杜林芳，苗秋玲

(河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

汽車內(nèi)飾把手氣輔注射成型模具設(shè)計(jì)

杜林芳，苗秋玲

(河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

采用滿射型逆吹式氣輔成型技術(shù)，對(duì)汽車內(nèi)飾把手進(jìn)行了模具設(shè)計(jì)。在溢料槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過增設(shè)切斷閥和使用熱流道針閥式噴嘴，改善了溢料效果，克服了以往逆吹式氣輔成型的缺點(diǎn)。澆口采用牛角式潛伏澆口，并通過合理選擇頂出位置，保證了產(chǎn)品外觀無澆口與頂出痕跡。該模具成型出的產(chǎn)品表面無縮痕，獲得了良好的外觀品質(zhì)，較同類產(chǎn)品質(zhì)量減輕了20 %。

逆吹式；氣輔成型；溢料槽；切斷閥；縮痕

0 前言

氣體輔助注射成型技術(shù)(GAIM)[1]利用高壓惰性氣體注射到熔融塑料中形成中空截面的工藝特點(diǎn)，有效改善了壁厚不均勻塑件的表面品質(zhì)，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和成型提供了更大的自由度。目前，GAIM技術(shù)廣泛應(yīng)用于家電、汽車、家具、日常用品等幾乎所有塑料制件領(lǐng)域，常見類型如手柄類、平板類的塑料制品[2]。

GAIM技術(shù)分為短射型和滿射型2種，短射型GAIM技術(shù)是在注射熔體達(dá)75 %以上時(shí)注入氣體，而滿射型則是注射的熔體達(dá)90 %以上后注入氣體。滿射型GAIM根據(jù)氣體注入位置的不同又分為順吹式和逆吹式，氣體流動(dòng)與熔體流動(dòng)方向一致為順吹式，反之則為逆吹式。短射型相比滿射型工藝發(fā)展相對(duì)成熟，但制品表面縮痕缺陷較難克服，滿射型則能獲得較好的外觀品質(zhì)，其中尤以逆吹式更佳[3-5]。

針對(duì)某款汽車內(nèi)飾把手，為獲得較輕的產(chǎn)品質(zhì)量和較高的表面品質(zhì)，本文設(shè)計(jì)了采用逆吹式滿射型氣輔成型工藝的注塑模具。通過設(shè)計(jì)合理的溢料槽結(jié)構(gòu)和澆注系統(tǒng)，克服了以往逆吹式氣輔成型的缺點(diǎn)。而澆口和頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，保證了產(chǎn)品的外觀品質(zhì)要求。

1 產(chǎn)品材料和結(jié)構(gòu)

把手材料采用改性聚丙烯(PP)，外形尺寸為195 mm×63 mm×20 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。產(chǎn)品中部為人體接觸部分，截面為橢圓形，該部分要求觸感飽滿，無縮痕和成型痕跡等缺陷。兩端為安裝位置，有側(cè)孔，需采用側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)來成型。由于把手兩端與中部壁厚相差較大，故采用氣輔成型使把手中間部分中空，來解決壁厚差異，同時(shí)使其達(dá)到觸感飽滿。同時(shí)為了滿足輕量化要求，要求產(chǎn)品質(zhì)量足夠小。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)Fig.1 Product structure

2 模具整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率要求，采用1模4腔的模具型腔布局，如圖2所示。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，模具采用兩板式模具結(jié)構(gòu)，分型面選在把手最大輪廓處，即中間對(duì)稱位置，把手兩端各有一個(gè)通孔和盲孔，直徑均為4 mm，由于位置相對(duì)，故分別設(shè)計(jì)一個(gè)側(cè)向分型抽芯裝置即可同時(shí)成型通孔和盲孔結(jié)構(gòu)，分型面和側(cè)抽結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 型腔布局設(shè)計(jì)Fig.2 Design of cavity layout

圖3 分型面和側(cè)抽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 Design of parting surface and side pumping mechanism

3 氣輔模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 溢料槽設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)把手中部中空結(jié)構(gòu)，在模具澆口附近開設(shè)溢料槽和溢料槽通道，其截面都為矩形，其尺寸分別為14.5 mm×15 mm和8 mm×6 mm。另外，在溢料槽通道入口處設(shè)置了針閥式切斷閥，直徑為φ10 mm，注塑時(shí)起阻隔作用，防止熔體在注射時(shí)進(jìn)入溢料槽。注塑時(shí)采用滿射式方式，從澆口注滿型腔，此時(shí)切斷閥頂起阻隔塑料熔體進(jìn)入溢料槽，然后在模具另一側(cè)采用逆吹式注氣結(jié)構(gòu)，由氣針注入氣體，這時(shí)關(guān)閉針閥式澆口，減小進(jìn)氣阻力，同時(shí)落下切斷閥，打開溢料槽通道，多余熔料在氣體推動(dòng)下，經(jīng)澆口填滿溢料槽。此設(shè)計(jì)克服了以往滿射型逆吹式氣輔模具中，由于注射壓力大熔融塑料將溢料槽填滿，而導(dǎo)致氣體無法順利注入的現(xiàn)象[6-7]，通過切斷閥的設(shè)計(jì)應(yīng)用，使得氣體順利注入，從而達(dá)到氣輔成型的預(yù)期效果。

