汽車B柱內(nèi)飾板熱流道大型精密注塑模設(shè)計

溫煌英，馮國樹，宋東陽，杜海，王靖，魏海濤，陳德根，劉付國宇

(1.廣東科技學(xué)院，廣東東莞 523000； 2.廣東華睿智連電子科技有限公司，廣東東莞 523777；3.東莞市偉源五金有限公司，廣東東莞 523000)

B柱又稱中柱，是位于汽車前后門之間的立柱，它是車輛抵抗側(cè)面撞擊的重要力學(xué)結(jié)構(gòu)件之一。B柱內(nèi)飾板是用于包裹B柱的裝飾板，其主要成型方法為注塑，B柱內(nèi)飾板內(nèi)部裝載安全帶等附加零件，需要有足夠的強度，在剛度和韌性之間達到平衡，同時還要滿足零件輕量化和整車減重要求[1]。筆者詳細闡述B柱內(nèi)飾板注塑模具的設(shè)計要點與經(jīng)驗技巧，為同類模具設(shè)計提供參考。

1 塑件結(jié)構(gòu)分析

B柱內(nèi)飾板分為左B柱內(nèi)飾板和右B柱內(nèi)飾板兩件，前者最大外形尺寸為1 004 mm×364 mm×232 mm，后者最大外形尺寸為960 mm×377 mm×204 mm，平均厚度均為2.5 mm，屬于大型薄壁塑件。其結(jié)構(gòu)如圖1a、圖1b所示。

圖1 塑件結(jié)構(gòu)

B柱內(nèi)飾板性能要求如下：①塑件外觀面要求高，塑件分型面處不允許存在飛邊、毛刺及錯位夾線，防止刮傷內(nèi)部其它零配件。②塑件為功能性結(jié)構(gòu)件，塑件整體和卡扣位必須有足夠的強度，塑件不能有明顯的熔接痕、變形、收縮凹陷等缺陷。③塑件內(nèi)部有斜螺絲柱和較多的斜異形孔，側(cè)面有較多的卡扣位，既要保證這些結(jié)構(gòu)順利填充成型，又要保證其強度，同時也要順利脫模[2]。

B柱內(nèi)飾板主要是功能性結(jié)構(gòu)件，一般都采用增韌改性聚丙烯(PP)材料作為原料進行注塑。PP熔點可達167℃，耐熱，密度小(0.90 g/cm3)[3]。增韌改性PP材料屬于高聚物，并且內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此PP材料具有較高且穩(wěn)定的力學(xué)性能，在一般情況下可以保持30 MPa的強度，遠高于聚乙烯[4]。所以它不僅有裝飾功能，還有吸收一定外界沖擊力、防護車身、保護乘員安全的功能。

2 模具結(jié)構(gòu)分析

B柱內(nèi)飾板產(chǎn)品分為左右各一個，大小和形狀不完全相同，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部有斜螺絲柱和斜異形內(nèi)孔，側(cè)面有較多卡扣位?？紤]到其外形為3D弧形曲面，產(chǎn)品填充難，冷卻容易變形，結(jié)合CAE模流分析與技術(shù)討論，確定模具采用一模兩腔布置，使用簡易三板模具結(jié)構(gòu)，并采用兩個順序閥熱噴嘴進膠而后轉(zhuǎn)冷流道在產(chǎn)品側(cè)面進膠的方式，這種熱流道注塑方案，既可以保證產(chǎn)品同時填充進而保證成型質(zhì)量的一致性，又可以保證前模T槽抽斜滑塊機構(gòu)的順利工作，還可以提高生產(chǎn)效率[5]。模具最大外形尺寸為1 350 mm ×1 210 mm ×1 181 mm，模具總質(zhì)量為9 750 kg，屬于大型塑料注塑模具，其模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 注塑模具裝配圖

3 模具脫模機構(gòu)設(shè)計

左(右)B柱內(nèi)飾板塑件一共有8類不同方向的倒扣，見圖3a和圖3b。

如圖3a和圖3b所示，分別采用8類脫模機構(gòu)組成聯(lián)合脫模系統(tǒng)[6]，其分別為：(01)彈簧彈鑲針脫模機構(gòu)、(02)前模T槽抽斜滑塊脫模機構(gòu)、(03)斜導(dǎo)柱滑塊+T槽間接斜抽芯脫模機構(gòu)、(04)液壓油缸直接斜抽芯脫模機構(gòu)、(05)液壓油缸+T槽間接斜抽芯脫模機構(gòu)、(06)液壓油缸間接抽鑲針脫模機構(gòu)、(07)液壓油缸直接滑塊抽芯脫模機構(gòu)、(08)斜頂脫模機構(gòu)。

