毛江峰

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興 312000)

汽車空調(diào)出風(fēng)口塑件是汽車空調(diào)系統(tǒng)的一種重要零件，特別是對于儀表臺上左右兩側(cè)和中間位置布置的4個出風(fēng)口，其出風(fēng)效果及可操作性深刻影響到消費者的使用體驗感。因而，此種塑件在4個方面應(yīng)引起塑件設(shè)計者重視：第一是安裝牢固性，第二是拆卸方便性，第三是風(fēng)口內(nèi)置裝置的多功能可調(diào)性，第四是能為使用者后續(xù)提供可改裝和加裝空間。出風(fēng)口塑件形狀及較多的內(nèi)外壁附加特征是此種塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要特點，隨著塑件結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，對注塑工藝中模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來很大的挑戰(zhàn)，需要模具設(shè)計工程師從澆注、成型件設(shè)計、冷卻方式、脫模機(jī)構(gòu)及模具整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面做更多的綜合和優(yōu)化考慮，以最優(yōu)化的技術(shù)因素將模具投入生產(chǎn)，增加模具制造企業(yè)在市場資源競爭中的優(yōu)勢[1–4]。筆者結(jié)合某新款汽車儀表臺出風(fēng)口塑件的模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要求，設(shè)計了一副假三板注塑模具，能為模具企業(yè)設(shè)計實踐提供有益借鑒。

1 空調(diào)出風(fēng)口塑件

某新款汽車空調(diào)出風(fēng)口塑件的結(jié)構(gòu)形狀如圖1所示，塑件結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成，以DL平面為界，分成兩部分，一部分為水平矩形口部分，另一部分為斜喇叭口部分。水平矩形口部分用于與汽車儀表臺內(nèi)空調(diào)管道的插接，斜喇叭口部分用于塑件在儀表臺上的扣接安裝。斜喇叭口外壁上所設(shè)置的特征主要用于出風(fēng)口本身在儀表臺上的插接安裝，內(nèi)壁上所設(shè)置的特征主要用于調(diào)節(jié)風(fēng)葉的安裝。塑件材料的選擇依據(jù)汽車的配置有所不同，高檔配置使用聚碳酸酯(PC)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)合金，中檔配置使用ABS，低檔配置使用30%滑石粉改性的聚丙烯塑料。針對不同的配置，模具結(jié)構(gòu)使用同種結(jié)構(gòu)。本例中，材料使用高配的PC/ABS合金，材料的收縮率為0.54%～0.59%。塑件的包裝尺寸為107 mm×56 mm×129 mm，其整體結(jié)構(gòu)尺寸不大，在注塑模具設(shè)計分類中，屬于中小型塑件注塑模具[5–8]。

圖1 空調(diào)出風(fēng)口塑件

2 模具設(shè)計方案

鑒于各壁上所設(shè)置的附加特征各不相同的緣故，在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時，須首先對各面進(jìn)行標(biāo)識區(qū)分后，再針對各壁上的特征進(jìn)行有針對性的機(jī)構(gòu)設(shè)計，這樣能有效簡化模具結(jié)構(gòu)，同時也能化繁就簡，降低模具結(jié)構(gòu)設(shè)計難度。因而，對塑件的結(jié)構(gòu)構(gòu)成作以下區(qū)分：結(jié)合圖1，針對塑件的外壁，將塑件外壁劃分為頂壁、底壁、前端口、后端口、左側(cè)壁、右側(cè)壁6個分區(qū)；內(nèi)壁則直接劃分為水平矩形口內(nèi)壁和斜喇叭口內(nèi)壁2個分區(qū)。按此劃分后，再進(jìn)行有針對性的成型件設(shè)計和脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)置，這樣能非常有效地降低塑件的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜程度。經(jīng)綜合調(diào)整后，此塑件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度在于塑件外壁各附加特征的脫模和斜喇叭口內(nèi)壁的脫模。

