基于CAE技術(shù)的汽車轉(zhuǎn)向管柱護罩熱流道注塑模具設(shè)計

傅瑩龍，符立華，葉星輝，林連明，任建平

(1.臺州科技職業(yè)學院，浙江臺州 318000；2.浙江凱華模具有限公司，浙江臺州 318000)

汽車轉(zhuǎn)向管柱護罩是汽車內(nèi)飾件中比較重要的組成部分，它位于汽車方向盤下方部位，用于遮擋住方向盤的傳動軸，對于美觀性有一定的要求。汽車內(nèi)飾件基本為外觀件，對外表面的質(zhì)量要求較高，不能出現(xiàn)熔接痕、斑點、氣痕、毛邊及縮痕等缺陷，并且內(nèi)飾件形狀一般不規(guī)則，包含各種卡扣、boss柱、狗窩等連接結(jié)構(gòu)，同時曲面形狀復雜，因此相應的模具設(shè)計有一定的難度，一般借助CAE/CAD技術(shù)來完成結(jié)構(gòu)工藝分析和模具設(shè)計。熱流道是當前塑料注塑技術(shù)的發(fā)展方向，是一種比較先進的技術(shù)，它可以縮短產(chǎn)品的成型周期并節(jié)省原材料，降低注塑壓力[1-3]。筆者通過對汽車轉(zhuǎn)向管柱護罩的前期CAE分析，預測可能存在的問題，通過設(shè)計多種組合抽芯機構(gòu)，在頂出系統(tǒng)中采用了直斜頂組合機構(gòu)及二次頂出結(jié)構(gòu)，解決了塑件產(chǎn)品脫模困難的問題。

1 塑件的結(jié)構(gòu)分析

某汽車轉(zhuǎn)向管柱護罩的零件圖如圖1所示，零件的整體尺寸為197 mm×115 mm×125 mm，體積約為118.2 cm3，選用材料為日本大賽璐科技有限公司生產(chǎn)的聚碳酸酯(PC)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)，牌號為NovalloyS 1220，收縮率為0.5%，其具有耐熱性好、抗沖擊性好、強度高等優(yōu)點，主要的物理力學性能及工藝性能參數(shù)見表1。

圖1 汽車轉(zhuǎn)向管柱護罩零件圖

表1 NovalloyS 1220的物理力學性能及工藝參數(shù)

該塑件外表面要求光滑無痕，內(nèi)部無短射，尺寸滿足裝配要求[4-5]。圖1中產(chǎn)品的T1，T2兩處外表面有較大的內(nèi)凹特征，內(nèi)部各有4根厚度為0.5 mm的加強筋，最大深度可達到14 mm，T3，T4兩處區(qū)域有兩個圓形通孔和方形通孔的狗窩特征，通孔深度為3 mm，且該區(qū)域空間結(jié)構(gòu)狹小，這些結(jié)構(gòu)給模具結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了很大的困難。

2 塑件的CAE分析

將汽車轉(zhuǎn)向管柱護罩的零件圖保存為“*.x_t”導入CAE分析軟件Moldflow2019中，進行網(wǎng)格的劃分處理，創(chuàng)建好熱流道與冷流道后，按照設(shè)定的注塑工藝參數(shù)(模具溫度70℃、熔體溫度265℃、保壓時間10 s、保壓壓力85%、冷卻時間20 s)在Modflow中進行設(shè)置，通過“填充+保壓+翹曲”的分析，得到分析結(jié)果[6-7]，如圖2所示。由圖2a和圖2b可以得出，產(chǎn)品充滿型腔的時間為1.915 s，充填過程穩(wěn)定，表面無滯留短射的現(xiàn)象出現(xiàn)；在注射時間達到1.787 s時，注塑壓力達到最大為53.95 MPa，接著進入10 s的保壓階段，保壓壓力為43.16 MPa。由圖2c和圖2d可以得出，當塑件頂出時，塑件表面的收縮率均勻，表面都已經(jīng)凍結(jié)，符合頂出的要求。由圖2e和圖2f可以得出，塑件的外表面基本沒有氣穴，氣穴主要分布在內(nèi)表面的卡扣及兩處狗窩上，可通過設(shè)計排氣鑲塊解決該問題，塑料熔體從模具的一側(cè)流向另一側(cè)，塑件表面無明顯熔接線，符合技術(shù)要求。

