汽車保險(xiǎn)杠模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

植才華

(肇慶市技師學(xué)院，廣東肇慶 526060)

塑料模具的結(jié)構(gòu)除了與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、外觀要求相關(guān)外，也與產(chǎn)品的注塑原材料密切相關(guān)。這就要求設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)塑料模具結(jié)構(gòu)時(shí)，不但需要考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，還要考慮原材料的特性，才能開發(fā)出優(yōu)異的塑料模具。聚丙烯(PP)是常用的注塑材料，與丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚苯乙烯(PS)等材料相比，PP 料的彈性較大。在設(shè)計(jì)原材料為PP 的塑料模具時(shí)，可以利用PP 料彈性較大的特性，在彈性范圍內(nèi)將產(chǎn)品拉長(zhǎng)，脫模后再自動(dòng)恢復(fù)原形，從而設(shè)計(jì)出與原材料為ABS，PS 等產(chǎn)品不同結(jié)構(gòu)的塑料模具。汽車前保險(xiǎn)杠的注塑材料為PP，產(chǎn)品兩端各有一個(gè)扣邊，現(xiàn)依據(jù)PP 彈性較大的特性，用滑塊將產(chǎn)品向兩端拉開，使底部的扣邊脫模后，再用推桿頂出，巧妙地簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)[1–4]。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析及外觀要求、模具設(shè)計(jì)難點(diǎn)

某汽車保險(xiǎn)杠尺寸為1 717 mm ×524 mm ×630 mm，主體部分的壁厚為3 mm，呈拱形結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖與產(chǎn)品圖如圖1 所示。由圖1a 可見，在產(chǎn)品的腰部有16 個(gè)小孔，在產(chǎn)品的邊緣還有若干裝配孔、倒扣，在產(chǎn)品兩端各有一個(gè)扣邊，扣邊高度為5 mm，扣邊結(jié)構(gòu)如圖1a 中的放大視圖所示。產(chǎn)品上有3 個(gè)窗口，在窗口3 的旁邊有一個(gè)側(cè)孔，如圖1b 所示。

圖1 汽車保險(xiǎn)杠產(chǎn)品圖

由于該產(chǎn)品是汽車的外觀件，不允許外表面出現(xiàn)夾口線，因此該產(chǎn)品腰部的16 個(gè)小孔需采用“油缸+定模滑塊”脫模，其中定?；瑝K采用滑塊針結(jié)構(gòu)，滑塊針采用718 材料。由于產(chǎn)品的邊緣在裝配后被其它零件遮蓋，允許產(chǎn)品邊緣出現(xiàn)夾口線，因此對(duì)于產(chǎn)品邊緣的裝配孔，采用“斜導(dǎo)柱+動(dòng)模滑塊”脫模。對(duì)于產(chǎn)品內(nèi)表面的倒扣，采用斜頂結(jié)構(gòu)脫模，其中滑塊和斜頂采用718 材料。

由于產(chǎn)品兩端的裝配孔、倒扣和扣邊的位置比較密集，模具的空間較小，在已為產(chǎn)品兩端角落處的倒扣設(shè)計(jì)了斜頂?shù)那疤嵯?，如果再為產(chǎn)品兩端的扣邊安排斜頂，則斜頂之間必定發(fā)生干涉，因此，產(chǎn)品兩端的扣邊采用“油缸+動(dòng)模滑塊”結(jié)構(gòu)，利用PP料彈性較大的特性，當(dāng)定、動(dòng)模分開后，用滑塊將兩端的扣邊往兩邊拉，使扣邊脫模后，再將產(chǎn)品頂出。這個(gè)脫模結(jié)構(gòu)非常巧妙，是這套模具的難點(diǎn)與重點(diǎn)。