2.1 模腔布置

結(jié)合前述設(shè)計難度，較優(yōu)的模腔布局及分型設(shè)置如圖2a所示，以塑件水平矩形口部分的平躺布置作為塑件模腔的基準(zhǔn)布置，模具按開模方向K打開，這種布置有以下優(yōu)點：第一，便于采用直接澆口對模腔進(jìn)行澆注，第二，能有效簡化塑件外壁各附加特征和斜喇叭口內(nèi)壁的脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計。模腔布置中，若使用水平矩形口部分的站立式布置為塑件模腔的基準(zhǔn)布置，則無法開設(shè)模腔澆口，內(nèi)、外壁的脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計也變得復(fù)雜；若使用斜喇叭口部分作平躺布置，要增加脫模機(jī)構(gòu)；若使用斜喇叭口部分作站立式布置，澆口也無法開設(shè)，且脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計難度大。因此，模腔布置的最優(yōu)方案為采用圖2a所示的水平矩形口部分的平躺布置，在此布局布置下，鑒于塑件四周需要進(jìn)行側(cè)向脫模的緣故，模腔在開模方向K上的分型使用上分型面PS和下分型面PX進(jìn)行分型。由上分型面PS分型而獲得塑件的頂壁成型件，由下分型面PX分型而獲得塑件的底壁成型件，如圖2b所示。其余部分則須結(jié)合塑件分區(qū)上特征的具體脫模方向要求再進(jìn)行局部成型件的分型設(shè)置。

圖2 模具基本設(shè)計方案

2.2 澆注布置

如圖2a所示，塑件的澆注擬采用單點直接澆口G進(jìn)行澆注，這樣設(shè)置雖有塑件出模后須手工剪切主澆道廢料的工序，但能最大限度保證澆注系統(tǒng)流道最短，最大程度保證模腔充填的飽滿性，也有利于為提高塑件成型品質(zhì)而實施的保壓工藝。相比于采用多點點澆口澆注方案，直接澆注對模具模架的使用要求低，流道加工量少，模具制造成本更為低廉；相比于使用熱流道澆注方案，可以避免使用昂貴的熱流道嘴，并且熱嘴在生產(chǎn)過程中維護(hù)較為復(fù)雜，維護(hù)成本高，不適用熱流道澆注方案的另一個原因是塑件中有一處特征需要進(jìn)行定模先抽芯，定模板與定模座板需要打開，若采用熱流道則會影響熱流道嘴工作的穩(wěn)定性[9–12]。

2.3 冷卻布置

由于塑件的形狀和結(jié)構(gòu)都相對較為復(fù)雜，塑件的各處壁厚很難做到均勻，塑件的最大壁厚3.6 mm，最小壁厚2.2 mm，顯然，加強(qiáng)模腔的冷卻，使塑件的各部位溫度在模腔中冷卻時能保持基本一致是保證塑件最終成型后尺寸穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。因而，針對模腔的冷卻，如圖2c所示，優(yōu)化為使用W1～W5五條水路進(jìn)行冷卻，各水路的基本管徑為?10 mm。針對頂壁成型件，塑件頂壁散發(fā)的熱量相對較少，故使用一般的“回”形水路W1即可滿足冷卻要求，而對于底壁成型件，其吸收的熱量相對較多，故須采用冷卻增強(qiáng)手段，該成型件的水路W2上使用7個冷卻水井來增強(qiáng)冷卻，7個冷卻水井之間使用等效截面積相同的6個過水槽連通，7個冷卻水井外圍使用整條密封圈進(jìn)行整體密封。塑件內(nèi)壁使用W4，W5進(jìn)行冷卻，左右側(cè)壁中，鑒于設(shè)計空間限制，只對左側(cè)壁使用水路W3進(jìn)行冷卻。

