丁立剛，李海林，黃楚杰，黃鎮(zhèn)輝

(1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院裝備制造系，廣東 中山 528436；2.廣州城建職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510925；3.中山高林美包裝科技有限公司，廣東 中山 528436)

0 前言

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民群眾收入的提高，小轎車已由原來老百姓心目中的奢侈品逐漸過渡為普通家庭居家旅行和出門代步的常用工具。與此同時(shí)，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，小轎車的性能不斷提高，造型和款式也越來越好看，這就對汽車各關(guān)鍵性能部件和裝飾件提出更高要求，其中包括汽車各內(nèi)外飾件的造型更優(yōu)美、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、尺寸更精密等。本文涉及到的是某款家用小轎車的右前門外拉手蓋(簡稱為“右蓋”)。

1 塑件工藝性分析

右蓋產(chǎn)品材料是苯乙烯 - 丁二烯 - 丙烯腈共聚物(ABS)和聚碳酸酯(PC)，最大外形尺寸為48 mm×37 mm×32 mm，最大壁厚在產(chǎn)品側(cè)邊為7.0 mm。其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，兩側(cè)各有一個勾位，左端有一內(nèi)凹位，右端有一斜孔；內(nèi)部結(jié)構(gòu)中加強(qiáng)筋數(shù)量較多，高度較高，脫模斜度較小，最小壁厚僅為1.0 mm。產(chǎn)品壁厚相差較大，成型時(shí)會造成流動不平衡，使各個方向的填充速度差異較大，特別是薄壁處容易發(fā)生遲滯效應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)品短射，嚴(yán)重影響產(chǎn)品品質(zhì)；另外，塑件壁厚不均勻時(shí)，成型中各部分所需冷卻時(shí)間不同，收縮率也不同，容易造成塑件的內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形[1]。右前門外拉手蓋的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

(a)內(nèi)部結(jié)構(gòu) (b)外觀形狀圖1 右前門外拉手蓋Fig.1 Cap FR door outside handle RH

右蓋產(chǎn)品既是結(jié)構(gòu)件也是外飾件，一方面要求具有足夠的剛度和強(qiáng)度，另一方面也要求具有良好的外觀品質(zhì)，產(chǎn)品注塑完畢后的后續(xù)表面需要進(jìn)行電鍍處理，因此塑件不允許有任何波浪紋、氣泡、銀絲、熔接痕、澆注痕跡等缺陷。

通過對右蓋產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析，可知設(shè)計(jì)該塑件注射模具時(shí)應(yīng)注意以下工藝問題：塑件上有較為復(fù)雜的勾位、內(nèi)凹以及斜孔等結(jié)構(gòu)，模具中需要設(shè)置合理的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)予以解決；內(nèi)部結(jié)構(gòu)中加強(qiáng)筋高度較高，模具中對應(yīng)的型腔較深，注射成型過程中容易由于排氣不暢而發(fā)生遲滯效應(yīng)，因此設(shè)計(jì)成型零件時(shí)應(yīng)解決排氣問題；由于加強(qiáng)筋型腔較深，數(shù)量較多，塑件冷卻固化過程中容易對型芯產(chǎn)生較大的包緊力，因此設(shè)計(jì)推出機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮加強(qiáng)筋的脫模問題；由于塑件壁厚較厚，注射過程中必須加強(qiáng)對成型零件的冷卻；同時(shí)由于塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將決定下模型芯需采用多型芯鑲拼結(jié)構(gòu)，而且有必要對滑塊型芯進(jìn)行必要的冷卻，因此模具結(jié)構(gòu)中必須設(shè)置合理的冷卻系統(tǒng)；根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，該模具采用1模2腔的結(jié)構(gòu)，而且根據(jù)上述可知，每個型腔的4個方向均需要設(shè)置抽芯機(jī)構(gòu)，如何在保證產(chǎn)品外觀的前提下解決型腔進(jìn)膠問題也是必須重點(diǎn)考慮的。