2 模具主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)分型面設(shè)計(jì)。

汽車保險(xiǎn)杠產(chǎn)品上有3 個(gè)窗口，還有若干裝配孔。除了設(shè)計(jì)模具的分型面外，還應(yīng)為這些特征設(shè)計(jì)分型面，如圖2 所示。對(duì)于產(chǎn)品四周的分型面，是用分型線創(chuàng)建的條帶曲面；窗口1 的分型面是用該窗口的分型線創(chuàng)建的網(wǎng)格曲面；對(duì)于窗口2、窗口3 以及窗口3 旁邊的側(cè)孔，由于輪廓落差大，用其分型線創(chuàng)建條帶曲面后，再用斜面將上、下條帶曲面連接，該斜面同時(shí)起定位作用；對(duì)于其它位置的裝配孔，所對(duì)應(yīng)的裝配孔為平面，定、動(dòng)模型芯以正面對(duì)碰的形式封膠[5–6]。

圖2 分型面設(shè)計(jì)

(2)模具定、動(dòng)模型芯設(shè)計(jì)。

圖3 為定、動(dòng)模鑲件結(jié)構(gòu)圖。產(chǎn)品呈拱形的結(jié)構(gòu)，中間與兩端的落差較大，為了保證定模板的強(qiáng)度，定模板采用整體結(jié)構(gòu)，并在定模分型面上設(shè)置枕位，由枕位連接定模板的兩端，見圖3a。

圖3 定、動(dòng)模鑲件結(jié)構(gòu)圖

為了提高動(dòng)模型芯的強(qiáng)度與剛度、減少加工與裝配的難度，也為了降低模具成本，動(dòng)模型芯由三個(gè)鑲件拼接而成，并將中間部分的鑲件墊高。為了保證定、動(dòng)模的合模精度，將定、動(dòng)模的配合斜面設(shè)為8°，并在配合面上安裝耐磨片。除封膠面外，分型面的其它部分設(shè)計(jì)0.5 mm 的間隙，不但能減少模具裝配工的工作量，還可以使合模力集中在封膠面上，以提高封膠面的密封性[7–8]。

(3)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

產(chǎn)品尺寸較大，且呈拱形，中間與兩端的落差大，產(chǎn)品上有3 個(gè)輪廓較大的窗口，還有許多小孔、倒扣等嚴(yán)重影響熔體流動(dòng)的結(jié)構(gòu)，為了防止注塑時(shí)出現(xiàn)不良現(xiàn)象，使用熱流道+多點(diǎn)澆注的澆注系統(tǒng)。經(jīng)多次試模驗(yàn)證，確認(rèn)使用4 個(gè)澆口，由1 個(gè)直噴嘴和3 個(gè)順序閥熱噴嘴組成，澆注系統(tǒng)見圖4[9–10]。其中澆口1 為直噴嘴，直接在產(chǎn)品上澆注，澆口2～澆口4 為順序閥熱噴嘴，采用熱流道轉(zhuǎn)冷流道后，再用側(cè)澆口澆注。這種澆注方式主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是澆注痕不影響外觀，其中澆口1 設(shè)置在安裝車牌的位置，另外3 個(gè)澆口位于車底，4 個(gè)澆注痕都不影響外觀。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在生產(chǎn)時(shí)根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整4 個(gè)澆口的注射量和注射時(shí)間，使產(chǎn)品各部分都能得到良好的注塑效果。

圖5 為熱噴嘴附近的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

圖4 澆注系統(tǒng)

圖5 熱噴嘴附近的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

為了配合澆口1 在產(chǎn)品上直接澆注，將澆口1的位置設(shè)計(jì)成低于周圍澆注位約1 mm，由圖5a 可見，在該位置的背面設(shè)計(jì)一個(gè)圓柱，由圖5b 可見，該圓柱起冷料井的作用。將澆注位置設(shè)計(jì)成這種結(jié)構(gòu)，有利于修剪水口料，使修剪后的水口位低于周圍澆口位，不影響裝配其它零件。

