劉 鑫, 郭恒亞, 黃 明

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,浙江 紹興 312000；2.鄭州大學(xué)橡塑模具國(guó)家工程研究中心，鄭州 450002)

0 前言

汽車制造正朝著輕量化的方向發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)家汽車的內(nèi)飾件已基本實(shí)現(xiàn)塑料輕量化，塑料在汽車中的應(yīng)用正在由內(nèi)飾件向外飾件、車身與結(jié)構(gòu)件發(fā)展，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家汽車領(lǐng)域的塑料使用量正在持續(xù)增長(zhǎng)，塑料模具占汽車模具總量的比例已經(jīng)超過了60 %，占到了車身總質(zhì)量的10 %～15 %左右[1-3]。雙色注塑是指將2種不同的材料注塑到同一套模具，從而實(shí)現(xiàn)注塑出來的零件由2種材料形成的成型工藝[4]。有的2種材料是不同顏色的，有的是軟硬不同的，從而提高產(chǎn)品的美觀性和裝配等性能。雙色注塑汽車配件產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性高，產(chǎn)品變形易控制，雙色模具注塑已成為汽車配件領(lǐng)域趨勢(shì)所在[5-7]。本文針對(duì)傳統(tǒng)的動(dòng)模旋轉(zhuǎn)垂直轉(zhuǎn)盤式雙色模具結(jié)構(gòu)因模具自重而產(chǎn)生傾斜磨耗導(dǎo)致模具運(yùn)轉(zhuǎn)不順等問題，設(shè)計(jì)了一種水平轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)對(duì)射式雙色注塑模具。

1 產(chǎn)品成型工藝分析

汽車擋風(fēng)玻璃裝飾條是汽車重要的部件之一，一般安裝在前風(fēng)擋玻璃的側(cè)邊部上，主要起到密封和裝飾的作用，如果汽車前擋風(fēng)玻璃裝飾條與玻璃配合后不緊密牢固，密封性差，會(huì)導(dǎo)致側(cè)面的雨水較多，影響了行車路線，同時(shí)與其他部件配合不能做到美觀的和諧統(tǒng)一，影響了整車形象，采用雙色注塑不同材料后結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，整體外形美觀。

汽車擋風(fēng)玻璃裝飾條包括注塑連為一體的硬膠部分和軟膠部分，硬膠部分主要采用丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)，軟膠部分采用聚烯烴熱塑性彈性體(TPO)，使得產(chǎn)品具有優(yōu)異的耐低溫沖擊性和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，可使2種組分更好地黏結(jié)在一起，而且可避免使用膠水后所產(chǎn)生的環(huán)保問題，具有良好的成本優(yōu)勢(shì)和性能優(yōu)勢(shì)，如圖1所示。

(a)硬膠部分 (b)軟膠部分圖1 汽車擋風(fēng)玻璃裝飾條Fig.1 Automobile windshield decorative strips

硬膠部分上設(shè)置有卡扣，在相鄰成對(duì)卡扣之間設(shè)置有配合邊，軟膠部分上設(shè)置有抵靠腳，抵靠腳呈U字型數(shù)量為7個(gè)，配合邊上開設(shè)有與抵靠腳相配合的凹槽。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特征如圖2所示，由于產(chǎn)品外表面大部分為空間曲面，多處有倒扣和凹槽3，因此采用左右2個(gè)方向側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，卡扣(1)、(2)處側(cè)面和開模方向有夾角，采用斜頂機(jī)構(gòu)后仍會(huì)有倒扣，是本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的難點(diǎn)；固定座(1)、(2)的側(cè)向抽芯距離比較長(zhǎng)且在產(chǎn)品內(nèi)表面，需要長(zhǎng)距離斜頂機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)脫模。

1—卡扣(1) 2—卡扣(2) 3—凹槽4—固定座(1) 5—固定座(2)圖2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特征Fig.2 Product structure detail features