3 局部分型與脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計

針對塑件的脫模，在前述開模方向K向上所確定的頂壁成型件、底壁成型件的基礎(chǔ)上，還需結(jié)合塑件外壁、內(nèi)部局部區(qū)域上的附加特征的脫模方向來進(jìn)行局部分型，以獲得局部成型件，并針對局部成型件設(shè)置對應(yīng)的抽芯驅(qū)動機(jī)構(gòu)，這是本模具能否實現(xiàn)自動化注塑生產(chǎn)的關(guān)鍵所在[13–14]。

3.1 右側(cè)壁局部分型與成型件設(shè)計

右側(cè)壁分型設(shè)計如圖3所示。圖3a為右側(cè)壁上的附加特征分布，該側(cè)壁上，位于塑件斜喇叭口部分外壁上附加的特征有：矩形槽、內(nèi)孔a、外孔c、外孔d、外孔e各1個；矩形槽外側(cè)壁上的特征有：外孔b、卡槽筋及“A”字筋各1個；位于水平矩形口部分外壁附加的特征有：1個外孔f。上述特征中，外孔f、矩形槽的脫模方向與其它特征的脫模方向不一致，須單獨設(shè)置成型件進(jìn)行側(cè)抽芯脫模，其余各特征的脫模方向可匯總為同外孔b的脫模方向相同，外孔b的脫模方向為沿其孔中心線方向。外孔b與內(nèi)孔a為同軸孔，且內(nèi)孔a直徑小于外孔b直徑，故內(nèi)孔a和外孔b為同軸脫模。進(jìn)而，該右側(cè)壁的成型件可優(yōu)化設(shè)計為：如圖3b所示，內(nèi)孔a、外孔b優(yōu)先設(shè)置使用同一成型件肩臺式圓柱鑲件I成型；外孔c、外孔d、外孔e使用3個直桿圓柱鑲件成型(圓柱鑲件II～圓柱鑲件IV)；卡槽筋、“A”字筋使用1個右側(cè)壁斜滑塊直接成型。圓柱鑲件I～圓柱鑲件IV鑲裝在右側(cè)壁斜滑塊上。考慮到使用滑塊對外孔f進(jìn)行側(cè)抽芯脫模時，滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計空間受到右側(cè)壁斜滑塊的限制，故外孔f的成型件使用1個斜頂進(jìn)行成型和脫模。矩形槽的脫模方向與后端口的脫模方向一致，故其成型件——槽鑲件的抽芯方向設(shè)置為與斜喇叭口內(nèi)壁的成型件抽芯方向相同，但其抽芯時，應(yīng)先將圓柱鑲件I先抽出。

圖3 右側(cè)壁分型設(shè)計

3.2 后端口局部分型與成型件設(shè)計

后端口分型設(shè)計如圖4所示。圖4a為后端口的附加特征，其主要分布在后端口附近的上頂壁和下底壁上。上頂壁上的特征有：1個上斜板、2個上掛鉤、8個上壁孔h；上斜板上設(shè)置有1個斜板孔i。下底壁上的特征有：1個下斜板、2個下掛鉤、9個下壁孔g；下斜板上設(shè)置有1個斜板孔i′。上述附加特征中，斜板孔i′、斜板孔i、8個上壁孔h、9個下壁孔g的脫模方向與后端口的脫模方向不一致，其余附加特征的脫模方向與斜喇叭口部分的內(nèi)壁脫模方向一致，因而，在優(yōu)先設(shè)置斜喇叭口部分內(nèi)壁的脫模方向基礎(chǔ)上，后端口附近附加特征的成型與脫模作以下安排：如圖4b所示，斜喇叭口部分內(nèi)壁使用斜喇叭口內(nèi)壁鑲件進(jìn)行成型，后端口外壁使用后端口外壁斜滑塊進(jìn)行成型，斜喇叭口內(nèi)壁鑲件鑲裝在后端口外壁斜滑塊上；2個上掛鉤使用2個上掛鉤鑲件、2個下掛鉤使用1個下掛鉤鑲件進(jìn)行成型，此3個掛鉤鑲件也鑲裝在后端口外壁斜滑塊上；圖3b中所示的槽鑲件也鑲裝在后端口外壁斜滑塊上，以上5個鑲件都由后端口外壁斜滑塊帶動實施斜抽芯脫模。8個上壁孔h的成型件為8個圓柱鑲件V，鑲裝在圖2b中所示的頂壁成型件中；9個下壁孔g的成型件為9個圓柱鑲件，鑲裝在圖2b中所示的底壁成型件中。鑒于斜板孔i的脫模需要，需要設(shè)置上斜板斜頂對上斜板進(jìn)行成型和斜抽芯脫模，鑒于斜板孔i′的脫模需要，需要設(shè)置下斜板斜頂對下斜板進(jìn)行成型和斜抽芯脫模。

