汽車尾門左右窗框飾板氣輔注塑模具設(shè)計(jì)

周紀(jì)委，王明偉*，吳 迪，張文超，林連明，于峻偉

（1.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.浙江凱華模具有限公司，浙江 臺(tái)州 318020）

0 前言

在汽車內(nèi)飾件中，由尾門上窗框飾板、左右窗框飾板和下飾板組成的機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為汽車尾門飾板總成［1-2］。圖1 為汽車尾門飾板總成裝配圖。汽車尾門飾板的主要功能是包裹金屬門板，提供優(yōu)美外觀，對(duì)車外噪聲提供屏蔽作用，并滿足人機(jī)工程、舒適性、功能性和方便性的需求，此外還能在汽車發(fā)生交通事故時(shí)提供適當(dāng)?shù)奈鼙Ｗo(hù)，從而減輕對(duì)乘客的傷害。汽車尾門左右窗框飾板內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成型難度大。本文分析了其結(jié)構(gòu)特性與技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一副一模兩腔的順序閥式熱流道氣輔注塑模具。

圖1 汽車尾門飾板總成裝配圖Fig.1 Assembly drawing of automobile tailgate trim panel

1 左右窗框飾板外觀要求與結(jié)構(gòu)分析

圖2 為尾門左右窗框飾板零件圖。材料為聚丙烯+三元乙丙橡膠+滑石粉含量為20 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的改性材料（PP+EPDM+T20），收縮率0.8 %，改性聚丙烯材料克服了普通PP 料性能上面的不足，具有較好的流動(dòng)性、光澤度、較高的抗沖性、強(qiáng)度以及機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)，而且表面抗劃痕性能較好［2］。

圖2 左右窗框飾板零件圖Fig.2 Part drawings of left and right window frame trim panels

塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：（1）左右窗框飾板最大外形尺寸為622 mm×176 mm×187 mm，壁厚差異很大，基本壁厚為2.5 mm，而厚壁部分為滿足功能性需要和流線型外觀要求，最大壁厚為43.1 mm。由于壁厚相差較大，采用傳統(tǒng)注射成型將會(huì)出現(xiàn)表面縮痕、翹曲變形等嚴(yán)重缺陷，所以要采用氣輔成型技術(shù)將塑件厚壁部分進(jìn)行“吹空”并使用氣體進(jìn)行保壓來得到較好的成型質(zhì)量。（2）塑件為左右對(duì)稱件，為滿足高產(chǎn)能要求，因此在模具設(shè)計(jì)時(shí)采用一模兩腔的模具布局［3］。（3）塑件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，側(cè)向區(qū)域曲面弧度較大且有4 處側(cè)孔、1 處倒扣和較多加強(qiáng)筋特征，內(nèi)表面有4處（S1～S4）倒扣和1處Boss柱特征，尾部則是有內(nèi)凹特征，脫模較為困難。（4）塑件為汽車內(nèi)飾件，外觀要求較高，不能有熔接痕、氣紋、飛邊和明顯凹痕等缺陷，也不能有頂桿、澆口等痕跡。（5）外觀需要做皮紋處理，外觀脫模斜度應(yīng)在5°以上，以防加工皮紋后粘住型腔面。（6）尾門左右框飾板還需要與尾門上窗框飾板和下飾板進(jìn)行裝配，對(duì)安裝方向上的翹曲變形要求較為嚴(yán)格，最大翹曲變形應(yīng)控制在6 mm內(nèi)。

2 左右窗框飾板澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)及CAE模擬分析

2.1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于左右窗框飾板外觀不允許有澆口痕跡，為保證塑件外觀質(zhì)量，最終確定采用“熱流道+冷流道+隧道澆口進(jìn)膠”的進(jìn)膠方式［4］。熱流道直徑為16 mm，閥澆口直徑為5 mm，U 型冷流道為10 mm×8 mm，隧道澆口為10 mm×1.2 mm。模具澆注系統(tǒng)如圖3所示。同時(shí)為了避免開放式熱流道在塑件外觀面產(chǎn)生熔接線和溫差線等缺陷，本次汽車尾門左右窗框飾板氣輔注塑模具熱流道采用8 點(diǎn)順序閥式結(jié)構(gòu)（即多澆口的SVG 技術(shù)），8點(diǎn)閥式熱流道開啟順序?yàn)椋篏1/G5—G2/G6—G3/G7—G4/G8［5-6］。

