汽車C柱左下護(hù)板順序閥熱流道倒推注塑模設(shè)計(jì)

張維合，鄧成林，張艷華，胥永林

（1.廣東科技學(xué)院，廣東 東莞 523000；2.東莞市模人科技有限公司，廣東 東莞 523000）

0 前言

在汽車內(nèi)飾件中，車門兩側(cè)ABCD柱上下護(hù)板組成的機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為汽車側(cè)圍內(nèi)飾護(hù)板總成。側(cè)圍內(nèi)飾護(hù)板的主要功能是包覆金屬板，集美觀性、舒適性、功能性和方便性于一體，同時(shí)在側(cè)碰時(shí)提供適當(dāng)?shù)木彌_保護(hù)，對(duì)車外噪聲提供屏蔽作用。汽車C柱左下護(hù)板是汽車側(cè)圍護(hù)板的重要組成部分，材料為聚丙烯（PP），通常采用注射成型（圖1）。本文詳細(xì)介紹了某款SUV類車型C柱左下護(hù)板注塑模具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)技巧。

圖1 SUV汽車側(cè)圍護(hù)板效果圖Fig.1 Side door panel of the car

1 塑件外觀要求與結(jié)構(gòu)分析

圖2所示為某款SUV汽車C柱左下護(hù)板零件圖，材料為PP，收縮率取1.5%[1]。塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與技術(shù)要求如下：（1）最大外形尺寸為：1 265.8 mm×701.4 mm×399.1 mm，平均壁厚3 mm，因流長(zhǎng)比大于150，故屬于典型的大型薄壁塑件[2]。（2）塑件為高要求內(nèi)飾件，外觀面不允許有斑點(diǎn)，澆口痕跡，不允許有收縮凹陷、熔接痕和飛邊等缺陷。（3）塑件外觀需皮紋處理，外觀面脫模斜度必須在5°以上，防止加工皮紋后塑件粘定模型腔，或發(fā)生拖傷現(xiàn)象。（4）塑件外形復(fù)雜，分型面復(fù)雜，空間曲面造型復(fù)雜優(yōu)美。（5）塑件加強(qiáng)筋較多，注射成型時(shí)熔體流動(dòng)阻力較大。（6）塑件內(nèi)側(cè)有S1～S12共12個(gè)倒扣，脫模困難。（7）塑件裝配結(jié)構(gòu)多，尺寸精度要求高，必須達(dá)到MT3（GB/T14486—2008）。

圖2 汽車C柱左下護(hù)板零件圖Fig.2 Door cladding under C?pillar of the car

2 模具結(jié)構(gòu)分析

塑件外觀面不允許有澆口殘留，澆注系統(tǒng)和脫模系統(tǒng)必須在同一側(cè)，塑件只能采用定模推出的倒裝模結(jié)構(gòu)[2]。塑件的12個(gè)倒扣都在內(nèi)側(cè)面，模具采用“斜頂+斜推桿”側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)。塑件尺寸大，形狀復(fù)雜，塑件高低起伏落差大，經(jīng)模流分析與討論，采用4點(diǎn)順序閥熱流道澆注系統(tǒng)。根據(jù)澆口位置，熔體最大流長(zhǎng)比約150，模具外形尺寸為2 040 mm×1 644 mm×1 344 mm，總質(zhì)量約20 t，屬于大型薄壁注塑模具[2]，其結(jié)構(gòu)詳見圖3。

圖3 汽車C柱左下護(hù)板注塑模具結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Injection mold schematic of door cladding under C?pillar of the car

2.1 成型零件設(shè)計(jì)

為減小模具外形尺寸，提高模具剛性，定模和動(dòng)模均采用整體式，即型腔直接開設(shè)在定模A板和動(dòng)模B板上，個(gè)別地方因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為加工和維修方便，采用型芯鑲拼結(jié)構(gòu)，但所有型芯都能夠從分型面裝拆，在破壞成型表面處采取堵銅處理。定模A板采用718H預(yù)硬塑膠模具鋼，硬度為30～35 HRC，動(dòng)模材料為P20鍛件，硬度為30～33 HRC[3]。

