李慕譯

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫交通分院，江蘇 無錫214046）

0 引 言

汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正迎接新的技術(shù)變革，節(jié)能和環(huán)保的要求及汽車技術(shù)進(jìn)步推動汽車輕量化的進(jìn)程，用戶對汽車的安全性能、使用舒適性的要求也越來越高。氣囊安裝在安全氣囊框和儀表臺總成內(nèi)部，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)，氣囊從安全氣囊框內(nèi)彈出，撕裂安全氣囊框和搪塑表皮，對乘員頭部、胸部起到輔助保護(hù)作用。儀表板乘客安全氣囊框的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇以輕量化為目標(biāo)，由于儀表板總成裝配的需要，安全氣囊框結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增大了模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度?，F(xiàn)以某轎車儀表板乘客安全氣囊框?yàn)檠芯繉ο?，在利用模流分析軟件AMI2016進(jìn)行注射工藝CAE分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用UG NX12對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行多處優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了塑件注射成型。

1 塑件結(jié)構(gòu)分析與材料特性

某儀表板安全氣囊框三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，為薄壁精密功能件。塑件外形尺寸約354 mm×188 mm×93 mm，平均壁厚約3.5 mm，單件質(zhì)量為366 g，材料為熱塑性聚烯烴彈性TPO，是一種具有橡膠和熱塑性塑料特性的低密度環(huán)保型材料，收縮率為0.75%。

圖1 安全氣囊框三維結(jié)構(gòu)

塑件的四周有用于安裝在儀表板骨架的安裝點(diǎn)，兩端各有1個(gè)固定卡扣底座，殼體前后方向?qū)ΨQ分布14個(gè)安裝孔及倒扣，需要合理設(shè)計(jì)側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)。塑件側(cè)面與主平面區(qū)域有20條深筋，表面有2 mm深的精細(xì)條紋狀凸起，冷卻固化時(shí)對模具成型零件產(chǎn)生較大的包緊力，存在粘模問題。

2 基于Modflow的模流分析及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模型前處理

采用UG NX12對儀表板安全氣囊框進(jìn)行建模，將塑件三維模型導(dǎo)入CAD doctor中進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)與簡化，去除對分析結(jié)果沒有影響的細(xì)小特征。將修復(fù)與簡化后的模型導(dǎo)入AMI2016中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用雙層面網(wǎng)格，網(wǎng)格模型如圖2所示，其網(wǎng)格邊長為3 mm，最大縱橫比為9.8，平均縱橫比為1.86，網(wǎng)格匹配百分比為91.3%，相互網(wǎng)格匹配百分比為90.6%，網(wǎng)格質(zhì)量能滿足后續(xù)分析要求。塑件壁厚分析如圖3所示，整體壁厚較均勻，主壁厚為3.5 mm，塑件深筋與塑件主體壁厚設(shè)計(jì)合理，安裝卡扣位也設(shè)計(jì)了減膠槽，能有效避免成型塑件表面出現(xiàn)縮印等缺陷[1,2]。

圖2 安全氣囊框網(wǎng)格模型

圖3 壁厚分析

2.2 澆口位置和澆注系統(tǒng)

利用AMI2016澆口位置分析功能對塑件進(jìn)行澆口定位器算法分析，評定塑件各位置澆口的匹配性，如圖4所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，待成型塑件長邊的中間區(qū)域流動阻力最小，綜合考慮塑件的質(zhì)量要求和實(shí)際情況，預(yù)設(shè)2種不同的澆注系統(tǒng)方案，流道布局及澆口尺寸如圖5所示。

圖4 澆口匹配性

圖5 澆注系統(tǒng)

2.3 充填分析

通過對2種澆口方案添加流道系統(tǒng)進(jìn)行充填分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知，方案二的結(jié)果優(yōu)于方案一，所以選擇方案二的澆口布局進(jìn)行充填分析。

表1 充填分析參數(shù)比較

在之前的充填分析基礎(chǔ)上，結(jié)合成型時(shí)充填和保壓信息以及熔接痕和位置，對方案二進(jìn)一步優(yōu)化，采用針閥式順序閥熱流道澆注，分析結(jié)果如圖6所示。

從圖6可知，待成型塑件總充填時(shí)間為2.060 s，澆口1充填時(shí)間為0～2.060 s，澆口2充填時(shí)間為1.802～2.06 s，充填過程中沒有出現(xiàn)充填不足、遲滯的現(xiàn)象；熔體流動前沿溫度在225.5～233.7℃，流動前沿溫度與料溫基本接近，型腔充填效果良好；1.802 s時(shí)出現(xiàn)最大注射壓力為32.94 MPa；最大鎖模力在保壓階段為655 kN，通過順序閥控制熔體充填與改進(jìn)注射工藝，控制了成型塑件熔接痕的大小和位置；從推出時(shí)塑件的體積收縮率可以看出，2個(gè)澆口附近熔體溫度較高，可采用優(yōu)化保壓壓力和保壓時(shí)間來改善塑件的收縮變形。綜上所述，安全氣囊框擬采用的澆注系統(tǒng)方案能滿足塑件的注射成型要求[3]。

