基于Creo的汽車門框模具設(shè)計(jì)和模流分析

孫令真，陳運(yùn)勝，張勇維，張世良

(廣州華立科技職業(yè)學(xué)院 電力與智能制造學(xué)院，廣東 廣州 511325)

0 引 言

Creo是一款應(yīng)用非常廣泛的三維軟件，主要應(yīng)用于三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)與模具設(shè)計(jì)。除此之外，Creo還有一個(gè)模流分析功能，可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模流分析。在模具設(shè)計(jì)前，一般都需要進(jìn)行模流分析，對(duì)于模流分析中所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)行綜合評(píng)估，必要時(shí)應(yīng)對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以提高模具的一次性試模成功率[1-2]。本文以Creo為載體，對(duì)某品牌的汽車門框進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具工藝分析和塑料模具設(shè)計(jì)，并用Creo進(jìn)行模流分析，并針對(duì)該產(chǎn)品的一個(gè)扣位及該扣位內(nèi)部的筋位、該扣位根部的鏤空位，設(shè)計(jì)了一個(gè)聯(lián)動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)，使其順利脫模。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

汽車門框是汽車前、后門之間的一個(gè)塑料件，其主要作用是引導(dǎo)汽車玻璃窗的升降，該產(chǎn)品不能變形，否則汽車玻璃窗無(wú)法順利升降。應(yīng)用Creo軟件的拉伸、掃掠、切除、圓角、孔、筋等命令，創(chuàng)建汽車門框的三維實(shí)體，如圖1所示，產(chǎn)品的表面平整，內(nèi)表面有3個(gè)不同結(jié)構(gòu)的扣位，其中扣位(一)尺寸較小，位于產(chǎn)品的一端；扣位(二)的開(kāi)口指向產(chǎn)品內(nèi)表面；扣位(三)的開(kāi)口指向產(chǎn)品以外。在該扣位根部有一個(gè)鏤空位，內(nèi)部有一條凸起的筋，外部還有若干個(gè)圓孔、方孔和筋位。

(a) 視角一

(b) 視角二

用Creo軟件設(shè)計(jì)該產(chǎn)品的三維實(shí)體后，再直接將三維實(shí)體轉(zhuǎn)化為二維平面圖，如圖2所示，該產(chǎn)品的尺寸為346 mm×207 mm，高度為36 mm，壁厚為3.5 mm。從放大圖中可以看出，扣位(三)內(nèi)部筋位的高度為0.8 mm，在該扣位的根部有一個(gè)鏤空結(jié)構(gòu)，該鏤空的側(cè)壁與扣位斜面的夾角為5°，鏤空位的壁厚較薄，主要是為了防止筋位的根部產(chǎn)生縮水。

圖2 汽車門框的結(jié)構(gòu)圖

2 模具工藝分析

在模具設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行模具工藝性分析，檢測(cè)產(chǎn)品的脫模斜度是否符合要求，膠位厚度是否均勻，Creo軟件提供了這方面的功能。用Creo對(duì)產(chǎn)品的脫模角度或壁厚進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)于產(chǎn)品拔模斜度超標(biāo)或者膠位厚度不均勻的區(qū)域，Creo將會(huì)顯示不同的顏色，非常直觀。該產(chǎn)品壁厚檢查結(jié)果為：主體部分壁厚2.5 mm，用深色表示；筋位壁厚2.0 mm，用淺色表示，如圖3所示，產(chǎn)品壁厚符合模具要求。

圖3 產(chǎn)品壁厚分析

3 模流分析

運(yùn)用Creo軟件的模流分析功能，對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行模流分析。產(chǎn)品的原材料為ABS和PC的混合料，在模流分析時(shí)，選擇兩個(gè)進(jìn)澆點(diǎn)，從產(chǎn)品兩端進(jìn)澆。將填充時(shí)間設(shè)置為11 s，熔體溫度設(shè)置為260 ℃，模具溫度設(shè)置為80 ℃，最大注塑壓力設(shè)置為120 MPa，保壓時(shí)間設(shè)置為10 s，分析效果如圖4所示。進(jìn)澆點(diǎn)的顏色為深色，注塑起始時(shí)間為0.064 s，結(jié)束時(shí)間為10.78 s，如圖4(a)所示；在產(chǎn)品的中間位置存在一條熔接線，橫貫產(chǎn)品中部，在產(chǎn)品通孔位置存在較短的熔接線，如圖4(b)所示，符合實(shí)際情況。主流道壓力-時(shí)間曲線如圖4(c)所示：在0 s～8.6 s，主流道的壓力逐漸增大；從0逐漸升至12 MPa，在8.6 s～9.5 s，主流道壓力稍微回落后，再升高至13.3 MPa；在9.5 s～10.8 s，壓力逐漸回落；在熔體的速度矢量圖中，網(wǎng)格均勻，所呈現(xiàn)的顏色為深色，如圖4(d)所示。根據(jù)Creo模流分析效果圖可以判斷，運(yùn)用Creo進(jìn)行的模流分析符合實(shí)際生產(chǎn)情況[3-4]。