模具定、動(dòng)模對(duì)插部分的插穿角度全部采用7°，插穿角度太小會(huì)加劇模具磨損，嚴(yán)重影響模具的使用壽命。為了保證定、動(dòng)模的精準(zhǔn)定位，模具采用四面5°斜面圍邊定位，從而保證了模具的精準(zhǔn)定位，避免了模具的分型線出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象的發(fā)生[4]，見圖4。由于成型塑件高低落差大，分型面復(fù)雜，分型面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量做到平順光滑，無尖角銳邊，所有非成型轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)R5以上的圓角。為保證模具壽命，封膠面距離應(yīng)控制在40～50 mm。在大面積的避空處都設(shè)計(jì)了承壓塊，以保證模具受力均勻，避免模具長(zhǎng)期生產(chǎn)后變形使成型塑件產(chǎn)生飛邊。在碰穿孔區(qū)域設(shè)計(jì)避空的同時(shí)，還在定模和動(dòng)模設(shè)計(jì)了排氣孔，以便定動(dòng)模合模時(shí)空氣能夠及時(shí)排出。

圖4 汽車C柱左下護(hù)板注塑模具立體圖Fig.4 3D graph of the mould

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于成型塑件外觀面要加工皮紋，不能有澆口痕跡，故只能從成型塑件內(nèi)側(cè)面進(jìn)膠，即動(dòng)模成型護(hù)板的外表面，定模成型護(hù)板的內(nèi)表面，這與普通模具剛好相反。模具采用G1、G2、G3和G4共4點(diǎn)熱流道進(jìn)料的澆注系統(tǒng)，其中G1、G3和G4在塑件內(nèi)側(cè)面上，G2則開設(shè)在塑件碰穿孔內(nèi)，詳見圖2（c）和（d）。G2熱射嘴在斜面上，熱射嘴的長(zhǎng)度要大于斜面最低點(diǎn)1～1.5 mm，閥針的長(zhǎng)度要與塑件最高點(diǎn)做齊或延入塑件0.3 mm[5]。多點(diǎn)進(jìn)膠一定會(huì)產(chǎn)生熔接痕，為了最大限度地減小熔接痕對(duì)成型塑件外觀和強(qiáng)度產(chǎn)生的不利影響，各二級(jí)熱射嘴的閥針采用順序閥控制，即由順序閥控制各進(jìn)膠點(diǎn)的進(jìn)膠順序和進(jìn)膠時(shí)長(zhǎng)。

為了防止熱射嘴區(qū)域因發(fā)熱膨脹而產(chǎn)生漏膠，在每個(gè)熱射嘴附近都增加了螺絲固定。熱流道固定板的電線槽需要設(shè)計(jì)工藝圓角，避免劃傷電線。線槽應(yīng)便于CNC加工，少拐彎。熱流道固定板的下側(cè)需要設(shè)計(jì)排水槽，便于汽水排出。熱流道插座、電磁閥的位置要符合客戶要求。熱流道電源插座應(yīng)設(shè)計(jì)在模具的非操作側(cè)，不可超出動(dòng)、定模固定板，如果超出固定板就需要設(shè)計(jì)保護(hù)板，或者將電氣元件沉入模板內(nèi)，以保護(hù)熱流道元件。進(jìn)膠點(diǎn)附近必須重點(diǎn)冷卻，熱射嘴底部必須設(shè)計(jì)一個(gè)1 mm深的熱脹平臺(tái)，每個(gè)熱射嘴前方需要設(shè)計(jì)拉料桿。對(duì)于順序閥熱流道，如果油缸與噴嘴不同軸，必須有足夠的配合面與支撐面[6]。