圖3 模具澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.3 Design of mold pouring system

2.2 CAE 模流分析

模具澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，為驗(yàn)證澆注系統(tǒng)的合理性，應(yīng)運(yùn)用Moldex3D 軟件進(jìn)行模流分析［7］。而在模流分析前需要對(duì)塑件進(jìn)行簡(jiǎn)化和網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量會(huì)直接影響到分析的準(zhǔn)確性，所以在網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制網(wǎng)格尺寸，以免出現(xiàn)自由邊、展弦比和尖銳角。左右窗框飾板是對(duì)稱氣輔注塑件，且氣輔注射成型需要更加精密的網(wǎng)格，因此在Moldex3D 軟件中使用流道對(duì)稱功能對(duì)左右窗框飾板腔數(shù)進(jìn)行設(shè)置并采用Solid 網(wǎng)格對(duì)塑件進(jìn)行劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。塑件表面網(wǎng)格293 270 個(gè)；實(shí)體網(wǎng)格1 886 602 個(gè)，表面網(wǎng)格缺陷為零個(gè)，實(shí)體網(wǎng)格缺陷為零個(gè)［8］。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。各參數(shù)滿足模流分析計(jì)算要求，可正常進(jìn)行分析計(jì)算［9］。

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division

在Moldex3D 軟件中選擇“充填+保壓+翹曲”分析類型，并按設(shè)定工藝參數(shù)（熔體充填時(shí)間2 s、氣體延遲時(shí)間0.5 s、氣體保持時(shí)間2.98 s、氣體壓力4.5 MPa、熔體溫度235.1 ℃、模具溫度 69.84 ℃）進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果如圖5所示。從圖5（a）熔體流動(dòng)波前時(shí)間可知在2.299 s 時(shí)熔體充填到塑件末端，未出現(xiàn)短射和流動(dòng)遲滯現(xiàn)象，因此可以說明澆注系統(tǒng)較為合理［10］。從圖5（b）氣體波前時(shí)間可知?dú)怏w能夠穿透到塑件末端，氣體穿透效果較好。從圖5（c）縫合線結(jié)果可知塑件外觀面無熔接線產(chǎn)生，孔位置產(chǎn)生的熔接線由結(jié)構(gòu)引起無法避免。從圖5（d）Z方向位移結(jié)果可知，塑件裝配方向上的最大翹曲變形為5.822 mm，滿足裝配方向6 mm的變形和生產(chǎn)要求［11］。

圖5 CAE分析結(jié)果Fig.5 Results of CAE analysis

3 左右窗框飾板模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 注氣系統(tǒng)與溢料槽的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)尾門左右窗框飾板厚壁處形成中空結(jié)構(gòu)，因此需要對(duì)注氣系統(tǒng)與溢料槽進(jìn)行設(shè)計(jì)。尾門左右窗飾板外觀要求較高且表面還要皮紋處理，故經(jīng)過綜合考慮選擇氣體由氣針直接注入型腔的注氣方式，這樣注射后的氣針孔在塑件內(nèi)部更容易隱藏，不會(huì)影響外觀。氣針直徑設(shè)為3 mm，溢料槽設(shè)為105 mm×38 mm×60 mm。氣針位置在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量靠近澆口，保證氣體與熔體充填的方向一致，同時(shí)還要考慮到流動(dòng)的平衡性，便于氣體的穿透［12］。在注塑時(shí)，熔體從澆口開始進(jìn)行充填直至充滿型腔，然后經(jīng)過0.5 s 的氣體延遲時(shí)間由氣針注入氣體將厚壁區(qū)域“挖空”形成氣道，并在氣體壓力的作用下對(duì)塑件均勻保壓，從而避免表面縮痕［13-14］。注氣系統(tǒng)與溢料槽設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 注氣系統(tǒng)與溢料槽的設(shè)計(jì)Fig.6 Design of gas injection system and overflow tank

