汽車熱交換系統(tǒng)斜向管口氣室模具設(shè)計(jì)

葉衛(wèi)文，陳鎮(zhèn)森，姜炳春，吳光明

（1.廣東科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 東莞 523083；2.達(dá)興塑膠模具有限公司，廣東 東莞 523000；3.東莞技師學(xué)院，廣東 東莞 523000）

0 前言

在汽車工業(yè)的快速發(fā)展和激烈競爭中，汽車已成為大眾生活中不可缺少的一部分。隨著汽車的數(shù)量快速增加，給我們的生活帶來便利的同時(shí)也產(chǎn)生了環(huán)境問題，比如汽車尾氣污染。尾氣中所含的一氧化碳、二氧化碳等溫室氣體是造成全球氣候變暖的一個(gè)重要因素，節(jié)能減排、降低尾氣排放是低碳時(shí)代汽車技術(shù)發(fā)展的重要方向［1］。

從20世紀(jì)90年代開始，汽車熱系統(tǒng)的氣室也逐漸開始由鋁制品開發(fā)為聚酰胺/玻璃纖維的塑膠制品，但是由于聚酰胺/玻璃纖維的易變形特性，熱系統(tǒng)氣室在注射成型后都會(huì)發(fā)生明顯的翹曲變形，熱系統(tǒng)氣室從注塑機(jī)中取出后在完全冷卻前需要使用治具裝夾后，將產(chǎn)品放在冷水中進(jìn)行大約10 min左右的矯正才能用于組裝，生產(chǎn)效率和品質(zhì)管控受到比較大的挑戰(zhàn)。通過對汽車塑膠功能件斜向管口氣室模具的研究，開發(fā)出斜向管口氣室模具最佳的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，研究設(shè)計(jì)出一套滿足裝配需要的管口氣室模具制造方案，效果良好。

斜向管口氣室有其本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式和要求。首先，由于產(chǎn)品屬于功能件，所以材料需要采用PA66/（30%～50%）GF，由于該材料流動(dòng)性差，在設(shè)計(jì)斜向管口氣室模具時(shí)，為減小模具熔接線，要求塑件必須采用單點(diǎn)熱流道進(jìn)行注射生產(chǎn)。其次，塑件的冷卻盡可能保證均衡冷卻，避免造成塑件在生產(chǎn)過程中因冷卻不均衡導(dǎo)致產(chǎn)品不穩(wěn)定和后期裝配使用過程中產(chǎn)生裝配應(yīng)力而發(fā)生開裂。為了避免此情況的出現(xiàn)，需要進(jìn)行斜向管口特征脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其中，3次滑塊機(jī)構(gòu)存在于斜向管口的關(guān)鍵位置。本文重點(diǎn)研究了斜向管口氣室的3次滑塊機(jī)構(gòu)和預(yù)變形技術(shù)，提出較為新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，可供相關(guān)企業(yè)參考借鑒。

1 模具成型部件工藝和特點(diǎn)

1.1 現(xiàn)有脫模技術(shù)缺點(diǎn)

（1）適用性差。因?yàn)楫a(chǎn)品內(nèi)部空間狹小，只能設(shè)計(jì)油缸式的行位，先在滑塊內(nèi)脫模，導(dǎo)致模具尺寸較大，模具制造和維護(hù)成本較高。

（2）生產(chǎn)周期長。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的氣室模具生產(chǎn)方法是從注塑機(jī)中取出產(chǎn)品后，在完全冷卻前需要使用治具裝夾后，放在冷水中進(jìn)行大約10 min左右的矯正才能用于組裝。

（3）不良品的增加。受到人工放置時(shí)間的影響，導(dǎo)致產(chǎn)品治具矯正冷卻時(shí)間不相同，增加了產(chǎn)品尺寸不穩(wěn)定性。

（4）綜合上述考慮，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)受到制造成本和生產(chǎn)工藝約束，而避免采用PA66/30%GF材料，而選擇傳統(tǒng)的鋁制件，阻礙了塑膠件代替金屬制件的輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)程。

1.2 斜向管口氣室參數(shù)特征與工藝分析

圖1～圖2為兩種不相同氣室產(chǎn)品，模穴為1+1設(shè)計(jì)，分別為斜向管口氣室Q1和循環(huán)氣室Q2。本文主要研究了斜向管口氣室，氣室斜管口為37.5°（圖3），行位需要沿管口傾斜方向出模，管口口部倒扣量為1.2 mm，導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部可用于設(shè)計(jì)的空間只有27 mm，增加模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。

