劉安林，王雷剛

(1. 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空材料工程學(xué)院，陜西 西安 710089；2. 江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

汽車燈具在汽車行車途中起著不可或缺的作用[1]。汽車尾燈后殼屬于燈具的一部分，起著支撐和固定燈體的作用。為了增強自身的強度與剛度，在后殼上設(shè)計了很多加強筋。為了滿足裝配工藝性，還設(shè)計了許多形狀各異的卡扣，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。這不僅使模具結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，也給制造和裝配帶來了挑戰(zhàn)。本文對塑件結(jié)構(gòu)做了充分分析，設(shè)計了一套結(jié)構(gòu)緊湊，動作可靠的注塑模具。

1 塑件工藝性分析

圖1為某汽車尾燈后殼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其最大尺寸為196.55 mm×217.53 mm×316.10 mm。塑料原料為ABS，其特點為質(zhì)堅、性韌、剛性大，可保證塑件優(yōu)良的力學(xué)性能。收縮率為0.50%，平均厚度2 mm。燈具作為光學(xué)元件，要求良好的成型質(zhì)量，以保證達到預(yù)期的光學(xué)效果；另外，產(chǎn)品配合部位較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求精度達到MT3級，需要保證裝配完成的整套燈具，內(nèi)部處于真空狀態(tài)。因此，產(chǎn)品內(nèi)壁不允許有飛邊、氣泡、燒焦、翹曲變形等注塑成型缺陷。

(a) 產(chǎn)品內(nèi)表面

產(chǎn)品高度落差大，分型面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。塑件上有20余個通孔(其中3個尺寸較大的孔洞為燈泡安裝孔)，需要設(shè)計成插穿或碰穿結(jié)構(gòu)。塑件內(nèi)部存在多處網(wǎng)狀加強筋和BOSS柱處的三角形加強筋，且P處有深度為40.30 mm的凹坑，此處的成型零部件容易損壞。M、N兩處為裝配卡扣，最小壁厚1.8 mm，最大深度14.84 mm，此處型芯也容易損壞。塑件底部存在深度為26.09 mm的狹縫，此外塑件還涉及8處倒扣，A、B兩處倒扣位于產(chǎn)品內(nèi)部，在定模側(cè)成型，需要設(shè)計定模抽芯機構(gòu)。C處倒扣位于產(chǎn)品最低處，抽芯方向沿YC方向。D處倒扣位于產(chǎn)品側(cè)面，抽芯方向沿XC方向，此兩處抽芯布置影響模具外形尺寸大小。E、F兩處倒扣的抽芯方向一致，但與頂出機構(gòu)相互干涉。G處為φ5.00 mm×1.77 mm的孔，抽芯方向與D處相反。H處倒扣面積較大，脫膜方向與C處相反，抽芯時，包裹著成型I、J兩處結(jié)構(gòu)的型芯一起抽芯，會與I、J兩處脫模方向相互干涉。塑件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，側(cè)凹、側(cè)凸和側(cè)孔等結(jié)構(gòu)較多，均需設(shè)計側(cè)向分型抽芯機構(gòu)[2]，且抽芯方向相互干涉，需要合理排布型腔及各個運動機構(gòu)的位置，保證模具動作平穩(wěn)。

2 模具結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

燈具是汽車上高度對稱的產(chǎn)品，左右兩產(chǎn)品呈鏡像關(guān)系，因此采用一模兩腔的成型方式。每個產(chǎn)品涉及8處倒扣，一模兩腔布局，共需設(shè)計16處抽芯機構(gòu)。模具最大外形尺寸為1 000.00 mm×910.00 mm×852.00 mm，重約5.53 t。產(chǎn)品內(nèi)表面由定模成型，產(chǎn)品外表面由動模成型。

2.1 模流分析

在進行模具設(shè)計之前，采用CAE技術(shù)對成型過程進行模擬，可有效提高設(shè)計的成功率，縮短模具開發(fā)周期。采用Moldflow進行有限元模擬，可以預(yù)測充填、保壓、收縮、氣穴、翹曲和熔接痕等指標[3]。

將經(jīng)CAD Doctor優(yōu)化后的模型導(dǎo)入到Moldflow中，進行網(wǎng)格劃分并對其進行診斷和修復(fù)。澆注系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示，其中主流道為開放式加熱流道，分流道為普通冷流道，澆口為潛伏式澆口，開模直接拉斷澆口，由頂桿將澆注系統(tǒng)凝料頂出。ABS材料選擇Cycolac G121，注塑參數(shù)如表1所示。由圖3分析結(jié)果可知：填充時間為1.315 s，熔體流動平穩(wěn)，充模均勻，可使?jié)部趦蓚?cè)型腔同時充滿，如圖3(a)所示。熔接線主要出現(xiàn)在料流匯合的孔洞位置處，也是容易產(chǎn)生氣穴的區(qū)域，如圖3(b)、 3(c)所示。在進行模具設(shè)計時，該區(qū)域可采用鑲拼結(jié)構(gòu)，便于排氣。成型時可適當提高熔體溫度，用于改善熔接痕缺陷。產(chǎn)品C處位于填充末端，且該處壁厚較薄，是翹曲發(fā)生的主要位置，如圖3(d)所示。