圖3 B柱內(nèi)飾板扣位結(jié)構(gòu)及對應(yīng)的脫模機構(gòu)

3．1 彈簧彈鑲針脫模機構(gòu)設(shè)計

彈簧彈鑲針脫模機構(gòu)如圖4所示，采用彈塊作為載體來固定鑲針，由鏟機提供鎖緊力，開模以后由彈簧提供彈出的開模動力。

圖4 彈簧彈鑲針脫模機構(gòu)

3．2 前模T槽抽斜滑塊脫模機構(gòu)設(shè)計

前模T槽抽斜滑塊脫模機構(gòu)如圖5所示，采用整體式T槽滑塊作為型腔的一部分和滑塊載體，開合模具都由T槽鏟機提供開模動力和鎖緊力。

圖5 前模T槽抽斜滑塊脫模機構(gòu)

3．3 斜導(dǎo)柱滑塊+T槽間接斜抽芯脫模機構(gòu)設(shè)計

斜導(dǎo)柱滑塊+T槽間接斜抽芯脫模機構(gòu)如圖6所示，采用間接抽芯脫模方式。T槽滑塊1是型腔的一部分，T槽滑塊2是T槽滑塊1載體；開模時通過斜導(dǎo)柱提供動力，直接帶動滑塊座，再間接帶動T槽滑塊1和T槽滑塊2實現(xiàn)脫模功能。限位柱起到為滑塊座定位的作用。

圖6 斜導(dǎo)柱滑塊+T槽間接斜抽芯脫模機構(gòu)

3．4 液壓油缸直接斜抽芯脫模機構(gòu)設(shè)計

液壓油缸直接斜抽芯脫模機構(gòu)如圖7所示，采用整體式滑塊作為型腔的一部分，由液壓油缸直接提供開模動力，經(jīng)過油缸連接桿帶動整體式滑塊實現(xiàn)脫模動作。

圖7 液壓油缸直接斜抽芯脫模機構(gòu)

3．5 液壓油缸+T槽間接斜抽芯脫模機構(gòu)設(shè)計

液壓油缸+T槽間接斜抽芯脫模機構(gòu)如圖8所示，采用間接抽芯脫模方式?；瑝K固定在T槽滑塊座1上；T槽滑塊座1通過T型條固定在T槽滑塊座2上；開模時通過液壓油缸直接提供動力，間接帶動滑塊實現(xiàn)脫模功能。

圖8 液壓油缸+T槽間接斜抽芯脫模機構(gòu)

3．6 液壓油缸間接抽鑲針脫模機構(gòu)設(shè)計

液壓油缸間接抽鑲針脫模機構(gòu)如圖9所示，采用間接抽芯脫模方式。鑲針固定在滑塊上；滑塊墊板保證滑塊可以順暢運動；開模時通過液壓油缸直接提供動力，直接帶動滑塊，再通過T槽帶動鑲針實現(xiàn)間接脫模功能。

圖9 液壓油缸間接抽鑲針脫模機構(gòu)

3．7 液壓油缸直接滑塊抽芯脫模機構(gòu)設(shè)計

液壓油缸直接滑塊抽芯脫模機構(gòu)如圖10所示，采用直接抽芯脫模方式。開模時，液壓油缸直接帶動滑塊針實現(xiàn)抽芯脫模；合模時，液壓油缸直接帶動滑塊針實現(xiàn)復(fù)位；斜導(dǎo)柱帶動滑塊座，間接帶動鎖緊針對滑塊針進行鎖緊，防止注塑時滑塊針發(fā)生退位。

圖10 液壓油缸直接滑塊抽芯脫模機構(gòu)

3．8 斜頂脫模機構(gòu)設(shè)計

斜頂脫模機構(gòu)如圖11所示，部分內(nèi)部扣位采用斜頂直接脫模方式。開模頂出時，斜頂座推動斜頂桿，進而推動斜頂進行脫模動作。設(shè)計的斜頂脫模機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高。

圖11 斜頂脫模機構(gòu)