3.2 成型零件及排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

成型部件設(shè)計(jì)的好壞與否會(huì)直接影響到產(chǎn)品成型的質(zhì)量，因此成型部件的設(shè)計(jì)在整副模具設(shè)計(jì)中占據(jù)比較重要的地位。型腔與型芯應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度、硬度、耐磨性，以承受熔體流動(dòng)的摩擦力，故型腔與型芯均采用整體式結(jié)構(gòu)。型腔尺寸為1 000 mm×1 000 mm×270 mm，型芯尺寸為1 000 mm×1 000 mm×230 mm，選用綜合性能較好的718H 模具鋼，該材料的硬度為33～35 HRC，表面粗糙度為0.8 μm。成型零件的設(shè)計(jì)如圖7所示。型腔與型芯邊緣上均勻的設(shè)計(jì)了承壓板和耐磨板，便于模具制造、裝配以及合模時(shí)壓力分布更均勻，從而提高模具壽命［15］。此外在型腔與型芯的4個(gè)角設(shè)計(jì)了6°的虎口結(jié)構(gòu)，一方面使其起到鎖模與定位作用，另一方面便于鉗工研配。同時(shí)尾門左右窗框飾板在注射成型時(shí)若不能將型腔內(nèi)的氣體及時(shí)排除，則會(huì)在塑件表面出現(xiàn)流痕、氣紋和飛邊等缺陷，因此本模具在分型面均勻設(shè)計(jì)了寬6 mm，深0.02 mm 的一級(jí)排氣槽和寬6 mm，深0.5 mm 的二級(jí)排氣槽，分型面上的排氣槽不僅排氣效果好，也便于加工［16］。

圖7 成型零件的設(shè)計(jì)Fig.7 Design of formed parts

3.3 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由圖1可知左右窗框飾板形狀較為復(fù)雜，外觀要求無痕，因此需要在動(dòng)模上設(shè)計(jì)多種抽芯機(jī)構(gòu)，這樣產(chǎn)品才能夠順利脫模［17-18］。動(dòng)模上各區(qū)域側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8所示。由圖8 可知，T1 區(qū)域有4 個(gè)側(cè)孔，因此設(shè)計(jì)了“斜導(dǎo)柱+滑塊”側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行脫模；產(chǎn)品T2 區(qū)域扣位角度與大滑塊脫模角度不一致，所以單獨(dú)設(shè)計(jì)“斜導(dǎo)柱+滑塊”機(jī)構(gòu)對(duì)T2區(qū)域扣位進(jìn)行脫模；T3區(qū)域內(nèi)表面加強(qiáng)筋較多，成型過程中會(huì)產(chǎn)生很大包緊力，所以設(shè)計(jì)了“油缸+大滑塊側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)且大滑塊作為型芯的一部分，由液壓油缸直接提供動(dòng)力，經(jīng)過油缸連接桿拉動(dòng)SA01 滑塊同時(shí)帶動(dòng)SA03 滑塊和SA07 滑塊對(duì)T3 區(qū)域進(jìn)行脫模［19］。T4 區(qū)域是左右窗框飾板的內(nèi)凹特征，同時(shí)要從此處對(duì)塑件厚壁進(jìn)行吹氣，所以設(shè)計(jì)了“斜導(dǎo)柱+滑塊”側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，同時(shí)將氣針設(shè)計(jì)在滑塊機(jī)構(gòu)中跟隨其一起進(jìn)行脫模；而尾門左右窗框飾板內(nèi)表面還有4處倒扣特征，則采用“斜頂塊+斜頂桿”直接脫模方式，在頂出時(shí)，由安裝在推板上的萬向滑座帶動(dòng)斜頂桿，從而推動(dòng)斜頂塊進(jìn)行脫模。