圖2 CAE分析結(jié)果

3 塑件的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

由前述CAE分析，本模具采用了開放式熱流道與冷流道相結(jié)合的技術(shù)，以側(cè)澆口的方式進膠，澆口寬10 mm、高1.5 mm，如圖3所示。開放式熱流道在加熱線圈的加熱下，使料流始終處于熔融的狀態(tài)，降低了注塑壓力；在冷流道的尾端設(shè)置了一小段的冷料井，以降低產(chǎn)品表面出現(xiàn)冷料缺陷的風險。

圖3 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

3.2 成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

注塑模具成型零件的設(shè)計需要全面考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求、脫模方向及分型面的位置等因素[8-9]。由于塑件產(chǎn)品的外表面要求皮紋處理，綜合考慮模具的制造成本，定模型腔側(cè)采用整體的高端塑料模具鋼718，這種材料具有耐腐蝕性和拋光性好的特點，洛氏硬度可達33～36，經(jīng)常應用在汽車內(nèi)飾件的模具中。

定模的整體尺寸為500 mm×400 mm×175 mm，如圖4a所示，由于模具尺寸較為緊湊，故在四個虎口處設(shè)計了四塊承壓板。動模B板也采用整體式的結(jié)構(gòu)，在模具鋼方面采用性價比更高的P20鋼材，整體尺寸為500 mm×400 mm×235 mm，如圖4b所示。在塑件的狗窩處設(shè)計有兩個排氣鑲塊，由于鑲塊的尺寸較小，沒有足夠的空間設(shè)計水路，為了使該處的冷卻效果更好，鑲塊的材料采用導熱效率更高的鈹銅。

圖4 動定模的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.3 抽芯機構(gòu)的設(shè)計

當塑件產(chǎn)品有側(cè)孔、側(cè)凹的形狀時，一般都需要設(shè)計側(cè)向的抽芯機構(gòu)，這樣塑件產(chǎn)品才可以順利脫模取出。由圖1可知，塑件產(chǎn)品T1，T2處的外表面邊緣處有較大的內(nèi)凹半圓孔特征，抽芯距離至少達到22 mm，受模具尺寸限制，不宜采用斜導柱抽芯機構(gòu)，故采用了“油缸+滑塊”的布局，設(shè)計了液壓抽芯機構(gòu)，如圖5所示，滑塊沿著各自的脫模方向運動，通過限位桿和行程開關(guān)控制油缸的工作距離，滑塊材料采用718H塑料模具鋼，由黃銅石墨組合的壓條進行導滑。

圖5 液壓抽芯機構(gòu)

在圖1中塑件產(chǎn)品的T3，T4區(qū)域有深度3 mm的通孔，由于抽芯距離短，可以使用“側(cè)型芯+滑塊+斜導柱”的抽芯機構(gòu)，如圖6所示，斜導柱的工作角度按常用的12°設(shè)計，按實際抽芯距離為6 mm可計算出斜導柱的工作長度為29 mm，為了保證導柱工作時有足夠的強度與剛度，導柱的直徑設(shè)計為35 mm，滑塊孔設(shè)計為36 mm，使兩者有足夠的間隙，防止卡死；同時在滑塊的背面設(shè)有耐磨板，減少模具鉗工研配的時間。

圖6 “側(cè)型芯+滑塊+斜導柱”抽芯機構(gòu)

3.4 動模直斜頂組合及二次頂出機構(gòu)的設(shè)計

塑件產(chǎn)品T3，T4處的內(nèi)部特征為比較大的倒扣，又有多處的加強筋結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空間比較狹窄，采用常規(guī)的單一斜頂機構(gòu)很難將產(chǎn)品推出，故在頂針板處巧妙地設(shè)計了定距拉鉤機構(gòu)，利用二次頂出機構(gòu)將產(chǎn)品推出，如圖7所示。

圖7 定距拉鉤的二次頂出機構(gòu)

