褚建忠

（臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院，浙江臺(tái)州 318020）

1 引言

現(xiàn)代轎車的儀表板作為轎車必備的功能部件，在設(shè)計(jì)時(shí)除滿足其總成安裝結(jié)構(gòu)外，還追求其美觀，特別是作為轎車內(nèi)飾的標(biāo)志性零件，更不允許有熔接痕的可視面，同時(shí)具有輪廓分明并且超薄型顯著特征的帽沿，與各種高精密的電子儀表、開關(guān)、控制器等精確配套年孔位等等[1～5]。

目前國(guó)外生產(chǎn)的儀表板90%是高端產(chǎn)品，即指技術(shù)含量高、塑件功能全面、精度高等綜合性的塑件，特別是對(duì)超薄深型腔的塑件有著獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：包括各種設(shè)計(jì)方案、加工工藝、材料選擇以及配模經(jīng)驗(yàn)等都十分成熟，但模具生產(chǎn)的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出國(guó)內(nèi)生產(chǎn)成本的3～5倍以上，同時(shí)生產(chǎn)周期也比國(guó)內(nèi)更長(zhǎng)[6～8]。

為了促進(jìn)進(jìn)口取代，本項(xiàng)目開發(fā)的大型超薄深型腔儀表板模具是在傳統(tǒng)注射模的基礎(chǔ)上對(duì)新概念塑件模塑化的嘗試，主要是利用對(duì)熱流道系統(tǒng)的控制手段以及澆口的分布來進(jìn)行弱化澆注的熔接痕，以達(dá)到無痕的效果；同時(shí)在機(jī)械結(jié)構(gòu)集成的指導(dǎo)思想下將多級(jí)抽芯轉(zhuǎn)化成一次抽芯來完成，減少了模具機(jī)構(gòu)的工作工序；另一方面，在型腔深處采用獨(dú)特的熱處理技術(shù)，消除了尖銳部分在加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，有效消除了材料因應(yīng)力集中而開裂的可能，并且在帽沿處采用內(nèi)部設(shè)置優(yōu)良的導(dǎo)熱部件，并輔以化學(xué)導(dǎo)熱介質(zhì)，建立獨(dú)立的冷卻循環(huán)，使模具在高頻工作過程中始終保持均衡的模具溫度。

2 塑件分析

由于儀表板是轎車的儀表總成的主要部件，兼?zhèn)溲b配、裝飾、安全等諸多用途，也就造成其碰穿孔位繁多，尺寸、位置要求精度高，外形彎曲多變，要求符合人體工程學(xué)原理，經(jīng)分析，該儀表板（見圖1）存在下列問題：

圖1 儀表板結(jié)構(gòu)

（1）儀表板超過80%的面積暴露在視覺范圍內(nèi)，需要通過澆注點(diǎn)位的設(shè)計(jì)以及澆注工藝的確定，達(dá)到澆注熔接線不可見或不外露的視覺效果。

（2）儀表板帽沿處最薄只有5mm，如圖2所示，而澆注壓力通常達(dá)到80～90MPa左右，溫度在230℃左右，因此需要在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用相應(yīng)的改善措施來保證強(qiáng)度的需求，并解決此處模具溫度與其他部位的溫度差在澆注工藝要求范圍內(nèi)。

圖2 超薄超高帽沿結(jié)構(gòu)

（3）儀表板骨位繁多，成型后對(duì)模具的包緊非常大，局部需要分兩次甚至多次脫模才能解決包緊力的問題，來保證塑件的質(zhì)量，但同時(shí)又會(huì)使模具結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，生產(chǎn)效率更低，并且增加成本，因此需要研究一種側(cè)向頂出脫模的機(jī)構(gòu)來簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，以節(jié)約成本，提高工作效率。

（4）儀表板模具屬于大型注射模，大多數(shù)材料都存在材料回彈等情況，由此，會(huì)導(dǎo)致模具頂出不平衡、精度差等問題，因此，需要研究一種適用于大型注射模的生產(chǎn)工藝與方法，來解決材料回彈的負(fù)面影響。

