抽芯滑塊驅動斜導桿；斜導柱滑塊驅動斜導柱回復到合模位置，完成整個模具合模。

4 結論

針對某新能源車手套箱外蓋的壁厚變化很大，最大壁厚達到了12.644 mm，最小壁厚僅有0.068 mm且模型的平面呈曲面分布的特點，結合Moldex 3D軟件進行模流分析，找到最佳澆口位置，避免澆注不足的缺陷；采用熱流道注塑并合理設計混合冷卻模型，有效降低壁厚不均造成的翹曲變形。

在手套箱外蓋表面有皮紋及轉軸支座等復雜結構，且在轉軸支座兩側有較多的沉孔，采用“液壓油缸+滑塊”，“斜導柱+滑塊”形式，設計了斜抽芯滑塊機構完成復雜抽芯動作。

模具結構簡單實用，生產環(huán)節(jié)價值體現較好，具有較好的設計和實用參考價值。