4 模芯部分設(shè)計

B柱內(nèi)飾板成型零件為3D弧形曲面形狀，設(shè)計分型面時需采用仿形延伸面和掃掠網(wǎng)格的方法，以保證3D弧形曲面的分型面無縫連接和光滑連接，且無尖角結(jié)構(gòu)以及不易磨損和崩裂等。模具定模和動模之間采用5°的插穿角度，以防止模具插傷和碰穿；為保證定、動模合模精度，在對插面和合模受力面設(shè)置加硬平衡塊。除密封面以外的分型面都保留1 mm的避空位，減少模具裝配面的加工和配模時間，提高分型面的密封性[7]。

在滿足模具使用壽命及保證零件加工可行性的情況下，確定動、定模芯采用整體式結(jié)構(gòu)，模芯和模板一體成型。選用無預(yù)加硬的模具鋼材738，防止出現(xiàn)整體式結(jié)構(gòu)硬度過高導(dǎo)致易開裂的現(xiàn)象，同時節(jié)省成本。

5 澆注系統(tǒng)設(shè)計

B柱內(nèi)飾板模具采用“熱流道+冷流道+側(cè)澆口”的澆注方式，在兩個模腔中間的分型面上設(shè)計2個順序閥熱噴嘴，在產(chǎn)品一側(cè)設(shè)置2個凸臺圓位，做熱流道轉(zhuǎn)冷流道側(cè)進膠[8]。2個順序閥熱噴嘴協(xié)同進膠，防止塑料熔體在流動過程中冷凝，生產(chǎn)時調(diào)整2個澆口參數(shù)以保證平衡熔體同時進膠，減少熔體熱損失和熔接痕，以保證塑件成型質(zhì)量[9]。2個熱噴嘴的位置(G1，G2)如圖12所示，熱流道澆注系統(tǒng)的組成如圖13所示。

圖12 熱噴嘴位置

圖13 熱流道澆注系統(tǒng)

由于該模具分型面是比較復(fù)雜的3D弧形曲面，所以需設(shè)計圓凸小平臺作進膠平面，來輔助熱流道轉(zhuǎn)冷流道進膠，方便加工、配模和生產(chǎn)成型。模具一模兩腔，兩個產(chǎn)品之間的分型面應(yīng)有足夠的空間用于設(shè)計2個圓凸小平臺的進料平面。將G1和G2兩個順序閥熱噴嘴延伸到圓凸小平臺來做熱流道轉(zhuǎn)冷流道。順序閥熱噴嘴在熱膨脹的影響下會延伸、凸起，會與分型面發(fā)生碰撞和干涉，容易形成合模間隙和出現(xiàn)飛邊，所以需在兩個熱噴嘴口對應(yīng)的位置，設(shè)計?24×1.5 mm平面凹臺以防止噴嘴和圓凸小平臺之間干涉[10]。

6 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

B柱內(nèi)飾板模具屬于以功能性要求為主的模具，其外觀要求高，為保證產(chǎn)品的形狀和尺寸，使其具有良好的成型質(zhì)量，同時為了防止產(chǎn)品變形，設(shè)計冷卻水路時應(yīng)考慮排布均勻和冷卻充足，以保證水路有良好的溫度平衡性，保證模具有較穩(wěn)定的模溫，從而使塑件冷卻均勻[11]。

在定模處設(shè)計10組冷卻水路。定模冷卻水路均采用“直/斜通式水管+隔片式水井”的組合形式，冷卻水路距離前模仁底面的高度為30～45 mm，水路孔徑為11 mm，水井孔徑為24 mm。每一條冷卻水路的長度均保持在2～3.5 m，沿產(chǎn)品內(nèi)形表面25～35 mm的距離設(shè)置水井的深度[12]。

在動模處設(shè)計12組冷卻水路。動模冷卻水路采用“直通式水管+隔片式水井”的組合形式，冷卻水路距離后模仁底面的高度為30～45 mm，水路孔徑為11 mm，水井孔徑為24 mm。沿產(chǎn)品內(nèi)形表面25～35 mm的距離設(shè)置水井的深度。同時對于部分較短的直通水路，采用外部連接軟管的連接方式，以減少接水管數(shù)量。

由于模具采用貼近型腔的隨形水路冷卻系統(tǒng)，成型周期由85～95 s減少到70～75 s，成型塑件變形量由0.75 mm下降到0.3 mm，精度達到MT3(GB/T14486-2008)。