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)是指模具與注塑機(jī)噴嘴接觸處到模具型腔之間的塑料熔體的流動通道或在此通道內(nèi)凝結(jié)的固體塑料，由主流道、分流道、冷料井和澆口組成。其設(shè)計(jì)方案受產(chǎn)品材料特性和形狀尺寸、型腔數(shù)量和排布形式以及成形零件的結(jié)構(gòu)形式等方面的影響[2]。

右蓋產(chǎn)品的成型材料是ABS+PC，塑料熔體黏性較大，流動性較差；而且由于結(jié)構(gòu)中加強(qiáng)筋深度較大，數(shù)量較多，將增加型腔注射充填難度。因此澆注系統(tǒng)流動通道不宜過長，截面積不應(yīng)太小，以免塑料熔體流動過程中產(chǎn)生過大的壓力損失和溫降。綜合各類澆口形式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合本模具的結(jié)構(gòu)方案，確定在塑件的內(nèi)凹處中間部位下方采用側(cè)澆口的進(jìn)料方式。澆注系統(tǒng)的分流道與澆口均在下模鑲件單邊開設(shè)，其中靠近澆口處的分流道處在塑件內(nèi)凹位抽芯滑塊的下方；同時(shí)為了避免注塑過程中型腔出現(xiàn)排氣不良的缺陷，澆口處采用由下往上進(jìn)料的方式。具體尺寸及形狀參照企業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。澆注系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 澆注系統(tǒng)Fig.2 Gating system

由于塑件及其相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了避免結(jié)構(gòu)不合理而導(dǎo)致后期模具制作及試生產(chǎn)過程中出現(xiàn)重大工藝問題，在模具設(shè)計(jì)初期，根據(jù)模具的初始結(jié)構(gòu)方案，如表1所示，在常規(guī)注塑工藝條件下，利用常用模流分析軟件Moldex模擬分析塑料熔體的流動狀態(tài)，驗(yàn)證澆注系統(tǒng)的合理性。

表1 成型條件

Tab.1 Forming conditions

澆注系統(tǒng)填充模擬結(jié)果如圖3所示，由不同注射時(shí)間下型腔的填充狀態(tài)云圖可知，該模具的注射填充過程平穩(wěn)，流動狀態(tài)較好，注射完畢后未出現(xiàn)排氣不良等成型缺陷。 另外， 產(chǎn)品保壓狀態(tài)下剪切應(yīng)力分析如圖4所示，由狀態(tài)云圖可知，產(chǎn)品保壓結(jié)束后整體結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力小于0.629 MPa，處于較小的應(yīng)力狀態(tài)下，能滿足產(chǎn)品品質(zhì)要求。

(a)60 %的狀態(tài)云圖 (b)80 %的狀態(tài)云圖 (c)100 %的狀態(tài)云圖圖3 澆注系統(tǒng)填充模擬Fig.3 Filling simulation of gating system

圖4 剪切應(yīng)力分析Fig.4 Analysis of shear stress

綜上所述，該澆注系統(tǒng)的進(jìn)料方式與結(jié)構(gòu)尺寸較為合理，能滿足本模具的注射成型要求。

2.2 成型零件設(shè)計(jì)

由塑件結(jié)構(gòu)可知，外表面形狀比較簡單，其成形零件主要采用數(shù)控銑削加工與電火花加工，后續(xù)再進(jìn)行表面拋光即可。因此，為確保塑件外觀品質(zhì)和模具的強(qiáng)度與剛度，型腔鑲件以采用整體式結(jié)構(gòu)為宜。而由于塑件內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加強(qiáng)筋型腔較深，數(shù)量較多，其成形零件主要采用電火花成型加工以及表面拋光；為了方便對型芯進(jìn)行電火花和拋光加工，以及加工出推出機(jī)構(gòu)的配合結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高加強(qiáng)筋對應(yīng)溝槽的排氣效果，下模型芯應(yīng)根據(jù)塑件實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑲拼，因此只能采用組合式結(jié)構(gòu)。此外，塑件上需要側(cè)向抽芯的部位，也根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑲拼，并固定在對應(yīng)的滑塊上。

