汽車用升降器薄壁開關(guān)面板注塑模具設(shè)計(jì)

羅彥英，梅益，唐方艷，甘盛霖

(1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550025；2.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州 黔東南苗族侗族自治州 556099)

隨著汽車制造業(yè)的發(fā)展,人們對(duì)車用塑料配件的各項(xiàng)性能提出了更高要求,為了減輕車身自重,提高汽車性能,汽車內(nèi)飾件一般選擇使用塑料結(jié)構(gòu)[1-4]。車用升降器開關(guān)面板主要承擔(dān)裝配車窗的功能性作用,也是重要的內(nèi)飾件。由于該件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,采用常規(guī)的注塑成型工藝制造周期長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高。根據(jù)塑件產(chǎn)品特點(diǎn),筆者設(shè)計(jì)了一副一模兩腔壓板鑲拼式側(cè)抽芯注塑模具,且針對(duì)注塑成型工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 塑件結(jié)構(gòu)與工藝分析

1.1 結(jié)構(gòu)分析

該零件為汽車內(nèi)部車門用車窗的開關(guān)面板。從結(jié)構(gòu)上看,面板四周的卡扣用于安裝,起固定作用,對(duì)機(jī)械強(qiáng)度有一定的要求；另一方面,需要保證面板尺寸穩(wěn)定性以滿足汽車使用壽命的要求。升降器開關(guān)面板塑件為平均厚度1.75 mm的薄壁件,塑件外形尺寸為406 mm×68 mm×57 mm。圖1為塑件的三維模型?；赨G12.0 Mold Wizard應(yīng)用模塊進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì),并對(duì)模具的開合模過(guò)程進(jìn)行模擬。由圖1可知,塑件四周分布有較多的固定卡扣；四個(gè)內(nèi)部倒扣；多個(gè)尺寸不一的圓孔；尺寸較大的異形孔；一個(gè)不規(guī)則盆狀凹槽且凹槽中還有形狀較為復(fù)雜的孔等結(jié)構(gòu)。

圖1 升降器開關(guān)面板三維結(jié)構(gòu)

為成型該件的凹槽和卡扣需要設(shè)計(jì)多個(gè)抽芯機(jī)構(gòu),這會(huì)導(dǎo)致注塑填充過(guò)程中更易產(chǎn)生翹曲[5-7]。故采用推桿推出機(jī)構(gòu),并且塑件采用鑲拼方式成型。使用UG12.0軟件對(duì)該件進(jìn)行壁厚分析,最大壁厚為4.41 mm,平均厚度為1.75 mm,表明該件不屬于均注塑件,故設(shè)置拔模角度為1°保證脫模過(guò)程平穩(wěn)順利,壁厚云圖如圖2所示。塑件精度要求為MT2,無(wú)特殊表面粗糙度要求[8]。

圖2 塑件壁厚云圖

1.2 工藝分析

升降器開關(guān)面板塑件材料選用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)[9]。該材料具有良好的沖擊韌性、力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性、耐化學(xué)性和電性能[10],易于成型和機(jī)械加工,塑件內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形小,適合注塑成型這種薄壁塑件。

結(jié)合升降器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)組合式的凹凸模結(jié)構(gòu),采用扇形澆口形,分流道直徑為7 mm,長(zhǎng)度為15 mm。塑件頂出時(shí)體積收縮率最大為6.7%,實(shí)際注射量為398.61 cm3,為保證塑件質(zhì)量需要足夠的保壓壓力,選用SZ-10000/1600型號(hào)的注塑機(jī)。其中注塑機(jī)的理論注射量為10 000 cm3,注射壓力為140 MPa,頂出力為151 kN,所選擇注塑機(jī)型號(hào)滿足工藝需求。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 確定分型面

升降器開關(guān)面板的分型面選擇其最大截面輪廓處,如圖3所示。選擇該分型面便于塑件脫模且有效降低了塑件成型過(guò)程中產(chǎn)生氣穴,造成塑件精度下降的影響,從而保證產(chǎn)品的精度和質(zhì)量[5]。

圖3 分型面位置

2.2 升降器開關(guān)面板抽芯機(jī)構(gòu)

(1)側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)。

由圖1可知,塑件兩側(cè)卡扣過(guò)多,故兩側(cè)需要抽芯位置過(guò)多,為了簡(jiǎn)化模具設(shè)計(jì),提高加工效率保證塑件精度,將抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為整體,整體抽芯由三個(gè)斜銷抽芯組成共同完成抽芯。為避免抽芯力過(guò)大、芯頭磨損等問(wèn)題,在抽芯上的與型腔接觸的非作為型腔面的面設(shè)置1°的拔模斜度,抽芯與套套板之間留有0.5 mm的抽芯間隙,如圖4所示。