圖4 后端口分型設(shè)計

3.3 左側(cè)壁局部分型與成型件設(shè)計

左側(cè)壁分型設(shè)計如圖5所示。圖5a為左側(cè)壁附加特征，該側(cè)壁位于塑件斜喇叭口部分外壁上的附加特征有1個“A”字筋、1處插槽筋、3個外孔(m，k，j)，位于塑件水平矩形口部分外壁上附加的特征有1個外孔n。3個外孔(m，k，j)和外孔n的脫模方向相同，且“A”字筋、插槽筋也與4個孔脫模方向相同，故而使用1個左側(cè)壁滑塊即可滿足這些特征的成型與脫模，如圖5b所示。為了降低成型件的加工難度，3個外孔(m，k，j)的成型件使用圓柱鑲件VI～VIII進(jìn)行成型。

圖5 左側(cè)壁分型設(shè)計

3.4 前端口局部分型與成型件設(shè)計

前端口的成型件設(shè)計相對較為簡單，直接使用圖5b中所示的水平矩形口內(nèi)壁滑塊進(jìn)行成型和抽芯脫模。

3.5 底壁成型設(shè)計

結(jié)合圖2b所示，底壁使用底壁成型件進(jìn)行成型，但是，如圖6所示，下底壁上還有一個下斜板特征及其上的斜板孔q子特征。當(dāng)塑件由頂桿頂出完全脫模時，該處特征會在頂出方向下形成倒扣，此倒扣可以使用斜滑塊機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行成型和脫模，但滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)置使頂桿的布置受限制，塑件無法實現(xiàn)平衡頂出，因而，較為優(yōu)化的方式是使用下斜板斜頂對其進(jìn)行成型和頂出脫模。右側(cè)壁上的外孔f也需要使用外孔f斜頂實施側(cè)抽芯脫模。

圖6 斜頂成型件

4 模具機(jī)構(gòu)布置及工作原理

4.1 模具機(jī)構(gòu)布置

綜合圖2～圖6，為實現(xiàn)塑件的成型與自動化生產(chǎn)，模具的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：

①模腔使用單點直接澆口進(jìn)行澆注。

②頂壁、底壁使用兩個成型件完成大部分特征的成型。

③四個側(cè)面需要使用1個右側(cè)壁斜滑塊、1個后端口外壁斜滑塊、1個左側(cè)壁滑塊、1個水平矩形口內(nèi)壁滑塊、1個上斜板斜頂、1個外孔f斜頂及1下斜板斜頂共7個脫模機(jī)構(gòu)進(jìn)行成型和抽芯脫模。

④塑件的完全脫模使用頂桿進(jìn)行頂出脫模，7個脫模機(jī)構(gòu)中，除上斜板斜頂位于定模一側(cè)外，其余6個機(jī)構(gòu)皆可設(shè)置在動模一側(cè)。因而，模具可優(yōu)化采用兩板模架結(jié)構(gòu)來承載7個脫模機(jī)構(gòu)并保證機(jī)構(gòu)的功能得到實現(xiàn)。但是，要實現(xiàn)上斜板斜頂機(jī)構(gòu)在定模一側(cè)的頂出動作，兩板模架定模一側(cè)必須增加一次開模打開。機(jī)構(gòu)兩板模具中的布置如圖7所示。