此外，在溢料槽設(shè)計(jì)時(shí)，使相鄰兩型腔間的溢料槽相通，一定程度上可改善型腔間由于填充不平衡而導(dǎo)致的氣壓不平衡，有利于制品質(zhì)量的穩(wěn)定。溢料槽設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 溢料槽設(shè)計(jì)Fig.4 Design of material overflow groove

3.2 氣針設(shè)計(jì)

由于采用逆吹式注氣機(jī)構(gòu)，氣針位置設(shè)計(jì)在熔體注入末端，如圖4所示。吹氣位置設(shè)置在把手橫截面中部，當(dāng)氣體進(jìn)入時(shí)在中部形成氣道，氣壓對(duì)把手環(huán)壁均勻保壓，可避免表面縮痕產(chǎn)生，改善產(chǎn)品壁厚不均勻。由于產(chǎn)品屬手柄類，且尺寸不大，僅設(shè)置一個(gè)進(jìn)氣點(diǎn)。氣針直徑為φ3 mm，產(chǎn)品實(shí)物上的氣針位置如圖5所示。

圖5 氣針位置Fig.5 Gas needle position

3.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于逆吹式溢料槽的需要， 本模具澆注系統(tǒng)主流道直接采用針閥式熱流道噴嘴形式，然后熱噴嘴直接與冷澆口相連，即冷熱結(jié)合的流道形式。其中熱流道針閥式噴嘴可根據(jù)熔體注入體積控制開閉，冷澆口通道可成為注入氣體時(shí)推動(dòng)熔體進(jìn)入溢料槽的通道。由于該把手外觀品質(zhì)要求很高，為達(dá)到隱藏冷澆口痕跡的目的，澆口采用牛角式澆口，澆口位置位于相對(duì)于把手氣針位置的另一端，澆口形式如圖6所示。在設(shè)計(jì)牛角式澆口時(shí)，考慮到后期放電加工的需要，將牛角式澆口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為2個(gè)鑲件，對(duì)半組成澆口結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

3.4 頂出系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該把手中間部分外觀品質(zhì)要求較高，要保證在頂出時(shí)無頂出痕跡，因此對(duì)于該產(chǎn)品將頂出位置選擇在兩端安裝部位，頂出形式選擇頂針頂出，頂桿直徑5 mm，分別設(shè)計(jì)了2個(gè)頂針頂出，如圖8(a)所示。同時(shí)為了保證將產(chǎn)品順利頂出，在牛角式澆口、溢料槽和溢料槽通道位置也設(shè)計(jì)了頂針裝置，澆口處設(shè)置了1個(gè)頂針，如圖6所示。溢料槽處設(shè)計(jì)了2個(gè)頂針，3個(gè)頂針直徑都為6 mm，溢料槽通道處設(shè)計(jì)了1個(gè)頂針，直徑為8 mm，如圖8(b)所示。

(a)3維圖 (b)尺寸圖圖6 澆口入口Fig.6 Gate entrance

圖7 澆口鑲件Fig.7 Gate insert

(a)產(chǎn)品頂出位置 (b)溢料槽及其通道頂針位置圖8 頂出系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.8 Design of ejection system

經(jīng)生產(chǎn)得到的產(chǎn)品外觀品質(zhì)良好，表面無縮痕，產(chǎn)品質(zhì)量?jī)H為45 g，較同類產(chǎn)品質(zhì)量減輕約20 %。生產(chǎn)出的合格產(chǎn)品如圖9所示，產(chǎn)品模具如圖10所示。

圖9 把手產(chǎn)品Fig.9 Handle photo

圖10 產(chǎn)品模具圖Fig.10 Mold photo

4 結(jié)論

(1)此款汽車內(nèi)飾把手的模具結(jié)構(gòu)采用滿射型逆吹式氣輔成型方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品表面無縮痕，產(chǎn)品外觀良好；

(2)在溢料槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，增設(shè)切斷閥以改善溢料效果，采用冷熱結(jié)合的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，克服了以往逆吹式氣輔模具由于注射壓力大，熔融塑料將溢料槽填滿，而導(dǎo)致氣體無法順利注入的現(xiàn)象；

(3)利用牛角式澆口和頂出位置的合理選擇，使產(chǎn)品外觀無澆口和頂出痕跡。

[1] M A Parvez, N S Ong, Y C Lam, et al. Gas-assisted Injection Molding:the Effects of Process Variables and Gas Channel Geometry[J]. Journal of Materials Processing Techmlogy, 2002, 121 (1):27-35.