圖4 側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)

(2)斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)。

由圖1可知,升降器開關(guān)面板上表面有一不規(guī)則盆狀凹槽,且凹槽中還有一異形孔,故選用斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)。為保證塑件順利脫模,本設(shè)計(jì)斜銷安裝角度α為15°,銷緊楔的斜度為2°,斜銷直徑d為8 mm,抽芯力Q為83.3 N,斜銷的工作部分長(zhǎng)度L約為42.5 mm,斜銷安裝長(zhǎng)度約是其工作長(zhǎng)度的兩倍,筆者選用斜銷長(zhǎng)度為90 mm,安裝端采用壓塊來(lái)固定。設(shè)計(jì)的抽芯機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5 斜導(dǎo)柱抽芯結(jié)構(gòu)

2.3 頂出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降器開關(guān)面板是薄壁注塑件,采用組合式凹凸模結(jié)構(gòu)。其精度及外觀質(zhì)量要求較高且塑件上有多個(gè)難加工的孔,不適宜布置大面積推桿,由壓桿穩(wěn)定公式可知,每個(gè)塑件需布置7根推桿,直徑有4,7,8,10,11 mm等五種規(guī)格,塑件推出距離最小為58 mm,為達(dá)到脫模順利的目的,選用安全距離a=12 mm,則實(shí)際推出距離為70 mm,脫模力為48.40 kN。頂出機(jī)構(gòu)布置如圖6所示。

圖6 頂出機(jī)構(gòu)

3 升降器開關(guān)面板CAE分析

基于Moldflow軟件對(duì)該件進(jìn)行模流分析,按全局3 mm劃分網(wǎng)格,通過(guò)交換邊、合并節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)重新劃分網(wǎng)格,整體合并后進(jìn)行縱橫比修復(fù),修復(fù)后結(jié)合網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)可知,三角形單元數(shù)為45 970,最小縱橫比1.16,最大縱橫比6,平均縱橫比1.98,不可見(jiàn)三角形、自由邊、多重邊、配項(xiàng)不正確的單元、相交單元、完全重疊單元均為0,匹配率為87.7%,升降器開關(guān)面板塑件滿足模流分析條件。

3.1 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)采用水冷方式,塑件在成型過(guò)程中會(huì)放出大量余熱,其中約90%由冷卻介質(zhì)帶走,其余則以輻射、對(duì)流的形式散發(fā)到大氣中[11-12]。因零件結(jié)構(gòu)不規(guī)則,注射時(shí)塑件各部分易產(chǎn)生溫度不均,從而導(dǎo)致塑件凝固收縮不均發(fā)生翹曲[2,13]。故水道應(yīng)均勻分布在零件兩側(cè),同時(shí)在零件凹槽附近加設(shè)專屬冷卻水道,冷卻水道直徑為8 mm。冷卻水道布局如圖7所示。

圖7 冷卻布局結(jié)構(gòu)

基于Moldflow軟件對(duì)冷卻布局模型進(jìn)行冷卻分析,進(jìn)水口溫度為25.01℃,出水口溫度為26.11℃,回路冷卻溫度差小于5℃,表明在注塑過(guò)程中,冷卻回路達(dá)到均勻熱交換,基本實(shí)現(xiàn)模具組件溫度均衡目的。水路熱去除效率基本達(dá)到冷卻效果。達(dá)到頂出溫度的時(shí)間為64.95 s,塑件在冷卻時(shí)全部?jī)鼋Y(jié)層百分比達(dá)到了100%,可順利脫模頂出。

3.2 澆口位置分析

升降器開關(guān)面板塑件屬于壁厚不均注塑件,使用Moldflow軟件分析其澆口匹配特性,得到塑件最佳澆口位置如圖8澆口位置分析所示。最低流動(dòng)前沿溫度為207.9℃,達(dá)到頂出溫度時(shí)間為77.88 s。

圖8 澆口位置分析

結(jié)合塑件薄壁、寬大等特點(diǎn),選用扇形澆口[14-15],主流道長(zhǎng)度67.54 mm,為減小熱量損失,分流道截面選為圓形,長(zhǎng)為15 mm,冷料穴直徑為10 mm,高度15 mm。

