基于順序閥與復(fù)雜抽芯技術(shù)的汽車門檻精密模具設(shè)計(jì)

符立華，趙貴昱，任建平

(1.臺州科技職業(yè)學(xué)院，浙江臺州 318000； 2.余姚市匯合塑化有限公司，浙江余姚 315400)

隨著家用汽車的普及，汽車的輕量化要求也越來越高，主要體現(xiàn)在更多的塑料件應(yīng)用在汽車內(nèi)飾件上，汽車門檻是汽車內(nèi)飾件重要的組成部分，它集美觀性、安全性、裝飾性為一體，還要滿足人機(jī)工程等要求。在汽車發(fā)生側(cè)向碰撞時能提供一定的緩沖保護(hù)，同時對車外噪音起到屏蔽的作用[1–2]。汽車門檻模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成型難度大[3]。筆者成功設(shè)計(jì)了某款汽車左右門檻注塑模具，該模具采用了順序閥控制的熱流道注塑技術(shù)與復(fù)雜抽芯的結(jié)構(gòu)。

1 塑件外觀與結(jié)構(gòu)分析

圖1 為汽車的左右兩個門檻的二維結(jié)構(gòu)圖。

圖1 汽車門檻的二維結(jié)構(gòu)圖

一般家用車上的左右兩個門檻整體結(jié)構(gòu)基本一致，只有局部的特征稍微有點(diǎn)區(qū)別，因此可將兩個產(chǎn)品設(shè)計(jì)在同一副模具里，可減少模具的總成本。該產(chǎn)品的材料為聚丙烯(PP)，收縮率為1.7%，平均壁厚為2.3 mm，單個體積約為374 cm3，總體尺寸為954 mm×92 mm×308 mm。圖1 中左門檻A面T1 處有一個直徑為14 mm 的側(cè)孔，T2 為一處尺寸為113 mm×32 mm×30 mm 內(nèi)凹特征；T3處有一個長度為34 mm，直徑為8 mm 的細(xì)長搭扣側(cè)凸特征，其局部放大為圖1b 所示；T4 處為一個寬6.5 mm×0.8 mm 的加強(qiáng)筋特征；T5 為5 處與脫模方向成15.5°的倒扣，其局部放大見圖1b；右門檻A 面的T6 處有整體的側(cè)凹約為3 mm。左右門檻的A 面是外觀面，質(zhì)量要求較高，要求體積收縮均勻、不得出現(xiàn)熔接線、縮痕或其它的注塑缺陷，外表面粗糙度取0.32 μm；同時該產(chǎn)品作為一個裝配零件，對其尺寸精度與變形都有較高的要求。以上這些塑件的結(jié)構(gòu)特征給模具設(shè)計(jì)帶來很大的難度。

2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證汽車門檻的外觀質(zhì)量，模具采用“熱流道+冷流道+側(cè)澆注”的澆注方式。如果采用同步澆注的方式會在塑件表面產(chǎn)生熔接痕及變形等缺陷[4–5]，本次汽車門檻的注塑模具澆注系統(tǒng)采用兩組3點(diǎn)順序閥熱流道澆注，澆注順序?yàn)镚1 →G2 →G3，通過控制各點(diǎn)閥針的開啟時間來保證門檻的成型時的外觀質(zhì)量，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，根據(jù)產(chǎn)品的尺寸確定熱流道的閥針直徑為8 mm。

圖2 汽車門檻的熱流道系統(tǒng)

3 模具結(jié)構(gòu)分析

3．1 主要成型零件及排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于模具尺寸較大，定、動模板均采用整體式，定模A 板要求較高，采用德國標(biāo)準(zhǔn)1.2738 預(yù)硬模具鋼，可減少正常模具加工生產(chǎn)中的熱處理環(huán)節(jié)，該模具鋼有優(yōu)良的拋光性及光蝕刻花性能[6–7]，其結(jié)構(gòu)見圖3，在分型面邊緣每隔50 mm 設(shè)計(jì)一個寬度為10 mm，深度0.02 mm 的排氣槽，為達(dá)到塑件的表面質(zhì)量要求，型腔粗糙度Ra=0.8 μm[7–8]。動模B 板結(jié)構(gòu)見圖4，采用P20 預(yù)硬模具鋼，該材料性價比較高，可降低模具的成本，硬度為28～32 HRC[9–10]。

圖3 定模A 板

圖4 動模B 板

3．2 抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

(1)定模抽芯機(jī)構(gòu)。

由于左門檻A 面有一個直徑為14 mm 的側(cè)向通孔特征T1，外表面要求無痕，需采用定模抽芯，如果采用常規(guī)的斜導(dǎo)柱滑塊抽芯結(jié)構(gòu)，需要把斜導(dǎo)柱設(shè)計(jì)在動模板，這樣會增加模具的裝配難度[11–12]。故采用液壓油缸與鑲針的結(jié)構(gòu)，其如圖5 所示，通過抽芯塊4 與連接塊2 的T 形槽連接，將油缸6 的豎直方向運(yùn)動轉(zhuǎn)化為鑲針1 的抽芯運(yùn)動，油缸的工作行程為50 mm，通過調(diào)節(jié)行程開關(guān)7 來限制，T 形槽的角度為10°，可計(jì)算出鑲針的抽芯距為8 mm，符合要求。

