張留偉，顧賽君，洪維，任建平，邵俊，袁博，黃吉寧

(1.臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院裝備制造研究所，浙江臺(tái)州 318020； 2.臺(tái)州模具智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江臺(tái)州 318020；3.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院，武漢 430064； 4.臺(tái)州黃巖德而特模塑有限公司，浙江臺(tái)州 318020)

在模具設(shè)計(jì)與制造之前運(yùn)用CAE技術(shù)可以輔助確定澆注系統(tǒng)、預(yù)判產(chǎn)品成型中可能產(chǎn)生的缺陷及對(duì)加工過程中的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化等，它可縮短成型周期、降低塑件不良率。

含有金屬嵌件的塑件在汽車、軍工及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。這類零件將塑料與金屬的優(yōu)點(diǎn)有效結(jié)合，既提高了零件的強(qiáng)度、剛度及耐磨性，又使零件局部具有絕緣性，同時(shí)又可減輕整體質(zhì)量，滿足輕量化的要求。王金榮等[1]運(yùn)用CAE軟件對(duì)帶金屬嵌件的卡扣進(jìn)行模擬仿真，確定了最佳澆口位置，提前預(yù)判了塑件缺陷，提高了塑件生產(chǎn)效率。熊毅等[2]設(shè)計(jì)出帶嵌件的家族制品注塑模，實(shí)現(xiàn)了滑塊間的幾何平衡，運(yùn)用嵌件本身特征進(jìn)行定位，效果良好。王巍等[3]利用CAE軟件輔助確定合理的澆口，并設(shè)計(jì)成型頂桿來定位塑件內(nèi)的嵌件。大型塑件具有尺寸大、形狀復(fù)雜及壁厚相對(duì)較小等特點(diǎn)，加強(qiáng)筋多、碰插穿孔多使熔體在型腔內(nèi)流動(dòng)阻力大，導(dǎo)致塑件成型難度進(jìn)一步加大。為成型符合質(zhì)量要求的塑件、降低模具制造成本及提高塑件生產(chǎn)效率，大型模具的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。張維合等[4-5]、洪維等[6]、胥永林等[7]、馮婧等[8]、何鏡奎等[9]均運(yùn)用相關(guān)軟件設(shè)計(jì)了大型注塑模具，且提前預(yù)測成型中可能出現(xiàn)的品質(zhì)缺陷，最后注塑出滿足質(zhì)量要求的塑件。王穎等[10]、樊薇等[11]、溫煌英等[12-13]、吳俊超等[14]、符立華等[15]、傅瑩龍等[16]均采用順序閥熱流道的澆注方式成型產(chǎn)品，效果良好，注塑出了合格的制件。目前，關(guān)于大型注塑模具設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)較少，帶嵌件模具研究多集中于小型塑件，大型的帶金屬嵌件的模具方向的研究更少。鑒于此，筆者以汽車前段框架為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了10點(diǎn)針閥澆注的帶金屬嵌件大型注塑模。模具投產(chǎn)后，各機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，成型塑件符合質(zhì)量要求，其設(shè)計(jì)思路可為同類模具提供有益借鑒。

1 塑件結(jié)構(gòu)工藝分析

某款汽車前段框架零件如圖1所示，材料為德國巴斯夫尼龍(PA6)塑料(30%玻纖增強(qiáng))，收縮率取0.5%，其質(zhì)量輕，具有良好的韌性、耐化學(xué)藥品性及耐久性等特性。產(chǎn)品最大外形尺寸為1 558 mm×692 mm×350 mm，基本壁厚2.5 mm，局部壁厚3～5.2 mm，加強(qiáng)筋處壁厚1.2 mm，屬于大型汽車零件。塑件內(nèi)部有三個(gè)嵌件，所用材料均為不銹鋼，如圖1d所示。由于裝配的需要，零件尺寸精度需達(dá)MT4級(jí)(GB/T 14486-2008)。塑件兩側(cè)不完全對(duì)稱，外側(cè)與內(nèi)側(cè)四周均存在大面積倒扣。為簡化模具整體結(jié)構(gòu)，塑件寬度方向大面積倒扣需設(shè)計(jì)長度為1 170，1 010，647 mm的三個(gè)大滑塊進(jìn)行整體側(cè)抽芯；由于抽芯過程中塑件對(duì)大滑塊包緊力較大，強(qiáng)制抽芯會(huì)損傷塑件，合理的防粘滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。塑件長度方向最大倒扣深度達(dá)61 mm，且部分位置倒扣間距較小，需合理設(shè)計(jì)組合式抽芯機(jī)構(gòu)。另外，塑件存在大量加強(qiáng)筋，導(dǎo)致脫模難度增加；塑件外形呈U狀，若冷卻不充分，會(huì)使局部區(qū)域產(chǎn)生熱積，導(dǎo)致塑件變形。

圖1 汽車前段框架零件圖

2 塑件的CAE分析

將塑件的三維模型導(dǎo)入Moldflow2018中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，圖2為網(wǎng)格劃分圖。網(wǎng)格劃分結(jié)果顯示，三角形網(wǎng)格單元為199 389個(gè)，已連接的結(jié)點(diǎn)數(shù)為99 568個(gè)，表面面積為32 229.1 cm2，按單元類型統(tǒng)計(jì)的體積為4 169.09 cm3，最大縱橫比為14.85，最小縱橫比為1.16，平均縱橫比為2.66，共用邊為262 164個(gè)，自由邊與多重邊均為0，匹配百分比為88.3%，相互百分比為87.9%。