2 雙色模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

本文中汽車擋風(fēng)玻璃裝飾條硬膠部分外形尺寸為1 274.3 mm×83.7 mm×169.7 mm，軟膠部分外形尺寸為1 287.8 mm×92.6 mm×168.6 mm，產(chǎn)品長(zhǎng)度方向尺寸較大，并且考慮到汽車擋風(fēng)玻璃裝飾條在使用時(shí)需要成對(duì)使用，設(shè)計(jì)模具時(shí)產(chǎn)品布局方案為一出二左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，同時(shí)得到一副汽車擋風(fēng)玻璃裝飾條，初步計(jì)算單副模具質(zhì)量約12.3 t，采用傳統(tǒng)的普通動(dòng)模旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤式模具結(jié)構(gòu)，由于模具體積大，需要的注塑機(jī)型號(hào)比較大，并且模具質(zhì)量太大，容易引起導(dǎo)向機(jī)構(gòu)單面接觸，磨損現(xiàn)象嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)過程中極易引起小角度碰穿位置磨損，甚至損壞模具[8]，因此，選用對(duì)射式模具結(jié)構(gòu)，分別注射硬料和軟料的兩幅模具水平布置，配合水平轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)雙色注射，具體結(jié)構(gòu)見如圖3所示。

圖3 對(duì)射式雙色模具結(jié)構(gòu)Fig.3 Opposite injection type bicolor mould structure

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車擋風(fēng)玻璃裝飾條模具的澆注系統(tǒng)分為兩套各自獨(dú)立的系統(tǒng)，由于需要2次注射成型，硬膠部分注射完成后料頭需要及時(shí)與半成品進(jìn)行分離，以便進(jìn)行后續(xù)軟膠部分的注射，因此，硬膠部分的澆口形式選擇點(diǎn)澆口，由于軟膠部分完全包裹硬膠部分的外表面，因此點(diǎn)澆口位置設(shè)置在硬膠部分的上表面。軟膠部分考慮到產(chǎn)品的表面外觀質(zhì)量，選擇香蕉澆口，澆口潛伏在軟膠部分的背面，經(jīng)過在MoldFlow軟件中進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)模流分析對(duì)澆口位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定的硬膠部分模具的熱流道澆口布置如圖4所示，軟膠部分模具的熱流道澆口布置如圖5所示。

圖4 硬膠部分澆注系統(tǒng)Fig.4 Hardrubber part gating system

2.3 成型零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車擋風(fēng)玻璃裝飾條在使用時(shí)需要成對(duì)使用，產(chǎn)品布局方案為一出二左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，動(dòng)模部分結(jié)構(gòu)完全相同，由于本產(chǎn)品外表面大部分為空間曲面，多處有倒扣和凹槽，因此采用左右2個(gè)方向側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，以硬膠部分模具為例，動(dòng)模和定模結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 硬膠部分動(dòng)模和定模Fig.6 Move mould and fix mould of hard rubber parts

2.4 側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文中雙色模具由于其動(dòng)模結(jié)構(gòu)相同、定模結(jié)構(gòu)不同，在側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中要求在硬膠材料注射成型時(shí)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)不允許發(fā)生位移動(dòng)作，從而保證硬膠部分位置不變，在二次注射成型軟膠材料時(shí)達(dá)到產(chǎn)品尺寸要求[9]。為了防止側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)滑塊開合模過程中影響產(chǎn)品尺寸精度，理想的設(shè)計(jì)方案是將側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)全部設(shè)計(jì)在定模一側(cè)，本文中汽車擋風(fēng)玻璃裝飾條外表面部分側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)尺寸較大，無法全部設(shè)計(jì)在定模一側(cè)，本模具設(shè)計(jì)了一種斜楔彈簧側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，如圖7所示，依靠斜導(dǎo)柱上的缺口來實(shí)現(xiàn)硬膠注射時(shí)不進(jìn)行側(cè)向抽芯，軟膠注射完成后進(jìn)行側(cè)向抽芯動(dòng)作。

1—滑塊體 2—斜導(dǎo)柱 3—斜導(dǎo)柱固定塊 4—壓板5—彈簧 6—耐磨塊 7—導(dǎo)滑條 8—斜楔塊 9—限位塊10—斜楔固定塊 11—斜楔彈簧 12—斜導(dǎo)柱缺口圖7 斜楔彈簧側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)Fig.7 Core-pulling mechanism with inclined wedge spring side