圖2 斜向管口氣室Q1三維圖Fig.2 3D View of oblique tube air chamber Q1

圖3 斜向管口氣室Q1剖面圖Fig.3 Cross-sectional view of the oblique orifice air chamber Q1

該產(chǎn)品分為兩個(gè)研究方向：（1）模具方面，為了解決產(chǎn)品內(nèi)部空間狹小和倒扣出模問題，設(shè)計(jì)了一種新型模具結(jié)構(gòu)，通過3次滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模具內(nèi)部運(yùn)動(dòng)脫扣的設(shè)計(jì)方案。（2）產(chǎn)品方面，結(jié)合PA66/30%GF材料的研究，采用產(chǎn)品預(yù)變形分析設(shè)計(jì)，最終產(chǎn)品達(dá)到了預(yù)期效果，同時(shí)解決了該產(chǎn)品生產(chǎn)過程中尺寸不穩(wěn)定的問題［2］。

1.3 塑件注塑工藝性分析

塑料制件的材質(zhì)為PA66/30%GF，密度為1.2～1.4 g/cm3。PA66質(zhì)地輕便，使用溫度范圍為-30～140 ℃，熔點(diǎn)為290 ℃，在280 ℃左右會(huì)軟化，其獨(dú)特性表現(xiàn)在有良好的力學(xué)性能、強(qiáng)韌性、耐油性、自我潤滑性、摩擦因數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，而其最大的缺點(diǎn)則是吸濕性大而影響尺寸穩(wěn)定性［3］。其廣泛用于制造機(jī)械、汽車、化學(xué)與電氣裝置的零件，如齒輪、滾子、滑輪、輥軸、泵體葉輪、風(fēng)扇葉片、高壓密封圈、閥座、墊片、襯套、各種把手、支撐架、電線內(nèi)層等［4］。該材料擁有代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬的應(yīng)用前景。

2 模具成型部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 分型位置及排氣槽

根據(jù)該模具型腔與型芯的特點(diǎn)，型芯與型腔均采用嵌入式的整體設(shè)計(jì)，為了提高模具的壽命，動(dòng)定模模仁的材料均選擇1.2344熱作模具鋼。因其優(yōu)異的耐磨性、高強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性和良好的加工性而廣泛應(yīng)用于模具、壓鑄模、擠壓模、塑料模等領(lǐng)域［5］。

為了降低模具的整體成本，動(dòng)定模?？虿牧暇捎昧顺杀据^低的高強(qiáng)度中碳鋼S50C。同時(shí)為了提高模具的排氣效果，防止產(chǎn)品在分型面處發(fā)生燒焦等現(xiàn)象，在型腔側(cè)和滑塊的分型面上每隔10 mm左右分別設(shè)有長寬為3 mm×5 mm深0.03 mm的排氣槽，保證熔體在腔體內(nèi)快速流動(dòng)時(shí)排氣順暢［6］。因?yàn)镻A66/30%GF在生產(chǎn)的過程中會(huì)產(chǎn)生玻纖粉末，容易堵住排氣槽，從而導(dǎo)致產(chǎn)品燒焦。因此設(shè)計(jì)二級排氣距離膠位2 mm，并且每個(gè)生產(chǎn)班次需要對模具PL面進(jìn)行清潔保養(yǎng)。

由于汽車都需要安裝氣室產(chǎn)品，且每款產(chǎn)品都會(huì)銷往不同的國家，該產(chǎn)品要求達(dá)到極冷極熱的使用環(huán)境，還需要做“老化測試”。因此該產(chǎn)品質(zhì)量和精度要求非常高，為保證塑件的質(zhì)量和成型精度，使產(chǎn)品能夠順利脫模，選取塑件截面最大輪廓處作為分型面（圖4），而且鑲件都設(shè)計(jì)成面鑲，使得生產(chǎn)過程中能夠更好地維護(hù)保養(yǎng)［7］。

圖4 分型面及排氣Fig.4 Parting surface and exhaust

2.2 模具整體結(jié)構(gòu)及工作過程

該產(chǎn)品倒扣位置空間狹小，脫模行程較長，不能采用簡單結(jié)構(gòu)完成出模［8］。考慮到注塑件的精度和生產(chǎn)效率要求，整體注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成1模2穴3滑塊的設(shè)計(jì)方案（圖5）。