圖6 充填分析

2.4 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

經(jīng)過模流分析比對，對模具的澆口位置、澆注時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，采用兩點(diǎn)順序閥控制的整體式熱流道澆注系統(tǒng)，如圖7所示，熱流道系統(tǒng)由1個(gè)主噴嘴和2個(gè)針閥式噴嘴組成，針閥式熱噴嘴與主噴嘴的距離分別為84.81、109.34 mm，二級針閥式熱噴嘴G1長為154.65 mm，G2長為183.33 mm，主噴嘴直徑為φ6 mm，二級針閥式熱噴嘴內(nèi)徑為φ15 mm，閥針直徑為φ4 mm。二級針閥式熱噴嘴與時(shí)間控制器聯(lián)動，G1噴嘴的閥針開啟時(shí)間設(shè)置為0，G2噴嘴的閥針開啟時(shí)間為1.802 s。

圖7 熱流道澆注系統(tǒng)

3 模具結(jié)構(gòu)分析

安全氣囊框的模具結(jié)構(gòu)如圖8所示，選用非標(biāo)準(zhǔn)大型模架，外形尺寸為690 mm×640 mm×747 mm，采用兩點(diǎn)針閥式熱流道澆注系統(tǒng)，模具四周設(shè)置了8個(gè)側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)，其中兩端采用“斜導(dǎo)柱+滑塊”的抽芯機(jī)構(gòu)，側(cè)面四角處倒扣采用“斜推塊+斜推桿”側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)，前后側(cè)面設(shè)計(jì)了“平行導(dǎo)向雙桿斜推”側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)。為防止成型塑件粘連定模和斜推塊，在定模和斜推塊上設(shè)計(jì)了“彈簧+推塊”二次頂出機(jī)構(gòu)。

圖8 模具結(jié)構(gòu)

3.1 成型零件及排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于塑件外表面的要求較高，定模采用整體鑲拼式結(jié)構(gòu)，主要由型腔板鑲件和9個(gè)型腔頂塊組成，型腔板鑲件尺寸越大，加工模具?？虻木仍诫y以保證。在模具型腔設(shè)計(jì)時(shí)，動模板框體尺寸比型腔尺寸大1 mm，與基準(zhǔn)角相鄰的兩條邊加工到位，?？虿捎眯倍孺i緊塊將型腔板靠基準(zhǔn)角方向擠緊而達(dá)到精確定位，如圖9（a）所示。塑件內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致動模結(jié)構(gòu)相對也較復(fù)雜，為便于模具零件的加工、裝配及維護(hù)，動模成型零件采用組合鑲拼式結(jié)構(gòu)，由1個(gè)主型芯鑲件、2個(gè)小鑲件、2個(gè)大斜推塊和4個(gè)小斜推塊組成，如圖9（b）所示。型芯材料選用1.2738，型腔板材料選用1.2738H，模具四周設(shè)置承壓塊以防模具合模時(shí)撞傷分型面。由于導(dǎo)柱與導(dǎo)套合模時(shí)存在間隙，需要使用比導(dǎo)柱導(dǎo)套定位精度更高的零件輔助模具合模，因此在動、定模板上設(shè)計(jì)了4個(gè)圓錐定位零件。

圖9 成型零件

由于塑件尺寸較大，如果排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理或沒有考慮排氣設(shè)置，會影響塑件成型質(zhì)量?；诹髯儗W(xué)分析，考慮模具零件加工工藝性，定模型腔設(shè)置了9個(gè)型腔頂塊，動模四面均有抽芯機(jī)構(gòu)，可以利用模具零件的配合間隙、分型面進(jìn)行排氣。

3.2 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 滑塊側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)

塑件左、右兩側(cè)有固定卡扣底座，分別采用動?！靶睂?dǎo)柱+滑塊”的側(cè)向分型抽芯機(jī)構(gòu)，由于塑件右側(cè)倒扣向下傾斜6°，設(shè)計(jì)了下斜式滑塊，如圖10（a）所示，最大倒扣距離為22.6 mm，滑塊抽芯距離D1取22.6+（2～5）mm，根據(jù)三角原理，求出斜導(dǎo)柱傾斜角度為18°，鎖緊塊的鎖緊角度為20°。塑件左側(cè)面最大倒扣距離為23.6 mm，滑塊的抽芯距離D2取23.6+（2～5）mm，根據(jù)三角原理，求出斜導(dǎo)柱傾斜角度取18°，鎖緊塊的鎖緊角度取20°，如圖10（b）所示。兩側(cè)滑塊寬度為70 mm，高度為85 mm，通過計(jì)算并經(jīng)驗(yàn)修正設(shè)計(jì)1根φ20 mm斜導(dǎo)柱，斜導(dǎo)柱通過固定塊固定在定模板上[3,4]，組裝的滑塊抽芯三維結(jié)構(gòu)如圖10（c）所示。

圖10 滑塊結(jié)構(gòu)

3.2.2 斜推側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)