表1 注塑參數(shù)

圖2 澆注系統(tǒng)

2.2 成型零部件設(shè)計

汽車尾燈后殼模具的分型面為復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品較為復(fù)雜，由眾多曲面和加強筋復(fù)合而成，加強筋內(nèi)部會形成很深的凹坑。加工成型零部件時，很難直接由CNC加工成型，一般還需要輔以EDM加工。采用鑲拼式結(jié)構(gòu)，可減小加工難度，方便后續(xù)拋光處理[4]。注塑成型時，型腔內(nèi)部的氣體也可以通過鑲拼縫隙順利排出，降低缺陷產(chǎn)生的機率。特殊結(jié)構(gòu)處強度、剛度較低，容易損壞，成型壽命有限。若設(shè)計成整體式結(jié)構(gòu)，難以更換，且增加維修成本。因此對于模具局部強度、剛度較低處，采用鑲件成型，易于更換，方面維修?？刹捎昧W(xué)性能較好的材料成型局部鑲件，以提高其使用壽命。

(a) 充填時間

定模采用局部鑲拼式結(jié)構(gòu)，塑件大部分由定模板成型，材料為P20；A-A、B-B倒扣處須設(shè)計定?；瑝K。為方便滑塊安裝，在此處設(shè)計成鑲拼式結(jié)構(gòu)，材料為718H。動模凹陷深度較大，加工困難，且涉及多處抽芯，采用整體嵌入式結(jié)構(gòu)，流道鑲件為738H，其他鑲件材料均為P20。成型塑件上圓孔的鑲針材料均為硬度高、耐磨性好的SKD61。

2.3 側(cè)抽芯機構(gòu)設(shè)計

左右鏡像的兩個產(chǎn)品，共有16處倒扣，均由側(cè)向分型抽芯機構(gòu)成型。抽芯機構(gòu)設(shè)計時，不僅要保證抽芯機構(gòu)運動合理，避免相互干涉，而且要盡可能地減小模具外形尺寸，使結(jié)構(gòu)緊湊。

A-A和B-B兩處倒扣位于產(chǎn)品內(nèi)部，由定模成型。此時側(cè)向成型部件和側(cè)向驅(qū)動部件均位于定模側(cè)，為了使兩者之間產(chǎn)生相對運動，完成抽芯動作，設(shè)計了二次分型模具結(jié)構(gòu)[5-6]。T槽座6一端與推件板2通過螺釘連接，另一端通過T形槽與側(cè)型芯10連接。開模時，由于彈簧彈力的作用，分型面I先打開，推件板2帶動T槽座6沿開模方向移動，通過T形槽將動力傳遞到側(cè)型芯10并完成抽芯動作。

C、D兩處倒扣位于兩塑件之間，為減小模具尺寸，將兩個塑件上的滑塊合并成一個滑塊。由于C處倒扣面積較大，抽芯力較大，此處將兩滑塊合并后仍使用兩個斜導(dǎo)柱驅(qū)動滑塊，完成抽芯動作。D處倒扣面積較小，設(shè)計了如圖4(c)所示的側(cè)向分型抽芯結(jié)構(gòu)。斜滑塊Ⅰ55和斜滑塊Ⅱ58由雙側(cè)T槽座56驅(qū)動，雙側(cè)T槽座56通過熱流道鑲件57與推件板2相連接。開模時，由推件板2提供動力，帶動雙側(cè)T槽座56沿開模方向移動，通過T形槽使兩側(cè)滑塊同時抽芯。

H處倒扣抽芯(如圖5所示)方向與I、J兩處抽芯方向相干涉，抽芯時，I、J兩處需先脫模，再抽芯。I、J處脫模機構(gòu)局部結(jié)構(gòu)如圖4(e)所示。采用鑲件65成型I、J兩孔，由定距螺釘將鑲件65、彈簧64和襯套61相連接。合模后，定模板9上的耐磨板直接作用于襯套61，襯套61壓縮彈簧64，使鑲件65下沉，用于成型小孔。開模時，動模與定模分離，在彈簧64的作用下使襯套61回彈，由滑塊鑲件Ⅰ62定位，完成I、J兩處小孔脫模。I、J處脫模完成后，此抽芯機構(gòu)位于H處側(cè)型芯內(nèi)部，由油缸43帶動H處滑塊抽芯。此處需要嚴格控制兩處抽芯機構(gòu)的脫模順序。

圖5 H處倒扣抽芯機構(gòu)

E、F兩處倒扣位于產(chǎn)品底部，且脫模方向一致。抽芯時，會與頂出機構(gòu)相互干涉，需對側(cè)型芯做避空處理。若沿著抽芯方向布置滑塊結(jié)構(gòu)，則需要占據(jù)很大的模具空間。因此采用復(fù)合抽芯機構(gòu)改變抽芯方向，以減小模具尺寸，如圖6所示。G處倒扣為一直徑為5.00 mm的小孔，用圓柱形側(cè)型芯成型，但其軸向長度較大，可設(shè)計成組合式結(jié)構(gòu)，利于維修和更換。