(a) 熔體注塑時(shí)間

(b) 產(chǎn)品上的熔接線

(c) 主流道壓力-時(shí)間曲線

(d) 熔體的速度矢量圖

4 模具結(jié)構(gòu)

汽車上左、右兩個(gè)門框的結(jié)構(gòu)正好相反，該模具采用一模兩腔，同時(shí)生產(chǎn)左、右兩個(gè)門框，將兩個(gè)大滑塊分布在模具的兩側(cè)，不但可以提升生產(chǎn)效率，還可以使整套模具的受力平衡[5-6]。

4.1 分型面設(shè)計(jì)

這套模具的分型面創(chuàng)建過(guò)程是先將產(chǎn)品邊線投影在YZ平面上，再由投影后的曲線創(chuàng)建拉伸曲面，最后再根據(jù)產(chǎn)品輪廓曲線修剪拉伸曲面，得到模具的分型面。用這種方法所創(chuàng)建的分型面比較平整，沒(méi)有尖角、拐角等影響模具壽命的結(jié)構(gòu)。分型面的封膠位寬度為25 mm左右，在封膠位的其他位置設(shè)計(jì)合模間隙，設(shè)置合模間隙的作用是減少模具鉗工裝配模具時(shí)的工作量，也有利于將合模力集中在封膠面上，增加封膠面的密封性，防止產(chǎn)生毛刺。為了增加定、動(dòng)模的合模精度，在分型面上設(shè)置了5個(gè)定位塊，流道開(kāi)設(shè)在分型面上，分型面結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.2 扣位(三)的聯(lián)動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)

為了使產(chǎn)品上的扣位(三)及該扣位內(nèi)表面的筋位和根部的鏤空位順利脫模，設(shè)計(jì)了由兩個(gè)滑塊組成的聯(lián)動(dòng)脫模機(jī)構(gòu)，主要由滑塊座、斜楔、大滑塊、小滑塊、活動(dòng)導(dǎo)軌、T形導(dǎo)軌、壓塊、擋塊和彈簧組成。由斜楔帶動(dòng)滑塊座平移，大滑塊固定在滑塊座上，大滑塊的上表面為斜面，T形導(dǎo)軌分布在大滑塊的表面，活動(dòng)導(dǎo)軌位于滑塊的中間位置，擋塊抵扣在活動(dòng)導(dǎo)軌的端面，活動(dòng)導(dǎo)軌與小滑塊用螺栓固定在一起，在滑塊座上設(shè)置了兩條限位螺栓，用于限定小滑塊與大滑塊之間相對(duì)移動(dòng)的距離，在大滑塊與小滑塊之間設(shè)置4條彈簧，當(dāng)開(kāi)模時(shí)，彈簧將小滑塊推開(kāi)，使小滑塊在大滑板的上表面滑動(dòng)，滑塊聯(lián)動(dòng)脫模機(jī)構(gòu)如圖6所示。

圖5 分型面結(jié)構(gòu)

圖6 組合滑塊結(jié)構(gòu)圖

沿活動(dòng)導(dǎo)軌中心線剖視圖如圖7(a)所示，擋塊固定在上模板上，擋塊與活動(dòng)導(dǎo)軌接觸面的斜度為88°；沿限位螺柱中心線剖視圖如圖7(b)所示，斜楔的斜度為23°，大滑塊上表面的斜度為5°。

(a) 沿活動(dòng)導(dǎo)軌中心線剖視圖

(b) 沿限位螺柱中心線剖視圖

為了使扣位(三)根部的鏤空位脫模，在小滑塊的兩端設(shè)置了壓塊，在壓塊上設(shè)計(jì)了凸位，如圖8(a)所示。在小滑兩端設(shè)計(jì)了凹位，如圖8(b)所示。凸位和凹位的配合面與水平面的夾角為50°，配合高度為19 mm，如圖8(c)所示。