圖7 機(jī)構(gòu)在模具中的安裝

脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計中，如圖7a所示，水平矩形口內(nèi)壁滑塊5使用斜導(dǎo)柱驅(qū)動，后端口外壁斜滑塊13使用第一油缸12驅(qū)動；上斜板斜頂15由緊固安裝于定模座板3上的T型驅(qū)動塊16在開模面P1面打開時驅(qū)動實施斜抽芯；下斜板斜頂7、外孔f斜頂8通過推板9進(jìn)行頂出而實施斜抽芯，下斜板斜頂7、外孔f斜頂8優(yōu)化使用“萬能斜頂”結(jié)構(gòu)形式以縮減對模架的尺寸使用要求；左側(cè)壁滑塊19使用簡化型斜導(dǎo)柱滑塊結(jié)構(gòu)；右側(cè)壁斜滑塊20使用第二油缸21實施抽芯驅(qū)動，如圖7b所示。結(jié)合圖3，右側(cè)壁斜滑塊20與后端口外壁斜滑塊13有運動干涉，油缸抽芯時，第二油缸21必須先動作，然后第一油缸12才能動作，模腔閉合時，動作順序相反。

內(nèi)壁成型件中，水平矩形口內(nèi)壁滑塊5與斜喇叭口內(nèi)壁鑲件14的配合部位須設(shè)置相互定位錐臺進(jìn)行定位，如圖7中M部分所示，以保證模具閉合時，兩者之間不會產(chǎn)生錯位，否則將導(dǎo)致塑件成型失敗。

4.2 模具工作原理

模具外形及工作原理示意圖如圖8所示。圖8a為模具的整體外觀形狀，模具在注塑機(jī)上注塑工作時，模架打開以驅(qū)動脫模機(jī)構(gòu)順序工作的原理示意圖如圖8b所示。首先，模具打開時，由彈簧24推開P1面，以保證T型驅(qū)動塊16先驅(qū)動上斜板斜頂15，P1面打開距離D1由墊環(huán)22控制，可做活動調(diào)節(jié)；其次，模具在P2面處打開，水平矩形口內(nèi)壁滑塊5、左側(cè)壁滑塊19由各自對應(yīng)的斜導(dǎo)柱驅(qū)動實施側(cè)抽芯；再次，第二油缸21驅(qū)動右側(cè)壁斜滑塊20先完成抽芯后，第一油缸12驅(qū)動后端口外壁斜滑塊13完成抽芯動作；最后，由注塑機(jī)頂桿推動推板9頂出，推板9推動其上的斜頂座28，29推動外孔f斜頂8、下斜板斜頂7及頂桿頂出，實現(xiàn)塑件的完全脫模。模具復(fù)位時，由復(fù)位彈簧31推動推板9先復(fù)位，其余動作過程與開模過程相反。模具的打開動作中，定模板4和動模板11的運動導(dǎo)向由帶肩導(dǎo)柱25及配套的定模導(dǎo)套26、動模導(dǎo)套27進(jìn)行導(dǎo)向。

圖8 模具外形及工作原理示意圖

5 結(jié)語

(1)針對出風(fēng)口塑件的結(jié)構(gòu)形狀，采用整體分型和局部分型相結(jié)合的辦法對塑件模腔進(jìn)行分型，獲得2個主體成型件和7個側(cè)面抽芯成型件，使模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計得到簡化和優(yōu)化。

(2)模具結(jié)構(gòu)使用1模1腔布局，單點直接澆口澆注，模架使用兩板模結(jié)構(gòu)，模具的打開改進(jìn)為2次開模打開。

(3)脫模機(jī)構(gòu)包括1個定模斜頂機(jī)構(gòu)、2個動模斜頂機(jī)構(gòu)、2個斜導(dǎo)柱驅(qū)動滑塊機(jī)構(gòu)、2個油缸驅(qū)動斜滑塊機(jī)構(gòu)。塑件的最終脫模使用頂桿頂出脫模。