3 注射模創(chuàng)新設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目對(duì)傳統(tǒng)的儀表板模具設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了創(chuàng)新，在注射模鎖模、熔接痕控制技術(shù)、多向運(yùn)動(dòng)同步機(jī)構(gòu)等方面都有相應(yīng)的創(chuàng)新，使設(shè)計(jì)更加合理。

3.1 新型鎖模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

儀表板注射模型腔的分型面形狀曲面較多，而且高度相差很大，因此在注射成型過程中注射壓力對(duì)模具各處的壓力也產(chǎn)生不同程度的影響，這種影響導(dǎo)致了模具成型零部件各處的壓力出現(xiàn)不平衡分布，影響了模具的成型質(zhì)量和壽命。為了消除這種影響，在模具側(cè)面部分分別設(shè)計(jì)了鎖模面，對(duì)模具進(jìn)行整體加強(qiáng)，平衡鎖模壓力。

合理的鎖模設(shè)計(jì)應(yīng)該能將注射壓力進(jìn)行合理的分散，保證模具在注射工程中的受力平衡，從而避免模具成型零件在成型過程中產(chǎn)生不必要的變形。

由于模具在注射過程中受力非常復(fù)雜，通過UGNX有限元分析模塊對(duì)模具進(jìn)行受力分析，可以看出在注塑機(jī)注射壓力的施加下，模具型腔的受力情況出現(xiàn)不規(guī)則的分布，如果采用傳統(tǒng)的單斜面鎖模設(shè)計(jì)，則不能有效地抗衡注塑機(jī)對(duì)模具各處的壓力影響。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的鎖模面對(duì)傳統(tǒng)的鎖模設(shè)計(jì)進(jìn)行了創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了間隔式鎖模面，如圖3所示。間隔式鎖模面根據(jù)儀表板的曲面形狀進(jìn)行分布，通過有限元分析后結(jié)果表明，在同等條件下，相比傳統(tǒng)的單斜面鎖模設(shè)計(jì)，間隔式鎖模方案能有效地縮小模具的變形量（60%以上），因此能有效地提高模具的使用壽命。

圖3 間隔式鎖模與單斜面鎖模的變形量對(duì)比

3.2 多點(diǎn)順序閥熱流道澆注系統(tǒng)與模具局部控溫技術(shù)

儀表板塑件的主要特征是體積大（超過1,500×800×600mm），碰穿孔位多，面形復(fù)雜多變，呈不規(guī)則狀。外表面要求不能出現(xiàn)明顯的熔接痕、明顯的色差，同時(shí)有眾多的電子元器件需安裝在儀表板上，要求不能有過大的變形。由于塑料流長(zhǎng)的限制，本項(xiàng)目的儀表板模具必須設(shè)置多澆口。這樣模具型腔內(nèi)就存在多股塑料料流，在塑件遠(yuǎn)離澆口的位置熔料溫度比較低，就有可能產(chǎn)生熔接痕，并且在此情況下模具溫度又難以保持均衡，造成塑件收縮不平衡，塑件翹曲也就隨之發(fā)生，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致塑件報(bào)廢，影響生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。

針對(duì)此種情況，通常需要在模具上通過控制澆口開放的時(shí)間來調(diào)整料流匯合的夾角（達(dá)到120°以上），但針閥式熱流道系統(tǒng)只能控制其在某一時(shí)間開放某個(gè)熱噴嘴進(jìn)行注射成型，所以單一依靠熱流道系統(tǒng)不能完全控制熔料的流向及料流的前沿溫度，因此也不能將熔接痕消除或是調(diào)整到非可視區(qū)。