組合滑塊脫模機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式是：在開(kāi)模時(shí)，斜楔帶動(dòng)滑塊座與大滑塊沿圖6中的F1方向水平移動(dòng)，在小滑塊與滑塊座之間設(shè)置了彈簧，彈簧的彈力將小滑塊與大滑塊分開(kāi)，使小滑塊在大滑塊上表面的斜面上沿F2方向滑動(dòng)。由于大滑塊的上表面是往下傾斜的斜面，當(dāng)小滑塊沿傾斜的T形導(dǎo)軌滑動(dòng)時(shí)，該運(yùn)動(dòng)可以分解成水平方向分運(yùn)動(dòng)和豎直方向的分運(yùn)動(dòng)。小滑塊兩端各有一個(gè)壓塊，壓塊上有一個(gè)50°斜面。豎直分運(yùn)動(dòng)將使小滑塊沿壓塊斜面向斜下方(即F3方向)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)小滑塊沿壓塊斜面向下滑動(dòng)的豎直距離為19 mm時(shí)，小滑塊兩端的凹位已脫離壓塊的凸位，此時(shí)扣位(三)內(nèi)表面的筋位和扣位根部的鏤空位已完全脫模。然后彈簧將推動(dòng)小滑塊沿F4方向平移。當(dāng)小滑塊與大滑塊分開(kāi)的水平距離為15 mm時(shí)，限位螺栓帶領(lǐng)小滑塊與大滑塊一起沿F1方向做脫模運(yùn)動(dòng)。當(dāng)合模時(shí)，組合滑塊的運(yùn)動(dòng)過(guò)程正好相反。

(a) 壓塊的結(jié)構(gòu)

(b) 小滑塊端面的扣位

(c) 壓塊的結(jié)構(gòu)

擋塊側(cè)面的斜度為88°，當(dāng)動(dòng)模與定模分開(kāi)時(shí)，設(shè)定、動(dòng)模分開(kāi)的距離為a，則擋塊側(cè)面讓出的水平距離為：a×tan 2°=0.035a。小滑塊在擋塊50°的斜面上沿F3方向滑動(dòng)時(shí)，小滑塊將產(chǎn)生水平分距離，該水平分距離為：a×tan 23°×tan 5°×tan 40°=0.031a。擋塊側(cè)面讓出的水平距離略大于小滑塊沿F3方向滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的水平分距離，因此組合滑塊機(jī)構(gòu)在開(kāi)模過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生干涉，能正常脫模。

4.3 扣位(二)的組合斜頂結(jié)構(gòu)

扣位(二)的開(kāi)口指向產(chǎn)品內(nèi)表面，用斜頂結(jié)構(gòu)才能使該扣位脫模，扣位的尺寸較大，對(duì)應(yīng)斜頂?shù)捏w積塊較大，尺寸為234 mm×48 mm×58 mm。為了不影響動(dòng)模鑲件的強(qiáng)度，也為了在頂出時(shí)保持平衡，將斜頂設(shè)計(jì)成由斜頂塊與兩根斜頂桿組合的結(jié)構(gòu)。為了防止斜頂桿在頂出過(guò)程中受力變形，在兩個(gè)斜頂桿之間設(shè)置加強(qiáng)桿，如圖9(a)所示。這種斜頂結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點(diǎn)，第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是斜頂桿為標(biāo)準(zhǔn)件，與斜頂塊的互配性好，用鎖緊塊直接鎖緊即可；第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在兩個(gè)斜頂桿之間安裝加強(qiáng)桿，由加強(qiáng)桿引導(dǎo)斜頂運(yùn)動(dòng)，并承擔(dān)斜頂扭曲的力；第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)斜頂桿接通水管，對(duì)斜頂進(jìn)行冷卻，斜頂桿的剖面視圖如圖9(b)所示[7-8]。

(a) 斜頂立體視圖

(b) 斜頂剖面示意圖

4.4 扣位(一)的斜導(dǎo)柱+滑塊結(jié)構(gòu)

1-動(dòng)模板；2-耐磨片；3-鏟基；4-斜導(dǎo)柱；5-定模板；6-定模鑲件；7-滑塊座；8-產(chǎn)品；9-滑塊；10-小孔型芯鑲件；11-動(dòng)模鑲件圖10 扣位(一)滑塊結(jié)構(gòu)