圖5 T1 特征的抽芯機(jī)構(gòu)

左門檻A 面的T2 特征在定模型腔面，抽芯距離需要35 mm，該截面尺寸較大，成型時該處成型滑塊1 需要較大的鎖模力，因此在該處抽芯油缸10與鎖模油缸5 必須分開使用，該機(jī)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)如圖6 所示，開模前鎖模油缸5 帶動鎖緊塊2 做抽芯運(yùn)動，待鎖緊塊延長桿3 碰到行程開關(guān)4 后，抽芯油缸10 通過滑塊連接桿6 帶動成型滑塊1 做脫模運(yùn)動，為了鎖緊塊2 能為成型滑塊1 提供更大的鎖模力，它們之間的鎖模角度設(shè)計(jì)為5°。

圖6 T2 特征的抽芯機(jī)構(gòu)

(2)動模抽芯機(jī)構(gòu)。

動模處門檻頭部抽芯的大滑塊4 整體結(jié)構(gòu)較大，與水平方向呈9.7°傾斜，抽芯距離較長達(dá)到60 mm，所以采用傾斜式液壓抽芯機(jī)構(gòu)如圖7a 所示，由于T3 處的搭扣長徑比較大，成型時在滑塊上產(chǎn)生的包緊力較大，如果用大滑塊直接脫模，很容易將T3 的特征拉斷或變形，因此大滑塊4 上疊加設(shè)計(jì)了一個小滑塊2，其運(yùn)動原理如圖7b 所示，斜導(dǎo)柱1的直徑為20 mm，有效工作長度L1 為105 mm，其工作角度α 為18°；小滑塊的工作距離L2=L1sinα/cosβ，可計(jì)算得出其工作行程L2 為33 mm；由于整個機(jī)構(gòu)的空間有限，小滑塊中間部位通過固定在大滑塊上的單根T 形導(dǎo)滑條3 進(jìn)行導(dǎo)向工作；整個機(jī)構(gòu)通過油缸7 進(jìn)行抽芯與復(fù)位。

圖7 滑塊疊滑塊的機(jī)構(gòu)

動模右門檻的T6 處有整體的內(nèi)凹特征，需設(shè)計(jì)滑塊機(jī)構(gòu)，經(jīng)CAD 軟件計(jì)算得出其抽芯距離為80 mm，由于其脫模方向與水平方向成9°的夾角，因此采用了油缸抽芯，其結(jié)構(gòu)如圖8 所示，通過固定在動模B 板上的油缸4 使滑塊1 進(jìn)行抽芯與復(fù)位。

圖8 T6 處特征的抽芯機(jī)構(gòu)

動模左右兩個門檻都有T5 相同的與脫模方向成15.5°夾角的共10 處特征，常規(guī)的脫模方法是采用斜頂機(jī)構(gòu)，但是斜頂?shù)慕嵌纫话悴荒艹^12°，角度太大一方面加劇斜頂與導(dǎo)向塊的磨損，另一方面斜頂工作過程會受到大的扭矩而變形，長時間會有斜頂卡死或斷裂的風(fēng)險(xiǎn)[13–14]。圖9 為定距拉鉤的內(nèi)抽型芯的脫模機(jī)構(gòu)。因此在此處設(shè)計(jì)了一種定距拉鉤的內(nèi)抽型芯的脫模機(jī)構(gòu)，如圖9a 所示，該模具有兩處分型面，第一分型面在動模B 板2 與動模墊板4 之間的PL1 處，剛開模時在6 個開模彈簧3 的作用下動模B 板2 與動模墊板4 分開，在圖9b 中的固定在動模墊板4 上的滑座拉動內(nèi)抽型芯按圖10所示的AD 方向運(yùn)動，AD 為內(nèi)抽型芯的脫模方向距離L1=34 mm，BD 為其沿著滑座運(yùn)動的方向距離L3=9 mm，當(dāng)該分型面的開模距離達(dá)到35 mm時，動模拉桿9 頭部克服彈簧6 的彈力推動卡塊7使其與定模拉桿5 分離，此時動模墊板4 拉動6 根限位桿10 使動模B 板運(yùn)動，第二分型面PL2 打開，完成該機(jī)構(gòu)的工作過程。

圖9 定距拉鉤的內(nèi)抽型芯的脫模機(jī)構(gòu)

圖10 內(nèi)抽型芯運(yùn)動原理圖

3．3 推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于產(chǎn)品A 面要求較高，如果采用頂針推出，會容易出現(xiàn)A 面頂白等缺陷，因此模具采用頭部面積較大的斜頂塊+直頂塊的組合推出機(jī)構(gòu)，如圖11所示，由斜頂桿+導(dǎo)向銅套+萬向滑座組成的斜推出機(jī)構(gòu)，直頂桿+導(dǎo)向銅套+調(diào)節(jié)螺釘組成的直推出機(jī)構(gòu)。斜頂塊與直頂塊要與動模材料不一致，采用1.2738 預(yù)硬模具鋼，為了保證頂出時的剛度，直頂桿的直徑需20 mm，斜頂桿的直徑需25 mm。