2.3 推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

注射成型后，塑料熔體在模具型腔內(nèi)冷卻定型，由于體積的收縮，塑件對型芯產(chǎn)生包緊力，塑件要從模腔或型芯上脫出，就必須克服因包緊力而產(chǎn)生的摩擦阻力，一般可用式(1)進(jìn)行脫模力的估算，以便設(shè)計(jì)合適的推出零件[3]。

Ft=AP(μcosα-sinα)

(1)

式中Ft——脫模力

μ——塑料對鋼的摩擦系數(shù)，約為0.1～0.3

A——塑件包容型芯的面積

P——塑件對型芯的單位面積上的包緊力，一般情況下，模外冷卻的塑件P約取2.4～3.9×107Pa，模內(nèi)冷卻的塑件P約取0.8～1.2×107Pa

α——型芯的脫模斜度

根據(jù)脫模力的估算，綜合各類推出機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，并結(jié)合右蓋塑件結(jié)構(gòu)可知，本模具以采用推桿推出機(jī)構(gòu)為宜。同時(shí)考慮到產(chǎn)品材料強(qiáng)度剛度較好，產(chǎn)品內(nèi)部加強(qiáng)筋數(shù)量較多，型腔較深，塑件冷卻固化后加強(qiáng)筋對下模型芯產(chǎn)生較大的包緊力，如果只采用圓柱推桿將容易導(dǎo)致產(chǎn)品推出過程中出現(xiàn)頂白甚至頂穿等問題。因此在本模具結(jié)構(gòu)中，每個產(chǎn)品除了在合適的位置布置4根φ5 mm和2根φ4 mm的圓柱推桿，同時(shí)還在產(chǎn)品中間部分的加強(qiáng)筋下端設(shè)置1根矩形推桿(也叫扁推桿或扁頂)，以增加加強(qiáng)筋部分的推出力，確保塑件能順利脫模不變形。矩形推桿如圖5所示。

圖5 矩形推桿Fig.5 Rectangular ejector pin

2.4 側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

右蓋產(chǎn)品兩側(cè)各有一個勾位，因此模具結(jié)構(gòu)中必須設(shè)計(jì)側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)。由于勾位脫模需要的抽芯距離較短(≥0.7 mm)，綜合各類側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，同時(shí)為保證機(jī)構(gòu)安全可靠，確定采用機(jī)動抽芯機(jī)構(gòu)。

根據(jù)模具的型腔布局，該部位的側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)突破常用機(jī)動抽芯機(jī)構(gòu)采用斜導(dǎo)柱驅(qū)動與鎖緊楔壓緊的結(jié)構(gòu)形式，而是直接在鎖緊楔兩側(cè)設(shè)置T形凸邊，并在滑塊背面加工出相應(yīng)的T形槽，以此作為滑塊抽芯與復(fù)位的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，使鎖緊楔既起到開模抽芯、又發(fā)揮閉模鎖緊的作用，從而使模具整體結(jié)構(gòu)更為簡單、緊湊。根據(jù)上述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析可知，勾位倒扣0.7 mm，為安全起見，確定滑塊抽芯行程為5 mm，參照企業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)出該側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，如圖6所示。注塑時(shí)，鎖緊楔4壓緊滑塊7，防止滑塊7由于受注射壓力作用而產(chǎn)生松動；開模時(shí)，利用鎖緊楔4兩側(cè)的T形凸邊驅(qū)動滑塊7的T形槽，滑塊7在壓塊9的導(dǎo)向下完成5 mm的抽芯距離，并在下模鑲件2和定位零件3的作用下實(shí)現(xiàn)限位與定位；合模時(shí)，鎖緊楔4驅(qū)動滑塊7開始復(fù)位，閉模后鎖緊楔4背面在下模鑲件2的作用下壓緊滑塊7之后進(jìn)入下一個注塑周期。