同時在頂出時為了減少產(chǎn)品的變形，增加了小直頂塊11；斜頂塊10的工作角度設(shè)計為12°，頂出油缸7在頂出的前140 mm以內(nèi)，兩個對稱的斜頂塊10與小直頂塊11以及一個大直頂塊9一起頂出；當頂出距離達到140 mm時，斜頂塊10與產(chǎn)品內(nèi)部側(cè)面分離，此時卡塊1碰到定距拉桿4而脫離擋塊13，同時頂針板2停止運動，接著頂出油缸繼續(xù)運動30 mm，帶動頂針固定板上的頂針將產(chǎn)品推出。

4 模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

由于產(chǎn)品整體為不規(guī)則的三維曲面結(jié)構(gòu)，如果冷卻效果不夠理想，產(chǎn)品很容易發(fā)生翹曲變形。由于模具定模采用整體式的結(jié)構(gòu)，故采用了3條直徑為12 mm的“直通+隔水片水井”結(jié)構(gòu)的水路；動模模仁基本由抽芯塊跟頂出塊組成，無法將水路連在一起，因此在各個機構(gòu)都單獨設(shè)計了冷卻回路，如圖8所示。

圖8 模具冷卻水路

5 模具整體結(jié)構(gòu)及工作過程

模具的總裝圖如圖9所示，整體尺寸為840 mm×770 mm×850 mm，采用兩板式的模具結(jié)構(gòu)，應用了熱流道板與熱流道組合的加熱系統(tǒng)，減少了系統(tǒng)的注塑壓力，熱流道板通過金屬墊塊與定模A板分開，減少能量損失，模具型腔采用整體式，型芯采用鑲拼，采用非標模架，減少模具后期的制造周期[10-11]。

圖9 模具裝配圖

模具的工作原理如下：

①首先在注塑機裝上模具，然后將模具熱流道接線口與電源相連并加熱到設(shè)定的溫度，待注塑機料筒中的螺桿對塑料進行塑化和儲料后，在注塑壓力的作用下，將塑料熔體注入熱流道板12通過熱流道10進入模具的型腔，同時所有水路都通入冷卻水對模具進行冷卻；

②待產(chǎn)品固化后，在開模力的作用下，定模A板9跟動模B板6分開，同時滑塊14在斜導柱15的作用下完成抽芯；

③待動模停止運動后，抽芯油缸25與31同時通入液壓油，抽動滑塊26與30，待滑塊上的限位桿碰到各自的行程開關(guān)24與32后，抽芯動作完成；

④此時兩個頂出油缸16在液壓力的作用下，帶動頂針固定板19開始頂出運動，同時頂針板20在卡塊2與擋塊3的共同作用下隨頂針固定板19一起運動，隨后固定在頂針板20上的萬向滑座21與直頂桿推動斜頂桿22與大直頂塊29一起推出塑件；

⑤待頂出油缸16的運動距離達到140 mm時，卡塊2在定距拉桿4的作用下脫離卡塊3，此時斜頂桿22完成側(cè)向抽芯，大直頂塊29也停止運動，頂出油缸16繼續(xù)運動30 mm，帶動頂針固定板19上的頂針18將產(chǎn)品頂出，此后頂出油缸16復位，接著抽芯油缸25與31也在注塑機壓力的作用下完成復位動作，最后合模開啟下一個注塑循環(huán)周期。

6 結(jié)語

通過對汽車轉(zhuǎn)向管柱護罩塑件的結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合CAE技術(shù)分析了塑件成型時潛在的問題，設(shè)計了一副單點開放式熱流道單分型面的模具。分別采用了“側(cè)型芯+滑塊+斜導柱”與液壓抽芯機構(gòu)，完成產(chǎn)品的側(cè)向脫模；在頂出系統(tǒng)中使用了動模直斜頂組合及二次頂出機構(gòu)，解決了產(chǎn)品頂出時容易變形以及脫模困難的問題；在定模側(cè)采用了“隔水片”式的水路，動模側(cè)每個鑲塊采用了獨立的循環(huán)水路。設(shè)計的模具投產(chǎn)后，各機構(gòu)運行順暢，塑件產(chǎn)品各項指標符合要求，證明該模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可靠，為類似塑件的模具產(chǎn)品設(shè)計提供了有價值的參考。