(4)側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖6 為脫模機(jī)構(gòu)。對(duì)于產(chǎn)品的腰部位置的16個(gè)小孔，設(shè)計(jì)了“油缸+定?；瑝K”機(jī)構(gòu)脫模，見圖6a。對(duì)于產(chǎn)品兩端和中間邊緣位置的小孔，采用“斜導(dǎo)柱+動(dòng)?；瑝K”機(jī)構(gòu)脫模，見圖6b。對(duì)于產(chǎn)品內(nèi)表面的倒扣，采用斜頂結(jié)構(gòu)脫模，見圖6c。對(duì)于產(chǎn)品兩端的扣邊，采用“油缸+動(dòng)模滑塊”的抽芯機(jī)構(gòu)，由圖6d 可見。在這4 種脫模機(jī)構(gòu)中，前3 種脫模機(jī)構(gòu)比較常見，在這里不作介紹，重點(diǎn)介紹圖6d 的脫模機(jī)構(gòu)。

圖6 脫模機(jī)構(gòu)

(5)油缸+動(dòng)?；瑝K機(jī)構(gòu)。

完成注塑后，產(chǎn)品兩端的扣邊位于動(dòng)模型芯的底部以下，如圖7a 所示，由于產(chǎn)品兩端內(nèi)表面已排布了較為密集的滑塊與斜頂，無法再為兩端的扣邊安排斜頂，在這里根據(jù)PP 料的彈性較大特性，設(shè)計(jì)了油缸+動(dòng)模滑塊脫模機(jī)構(gòu)。將滑塊安排在產(chǎn)品外側(cè)，避開產(chǎn)品內(nèi)表面的斜頂。在滑塊表面開設(shè)小槽，如圖7b 所示，當(dāng)油缸帶動(dòng)滑塊向兩側(cè)分開時(shí)，滑塊表面的小槽將產(chǎn)品的扣邊向兩邊拉開，從而使產(chǎn)品兩端的扣邊脫離動(dòng)模型芯，然后在斜頂和直頂?shù)耐苿?dòng)下脫模，當(dāng)產(chǎn)品脫模后還能自動(dòng)恢復(fù)產(chǎn)品形狀。

圖7 產(chǎn)品的扣邊用滑塊的槽脫模

需要指出的是，產(chǎn)品兩端的扣邊不能使用“斜導(dǎo)柱+動(dòng)?；瑝K”機(jī)構(gòu)脫模，否則在開模時(shí)，定模沒有完全與動(dòng)模分開，產(chǎn)品必定與定模發(fā)生干涉；也不能使用斜頂機(jī)構(gòu)脫模，否則斜頂必定與圖6c 中4個(gè)角位處的斜頂機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉。

(6)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖8 為冷卻系統(tǒng)圖。在定模板中采用“直通式+水井式”水路，由圖8a 可見，由于產(chǎn)品兩端的深度較淺，采用直通式水路；由于產(chǎn)品中間的深度較大，采用水井式水路，并用直通水路連接。

圖8 冷卻系統(tǒng)

由圖8b 的動(dòng)模冷卻水路可見，在動(dòng)模型芯中，冷卻水路應(yīng)避開斜頂、直頂或其它鑲件，因此動(dòng)模中間鑲件采用水井式水路，并用直通水路將水井連接起來；動(dòng)模兩端的鑲件各只能安排一條水路，并將兩端鑲件的水路設(shè)計(jì)成斜線形狀，使水路與型芯外表面的距離均勻；模具兩端的滑塊體積較大，在兩個(gè)滑塊上各布置1 條獨(dú)立的直通式冷卻水路。

整套模具的冷卻系統(tǒng)采用集塊水接駁方式，不但簡(jiǎn)化接駁水管的工作量，還能夠自動(dòng)監(jiān)控水路中的水溫，并根據(jù)水溫自動(dòng)控制流速。采用上述冷卻系統(tǒng)，可以確保各部分的模具溫度均勻，能使產(chǎn)品快速冷卻，注塑周期約為65 s，而且產(chǎn)品形狀穩(wěn)定，產(chǎn)品的變形在允許范圍內(nèi)[11–12]。

(7)頂出機(jī)構(gòu)。

該模具的斜頂、直頂較多，且分布不均勻，另外由于產(chǎn)品尺寸較大，頂出力量較大。為了克服注塑機(jī)頂出的不良影響，采用油缸從兩端帶動(dòng)頂出系統(tǒng)頂出與復(fù)位。為了防止生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的灰塵進(jìn)入推板底部，影響頂出系統(tǒng)復(fù)位，在推板底部設(shè)置復(fù)位柱，使推板與動(dòng)模座板之間保持一定的容納空間，即使有灰塵進(jìn)入容納空間中，也不會(huì)影響頂出系統(tǒng)的復(fù)位[13–14]。