圖8 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)Fig.8 Design of lateral core pulling mechanism

3.4 頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

尾門左右窗框飾板內(nèi)表面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有較多的加強(qiáng)筋、倒扣等特征，需要的脫模力較大［20］。為防止在頂出時(shí)產(chǎn)品出現(xiàn)頂白、頂裂現(xiàn)象，本模具的頂出機(jī)構(gòu)采用“頂針+直頂桿+直頂塊”組合進(jìn)行頂出。頂出機(jī)構(gòu)如圖9所示。由于該模具頂針、頂桿和斜頂?shù)臄?shù)量比較多，推板上需要留出較多的空間對(duì)頂針、頂桿、斜頂來進(jìn)行安裝，從而導(dǎo)致注塑機(jī)無法為模具提供頂出動(dòng)力，因此使用油缸為模具提供頂出動(dòng)力［21］。當(dāng)動(dòng)定模打開后，推板上的頂出油缸2 以及油缸3 帶動(dòng)所有頂出部件將塑件、冷流道以及多余溢料進(jìn)行頂出，完成后在頂出油缸2的推動(dòng)下，推板再帶動(dòng)頂出部件沿著復(fù)位桿和推板導(dǎo)柱進(jìn)行精確復(fù)位。

圖9 頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)Fig.9 Design of ejection mechanism

3.5 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于尾門左右窗框飾板為不規(guī)則的曲面結(jié)構(gòu)，為了防止塑件發(fā)生翹曲變形，必須要保證模具冷卻均勻，且進(jìn)水口與出水口的溫度變化在5 ℃內(nèi)。模具的冷卻系統(tǒng)如圖10所示。其中，定模采用了4 組“直通式+隔板式”循環(huán)水路，直通式水路直徑為11.5 mm，隔板式水路直徑為16 mm。動(dòng)模由型芯、滑塊和斜頂塊組成。型芯水路采用了5組“直通式+隔板式”循環(huán)水路，而大滑塊、斜頂塊與高溫熔體接觸較多，為了防止其長(zhǎng)時(shí)間工作受熱變形，因此在大滑塊和斜頂塊內(nèi)側(cè)分別設(shè)計(jì)了2 組直徑為11.5 mm 的直通式循環(huán)水路，使其冷卻效果更好。

圖10 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)Fig.10 Design of cooling system

4 模具工作原理

尾門左右窗框飾板模具裝配圖如圖11所示。整體尺寸為1 320 mm×1 300 mm×1 025 mm，屬于一模兩腔兩板式中型氣輔注塑模具，模具采用8點(diǎn)閥式熱流道+U 型冷流道+隧道澆口的進(jìn)膠系統(tǒng)，減小了注塑時(shí)的壓力、鎖模力以及避免熔接線的產(chǎn)生［22］。模具工作原理為：（1）首先模具通過定位圈安裝固定在注塑機(jī)上，然后將模具熱流道系統(tǒng)接線口與電源線相連接，且把所有油路與水路接口接好。將熱流道加熱到設(shè)定溫度后，塑料熔體通過注塑機(jī)螺桿的擠壓流入熱嘴，在電磁閥控制下打開熱流道閥針，按照澆口G1/G5-G2/G6-G3/G7-G4/G8 的開啟順序進(jìn)行充填，熱流道閥針開啟順序?yàn)镚1/G2 澆口最先打開，經(jīng)過0.488 s 后，澆口G2/G6 打開，1.158 s 后澆口G3/G7 打開，1.878 s 后澆口G4/G8打開。熔體充滿型腔后，經(jīng)過0.5 s的氣體延遲時(shí)間注入氣體使厚壁中間位置形成氣道，并且在氣體壓力的作用下均勻保壓，所有澆口關(guān)閉后，產(chǎn)品開始冷卻。（2）等到產(chǎn)品完全固化后，注塑機(jī)通過下模板拉動(dòng)模具動(dòng)模部分從分型面開模，同時(shí)小滑塊SA03～SA 08 在斜導(dǎo)柱的作用下會(huì)向外運(yùn)動(dòng)進(jìn)行抽芯，而產(chǎn)品由于收縮包緊力的原因也會(huì)留在型芯上隨動(dòng)模一起運(yùn)動(dòng)。（3）模具開模完成后，大滑塊SA01/02在油缸1的作用下先對(duì)塑件側(cè)向抽芯，然后頂出油缸2和頂出油缸3 在液壓力的作用下啟動(dòng)，通過推板帶動(dòng)各個(gè)頂針、頂桿、斜頂，一方面做內(nèi)側(cè)抽芯，另一方面將產(chǎn)品、冷流道和多余溢料緩慢頂出。（4）待機(jī)械手取出塑件后，大滑塊SA01/02 開始進(jìn)行復(fù)位，接著在復(fù)位桿和推板導(dǎo)柱的作用下，頂出油缸2 和頂出油缸3 繼續(xù)帶動(dòng)抽芯機(jī)構(gòu)與頂出機(jī)構(gòu)復(fù)位，最后小滑塊SA03～08 在動(dòng)模回程中進(jìn)行復(fù)位，模具閉合，開始下一次循環(huán)注塑。