在塑件的內(nèi)側(cè)4個(gè)角都設(shè)置了斜推抽芯機(jī)構(gòu)，根據(jù)倒扣大小，設(shè)計(jì)了4個(gè)圓桿分體式斜推塊抽芯機(jī)構(gòu)，斜推桿角度為3°，直徑為φ20 mm，推出行程為75 mm，各斜推塊實(shí)際抽芯行程大于倒扣脫模行程，如圖11所示。

圖11 斜推抽芯機(jī)構(gòu)

其中Ⅰ、Ⅱ處倒扣向下傾斜22°，斜推塊必須沿下斜的角度運(yùn)動，否則會與成型塑件干涉。為了保證斜推機(jī)構(gòu)運(yùn)動平穩(wěn)，根據(jù)三角原理，并避免與其他斜推桿之間的干涉，設(shè)計(jì)了平行導(dǎo)向桿斜推機(jī)構(gòu)，斜推座延遲角度β為22°，斜推角度a為15°，斜推塊長度為335 mm，圓斜推桿直徑為φ20 mm，各推塊周邊設(shè)計(jì)5°的配合斜度，由于大斜推塊需要裝入定模部分配模，在大斜推塊的分型面上設(shè)計(jì)1個(gè)突出體，實(shí)現(xiàn)精確定位，方便斜推塊與定模板組裝在一起拋光。

3.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

塑件成型質(zhì)量與模具的冷卻系統(tǒng)密切相關(guān)，為保證塑件成型時(shí)能均勻冷卻，結(jié)合塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，避免冷卻水道與模具零件發(fā)生干涉，在定模布置了2組垂直式與傾斜式相結(jié)合的循環(huán)冷卻水路，動模設(shè)置了2組隔片式冷卻水路、1組型芯鑲件的垂直式冷卻水路和3條橫貫動模板的直通式水路。兩側(cè)斜推塊由于與待成型塑件接觸面積較大，各設(shè)置了1組垂直式與傾斜式相結(jié)合的循環(huán)冷卻水路。冷卻水路直徑為φ10 mm，其與型腔壁的距離在25～30 mm，隔片式水井孔徑為φ20 mm，動、定模和斜推塊水路網(wǎng)格交叉，隨型腔面形狀布置，使成型塑件獲得優(yōu)良的冷卻效果，冷卻水路布局如圖12所示。

圖12 模具冷卻系統(tǒng)

3.4 脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于塑件四周有較多筋位和側(cè)向凹凸結(jié)構(gòu)，當(dāng)其從型芯鑲件上推出時(shí)，會發(fā)生較大的變形而損壞，且斜推塊頭部面積相對較大，塑件筋位深，包緊力也大，斜推塊與塑件分離困難。塑件從型芯鑲件上推出時(shí)先停留于斜推塊上，再使用“彈簧+推塊”二次推出機(jī)構(gòu)推出，實(shí)現(xiàn)塑件完全脫模。在定模和大斜推塊上設(shè)計(jì)了多處“彈簧+推塊”推出機(jī)構(gòu)，防止成型塑件粘連定模和斜推塊，如圖13所示[5]。

圖13 二次推出機(jī)構(gòu)

4 模具工作過程

注塑機(jī)完成注射，經(jīng)過保壓、冷卻固化后，在注塑機(jī)曲柄機(jī)構(gòu)帶動下動模沿注塑機(jī)拉桿向后移動開模，塑件在推塊和彈簧作用下推出型腔，模具在完成開模行程后，固定于動模座板上的斜推塊和斜推桿在推板帶動下將塑件從型芯上推出，在彈簧和推塊作用下將塑件從斜推塊上推出，實(shí)現(xiàn)塑件的完全脫模。推出液壓缸通過集油塊實(shí)現(xiàn)液路串聯(lián)布置，保證了塑件推出時(shí)的平衡，成型的塑件由機(jī)械手取出后，再通過推出液壓缸拉動推板及復(fù)位桿進(jìn)行合模，開始下一個(gè)注射成型周期[6,7]。

5 結(jié)束語

（1）由于安全氣囊框的外觀質(zhì)量和精度要求較高，借助AMI2016對其預(yù)設(shè)澆注系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，預(yù)測注射成型中熔接痕、困氣和收縮變形等問題，對模具的澆口位置、澆注時(shí)間等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用兩點(diǎn)順序閥控制的整體式熱流道澆注系統(tǒng)，避免后期不必要的修模。

（2）通過采用“液壓缸+斜推桿+斜推塊”和“彈簧+推塊”二次推出的組合脫模機(jī)構(gòu)，可以使塑件推出時(shí)受力均衡，降低粘模和脫模時(shí)變形的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）針對塑件內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及影響脫模的側(cè)向凹凸結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了“斜導(dǎo)柱+滑塊”和“平行導(dǎo)向雙桿斜推”的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)塑件外壁、內(nèi)部倒扣特征依次自動脫模。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，生產(chǎn)的安全氣囊框能滿足安全氣囊系統(tǒng)及儀表臺裝配要求。