7 排氣系統(tǒng)設(shè)計

B柱內(nèi)飾板模具型腔體積較大，為了在極短的時間排除內(nèi)部氣體，避免型腔局部困氣，防止排氣不良造成困氣、燒焦等成型缺陷。除了產(chǎn)品分模面的間隙被動排氣以外，專門設(shè)計排氣系統(tǒng)來保證氣體排除，使得熔體流動順暢并保證產(chǎn)品成型的質(zhì)量。排氣槽寬度設(shè)計為8～10 mm，深度為0.03 mm，直接把氣體排到R角避空的位置，再由R角避空的位置排到模具外面[13]。

8 模具導(dǎo)向定位系統(tǒng)設(shè)計

為保證B柱內(nèi)飾板注塑模具有良好的導(dǎo)向精度和較高的模具壽命，設(shè)計相應(yīng)的導(dǎo)向定位系統(tǒng)。針對定模芯和動模芯之間的定位，在分型面外圍的四周插穿面處均設(shè)計了5°的定位斜面，以保證整體式動定模板的合模緊密性，避免發(fā)生錯位，如圖14所示。針對定模板和動模板之間的定位，設(shè)計采用4根?70 mm×600 mm的圓形高精度導(dǎo)柱，配4個?70 mm×90 mm的圓形高精度導(dǎo)套，來保證模具合模的導(dǎo)向運動工作。頂針板設(shè)計采用4根?50 mm×400 mm圓形高精度的推桿板導(dǎo)柱來導(dǎo)向和定位，用于保證頂針板的正常運動工作[14–15]。

圖14 B柱內(nèi)飾板模具立體圖

9 模具工作過程

B柱內(nèi)飾板模具工作過程如下：

(1)注塑。如圖2、圖12、圖13所示，塑料熔體通過注塑機噴嘴，進入熱流道板內(nèi)的保溫流道，再經(jīng)過熱噴嘴3，從圓凸小平臺轉(zhuǎn)換到冷流道，再由側(cè)澆口進入模具型腔填充成型。相對恒溫的塑料熔體充滿型腔后，經(jīng)保壓、冷卻和固化，準備開模。

(2)開模。如圖2所示，開模時，扣機14控制面板4、前模板5、后模板20依次進行開模。先拉開面板4和前模板5，同時帶動T槽塊13啟動前模T槽抽斜滑塊脫模機構(gòu)抽芯。然后扣機14再拉開前模板5和后模板20，同時導(dǎo)柱斜抽芯12帶動滑塊抽芯。最后，油缸帶動其它滑塊進行開模抽芯。

(3)頂出。如圖2、圖11所示，注塑機的頂棍推動頂針面板7和頂針底板8進行頂出動作，間接推動斜推桿15頂出成型的塑件脫模，推出距離為180 mm。

(4)合模(復(fù)位)。如圖2、圖11所示，取出塑件以后，注塑機合模，在扣機14控制下，面板4、前模板5、后模板20按順序合模；油缸推動滑塊復(fù)位；注塑機回針推動頂針面板7和頂針底板8，間接拉動斜推桿15頂出復(fù)位，距離為180 mm，等待下一次注塑循環(huán)。

10 結(jié)語

B柱內(nèi)飾板塑件外形尺寸較大，3D弧形曲面比較復(fù)雜，內(nèi)部有斜螺絲柱和較多的斜異形內(nèi)孔，側(cè)面有較多卡扣位，模具結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。模具設(shè)計采用一模兩腔的布局，提高生產(chǎn)效率；采用熱流道成型和多種聯(lián)合脫模機構(gòu)來保證模具的順利工作。整體模具布局合理、多種聯(lián)合脫模機構(gòu)設(shè)計合理、實用，保證各個零件的運動順暢和安全。常見的一模兩腔的汽車B柱內(nèi)飾板塑件模具的成型周期為85～95 s，經(jīng)過模具優(yōu)化和改進水路排布后，模具可以快速均勻冷卻，將生產(chǎn)周期時間減少為70～75 s，成型塑件變形量由0.75 mm下降到0.3 mm，精度達到MT3 (GB/T 14486–2008)。采用B柱內(nèi)飾板塑件注塑模具進行塑件成型時，熔體溫度參數(shù)、模具溫度參數(shù)和注塑調(diào)機參數(shù)均設(shè)計合理，注塑生產(chǎn)的塑件尺寸精度高、品質(zhì)穩(wěn)定，該模具設(shè)計可以有效提高B柱內(nèi)飾板塑件的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。