熔接痕的出現(xiàn)主要影響因素是澆口的數(shù)量、塑料熔體的匯合角度、熔體的前鋒溫度、模具溫度。熔接痕的出現(xiàn)會(huì)對(duì)塑件的熔接強(qiáng)度造成不良影響。因此，在設(shè)計(jì)順序閥熱流道系統(tǒng)時(shí)必須要設(shè)計(jì)正確的澆口開放時(shí)間，確保通過合理的設(shè)置順序閥的開閉時(shí)間，對(duì)熔料流動(dòng)進(jìn)行有效的控制，進(jìn)而消除熔接痕或者轉(zhuǎn)移到非可視面，如圖4所示。

圖4 定時(shí)開放噴嘴與流道設(shè)置

其次，經(jīng)過計(jì)算機(jī)模擬分析發(fā)現(xiàn)儀表板熔料的最后匯合點(diǎn)集中在塑件的邊緣部分，由于匯合點(diǎn)的料溫比較低，剪切速率也比較低，將嚴(yán)重影響塑件的熔接強(qiáng)度。因此，必須要借助于外部熱量來進(jìn)行局部加熱，故在這些匯合點(diǎn)設(shè)計(jì)了局部加熱裝置來提高熔料的溫度，增強(qiáng)熔接強(qiáng)度，如圖5所示。

圖5 模具上加熱區(qū)域設(shè)置

通過試模結(jié)果表明：在模具局部進(jìn)行加溫設(shè)計(jì)，提高局部的模溫，塑料熔料在匯合點(diǎn)的融合情況得到了有效改善，匯合點(diǎn)的熔接強(qiáng)度得到了提升，熔接痕幾乎消失。

通過對(duì)澆注系統(tǒng)的模擬分析，確定了型腔帽沿處需采用側(cè)切向進(jìn)料既能滿足塑料流長(zhǎng)比的理論要求，又能通過避免料流正向沖擊模具型腔來解決帽沿處強(qiáng)度不足的隱患；而氣囊處采用臨近雙澆口的方案，既增大了注射量，又通過料流夾角的控制避免了熔接痕的產(chǎn)生，最終確定了澆注方案，并按模流分析的設(shè)計(jì)進(jìn)行了熱流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造，如圖6所示。

圖6 熱流道系統(tǒng)

3.3 快速冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于模具上有多點(diǎn)順序閥澆注口，又有局部加熱系統(tǒng)，因此對(duì)模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)又提出了較高的要求，一方面需要根據(jù)模具溫度分布的特點(diǎn)，確定是否需要設(shè)計(jì)獨(dú)立的冷卻回路，并通過調(diào)節(jié)進(jìn)水的流量，測(cè)量進(jìn)出水溫，來避免模具溫度過高或是過低；另一方面，水路的流向亦會(huì)影響塑件的尺寸精度，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須按塑料收縮的方向進(jìn)行設(shè)計(jì)，否則塑件成型后翹曲就會(huì)十分明顯，也就不能有效精確達(dá)到塑件的尺寸精度要求。

儀表板塑件的帽沿處的壁厚很薄，本項(xiàng)目塑件尤為突出，帽沿最薄的壁厚只有4mm。如果采用傳統(tǒng)的冷卻方式：直通式、隔板式、噴泉式等，都無法設(shè)計(jì)在如此薄的模具鋼內(nèi)部，也就無法保證冷卻效果。因此需要設(shè)計(jì)獨(dú)特的冷卻系統(tǒng)，既能保證不影響儀表板帽沿處的模具強(qiáng)度，又能充分地吸收熔料產(chǎn)生的熱量。因此本項(xiàng)目對(duì)帽沿處設(shè)計(jì)了專門的冷卻系統(tǒng)，如圖7所示。該冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程如下：在儀表板帽沿型芯內(nèi)部沿著塑件斜面設(shè)計(jì)直徑?2mm的冷卻水道，塞入鈹銅棒，鈹銅棒的下端連結(jié)循環(huán)冷卻水，利用鈹銅良好的熱傳導(dǎo)性能，快速地將帽沿處的熱量傳導(dǎo)到模具下面的循環(huán)冷卻水；同時(shí)在模具鋼與鈹銅棒之間充入化學(xué)冷卻介質(zhì)，增強(qiáng)熱傳遞效率。由于鈹銅棒側(cè)的冷卻水道直徑很小，不會(huì)影響帽沿處的模具鋼強(qiáng)度，也不會(huì)影響注射壓力對(duì)該處的強(qiáng)度影響。這種冷卻技術(shù)既能有效地消除模具局部集中的熱量又不影響模具的強(qiáng)度。