3 模具總體結(jié)構(gòu)與工作過程

采用兩板模結(jié)構(gòu)，熱流道系統(tǒng)澆注，定模采用整體結(jié)構(gòu)，動(dòng)模模芯由三部分拼接而成，為減輕模具的質(zhì)量，將動(dòng)模中間部分的型芯墊高。為保持頂出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平衡，由油缸帶動(dòng)脫模機(jī)構(gòu)脫模，模具結(jié)構(gòu)圖如圖9 所示。

在注塑生產(chǎn)時(shí)，模具的工作過程如下：

(1)注塑階段。注塑材料在熱流道管中加熱至熔融狀態(tài)后，經(jīng)過4 個(gè)熱噴嘴進(jìn)入到型腔中，并迅速充滿整個(gè)型腔，再經(jīng)過保壓、冷卻和固化后，得到產(chǎn)品穩(wěn)定的形狀。

(2)定?；瑝K脫模。注塑完成之后，在動(dòng)模與定模分開之前，定?；瑝K油缸32 啟動(dòng)，帶動(dòng)定模滑塊座34 和定?；瑝K型芯33 運(yùn)動(dòng)，從而使產(chǎn)品中間位置的小孔脫模。

(3)斜導(dǎo)柱+動(dòng)模滑塊脫模。在動(dòng)模與定模分開過程中，斜導(dǎo)柱29 引導(dǎo)動(dòng)?；瑝K30 脫模。

(4)油缸+動(dòng)模滑塊脫模。在動(dòng)模與定模完全分開后，動(dòng)滑滑塊油缸17 引導(dǎo)產(chǎn)品兩端的滑塊16從動(dòng)模型芯底部將產(chǎn)品兩端的扣邊向兩邊拉開，使扣邊脫離動(dòng)模型芯的底部。

圖9 模具結(jié)構(gòu)圖

(5)斜頂+直頂頂出。當(dāng)產(chǎn)品兩端的扣邊脫模后，推板油缸6 拉動(dòng)推板2、推桿固定板3、斜頂桿18 和推桿28 將產(chǎn)品從模具中頂出。

(6)頂出機(jī)構(gòu)復(fù)位。取出產(chǎn)品以后，操作工人在注塑機(jī)的控制器上按下復(fù)位鍵，模具開始復(fù)位，復(fù)位過程與開模過程正好相反。

(7)模具完全復(fù)位后即可開始下一個(gè)生產(chǎn)產(chǎn)品的周期[15–16]。

4 結(jié)論

在這套模具結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)特點(diǎn)，第一個(gè)特點(diǎn)是靈活利用PP 材料彈性較大的特性，巧妙地設(shè)計(jì)了“油缸+動(dòng)?；瑝K”的脫模機(jī)構(gòu)，在PP 料的彈性范圍內(nèi)，通過滑塊將產(chǎn)品兩端的扣邊往兩邊拉，使扣邊脫離動(dòng)模型芯的底部后，再將產(chǎn)品從模具中頂出，從而實(shí)現(xiàn)脫模，有效地簡(jiǎn)化了整套模具的結(jié)構(gòu)。第二個(gè)特點(diǎn)是將動(dòng)模型芯墊高，不但減少加工工作量，還可以減輕模具質(zhì)量，更重要的一點(diǎn)是降低模具的原材料成本。如果不墊高，動(dòng)模型芯的高度將達(dá)到671 mm，屬于超厚型的板材，模具材料的采購(gòu)單價(jià)將隨模板厚度的增厚而成倍提高，墊高后的動(dòng)模型芯高度僅為481 mm，可以大幅度降低板材的采購(gòu)單價(jià)。

該套模具適合使用20 000 kN 的注塑機(jī)，經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，該模具結(jié)構(gòu)合理，脫模動(dòng)作簡(jiǎn)單，注塑產(chǎn)品形狀穩(wěn)定。