3.3 DOE優(yōu)化分析

由于局部壁厚不均以及收縮不均勻,使注塑件產(chǎn)生翹曲變形[2,16]。選擇熔體溫度、模具表面溫度、保壓壓力及持續(xù)時(shí)間[17-20]四個(gè)作為變量進(jìn)行DOE實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,塑件翹曲變形量與熔體溫度、達(dá)到頂出溫度、保壓壓力、持續(xù)時(shí)間有關(guān)。翹曲變形產(chǎn)生于成型過(guò)程中的不均勻收縮,具體可分為結(jié)構(gòu)不合理、材料性質(zhì)、模具結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝四大原因。

通過(guò)對(duì)塑件進(jìn)行模流分析與DOE分析可以得到對(duì)注塑成型效果影響最大的因素是熔體溫度、保壓壓力。根據(jù)分析結(jié)果選用優(yōu)化參數(shù),將熔體溫度調(diào)整為230.8℃,模具表面溫度為52.5℃,注塑時(shí)間為1 s,開模時(shí)間為5 s,保壓階段最大保壓壓力為200 MPa,保壓總時(shí)間為20 s,到達(dá)頂出時(shí)間為59.21 s,總冷卻時(shí)間約為38 s。表1為優(yōu)化前后的參數(shù)比對(duì)。優(yōu)化后達(dá)到頂出溫度的時(shí)間降低了18.54%；活動(dòng)接觸座塑件的翹曲值為1.291 mm,降低了51.92%,塑件的質(zhì)量和精度得到明顯改善。對(duì)比優(yōu)化前后成型效果如圖9、圖10所示。

表1 DOE優(yōu)化分析結(jié)果

圖9 DOE收縮不均變形分析

圖10 調(diào)整保壓曲線

4 模具工作原理

升降器開關(guān)面板塑件采用一模兩腔進(jìn)行注射,設(shè)計(jì)了側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)和斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu),澆口為扇形澆口,圖11為車用升降器開關(guān)面板模具總裝配圖。塑件內(nèi)部復(fù)雜、多孔,為保證模具良好的工作性能,從兩個(gè)不同方向上進(jìn)行抽芯。模具工作過(guò)程為：模具合模之后,將加熱塑化后的塑料通過(guò)注塑機(jī)進(jìn)行注射,經(jīng)過(guò)澆口套,進(jìn)入到模具型腔之中；在進(jìn)行保壓、冷卻固化到足夠剛性后,等待模具開模。抽芯機(jī)構(gòu)進(jìn)行滑動(dòng),在斜銷和斜銷壓塊的作用下對(duì)塑件進(jìn)行成型抽芯。然后在推板與頂桿的作用下,將塑件頂出,塑件取走以后,頂出過(guò)程結(jié)束。最后在復(fù)位桿的作用下,模具完成復(fù)位,合模結(jié)束；模具開始準(zhǔn)備下一次注射。

圖11 車用升降器開關(guān)面板注塑模具結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

(1)針對(duì)汽車升降器開關(guān)面板塑件,設(shè)計(jì)了具有側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)、斜導(dǎo)柱抽芯結(jié)構(gòu)和頂出結(jié)構(gòu)的模具。成功解決了抽芯力過(guò)大、芯頭磨損、塑件卡扣多和脫模困難等問(wèn)題。其中塑件采用一模兩腔進(jìn)行注射,壓板鑲拼式進(jìn)行成型,基于UG12.0 MoldWizard應(yīng)用模塊下保證各機(jī)構(gòu)間不產(chǎn)生干涉現(xiàn)象,確保模具結(jié)構(gòu)緊湊及運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定可靠。

(2)冷卻水道在零件兩側(cè)均勻分布,同時(shí)在零件凹槽附近加設(shè)專屬冷卻水道,解決塑件凝固收縮不均發(fā)生翹曲的問(wèn)題?；贛oldflow軟件進(jìn)行冷卻分析,在注塑過(guò)程中,回路冷卻溫度差小于5℃,冷卻回路達(dá)到均勻熱交換,基本實(shí)現(xiàn)模具組件溫度均衡目的；水路熱去除效率基本達(dá)到冷卻效果。塑件在冷卻時(shí)全部?jī)鼋Y(jié)層百分比達(dá)到了100%,可順利脫模頂出。

(3)使用Moldflow軟件對(duì)塑件保壓壓力、持續(xù)時(shí)間、翹曲變形進(jìn)行CAE分析,并結(jié)合DOE實(shí)驗(yàn)對(duì)其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,達(dá)到頂出溫度的時(shí)間降低了18.54%；活動(dòng)接觸座塑件的翹曲值降低了51.92%,塑件的質(zhì)量和精度得到明顯改善。