圖7 快速冷卻系統(tǒng)

3.4 柔性抽芯頂料同步機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)塑件進(jìn)料的需求，在塑件側(cè)面有一潛伏式澆口料柄，該潛伏式澆口與流道都設(shè)計(jì)在滑塊內(nèi)部，在滑塊運(yùn)動(dòng)的同時(shí)可以自動(dòng)拉斷澆口，但是流道依舊殘留在滑塊內(nèi)，如果不做專門的頂料處理無疑會(huì)影響模具的自動(dòng)化程度，增加塑件的后加工工作量，加大塑件的成型周期。

因此本項(xiàng)目針對(duì)這一問題設(shè)計(jì)了柔性抽芯頂料同步機(jī)構(gòu)，如圖8所示。結(jié)構(gòu)如下：在滑塊內(nèi)部流道下面設(shè)計(jì)了頂桿，頂桿前端套上復(fù)位彈簧，頂桿下端設(shè)計(jì)了導(dǎo)套進(jìn)行運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向，并與底座導(dǎo)滑斜面接觸。頂桿的頂出長(zhǎng)度根據(jù)潛伏式澆口的長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)模具成型后，滑塊開始向模具外側(cè)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)了頂桿向外運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)頂桿也沿著底座的斜面進(jìn)行向上的頂出子運(yùn)動(dòng)，從而自動(dòng)頂出潛伏式澆口與流道冷料。滑塊復(fù)位時(shí)，滑塊內(nèi)部的頂桿在復(fù)位彈簧的作用下進(jìn)行向下的回退運(yùn)動(dòng)，從而回復(fù)到初始狀態(tài)。

圖8 柔性嵌件抽芯機(jī)構(gòu)

該柔性抽芯頂料同步機(jī)構(gòu)成功地實(shí)現(xiàn)了滑塊運(yùn)動(dòng)與冷料頂出運(yùn)動(dòng)同步的功能，即簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)又減少了設(shè)計(jì)冷料頂出的專門機(jī)構(gòu)。

4 結(jié)論

通過在模具結(jié)構(gòu)方面一系列的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目開發(fā)的大型儀表板注射模經(jīng)過裝配、試模獲得了成功。注射模結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 模具整體圖a——主視圖 b——側(cè)視圖 c——?jiǎng)幽８┮晥D

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為：

（1）對(duì)塑件在注射過程的受力的情況進(jìn)行了有限元分析，對(duì)傳統(tǒng)的大型模具鎖模進(jìn)行了改良，設(shè)計(jì)了間隔式鎖模，并圍繞塑件形狀進(jìn)行分布，分析結(jié)果表明間隔式鎖模設(shè)計(jì)能夠有效地抵抗注射壓力，消除模具內(nèi)部壓力不平衡的情況，從而能有效延長(zhǎng)模具的使用壽命。

（2）使用順序閥熱流道對(duì)模具各個(gè)澆口的開放時(shí)間進(jìn)行控制，能夠有效地消除塑件上的熔接痕或轉(zhuǎn)移熔接痕；在模具局部進(jìn)行加溫，提高模具溫度，能有效地提高注射過程中塑料熔料的溫度，從而提高多股熔料的結(jié)合強(qiáng)度。這兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合使用能夠有效消除儀表板表面上的熔接痕，提高塑件強(qiáng)度。

（3）柔性抽芯頂料同步機(jī)構(gòu)能將滑塊運(yùn)動(dòng)與冷料頂出運(yùn)動(dòng)有效地組合，實(shí)現(xiàn)了合二為一，簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)又能有效地實(shí)現(xiàn)多向運(yùn)動(dòng)，提高了模具機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。