2.3 脫模系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成型塑件外觀不能有澆口和推桿痕跡，故脫模系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)必須在同一側(cè)。由于澆注系統(tǒng)在定模側(cè)，所以脫模系統(tǒng)也必須在定模一側(cè)，這種模具結(jié)構(gòu)俗稱倒推模，它比普通注塑模具要復(fù)雜得多。因注塑機(jī)定模側(cè)沒有頂出機(jī)構(gòu)，模具必須自己提供脫模動(dòng)力。為此模具設(shè)計(jì)了4個(gè)頂出油缸用于驅(qū)動(dòng)定模側(cè)的脫模機(jī)構(gòu)，模具采用“推桿+斜頂+直頂+油缸頂出”的組合脫模機(jī)構(gòu)，脫模機(jī)構(gòu)安裝于定模側(cè)的方鐵內(nèi)。開模后4個(gè)頂出油缸推動(dòng)推件固定板推出塑件，同時(shí)推動(dòng)斜推桿進(jìn)行側(cè)向抽芯。合模前，4個(gè)頂出油缸拉動(dòng)推件固定板及斜頂初步復(fù)位，合模后推件固定板在4支復(fù)位桿的作用下最終準(zhǔn)確復(fù)位。4個(gè)頂出油缸規(guī)格型號(hào)為?50 mm×120 mm，對(duì)稱布置于模具外側(cè)面。油缸油路并聯(lián)連接，同時(shí)啟動(dòng)，確保成型塑件頂出的平衡。

2.4 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車C柱左下護(hù)板塑件12個(gè)倒扣全部在內(nèi)側(cè)，空間小，模具全部采用“斜推桿+斜頂”的側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)。在12個(gè)斜頂抽芯機(jī)構(gòu)中，S9、S10斜頂傾斜角度最大，均為15°，由于受到的扭矩較大，以前同類型模具這兩個(gè)斜頂頂出時(shí)斜推桿常出現(xiàn)彎曲斷裂，復(fù)位時(shí)有時(shí)不能完全復(fù)位。而S3和S4因?yàn)椴捎猛粋€(gè)斜頂抽芯，抽芯力較大，加上傾斜角度達(dá)到12°，也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。為解決這個(gè)問題，這次模具設(shè)計(jì)時(shí)，S3和S4采用了雙桿抽芯結(jié)構(gòu)，S9、S10采用了輔助桿抽芯結(jié)構(gòu)，詳見圖5（b）、（e）、（f）和圖6。雙桿抽芯結(jié)構(gòu)中兩根斜推桿傾斜角度相同，共同承擔(dān)斜頂抽芯時(shí)的扭矩，使單根斜推桿承受的扭矩大大降低。輔助桿角度與斜推桿傾斜角度也一樣，它不但可以分擔(dān)斜推桿的扭矩，還提高了斜推桿底座的運(yùn)動(dòng)精度和可靠性。雙桿抽芯結(jié)構(gòu)和輔助桿抽芯結(jié)構(gòu)使斜推桿運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)、安全、可靠，有效消除了斜推桿頂出和復(fù)位時(shí)可能出現(xiàn)的故障。雙桿抽芯結(jié)構(gòu)和輔助桿抽芯結(jié)構(gòu)是本模具的核心結(jié)構(gòu)，也是本模具的重點(diǎn)與難點(diǎn)。本模具斜頂較多，其結(jié)構(gòu)很有代表性。

圖5 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)平面圖Fig.5 2D graph of the side core pulling mechanism

圖6 斜頂側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)立體圖Fig.6 3D graph of the side core pulling mechanism