對(duì)于扣位(一)，用斜導(dǎo)柱+滑塊的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)脫模，如圖10所示。該扣位的開(kāi)口方向向下傾斜，按照扣位(一)開(kāi)口方向的斜度設(shè)置滑槽的斜度，使滑塊按扣位傾斜的方向脫模。扣位的底部有一個(gè)通孔，長(zhǎng)時(shí)間工作后，孔的口部可能會(huì)產(chǎn)生毛刺。為了方便修模，將該孔位的型芯設(shè)計(jì)成鑲件結(jié)構(gòu)，由滑塊與鑲件用碰穿的方法實(shí)現(xiàn)，如果小孔口部產(chǎn)生毛刺，只需要維修孔位的鑲件，維修工作簡(jiǎn)單、實(shí)用。

4.5 進(jìn)澆系統(tǒng)

汽車門框是汽車的一個(gè)外觀件，對(duì)于外表面的要求比較高，不能有進(jìn)澆口、熔接線、氣泡等注塑瑕疵，為了減少冷流道進(jìn)澆系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品的影響，選擇熱流道轉(zhuǎn)冷流道，再?gòu)漠a(chǎn)品兩端的內(nèi)表面進(jìn)澆。根據(jù)制造同類模具的經(jīng)驗(yàn)以及應(yīng)用Creo軟件進(jìn)行模流分析的結(jié)果，所選擇的兩個(gè)進(jìn)澆口位置如圖11(a)所示。為了減小進(jìn)澆口對(duì)產(chǎn)品外觀的影響，將其中一個(gè)澆口設(shè)置在產(chǎn)品內(nèi)表面的筋位上。流道從滑塊的底部進(jìn)澆，另一個(gè)澆口設(shè)置在被汽車其他零件遮蓋的端部?jī)?nèi)表面，在動(dòng)模板上開(kāi)設(shè)一條槽，流道從槽底進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)表面，如圖11(b)所示，澆口為扇形澆口[9-10]。

(a) 熱流道轉(zhuǎn)冷流

(b) 從內(nèi)表面進(jìn)澆

4.6 冷卻系統(tǒng)

汽車門框的主要功能是引導(dǎo)車窗升降，尺寸精度要求高，產(chǎn)品不能變形，否則玻璃窗不能正常升降。為了防止產(chǎn)品變形，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)比較平整，定模板適宜采用直通水路，水路直徑為10 mm，與型腔的距離約為25 mm，如圖12(a)所示。為了避開(kāi)動(dòng)模上兩個(gè)體積較大的斜頂和其他推桿，動(dòng)模板采用“直通+水井”結(jié)合的冷卻水路。其中直通水路直徑為10 mm，水井直徑為16 mm。每個(gè)型腔有9個(gè)水井，共有18個(gè)水井，如圖12(b)所示(深色表示水井)。為了使模具溫度平衡，防止冷卻水在回路中流動(dòng)時(shí)水溫逐漸升高，導(dǎo)致模溫不均勻，定、動(dòng)模的水路各分成兩組，每組為一個(gè)獨(dú)立的回路；在組合滑塊結(jié)構(gòu)中，小滑塊體積較小，比較單薄，不宜開(kāi)設(shè)水路。大滑塊的體積較大，開(kāi)設(shè)直通式冷卻水路，并沿滑塊輪廓的形狀，將直通水路設(shè)計(jì)成折線狀，使水路與型腔的距離盡量相同，如圖12(c)所示。為了防止熱流道板溫度過(guò)高，在熱流道板上開(kāi)道冷卻水路，如圖12(d)所示。為了使斜頂塊的溫度維持在正常水平，在斜頂塊上開(kāi)設(shè)獨(dú)立的冷卻水路，斜頂?shù)睦鋮s水路如圖9所示[11-12]。扣位(一)的滑塊體積較小，不宜開(kāi)設(shè)水路。

(a) 定模鑲件冷卻

(b) 動(dòng)模鑲件冷卻水路

(c) 大滑塊水路呈折

(d) 熱流道板冷卻水路

4.7 其他結(jié)構(gòu)

在模架側(cè)面安裝模腳，當(dāng)模具擺放在地面時(shí)，模腳起支撐作用，有利于保護(hù)模具上的滑塊、熱流道電器件、冷卻水管接頭等模具配件；在模具上開(kāi)設(shè)撬模槽，有利于鉗工在拆、裝模具時(shí)，將拆卸工具插入到撬模槽中，防止鉗工硬敲模板；在模架上安裝鎖模塊，鎖模塊將動(dòng)、定模板連接在一起，防止吊裝模具時(shí)，動(dòng)、定模板分離；在模架上安裝吊模塊，吊模塊位于模架動(dòng)、定模的中心位置，當(dāng)?shù)跹b模具時(shí)，有利于模具保持平衡；將冷卻水路的水管接頭全部埋在模架內(nèi)，防止操作不當(dāng)損壞水管接頭；為了防止動(dòng)模板變形，增加了兩個(gè)墊塊，使模架的4個(gè)側(cè)面都有墊塊；在推板與動(dòng)模座板之間設(shè)定限位柱，當(dāng)推板復(fù)位后，推板與動(dòng)模座板之間保持一定的距離，當(dāng)異物進(jìn)入到推板與動(dòng)模座板之間時(shí)，不會(huì)影響模具頂出機(jī)構(gòu)的復(fù)位[13-14]。