圖11 產(chǎn)品的推出機(jī)構(gòu)

3．4 冷卻系統(tǒng)

由于該塑件是不規(guī)則的空間曲面結(jié)構(gòu)，如果冷卻不均勻，很容易發(fā)生翹曲變形的現(xiàn)象，為此各成型零件需得到良好的冷卻[15–16]。整體的冷卻水路結(jié)構(gòu)如圖12 所示，采用了“直通式+隔水片”的組合水路，每個大滑塊都有直徑為12 mm 的單獨(dú)回路，有些較深腔的部位采用直徑為24 mm 的隔水片式水路，定模設(shè)計(jì)了5 組直徑為15 mm 的獨(dú)立水路，使型腔表面的溫度保持在較低的范圍；動模由于各種機(jī)構(gòu)較多，空間距離有限，設(shè)計(jì)了4 組直徑為15 mm 的獨(dú)立水路。

圖12 冷卻系統(tǒng)的水路結(jié)構(gòu)

4 模具裝配圖及工作過程

模具的裝配圖如圖13 所示?？偝叽鐬? 820 mm×1 520 mm×1 290 mm，屬于大型的精密模具，整體結(jié)構(gòu)為一模兩腔的順序閥熱流道注塑模具。

圖13 模具裝配圖

模具工作過程如下：首先將熱流道接線口14與溫控箱連接，設(shè)定好加熱的溫度，再將控制閥針氣缸的進(jìn)氣口51 與注塑機(jī)的控制接口相連，設(shè)定好閥針的打開順序；模具合模，注塑機(jī)螺桿將PP 塑料熔體注入模具型腔，待保壓冷卻后；油缸50 通入液壓油帶動抽芯塊49 完成產(chǎn)品T1 特征抽芯，同時鎖模油缸46 也通入液壓油抽動鎖緊塊22，待鎖緊塊22與滑塊23 完全分離后，抽芯油缸11 通過連接桿10抽動滑塊23，完成產(chǎn)品T2 的抽芯；接著注塑機(jī)動模板拉動模底板1，由于模具定模A 板與動模B 板被拉鉤機(jī)構(gòu)中的定模拉桿35 與卡塊33 卡住，在彈簧26 的作用下，PL1 分型面先打開，當(dāng)開模距離到達(dá)35 mm 時，圖9b 中的內(nèi)抽型芯完成脫模。完成產(chǎn)品T5 的脫模；此時，動模B 板上的動模拉桿31 壓住卡塊33，使其與定模拉桿35 分離，隨著動模底板的繼續(xù)運(yùn)動，分型面PL2 打開，小滑塊21 在斜導(dǎo)柱20 的作用下，沿其脫模方向運(yùn)動，完成產(chǎn)品T3 的脫模；待動模停止運(yùn)動后，油缸25 與油缸37 分別通入液壓油抽出大滑塊24 與滑塊36，完成產(chǎn)品的側(cè)向脫模；接著兩個對稱頂出油缸6 通入液壓油，在內(nèi)導(dǎo)柱5 與內(nèi)導(dǎo)套4 導(dǎo)向下，推動復(fù)位桿38 與斜頂機(jī)構(gòu)將產(chǎn)品推出；在機(jī)械手吸盤的作用下，吸住產(chǎn)品的A 面，將其從注塑機(jī)取出，完成一次的生產(chǎn)；接著頂出油缸6 先復(fù)位，隨后油缸25 與油缸37 復(fù)位，所有行程開關(guān)都發(fā)出信號，動模合模完畢后，抽芯油缸11 推動滑塊23 復(fù)位，鎖模油缸46 推動鎖緊塊22 使其鎖住滑塊23，最后油缸50 也復(fù)位，準(zhǔn)備下一次的生產(chǎn)。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)汽車門檻塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套有復(fù)雜抽芯，基于順序閥技術(shù)的熱流道雙分型面的注塑模具，模具采用直頂+斜頂組合的推出機(jī)構(gòu)。

(2)在定模側(cè)設(shè)計(jì)了兩處液壓抽塊抽芯機(jī)構(gòu)，解決了產(chǎn)品T1 與T2 的成型；在動模側(cè)設(shè)計(jì)了斜導(dǎo)柱+小滑塊+油缸驅(qū)動大滑塊運(yùn)動的二次抽芯機(jī)構(gòu)，解決了產(chǎn)品T3 處長徑比大導(dǎo)致脫模困難的問題。

(3)在動定模具之間設(shè)計(jì)了一種定距拉鉤的內(nèi)抽型芯的脫模機(jī)構(gòu)，通過控制定距拉鉤的距離，利用第一次分型與開模動力使動模B 板上的塑件與動模墊板上的內(nèi)抽型芯分離實(shí)現(xiàn)抽芯；模具投產(chǎn)后各個機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，脫模順暢，產(chǎn)品的外觀質(zhì)量與尺寸都達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。