汽車C柱左下護(hù)板注塑模屬于特大型注塑模具，模具裝拆較困難，從斜推桿底部裝拆螺釘可以方便模具裝拆，做到不拆定模固定板、推件固定板和推件底板時(shí)就能裝拆斜頂。斜推桿底座采用整體式，開模時(shí)不受剪切力作用。斜推桿需設(shè)計(jì)止轉(zhuǎn)定位結(jié)構(gòu)，斜推桿底座需設(shè)計(jì)4個(gè)螺釘與2個(gè)銷釘，斜推桿底座必須設(shè)計(jì)防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，即斜推桿底座兩邊的螺絲與銷釘設(shè)計(jì)成不對(duì)稱的形式，防止技工在裝拆過程中出錯(cuò)。斜推桿導(dǎo)向段長(zhǎng)度至少取斜推桿長(zhǎng)度的2/3[7]。本模所有斜推桿直徑均為?23 mm，材料為SKD61，淬火處理。（注：斜推桿直徑大于?25 mm時(shí)，一般材料選用SUJ2，并采用頻淬火處理，表面淬火深度0.5～1 mm）。汽車C柱護(hù)板注塑模斜頂較多，且空間有限，當(dāng)兩個(gè)斜頂背靠背抽芯時(shí)，下端要避免發(fā)生干涉?？梢圆扇≌b與反裝兩種方式，即兩斜推桿底座從兩個(gè)方向安裝，用來錯(cuò)開斜推桿底座，避免斜推桿底座干涉。由于裝配斜推桿底座，頂針板上的方孔較多，影響頂針板的剛度，為保證模具壽命，頂針板需加厚10～20 mm，且頂針面板和底板的固定螺釘需增加2個(gè)或2個(gè)以上，一般150～200 mm間距內(nèi)需設(shè)計(jì)一個(gè)鎖緊螺釘，用來加強(qiáng)頂針板的強(qiáng)度，必要時(shí)頂針板可以選用好一點(diǎn)的鋼材，如P20等，頂針底板下面的限位釘必須均勻布置，一般150～200 mm間距內(nèi)需設(shè)計(jì)一個(gè)垃圾釘。

汽車C柱左下護(hù)板注塑模中所有斜頂?shù)纳隙顺尚筒课欢际切泵?，為保證抽芯時(shí)不損壞成型塑件，斜頂下端導(dǎo)滑端都設(shè)計(jì)了同樣傾斜角度的導(dǎo)向槽，并且采用平行導(dǎo)向桿的斜頂結(jié)構(gòu)[8]。

2.5 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車C柱左下護(hù)板溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞對(duì)模具的成型周期與成型質(zhì)量影響很大。以前的汽車C柱左下護(hù)板注塑模具在試模時(shí)經(jīng)常會(huì)因?yàn)樗吩O(shè)計(jì)不充分，不均勻，導(dǎo)致塑件因局部高溫而變形，影響塑件外觀質(zhì)量，同時(shí)注塑周期較長(zhǎng)。針對(duì)這些問題，本次模具設(shè)計(jì)時(shí)定、動(dòng)模均采用了“直通式水管+傾斜式水管+隔片式水井”近乎隨形水路的溫度控制系統(tǒng)。定、動(dòng)模兩側(cè)各設(shè)計(jì)了4組水路，詳見圖7。模具冷卻水路布置與料流方向一致，模具成型零件冷卻均勻充分。模具還對(duì)熱射嘴區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)冷卻，每個(gè)熱射嘴附件都設(shè)計(jì)了一組水路[9]。

圖7 模具溫度控制系統(tǒng)Fig.7 The temperature control system of the injection mold

模具動(dòng)、定模冷卻水路形成了一張網(wǎng)狀交織網(wǎng)，水道之間的間距保證在45～60 mm之間，冷卻水道距型腔面在20～25 mm之間，冷卻水道與推桿、斜推桿等推件孔保持了至少8 mm的距離。冷卻面積約等于塑件面積的60%。在大的鑲件上也設(shè)計(jì)了冷卻水路，斜頂雖沒有冷卻水設(shè)計(jì)，但在斜頂附近都布置了冷卻水路[9]。