通過3次滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模具內(nèi)部3次運(yùn)動(dòng)脫扣，同時(shí)讓管口倒扣位置出模（圖6）。當(dāng)注塑完成后（圖7），在前后模開模瞬間，在斜導(dǎo)柱的作用下，小滑塊座5先帶動(dòng)管口芯鑲件4移動(dòng)26 mm，完成第一次運(yùn)動(dòng)（圖8）。此時(shí)在斜導(dǎo)柱的繼續(xù)作用下，大滑塊座9帶動(dòng)縮科鏟機(jī)6和小滑塊繼續(xù)運(yùn)動(dòng)15.5 mm，因?yàn)榇蠡瑝K鑲件2在限位釘8定在耐磨塊1作用下保持不動(dòng)，所以在縮科鏟機(jī)的帶動(dòng)下縮科鑲件3先下運(yùn)動(dòng)9 mm完成倒扣位置的脫扣（通過三角函數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)角度30 °，運(yùn)動(dòng)距離15.5 mm，即可完成移動(dòng)9 mm），完成第二次運(yùn)動(dòng)（圖9）。此時(shí)限位釘8已經(jīng)運(yùn)動(dòng)至行位座底面設(shè)計(jì)的限位處，此時(shí)在斜導(dǎo)柱拉動(dòng)和導(dǎo)向斜面的作用下，限位釘8會(huì)往上運(yùn)動(dòng)后，解除與耐磨塊定位。同時(shí)在斜導(dǎo)柱的作用下大滑塊座會(huì)繼續(xù)帶動(dòng)小滑塊，而且在大滑塊座9中行程螺絲10的作用下，帶動(dòng)大滑塊鑲件2再運(yùn)動(dòng)10.5 mm完成第3次運(yùn)動(dòng)（圖10）。動(dòng)模移動(dòng)至注塑機(jī)設(shè)置好的位置后，通過注塑機(jī)拉桿對模具的頂針面板24進(jìn)行頂出50 mm，機(jī)械手會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)好的線路取出產(chǎn)品（圖11）。

圖6 3次滑塊機(jī)構(gòu)Fig.6 Three-time slide mechanism

圖7 原始合模狀態(tài)Fig.7 Original closed mould state

圖8 第一次運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.8 State of the first movement

圖9 第二次運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.9 State of the second movement

圖10 第三次運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.10 State of the third movement

圖11 氣室實(shí)物圖Fig.11 Physical picture of the air chamber

該模具在實(shí)際生產(chǎn)過程中，效率高、空間緊湊、工作安全穩(wěn)定，塑件成型缺陷較小，有效解決了此類產(chǎn)品出模困難的問題。這是本模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)［9］。

2.3 模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該功能件采用PA66/30%GF，縮水為1.005，塑膠密度為1.2～1.4 g/cm3，產(chǎn)品單重為（73.53+88.61）g，為避免產(chǎn)品卡扣位置出現(xiàn)缺陷，本次設(shè)計(jì)采用兩點(diǎn)整體針閥式熱流道設(shè)計(jì)（圖12）。

圖12 澆注系統(tǒng)（熱流道）Fig.12 Pouring system （hot runner）

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，冷卻時(shí)間占據(jù)生產(chǎn)周期比重較大，因此控制模具溫度對生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量有較大的影響［10］。由于該產(chǎn)品表面積較大，薄壁較厚，為了得到較好的冷卻效果，如圖13所示在動(dòng)模側(cè)設(shè)計(jì)了3組運(yùn)水，其中后模的運(yùn)水直徑8 mm和滑塊運(yùn)水直徑8 mm的立體循環(huán)式水路，由于滑塊與塑件的接觸面積較大，因此滑塊也需要冷卻，每個(gè)滑塊中各設(shè)計(jì)了1組直徑為8 mm的立體循環(huán)水路，為了簡化連接運(yùn)水工作，采用軟管串聯(lián)滑塊運(yùn)水為1組。定模型腔側(cè)設(shè)計(jì)了2條直徑為10 mm的立體式循環(huán)水路。其中塑件有管口鑲件，為了加強(qiáng)重要尺寸位置的冷卻，設(shè)計(jì)了2條直徑12 mm的帶隔水片的水井，以便帶走更多的熱量（紅色為前模運(yùn)水、綠色為后模運(yùn)水、紫色面為滑塊運(yùn)水）。

圖13 冷卻系統(tǒng)Fig.13 Cooling system

3 產(chǎn)品預(yù)變形技術(shù)