圖11 模具裝配圖Fig.11 Mold assembly drawing

5 實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)前文所設(shè)計(jì)的左右窗框飾板模具進(jìn)行加工制造，模具如圖12所示。然后將氣輔注塑模流分析得到的工藝參數(shù)應(yīng)用到注塑機(jī)上進(jìn)行試模生產(chǎn)。試模生產(chǎn)出的樣品如圖13所示。由圖13（a）可知，尾門左右窗框飾板表面光潔，無熔接線、縮痕等問題。由圖13（b）可知，氣體能夠掏空厚壁形成氣道，穿透效果較好。經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)，制造的產(chǎn)品符合客戶裝配要求，且外觀質(zhì)量穩(wěn)定。因此可以說明本文設(shè)計(jì)的氣輔注塑模具結(jié)構(gòu)合理，模流分析得到的工藝參數(shù)組合較為可靠，能夠滿足左右窗框飾板生產(chǎn)需求。

圖12 汽車尾門左右窗框飾板模具Fig.12 Mold for left and right window frame trim panels of car tailgates

圖13 實(shí)際試模結(jié)果Fig.13 Actual mold trial results

6 結(jié)論

（1）根據(jù)尾門左右窗框飾板的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“一模兩腔”采用“8點(diǎn)閥式熱流道轉(zhuǎn)冷流道+隧道澆口進(jìn)膠”的兩板模氣輔注塑模具；前期模具設(shè)計(jì)采用CAE模流分析技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)合理性進(jìn)行了驗(yàn)證，并通過模流分析結(jié)果對(duì)成型過程缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)；

（2）針對(duì)產(chǎn)品在側(cè)向脫模時(shí)容易出現(xiàn)破裂和變形問題，在動(dòng)模上巧妙地設(shè)計(jì)了側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)；對(duì)于T1、T2、T4 區(qū)域采用“斜導(dǎo)柱+滑塊”的抽芯機(jī)構(gòu)，T3 區(qū)域采用“油缸+大滑塊”的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)從而帶動(dòng)T1、T2區(qū)域滑塊對(duì)產(chǎn)品側(cè)面進(jìn)行抽芯，產(chǎn)品內(nèi)側(cè)面4 處倒扣（S1～S4）則采用“斜頂桿+斜頂塊”組合方式進(jìn)行抽芯，該機(jī)構(gòu)解決了左右窗框飾板難以實(shí)施的脫模困難問題，有效降低模具的加工難度和制造成本；

（3）實(shí)際試模后，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可平穩(wěn)運(yùn)行，無任何故障產(chǎn)生，且塑件尺寸和外觀質(zhì)量均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；與機(jī)械手相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了左右窗框飾板的自動(dòng)化生產(chǎn)，不僅提高了生產(chǎn)效率，還為同類氣輔注塑模具提供了一定的參考。