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Moldex3D整合LS-DYNA預(yù)浸布分析多材質(zhì)翹曲模擬更全面

連續(xù)纖維復(fù)合材料提供產(chǎn)品優(yōu)越的強(qiáng)度性能，其利用不同編織布的迭層設(shè)計(jì)達(dá)到產(chǎn)品強(qiáng)度的可設(shè)計(jì)性，并保有質(zhì)量輕的特性。近年來，隨著產(chǎn)品減重的需求日異增高，業(yè)界開始結(jié)合不同成型方式于連續(xù)纖維復(fù)合材料上，將預(yù)熱壓成型的纖維預(yù)浸布(Prepreg)作為嵌入件，并在預(yù)浸布上進(jìn)行二次射出加工，此方式可將功能性結(jié)構(gòu)附加到產(chǎn)品上，更進(jìn)一步提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，并達(dá)到減重需求。

這樣的復(fù)合成型制程稱為兩階段包覆成型(two steps over molding)，通常包含兩部分：纖維預(yù)浸布鋪覆程序(Draping process)及二次加工成型。纖維預(yù)浸布的成型方式是將干式纖維布預(yù)先浸潤(rùn)在室溫的樹脂中，再進(jìn)行低溫冷凍。接著利用機(jī)器手臂移動(dòng)片狀的固態(tài)預(yù)浸布放置在模具中，進(jìn)行鋪覆程序。

鋪覆程序是主要目的是賦予迭層纖維布產(chǎn)品外型，迭層好的纖維預(yù)浸布會(huì)照射紅外線加熱軟化，進(jìn)行壓縮成型后待成品固化，接著再進(jìn)行塑料射出灌注。成型后的產(chǎn)品包含連續(xù)性纖維預(yù)浸材及后射出的功能件部位，而如何有效預(yù)測(cè)結(jié)合兩者成型的產(chǎn)品特性行為是一項(xiàng)重要課題。

Moldex3D在R14版本整合了LS-DYNA分析連續(xù)性纖維鋪覆程序變形的能力：將鋪覆變形后的纖維布排向考慮到Moldex3D中，模擬預(yù)測(cè)包覆成型產(chǎn)品在進(jìn)行二次加工時(shí)復(fù)合材料產(chǎn)品翹曲變形的情形。其中LS-DYNA主要進(jìn)行連續(xù)性纖維壓縮成型的變形行為分析；Moldex3D則接續(xù)LS-DYNA計(jì)算完成的預(yù)浸料固體變形，讀入幾何外型和連續(xù)性纖維排向分布結(jié)果，作為嵌件的幾何和材料特性參數(shù)。在流動(dòng)計(jì)算分析時(shí)考慮嵌件屬性的預(yù)浸布外型為邊界條件，而在翹曲計(jì)算時(shí)考慮嵌件為連續(xù)性復(fù)合材料，進(jìn)行多材質(zhì)的翹曲變形預(yù)測(cè)分析。

Moldex3D的多材質(zhì)分析功能，將單軸纖維預(yù)浸材料排向進(jìn)行3個(gè)方向的測(cè)試分析，產(chǎn)生強(qiáng)度在產(chǎn)品方向上的差異。結(jié)果得到Z軸位移在纖維排向45 °時(shí)變形最大；纖維排向0 °、90 °時(shí)Z軸位移的變形較小，其中又以90 °排向的最理想。

Moldex3D的射出流動(dòng)分析會(huì)考慮非連續(xù)纖維的排向影響，并分離出塑料及纖維排向的影響。在此例中，塑料造成的收縮影響較大，造成產(chǎn)品產(chǎn)生Y方向較大的收縮；90 °排向的連續(xù)纖維預(yù)浸材的方向則可以彌補(bǔ)此收縮量的影響，因此達(dá)到產(chǎn)品變形最小收縮量值的需求。

Design of Gas-assisted Injection Molds for Car Interior Door Handles

DU Linfang, MIAO Qiulin

(Department of Mechanical Engineering, Henan Mechanical and Electrical Career College, Zhengzhou 451191, China)

An injection mould for a car interior handle was designed by using an inverse blowing gas-assisted molding technology in a full injection mode. When designing the groove structure for melt overflow, cut-off valve and hot runner nozzle were introduced into the mould so as to improve the efficiency of melt overflow and also to overcome the defects appearing in the inverse blowing gas-assisted molding. With the use of a horn-shape latent gate and the reasonable setting of ejection position, the aspects without any gate and ejector marks were guaranteed for the injection-molded parts. This mould has been used for the production of parts, and the products exhibit a good appearance as well as a lightweight feature with a reduction in weight by 20 % compared with the similar products.

inverse blowing type; gas-assisted injection molding; resin-overflow groove; cut-off valve; shrinkage mark

2016-10-16

TQ323

B

1001-9278(2017)04-0102-04

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.04.019

聯(lián)系人，hnjdxy@163.com