模具硬膠部分注射完成開模時(shí)，斜導(dǎo)柱上由于缺口12的存在，斜楔塊8從斜導(dǎo)柱缺口處穿過，從而使側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)不參與開模動(dòng)作；斜導(dǎo)柱安裝在定模一側(cè)，軟膠部分的定模斜導(dǎo)柱可以更換為沒有缺口的斜導(dǎo)柱，當(dāng)軟膠部分注射完成開模時(shí)，斜導(dǎo)柱2隨著開模過程中動(dòng)模的移動(dòng)帶動(dòng)斜楔塊8運(yùn)動(dòng)，斜楔塊固定在滑塊體1上，從而帶動(dòng)滑塊體1沿著導(dǎo)滑條7移動(dòng)，直到碰到彈簧5頂部的限位塊9完成側(cè)抽芯動(dòng)作；合模時(shí)，斜導(dǎo)柱2碰到斜楔塊8表面的斜面，壓縮斜楔彈簧11，使斜楔塊縮回斜楔固定塊10內(nèi)，斜導(dǎo)柱繼續(xù)移動(dòng)直到合模完成。

2.5 斜頂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文中產(chǎn)品上的卡扣處側(cè)面和開模方向有夾角，設(shè)計(jì)斜頂機(jī)構(gòu)如圖8(a)所示，此時(shí)卡扣仍然有約1 mm倒扣，卡扣是硬膠部分特征，材料為ABS，1 mm倒扣無法采用強(qiáng)制脫模的方式進(jìn)行脫模，由于產(chǎn)品為細(xì)長(zhǎng)條形狀，此卡扣特征在產(chǎn)品尾部，可以在其他部分脫模后，由機(jī)械手沿著與脫模方向垂直的水平方向進(jìn)行脫模直到無阻礙，最后上移離開注塑機(jī)按照設(shè)計(jì)的程序?qū)a(chǎn)品送到指定位置。

產(chǎn)品上固定座(1)、(2)的側(cè)向抽芯距離分別為16.17 mm和18.57 mm，固定座(1)沿著抽芯方向，產(chǎn)品有下降斜度，斜頂頭部為反角度不能后退，頂出時(shí)會(huì)引起鏟膠現(xiàn)象，并且斜頂抽芯方向后面還有產(chǎn)品特征凸臺(tái)，需要根據(jù)三角函數(shù)精確計(jì)算抽芯距離，避免與凸臺(tái)產(chǎn)生干涉，將斜頂座底部設(shè)計(jì)出斜度，使斜頂延時(shí)頂出，從而避免鏟膠現(xiàn)象，如圖8(b)所示。

(a)卡扣斜頂 (b)固定座斜頂圖8 斜頂機(jī)構(gòu)Fig.8 Inclined roof mechanism

2.6 導(dǎo)向定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文中模具動(dòng)模部分需要水平旋轉(zhuǎn)180 °，如何保證旋轉(zhuǎn)后的動(dòng)模與定模準(zhǔn)確定位配合是重點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中除了通用的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)柱導(dǎo)套對(duì)稱布置來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向外，在動(dòng)、定模四周十字定位位置上設(shè)計(jì)精定位裝置，在動(dòng)、定模板上鑲嵌帶互鎖錐面結(jié)構(gòu)的耐磨片，防止動(dòng)、定模相互間位置產(chǎn)生錯(cuò)位損壞鑲件，保證模具開合模過程中的定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；在模具上下模板上都設(shè)計(jì)有定位圈，在對(duì)射式注塑機(jī)的背板上通常設(shè)置有定位槽，定位槽與注塑機(jī)定位圈孔保持同心，模具上對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)定位柱，從而實(shí)現(xiàn)每副模具3點(diǎn)精確定位來保證水平旋轉(zhuǎn)后的定位精度[10]。

3 模具工作過程及生產(chǎn)驗(yàn)證

本文中雙色注塑共設(shè)計(jì)兩副模具，一副模具為成型內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的硬膠模具，另一副模具為在內(nèi)部結(jié)構(gòu)件表面成型包覆外表面的軟膠模具，硬膠模具和軟膠模具均由一只定模與一只動(dòng)模組成，兩幅模具定模結(jié)構(gòu)不同，動(dòng)模結(jié)構(gòu)完全相同，兩副模具在對(duì)射式注塑機(jī)上的布置如圖9所示。

