基于氣輔工藝車門扶手骨架的熱流道模具設計

謝祖通，翁禮杰，李朋，傅瑩龍，夏文明

(1.臺州科技職業(yè)學院，浙江 臺州 318000； 2.臺州市模具智能制造重點實驗室，浙江 臺州 318000；3.寧波潤華全芯微電子設備有限公司，浙江 寧波 315000)

氣輔注射成型(GAIM)技術是在傳統(tǒng)注塑成型的基礎上發(fā)展起來的一種創(chuàng)新技術，該技術在20世紀80 年代末的幾年內(nèi)得到不斷的完善并商品化應用，其工作原理是利用高壓氣體進入塑件壁厚較厚的局部區(qū)域并形成中空的截面，利用高壓氣體保壓替換注射機的保壓，消除制品縮痕的缺陷，完成產(chǎn)品的成型過程[1-2]。與傳統(tǒng)注射成型相比，GAIM 具有以下優(yōu)點：(1)由于塑件壁厚較厚的內(nèi)部中空，故可節(jié)省原料，冷卻散熱快，縮短成型周期；(2)可改進產(chǎn)品表面光滑度，避免表面縮痕，降低殘余應力，減少翹曲變形；(3)打破了傳統(tǒng)注射成型對制品壁厚均勻的設計要求，可用于加工厚、薄壁一體結構的塑件[3-5]。

針對某款新能源車門內(nèi)部扶手骨架的結構特點，該產(chǎn)品作為車門內(nèi)飾系統(tǒng)的重要組成部分，其質(zhì)量與注塑模具的研發(fā)水平密切相關；該扶手骨架結構復雜，產(chǎn)品上既有厚壁又有薄壁的特點，設計了一套采用氣輔注射成型工藝的熱流道注塑模具，通過CAE的氣輔成型分析，確定了熱流道時序閥打開的時間，進氣口位置，氣體延遲時間，氣體壓力等參數(shù)[6-8]；并設計了多種脫模機構，模內(nèi)熱切溢料口的結構，為相關的氣輔成型模具提供了很好的參考價值。

1 材料及結構分析

圖1 為某款車門內(nèi)飾的扶手骨架產(chǎn)品的結構圖，其為左右鏡像的兩個塑件，既有外觀面的特征又有很多的裝配結構特征，其所用材料為金發(fā)科技有限公司生產(chǎn)的牌號AIP-2015，該材料的主要成分為聚丙烯，并添加了20%的滑石粉作為添加劑，可增強產(chǎn)品的耐磨性與剛性，同時具備良好的流動特性，是一種常用的汽車內(nèi)飾件材料。

圖1 產(chǎn)品的結構圖

車門扶手骨架的整體尺寸為356 mm×108 mm×123 mm，體積為332 cm3，產(chǎn)品裝配區(qū)域平均厚度為2.2 mm，屬于中小型塑件；塑件結構特點和成型難點如下：產(chǎn)品T1 處為皮紋外觀面，長度為265 mm，平均壁厚達到22 mm，該區(qū)域需采用氣輔成型工藝，降低產(chǎn)品成型時出現(xiàn)縮痕及其它缺陷的風險；T2特征處有多處比較深的BOSS 柱結構，對司筒的結構設計有較高的要求；在T3處產(chǎn)品有多條的側(cè)向加強筋，并與水平的脫模方向成7.5°夾角；產(chǎn)品T4 區(qū)域有兩處裝配的卡扣特征，需設計斜頂機構。

2 熱流道設計及CAE氣輔分析

由于客戶要求車門扶手骨架在生產(chǎn)時產(chǎn)品與澆注系統(tǒng)自動分離，所以根據(jù)產(chǎn)品的結構特點，設計了時序閥熱流道+冷流道的澆注系統(tǒng)，最后通過潛伏式牛角澆口與產(chǎn)品相連，如圖2所示，其針閥式熱澆口的打開順序為G1，G2先同時打開，經(jīng)過1.5 s后再打開G3；同時將高壓氮氣的進氣口位置設計在P1與P2兩個對稱位置。

圖2 熱流道系統(tǒng)的設計

可以通過Mouldflow中的“氣體輔助注射成型”模塊，將產(chǎn)品的網(wǎng)格類型劃分為3D 網(wǎng)格，根據(jù)表1設置好相關的成型工藝參數(shù)，啟動“填充+保壓+翹曲”分析可判斷時序閥熱流道結構及高壓氮氣進氣點的位置是否合理[9-10]，部分分析結果如圖3 所示，圖3a與圖3b顯示，當注射時間為1.5 s時G3的針閥打開之后，注射壓力由15.6 MPa 一直增大，當注射時間為2.1 s時，注塑壓力達到最大值為42.13 MPa，同時成型產(chǎn)品所需的鎖模力達到107 t，圖3c表明產(chǎn)品兩端往內(nèi)部收縮，最大翹曲變形量為1.679 mm，圖3d的氣體型芯為氣輔分析的特有結果，可以看出高壓氣體在產(chǎn)品內(nèi)部的分布情況，產(chǎn)品壁厚較大的區(qū)域基本被穿透，效果比較理想。