右蓋產(chǎn)品左邊的內(nèi)凹位結(jié)構(gòu)同樣需要設(shè)置側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，根據(jù)模具初始的結(jié)構(gòu)方案，該處采用常用的斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)即可，其結(jié)構(gòu)形式和動作原理在此不再贅述。

1—型芯鑲件 2—下模鑲件 3—定位零件 4—鎖緊楔5、8—螺釘 6—型腔鑲件 7—滑塊 9—壓塊(a)裝配結(jié)構(gòu)圖 (b)A—A剖視圖圖6 勾位側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)Fig.6 Side core pulling mechanism for hooks

根據(jù)產(chǎn)品工藝性分析可知，產(chǎn)品內(nèi)部有一斜孔，經(jīng)測量與分型面成41.4 °，深度為15 mm。此類斜孔脫模不適宜直接采用常用的斜導(dǎo)柱機(jī)動抽芯機(jī)構(gòu)，而只能采用齒輪齒條驅(qū)動抽芯、液壓與氣動驅(qū)動抽芯或斜導(dǎo)柱驅(qū)動二級滑塊抽芯，前2種抽芯方式由于需要在模架外圍設(shè)置相關(guān)驅(qū)動裝置，模具整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此確定在本模具設(shè)置二級滑塊抽芯機(jī)構(gòu)。根據(jù)斜孔深度，借助常用設(shè)計(jì)軟件，參照企業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)出該側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，如圖7所示。

1—型腔鑲件 2—二級滑塊 3—上模板 4—斜導(dǎo)柱 5—斜導(dǎo)柱鑲件 6—鎖緊楔 7—一級滑塊 8—下模板 9—定位零件 10—下模鑲件(a)結(jié)構(gòu)圖 (b)關(guān)鍵零部件的三維結(jié)構(gòu)圖7 斜孔側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)Fig.7 Side core pulling mechanism for inclined holes

在斜孔側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)中，斜導(dǎo)柱4與一級滑塊7之間采用常用的斜導(dǎo)柱機(jī)動抽芯方式，而一級滑塊與二級滑塊之間利用T形槽驅(qū)動，其運(yùn)動分解圖如圖8所示，其中OA為一級滑塊的運(yùn)動方向，OB為T形槽裝配方向，OC為二級滑塊的運(yùn)動方向，α為裝配角度，β為斜孔的傾斜角度。

圖8 運(yùn)動分解圖Fig.8 Motion decomposition diagram

注塑時(shí)，鎖緊楔6通過一級滑塊7壓緊二級滑塊2，防止二級滑塊2由于受注射壓力作用而產(chǎn)生松動。開模抽芯時(shí)，斜導(dǎo)柱4驅(qū)動一級滑塊7實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動，一級滑塊7利用T形槽與開模方向之間的角度關(guān)系，帶動二級滑塊2在OC方向上完成抽芯動作。合模時(shí)，斜導(dǎo)柱4驅(qū)動一級滑塊7，進(jìn)而驅(qū)動二級滑塊2復(fù)位。閉模后滑塊型芯在鎖緊楔6的鎖緊力作用下進(jìn)入下一個注塑周期。

2.5 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于塑件兩側(cè)壁厚較厚，故模具中應(yīng)對成型零件加強(qiáng)冷卻。綜合本模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由于型腔鑲件結(jié)構(gòu)較為簡單，故2個產(chǎn)品型腔分別采用循環(huán)式冷卻回路即可，如圖9(a)所示。下模型芯由于中間部分采用組合式鑲拼結(jié)構(gòu)，因此不適宜設(shè)計(jì)過度復(fù)雜的冷卻方式，而只能采用簡單的循環(huán)式冷卻回路，如圖9(b)所示。