5 模具結(jié)構(gòu)圖

用Creo設(shè)計(jì)模具三維圖之后，可以直接在Creo軟件下將三維圖轉(zhuǎn)化成二維工程圖，在同一軟件下繪制三維圖與二維圖，能有效提升工程師的工作效率。這套模具沿?zé)崃鞯雷?、組合斜頂限位螺柱中心線折線的剖視圖如圖13(a)所示，沿小滑塊的剖視圖如圖13(b)所示。

(a) 沿?zé)崃鞯拦芘c

(b) 沿小扣位滑塊剖視圖

模具的工作過(guò)程為：注射完成后，模具在定模板(10)和動(dòng)模板(8)的分型面PL處分開(kāi)，產(chǎn)品留在動(dòng)模。下列兩個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行：第一個(gè)動(dòng)作是扣位(一)的斜導(dǎo)柱+滑塊脫模機(jī)構(gòu)脫模，第二個(gè)動(dòng)作是扣位(三)的組合滑塊機(jī)構(gòu)(19)脫模。當(dāng)注塑機(jī)帶領(lǐng)動(dòng)模移動(dòng)到極限位置后，注塑機(jī)返復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)模具的推板(3)運(yùn)動(dòng)，推板(3)推動(dòng)扣位(二)斜頂脫模機(jī)構(gòu)(18)和推桿(22)脫模，并推動(dòng)拉料勾(7)將流道中的材料頂出，其中推桿(22)和拉料勾(7)做豎直頂出運(yùn)動(dòng)，斜頂脫模機(jī)構(gòu)(18)做斜向頂出運(yùn)動(dòng)。當(dāng)頂出產(chǎn)品后，注塑機(jī)先帶動(dòng)模具的頂出機(jī)構(gòu)復(fù)位，再帶動(dòng)模具的動(dòng)模部分與定模合模。模具的復(fù)位過(guò)程與開(kāi)模過(guò)程完全相反，當(dāng)動(dòng)模、定模完全復(fù)位后，開(kāi)始下一次產(chǎn)品的注塑周期[15]。

6 結(jié) 論

本文運(yùn)用Creo軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具工藝性分析和模具設(shè)計(jì)，并在Creo軟件中進(jìn)行模流分析，所有的設(shè)計(jì)過(guò)程都在Creo軟件下完成，有利提升設(shè)計(jì)師的工作效率。也可以避免在不同軟件之間轉(zhuǎn)化三維圖形時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真、爛面的現(xiàn)象。

對(duì)于汽車門框內(nèi)表面的3個(gè)扣位，設(shè)計(jì)不同的脫模結(jié)構(gòu)：對(duì)于扣位(一)，采用斜導(dǎo)柱+滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)脫模；對(duì)于扣位(二)，采用組合斜頂結(jié)構(gòu)脫模；對(duì)于扣位(三)，由于該扣位的根部有一個(gè)鏤空位，扣位的內(nèi)表面有一條筋位，采用兩個(gè)滑塊聯(lián)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)脫模，這套模具的難點(diǎn)在于使扣位(三)及其內(nèi)部的筋位和筋位根部的鏤空位脫模。為了克服冷流道的缺陷，采用熱流道+冷流道的進(jìn)澆系統(tǒng)，并將進(jìn)澆口開(kāi)設(shè)在產(chǎn)品的內(nèi)表面，有效克服了產(chǎn)品表面出現(xiàn)澆口、氣泡、熔接線等注塑缺陷。

本套模具正常生產(chǎn)的注塑機(jī)的注塑壓力為8 000 kN，水口料的浪費(fèi)較少，注塑成型較快，產(chǎn)品變形較小，產(chǎn)品的外表面無(wú)注塑瑕疵。經(jīng)模具量產(chǎn)證明，該模具的結(jié)構(gòu)合理，生產(chǎn)周期短，模具維修率低。