表1 成型工藝參數(shù)

圖3 CAE氣輔分析結果

3 注塑模具結構設計

3.1 型腔與型芯的結構設計

不同于常規(guī)的模具結構設計，氣輔模具還需考慮溢料井結構的設計，包括溢料井的大小、溢料口的模內(nèi)切結構等，該模具的型腔結構如圖4 所示。由于產(chǎn)品成型區(qū)域有多處較高的凸起，該處需要良好的排氣和冷卻效果，同時為了方便模具加工及后期的維護，將產(chǎn)品成型面設計為一個整體鑲塊，鑲塊材料采用成本較高的鈹青銅，鈹青銅具有良好的高導熱性能，可降低產(chǎn)品的冷卻周期；定模A 板所用的材料為塑膠模具鋼2711，它具有較低的維修費用，通過真空熱處理后硬度可達HRC45 以上，同時具有很高的韌性，在A板的分型面上設有若干個承壓板，可以降低產(chǎn)品封膠面受到的鎖模力，從而延長模具的壽命，同時為了增加合模時的定位精度，在A板型腔四周設計了5°的錐面鎖模結構[11]。

圖4 定模A板型腔的結構設計

動模B 板型芯的結構如圖5 所示，由于澆口屬于潛伏式與牛角澆口，位于動模，為了便于后期的加工與裝配，將澆口區(qū)域全部設計成鑲塊式結構，所用材料為H13 塑膠模具鋼，淬火后硬度可達46HRC 以上；在產(chǎn)品的氣輔成型區(qū)域由于壁厚較大，為縮短冷卻時間，將此處的模仁也設計為鈹青銅鑲塊，同時在動模上設有溢料井結構，用于存儲被高壓氣體擠出的塑料[12]。

圖5 動模B板型芯的結構設計

3.2 溢料口模內(nèi)熱切及產(chǎn)品側(cè)向抽芯機構的設計

為了實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，溢料井里的塑料在模具開模前要與產(chǎn)品分離，可采用模內(nèi)熱切機構來實現(xiàn)，模內(nèi)熱切系統(tǒng)包含4個單元：外部超高壓時間控制系統(tǒng)+耐高壓油管+高壓油缸+切刀+觸點開關[13]；該模具的熱切機構如圖6 所示，選用惠普斯的方形高壓油缸，油缸內(nèi)徑為50 mm，活塞行程為20 mm，其工作原理為：溢料井充滿塑料后，溢料口未完全凍結前，在控制系統(tǒng)的作用下外部液壓機通過管道將高壓油輸送給高壓油缸，高壓油缸推動鑲針切刀，與高壓油缸相連的擋桿碰到觸點開關后停止運動，此時溢料口與產(chǎn)品分離，待產(chǎn)品冷卻凝固后，高壓油缸帶動鑲針回退20 mm后再等待模具開模。

圖6 溢料口模內(nèi)熱切設計

由產(chǎn)品結構圖1 可知產(chǎn)品的分型面較為復雜，有多處部位需設計側(cè)向抽芯結構，在產(chǎn)品的T3 區(qū)域，模具采用了“斜導柱+斜滑塊”的結構，如圖7所示。其中大滑塊的運動方向與水平方向成7.5°的夾角，斜導柱的工作角度設計為16°，根據(jù)產(chǎn)品實際所需的抽芯距離為32.5 mm，由此計算出斜導柱工作長度為219 mm，為保證斜導柱工作時有足夠的強度帶動滑塊抽芯，不發(fā)生變形，根據(jù)強度計算公式及相關經(jīng)驗其直徑設計為35 mm，為防止大滑塊抽芯后在重力的作用下沿著斜面自動復位，在大滑塊內(nèi)部還設計了定位機構，采用DME 的標準限位夾與限位銷釘，同時在滑塊的封膠面還設計了排氣槽，使產(chǎn)品成型時更加容易排氣[14]。