圖6 E、 F處倒扣抽芯機構(gòu)

2.4 脫模機構(gòu)設(shè)計

汽車尾燈后殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，倒扣形狀及位置各異，這增加了模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。有些倒扣需要先抽芯再脫模，因此設(shè)計了順序推出機構(gòu)。

在注塑機開合模系統(tǒng)的作用下，首先從分型面Ⅰ處開模，滑塊10、 55及58完成抽芯。動模隨注塑機開合模系統(tǒng)繼續(xù)運動，以完成分型面Ⅱ的開模動作，并帶動滑塊完成抽芯。

為使頂出平衡，減小頂出痕跡，在帶孔的地方設(shè)計成推管頂出機構(gòu)，推管材料為SKD61[6]。在塑件周邊設(shè)計成推塊推出機構(gòu)，推塊也是成型塑件的一部分，材料為738，經(jīng)熱處理，可達到較高的硬度和耐磨性。推塊和其他成型零部件之間需要有一定的配合間隙，保證推塊可以靈活運動不卡滯，成型時也不發(fā)生溢料。其他部位輔以推桿推出，材料為SKD61。推出機構(gòu)需要布置均勻，且有足夠的強度。

2.5 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

溫度控制系統(tǒng)是注塑成型不可或缺的部分，汽車尾燈后殼由熱塑性塑料成型，采用冷卻水調(diào)節(jié)溫度(如圖7， 8所示)。成型零部件大部分設(shè)計成鑲拼式結(jié)構(gòu)，冷卻水道布置難度較大。各鑲件上需要單獨布置運水系統(tǒng)，以保證塑件充分冷卻，運水過程中需要嚴格保證水路密封效果，防止?jié)B漏。水路直徑φ10.00 mm，間距35 mm。對于難以布置水路的地方設(shè)置隔板式水井，直徑φ18.00 mm。型芯上成型深孔的部位，需要設(shè)置φ6.00 mm×50.00 mm的冷卻棒，加強冷卻，降低塑件翹曲變形。

圖8 動模水路

3 模具工作原理

開模時，注塑機帶動動模運動。由于彈簧7的彈力作用，模具首先在分型面Ⅰ處打開。開模達到一定距離，由連接在推件板2和定模板9之間的定距螺釘定位。為了保證開模準確，還設(shè)計了二次分型拉鉤。當行程開關(guān)54與行程開關(guān)限位塊53相接觸時，將信號傳遞給注塑機控制中心，分型面Ⅰ開模完成。分型面Ⅰ打開的同時，推件板2帶動成型A、B和D處倒扣的滑塊，完成抽芯。

由于注塑機的作用，動模部分繼續(xù)運動，此時分型面Ⅱ開始打開，當動模部分達到預(yù)設(shè)位置時，開模完成。在分型面Ⅱ打開的同時，彈簧64不受定模壓力作用而回彈，帶動鑲件65完成I和J處脫模；成型C、E、F和G處倒扣的側(cè)型芯開始抽芯直至完成。開模完成后，在油缸43的作用下，成型H處倒扣的滑塊44開始抽芯。抽芯距離由行程開關(guān)控制，當行程開關(guān)與限位塊相接觸時，油缸收到信號，停止運動。

開模、抽芯完成后，在注塑機頂棍的作用下，帶動推出部件將產(chǎn)品頂出，由機械手吸盤將塑件取走。在頂出的同時潛伏式澆口與產(chǎn)品分離，澆注系統(tǒng)凝料也隨之被推出。注塑機頂棍復(fù)位，頂出機構(gòu)由于受到彈簧彈力作用而復(fù)位。當推出機構(gòu)上的行程開關(guān)19和行程開關(guān)限位塊18接觸時，復(fù)位完成，注塑機收到推出機構(gòu)復(fù)位完成的信號。

合模時，油缸43收到復(fù)位完成的信號并驅(qū)動滑塊44復(fù)位，與滑塊連接的信號開關(guān)接收到滑塊復(fù)位信號后，將信號傳遞給注塑機，由注塑機帶動模具合模。因為有彈簧7彈力和二次分型拉鉤46的共同作用，分型面Ⅱ先于分型面Ⅰ閉合。分型面Ⅱ閉合的同時，帶動二次分型時的滑塊復(fù)位。分型面Ⅱ閉合后，注塑機繼續(xù)對動模施加作用力，分型面Ⅰ開始閉合，同時帶動一次分型時的滑塊復(fù)位，為第二次注射做準備。

4 結(jié) 論

針對汽車尾燈后殼的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一套結(jié)構(gòu)緊湊的具有順序推出機構(gòu)的注塑模具。產(chǎn)品倒扣較多且形狀各異，采用多種側(cè)向分型抽芯結(jié)構(gòu)，保證抽芯動作平穩(wěn)運行。利用“冷卻管道+隔板式水井+冷卻棒”的冷卻系統(tǒng)，保證冷卻均勻，減少翹曲變形量。模具設(shè)計中使用電信號準確控制模具運動，防止運動過程中損壞模具。模具動作可靠，成型的塑件質(zhì)量良好，可實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。