3.1 預(yù)變形設(shè)計(jì)步驟

由于該產(chǎn)品屬于功能件，材料為PA66/30%GF，此材料吸濕性大、易變形。傳統(tǒng)的制造工藝無法保證生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品［11］。為了解決此問題，團(tuán)隊(duì)采用產(chǎn)品預(yù)變形技術(shù)：（1）首先，產(chǎn)品分析小組通過使用Moldflow，進(jìn)行模擬分析，再憑著多年的注射成型經(jīng)驗(yàn)設(shè)定參數(shù)，分析出產(chǎn)品在注射成型時(shí)初步的變形趨勢和數(shù)據(jù)。（2）產(chǎn)品設(shè)計(jì)小組依據(jù)Moldflow的數(shù)據(jù)（圖14）和知識數(shù)據(jù)庫相結(jié)合計(jì)算出實(shí)際變形數(shù)據(jù)（圖15）。根據(jù)客戶的原始產(chǎn)品計(jì)算出實(shí)際變形數(shù)據(jù)后對產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。（3）使用新設(shè)計(jì)產(chǎn)品圖檔進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。（4）模具試模完成后，品質(zhì)管控小組使用專門開發(fā)的夾具固定產(chǎn)品，通過特別編制的3次元測量程式測量產(chǎn)品。（5）通過3次元的測量數(shù)據(jù)和知識數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，產(chǎn)品設(shè)計(jì)小組重新優(yōu)化產(chǎn)品模型（圖16）。（6）模具設(shè)計(jì)小組依據(jù)新的產(chǎn)品圖檔，重新更改模具結(jié)構(gòu)和重新加工模具。（7）使用新模具注塑出的產(chǎn)品直接符合裝配需求，不需要進(jìn)行治具矯正［12］。

圖14 斜向管口氣室Q1和循環(huán)氣室Q2 Moldflow X、Y、Z方向變形數(shù)據(jù)Fig.14 Moldflow X，Y，Z direction variant data of oblique tube air chamber Q1 and recirculation air chamber Q2

圖15 第一次預(yù)變形設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)Fig.15 First pre-variation design data

圖16 最終預(yù)變形產(chǎn)品圖Fig.16 Final pre-variation product diagram

通過Moldflow的數(shù)據(jù)顯示（圖14），斜向管口氣室Q1和循環(huán)氣室Q2的X軸變形-0.58～0.3 mm，Y軸變形-0.63～0.66 mm，Z軸變形為-0.45～0.51 mm。

由圖15可見，通過模流數(shù)據(jù)與知識數(shù)據(jù)庫相結(jié)合計(jì)算出實(shí)際變形數(shù)據(jù)，第一次進(jìn)行預(yù)變形設(shè)計(jì)：斜向管口氣室Q1的X軸變形0～0.5 mm，Y軸變形0～0.1 mm，Z軸變形0.1～0.6 mm。循環(huán)氣室Q2的X軸變形0～0.4 mm，Y軸變形0～0.1 mm，Z軸變形0.1～0.5 mm。

由圖16可見，產(chǎn)品設(shè)計(jì)小組依據(jù)3次元的測量數(shù)據(jù)+知識數(shù)據(jù)庫相結(jié)合計(jì)算出最終的數(shù)據(jù)：斜向管口氣室Q1的X軸變形0～0.28 mm，Y軸變形0～0.15 mm，Z軸變形0.1～0.9 mm。循環(huán)氣室Q2的X軸變形0～0.4 mm，Y軸變形0～0.15 mm，Z軸變形0.3～0.8 mm。

3.2 預(yù)變形結(jié)果

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和驗(yàn)證數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出管口氣室的最佳產(chǎn)品數(shù)據(jù)。從最佳數(shù)據(jù)中可見，斜向管口氣室Q1中間部分有骨位支撐，沒有發(fā)生變形，而循環(huán)氣室Q2中間部分沒有骨位支撐，變形量相對較大（最大0.4 mm）。因此該產(chǎn)品通過預(yù)變形優(yōu)化設(shè)計(jì)后，有效解決了產(chǎn)品變形的難題［13］。這是本產(chǎn)品預(yù)變形設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)。

4 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是在普通的滑塊中再設(shè)計(jì)油缸抽芯，在普通滑塊運(yùn)動(dòng)前，先進(jìn)行管口垂直方向的脫模，再與普通滑塊一同脫出，導(dǎo)致模具和產(chǎn)品成本上升。而本模具設(shè)計(jì)采用3次滑塊機(jī)構(gòu)存在于斜管口的關(guān)鍵位置，實(shí)現(xiàn)模具內(nèi)部3次運(yùn)動(dòng)脫扣。有效減小運(yùn)行故障概率，大幅降低模具制造成本，提高生產(chǎn)效率。

（2）通過預(yù)變形技術(shù)提出較為新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。通過反復(fù)驗(yàn)證后，設(shè)計(jì)出最佳的氣室數(shù)學(xué)模型，有效解決了氣室使用聚酰胺/玻璃纖維易變形的特點(diǎn)。

（3）通過生產(chǎn)驗(yàn)證，模具效果良好。該模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，模具動(dòng)作流暢、空間結(jié)構(gòu)上更加緊湊、工作安全穩(wěn)定、塑件成型缺陷較小。經(jīng)過預(yù)變形分析設(shè)計(jì)，產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定，無須治具矯正即可完成生產(chǎn)，有效節(jié)省治具和人員成本，讓生產(chǎn)效率得到大幅提高。