圖7 斜導柱+斜滑塊的抽芯機構

3.3 產(chǎn)品脫模機構的設計

由于產(chǎn)品的BOSS柱較多，位置又比較深，脫模時需較大的頂出力，為了增加司筒的強度，所有司筒采用了分段式的結構設計，如圖8a 所示，尾部采用直徑為16 mm的加長桿，所有加長桿外部都設有鋁青銅材質(zhì)的導套，頭部按產(chǎn)品成型尺寸6 mm 設計司筒；由于整個產(chǎn)品的頂出距離需要80 mm，而圖5 的動模B 板的厚度有限，導致有些司筒加長桿的頂出距離最多只有35 mm，因此整個頂出系統(tǒng)設計了二次頂出機構如圖8b所示，兩個大的頂出油缸與頂針面板連接固定在一起，頂針板與頂針面板之間設計了四個定距拉桿，當油缸帶動頂針面板頂出30 mm后，四個定距拉鉤使頂針板與頂針面板分離，接著與頂針面板相連的直頂與斜頂系統(tǒng)將產(chǎn)品、澆口凝料及溢料井里的塑料推出。

圖8 脫模機構的設計

3.4 模具水路及氣路的設計

由上述可知，該模具中有較多部位采用了導熱效果良好的鈹青銅作為鑲塊材料，為了能充分發(fā)揮這種材料的功效，還需設計出良好的冷卻水回路，整個產(chǎn)品的冷卻系統(tǒng)如圖9 所示，采用了“直通式+隔水片式”的水路，定模A 板設計了4 組直徑為12 mm的循環(huán)水路，其中一組與鈹青銅鑲塊連通；為防止大滑塊受熱膨脹卡死，大滑塊內(nèi)部也設計了一條直徑為8.5 mm的水路，定模B板由于有較多的頂出孔，水路不能與這些孔相干涉，設計了4 組直徑為20 mm的隔水片水路，通過12 mm的直通水路相連通；在A，B 板上分別設計了進水與出水的集水塊，所有的水路接口分別與相應的集水塊相連，后期生產(chǎn)時通過集水塊上的快速水路接頭實現(xiàn)模具的快速更換[15]。

圖9 冷卻系統(tǒng)的設計

為了能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的氣輔成型，還需要在動模B 板上設計高壓氮氣通道，如圖10 所示，采用直徑為6 mm的氮氣噴嘴，氣道直徑為8 mm。

4 模具裝配圖及工作原理

車門扶手骨架的模具總裝圖如圖11所示，模具為時序閥控制的熱流道氣輔模具，在氣輔的溢料口位置設計了模內(nèi)熱切機構，在頂出系統(tǒng)中設計了四個定距拉鉤實現(xiàn)了產(chǎn)品的二次頂出，模具整體尺寸為1 140 mm×1 140 mm×931 mm，屬于中型精密塑料模具。

模具工作過程如下：將模具安裝到注塑機后，模具上的兩個進氣口與氣輔成型機相連，并將氣輔成型機的輸入信號線與注塑機相連；第一階段注塑機的螺桿按設置好的注射量將熔融塑料通過順序閥的控制，經(jīng)熱流道系統(tǒng)13 進入模具的型腔，經(jīng)過0.4 s的延遲時間后，氣輔成型機將高壓氮氣按設定的壓力經(jīng)模具的進氣口，通過型芯上的氣道，最后通過氮氣噴嘴進入塑料熔體內(nèi)部，此時塑料熔體在高壓氮氣的推動下繼續(xù)充滿整個型腔，并將產(chǎn)品厚壁處多余的塑料熔體推進溢料口進入溢料井，待溢料井滿后，高壓油缸36 推動鑲針切斷溢料口，此時高壓氮氣繼續(xù)保壓，待氣體保壓時間結束后，氣輔成型機停止高壓氮氣的輸出；高壓油缸36帶動鑲針回退，碰到觸點開關37 停止；此時模具的動模部分開始運動，產(chǎn)品上的滑塊29 在斜導柱30 的作用下完成側(cè)向抽芯與產(chǎn)品分離，產(chǎn)品留在動模，接著四個頂出油缸5 同步運動，通過頂針板2 推動頂出系統(tǒng)，運動30 mm 后，在定距拉鉤的作用下，頂針板2停止移動，頂針面板3 繼續(xù)推動產(chǎn)品與其它廢料自動分離脫模，通過機械手將產(chǎn)品取出；最后頂出系統(tǒng)復位，模具合模進入下一個成型周期。

5 結論

針對某車門扶手骨架的結構，通過CAE技術仿真了整個氣體輔助注塑的過程，發(fā)現(xiàn)模擬結果中的氣體穿透長度比較理想。該模具為一模兩腔結構，采用了三點針閥式熱流道系統(tǒng)結構，使用時序閥進行控制，降低了注塑壓力，在產(chǎn)品的溢料口處設計了模內(nèi)熱切結構，使得溢料井里的塑料與產(chǎn)品能自動分離；在頂出系統(tǒng)中設計了兩個油缸來保持頂出平衡，通過四個定距拉鉤的設計實現(xiàn)了二次脫模，使產(chǎn)品順利頂出；模具試模后，產(chǎn)品氣輔區(qū)域無缺陷，證明該氣輔模具結構設計合理，為相關行業(yè)提供了參考價值。