模具投產(chǎn)后成型塑件獲得滿意的外觀質(zhì)量。以前汽車C柱護(hù)板注塑模具成型周期一般在70 s左右，本模具由于水路充分，冷卻均衡，注射周期縮短到50 s，模具勞動(dòng)生產(chǎn)率提高了約15%，成型塑件的尺寸精度達(dá)到了MT3（GB/T 14486—2008），達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2.6 導(dǎo)向定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車C柱左下護(hù)板注塑模具的導(dǎo)向系統(tǒng)是4個(gè)角上的4支?80 mm×590 mm的圓導(dǎo)柱和導(dǎo)套，由于定模型芯高低起伏較大，動(dòng)、定模成型零件有多個(gè)碰穿接觸面，導(dǎo)柱的長(zhǎng)度必須保證動(dòng)、定模成型零件碰穿面接觸之前30 mm即插入導(dǎo)套，防止撞模。為了使導(dǎo)柱與導(dǎo)套在運(yùn)動(dòng)過程中順利插入，導(dǎo)套上方要開設(shè)排氣槽，排氣槽排氣方向應(yīng)朝向非操作側(cè)，防止導(dǎo)套內(nèi)的黃油傷害操作工人。模具的導(dǎo)柱裝配在動(dòng)模B板中，開模后成型塑件和導(dǎo)柱處于模具兩側(cè)，這樣可以方便機(jī)械手取件。成型塑件外觀面需加工皮紋，模具采用四周5°的錐面圍邊定位系統(tǒng)，定位準(zhǔn)確可靠，大大提高了模具的剛性，有效保證了模具的精度、壽命以及成型塑件尺寸精度。汽車C柱護(hù)板注塑模的導(dǎo)向定位系統(tǒng)見模具立體圖見圖7。

3 模具工作過程

（1）PP熔體通過注塑機(jī)噴嘴進(jìn)入一級(jí)熱射嘴28，再經(jīng)熱流道板21進(jìn)入二級(jí)熱射嘴20、24、26、30，在順序閥22、23、25、29控制下依次進(jìn)入模具型腔。（2）熔體充滿型腔后，經(jīng)保壓、冷卻和固化，至足夠剛性后，注塑機(jī)拉動(dòng)模具的動(dòng)模固定板16，模具從分型面Ⅰ處打開。（3）開模300 mm后，頂出油缸11、18驅(qū)動(dòng)推件固定板4，推件固定板4推動(dòng)推塊和斜頂，一邊將成型塑件推離定模，一邊進(jìn)行側(cè)向抽芯。頂出距離110 mm，由限位柱31控制。（4）塑件由機(jī)械手取出后，頂出油缸11、18拉動(dòng)固定板及推件復(fù)位。（5）注塑機(jī)推動(dòng)動(dòng)模合模，復(fù)位桿9推動(dòng)斜頂和推塊準(zhǔn)確復(fù)位。模具進(jìn)行下一次注射成型。

4 結(jié)論

（1）模具采用順序閥控制的4點(diǎn)熱流道澆注系統(tǒng)，有效解決了熔接痕對(duì)成型塑件的外觀質(zhì)量和強(qiáng)度的影響；

（2）模具采用動(dòng)模成型外表面，定模成型內(nèi)表面的倒推模結(jié)構(gòu)，保證了成型塑件外觀要求，定模脫模系統(tǒng)采用4個(gè)液壓油缸驅(qū)動(dòng)，油路并聯(lián)布置，保證了大型薄壁塑件安全平穩(wěn)脫模；

（3）模具采用雙推桿和輔助桿斜頂側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，有效解決了斜頂抽芯面積大，抽芯力大以及傾斜角度大的側(cè)向抽芯難題；

（4）模具采用“直通式水管+傾斜式水管+隔片式水井”近乎隨形水路的溫度控制系統(tǒng)，水路布置均勻，模具冷卻均衡充分，注射周期縮短了約15%，成型塑件尺寸精度達(dá)到了MT3（GB/T 14486—2008）；

（5）模具一次試模成功，投產(chǎn)后運(yùn)行安全，成型塑件質(zhì)量穩(wěn)定，尺寸精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。