(a)型腔鑲件冷卻回路 (b)下模型芯冷卻回路 (c)內(nèi)凹位活動型芯圖9 冷卻系統(tǒng)Fig.9 Cooling system

活動型芯部分，其中勾位活動型芯由于尺寸較小，故沒必要專門設(shè)置冷卻裝置；而斜孔活動型芯由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且處于模具中間部位，很難將冷卻水引入其中，故不適宜采用冷卻水冷卻方式，而可在開模階段利用壓縮空氣進(jìn)行風(fēng)冷；內(nèi)凹位活動型芯尺寸較大，可根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)采用隔水片的冷卻方式，如圖9(c)所示。

3 模具的整體結(jié)構(gòu)及工作原理

在完成模具澆注系統(tǒng)、成形零件、推出機(jī)構(gòu)、側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)以及冷卻系統(tǒng)等關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)模具的定位結(jié)構(gòu)、支撐零件以及其他的相關(guān)結(jié)構(gòu)，最終設(shè)計(jì)出右前門外拉手蓋注射模具，主要結(jié)構(gòu)如圖10所示。其工作原理如下：

(1)注塑充型。塑料熔料流經(jīng)定位環(huán)28、澆口套27的主流道、下模鑲件23的分流道和側(cè)澆口后開始填充模具型腔；塑料熔體在注射壓力作用下保壓；塑件在冷卻系統(tǒng)作用下冷卻、固化；

(2)開模及滑塊抽芯。在注塑機(jī)動定模板帶動下，模具在分型面處打開，塑件與澆注系統(tǒng)凝料從上模脫離；模具中各個活動型芯在抽芯機(jī)構(gòu)驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)抽芯脫模；

(3)推出塑件。開模完畢后，推桿墊板2與推桿固定板3在注塑機(jī)頂出桿作用下，帶動圓推桿4、矩形推桿5與拉料桿32運(yùn)動，將塑件與澆注系統(tǒng)凝料從下模型芯推出；推出行程達(dá)30 mm后，限位塊19接觸到B板6，模具推出動作停止；

(4)推出機(jī)構(gòu)復(fù)位。推出動作完成后，注塑機(jī)頂出桿回抽，推桿墊板2與推桿固定板3在復(fù)位彈簧22的作用下，帶動圓推桿4、矩形推桿5、拉料桿32及回程桿24完成復(fù)位動作；

(5)模具合模及滑塊復(fù)位。在注塑機(jī)帶動下，模具動、定模開始合模；各個側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的驅(qū)動裝置帶動滑塊復(fù)位并鎖緊，完成一個注塑周期。

1—動模座板 2—推桿墊板 3—推桿固定板 4—圓推桿 5—矩形推桿 6—B板 7—定位零件 8—A板 9、29—滑塊 10、15—斜導(dǎo)柱鑲件11—定模座板 12、14—導(dǎo)柱 13—二級滑塊 16—螺釘 17、25—鎖緊楔 18—一級滑塊 19—限位塊 20—方鐵 21—垃圾釘 22—復(fù)位彈簧23—型芯鑲件 24—回程桿 26—型腔鑲件 27—澆口套 28—定位環(huán) 30、35—導(dǎo)柱 31、34—導(dǎo)套 32—拉料桿 33—支撐柱(a)橫向剖視圖 (b)縱向剖視圖圖10 模具裝配圖Fig.10 Mould assembly drawing

4 結(jié)論

(1)在分析塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，借助有限元(CAE)模流分析技術(shù)和常用設(shè)計(jì)軟件，參考企業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，逐一擬定出右前門外拉手蓋注射模具關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)而完善并設(shè)計(jì)出模具的整體結(jié)構(gòu)；

(2)經(jīng)過后期生產(chǎn)驗(yàn)證，該注塑模具結(jié)構(gòu)緊湊、動作可靠，注塑生產(chǎn)的產(chǎn)品品質(zhì)符合設(shè)計(jì)要求，其中的關(guān)鍵技術(shù)可為類似結(jié)構(gòu)的注射模具提供借鑒。