1—軟膠定模 2—旋轉(zhuǎn)動(dòng)模(2) 3—水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)4—旋轉(zhuǎn)動(dòng)模(1) 5—硬膠定模 6—注塑機(jī)圖9 模具結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Mould structure

模具注塑機(jī)上安裝完畢首次合模后，硬膠材料ABS通過硬膠定模5上的熱流道點(diǎn)澆口注射入硬膠模具中，完成產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)硬膠材料的注射，此時(shí)軟膠模具也不進(jìn)行注射，硬膠模具分型面打開，硬膠模具側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)由于斜導(dǎo)柱缺口的存在不參與開模動(dòng)作，旋轉(zhuǎn)動(dòng)模(1)上的頂出系統(tǒng)和斜頂結(jié)構(gòu)也不執(zhí)行頂出動(dòng)作，硬膠產(chǎn)品在卡扣和各種安裝孔的作用下留在旋轉(zhuǎn)動(dòng)模(1)上，開模運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，在對(duì)射式注塑機(jī)6中間位置水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)3的作用下，旋轉(zhuǎn)動(dòng)模(1)和旋轉(zhuǎn)動(dòng)模(2)水平旋轉(zhuǎn)180 °后合模進(jìn)行第二次注射，此時(shí)旋轉(zhuǎn)動(dòng)模(2)和硬膠定模合模，模具中繼續(xù)注射ABS完成產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)硬膠材料的注射，為后續(xù)連續(xù)注塑生產(chǎn)做準(zhǔn)備。旋轉(zhuǎn)動(dòng)模(1)和軟膠定模合模，軟膠材料TPO通過軟膠定模1上的熱流道香蕉澆口注入軟膠模具中，完成產(chǎn)品軟膠TPO材料的注射，軟膠材料牢固包覆在內(nèi)部硬膠材料上，2種材料融為一體完成汽車擋風(fēng)玻璃裝飾條產(chǎn)品的注塑，經(jīng)過保壓冷卻過程后軟膠模具分型面打開，軟膠模具側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)的斜導(dǎo)柱上沒有缺口，在開模動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)下完成側(cè)抽芯開模動(dòng)作，旋轉(zhuǎn)動(dòng)模(1)上的頂出系統(tǒng)和斜頂結(jié)構(gòu)在下模板上安裝的液壓缸的作用下執(zhí)行頂出動(dòng)作，最終產(chǎn)品被頂出，后續(xù)兩副模具分別重復(fù)此注射工作過程完成連續(xù)注塑生產(chǎn)。模具的試模生產(chǎn)過程及完成產(chǎn)品實(shí)物圖如圖10所示。

圖10 模具生產(chǎn)過程及產(chǎn)品實(shí)物圖Fig.10 Mould production process and product

4 結(jié)論

(1)本產(chǎn)品模具采用水平對(duì)射注塑機(jī)，一出二左右對(duì)稱同時(shí)得到一副汽車擋風(fēng)玻璃裝飾條，而且產(chǎn)品在同一模具里面得到，工藝參數(shù)相同，對(duì)稱產(chǎn)品的物料穩(wěn)定性就大大提高，兩幅產(chǎn)品的質(zhì)量誤差可以控制在2 g以內(nèi)，能滿足客戶更高的工藝要求；

(2)本產(chǎn)品模具采用水平轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，相較于垂直轉(zhuǎn)盤，在相同拉桿內(nèi)間距下，模具使用范圍更大，水平轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)解決了垂直轉(zhuǎn)盤因模具自重而產(chǎn)生傾斜磨耗導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)不順等問題，保證模具開合模過程中的定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；

(3)本模具設(shè)計(jì)了一種斜楔彈簧側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，依靠斜導(dǎo)柱上的缺口來實(shí)現(xiàn)硬膠注射時(shí)不進(jìn)行側(cè)向抽芯，軟膠注射完成后進(jìn)行側(cè)向抽芯動(dòng)作，從而保證產(chǎn)品尺寸精度。