圖2 網(wǎng)格劃分

在Moldflow中設(shè)置的工藝參數(shù)為熔體溫度290 ℃，模具溫度90 ℃，保壓時(shí)間23 s，保壓壓力85%，冷卻時(shí)間80 s，得到的CAE分析結(jié)果如圖3所示。由圖3a得出，完成前段框架充填的時(shí)間為4.385 s，充填過程流暢，可滿足模具內(nèi)部熔料的流動(dòng)要求。由圖3b可得，速度/壓力切換時(shí)間為2.1 s，最大充填壓力為90.58 MPa，產(chǎn)品的充填體積為98.0%，表明壓力合理。由圖3c和圖3d可知，開模塑件頂出時(shí)，表面位置收縮率均勻，澆口凍結(jié)時(shí)間可以滿足保壓要求，塑件表面均已凍結(jié)，滿足頂出要求。由圖3e和圖3f可看出，產(chǎn)品外表面基本上無氣穴，內(nèi)表面嵌件位置及卡扣位置的氣穴可以通過添加排氣鑲針、鑲塊的方法去解決；產(chǎn)品表面無明顯熔接線，總體符合外觀要求，料流交匯處熔接線不可避免，由于大部分匯合角度大于120°，熔接線不明顯，其它個(gè)別熔接線位置添加排氣鑲件加強(qiáng)排氣，以淡化熔接線。

圖3 CAE分析結(jié)果

3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由前述分析，模具采用10點(diǎn)針閥式熱流道和冷流道組合式的澆注系統(tǒng)，如圖4所示，在冷流道末端設(shè)計(jì)有冷料井，儲(chǔ)存前端冷料，從而利于注射成型。圖4中G1/G2/G8/G9為針閥直接澆注，其余為側(cè)澆口澆注，具體尺寸為：G3和G8側(cè)澆口寬11 mm，高1 mm；G4/G5/G6側(cè)澆口寬17 mm，高2 mm；G10側(cè)澆口寬14 mm，高2 mm。順序閥開啟順序?yàn)镚1/G9/G10→G2/G8→G3/G4/G5/G6/G7。這種組合式的澆注系統(tǒng)可使熔體在模具內(nèi)流動(dòng)更好，并節(jié)約材料。

圖4 模具澆注系統(tǒng)

3.2 成型零件和排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前段框架零件尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模具動(dòng)、定模均采用鑲拼式結(jié)構(gòu)。定模A板采用的材料為S50C，硬度為30～33 HRC；動(dòng)模B板采用的材料為P20預(yù)硬模具鋼，硬度為31～34 HRC；型腔和型芯鑲塊均采用718H預(yù)硬模具鋼，硬度為33～37 HRC；由于硬度相同的型芯和型腔鑲塊容易磨損，所以需使型腔鑲塊硬度高于型芯鑲塊硬度2 HRC左右[7]。為保證前端框架零件表面質(zhì)量，型腔和型芯成型面粗糙度需要達(dá)到0.4。為了提高模具壽命、合模時(shí)壓力分布平衡以及模具制造、維修便利，在動(dòng)模板中設(shè)計(jì)有41塊承壓板。

汽車前段框架結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加強(qiáng)筋較多，內(nèi)側(cè)和外側(cè)四周都有大面積倒扣，這都要求塑件成型時(shí)要有良好的排氣系統(tǒng)，否則塑件表面會(huì)產(chǎn)生接縫、流痕、氣紋或局部飛邊等不良現(xiàn)象；在壁厚較大的部位會(huì)產(chǎn)生氣泡，影響塑件強(qiáng)度；嚴(yán)重困氣部位會(huì)導(dǎo)致塑件燒焦。為了注射成型時(shí)排氣較順暢，在動(dòng)模和定模分型面位置均設(shè)計(jì)有一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)排氣槽，相鄰排氣槽間距為40～50 mm，分型面上的排氣槽便于加工、排氣效果好；同時(shí)，在塑件深骨位、柱位處設(shè)置有排氣鑲針，既方便排氣又便于加工。排氣系統(tǒng)如圖5所示。另外，由于側(cè)抽芯滑塊尺寸較大，也要設(shè)計(jì)合適的排氣槽。

圖5 汽車尾翼本體模具排氣系統(tǒng)

3.3 側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)是本模具最重要的核心結(jié)構(gòu)之一。塑件外側(cè)與內(nèi)側(cè)四周有9個(gè)區(qū)域倒扣S1～S9 (圖1)，均設(shè)計(jì)在動(dòng)模側(cè)，其中S1，S2和S5區(qū)域?qū)儆诖竺娣e倒扣，考慮倒扣特征間距較小，需要設(shè)計(jì)整體液壓油缸驅(qū)動(dòng)的側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)；S1區(qū)域最大倒扣間距只有3.1 mm，這就導(dǎo)致開模時(shí)塑件對(duì)大滑塊1 (用于S1區(qū)域抽芯)的包緊力過大，脫模較困難，如何讓大滑塊順利抽出是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

為解決S1區(qū)域抽芯難題，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出防粘滑塊機(jī)構(gòu)，如圖6所示。頂桿和頂塊固定于H形塊上，T形塊固定在大滑塊上，其下部末端設(shè)有與X方向成35°的斜面，浮動(dòng)塊上部設(shè)有與X方向成51°的斜面，如M處放大圖所示。拉鉤固定于T形塊上，浮動(dòng)塊固定在托板上，且下方有彈簧提供浮力。S1區(qū)域抽芯機(jī)構(gòu)如圖7所示。開模時(shí)，鎖在托板1、托板2上的兩個(gè)液壓油缸帶動(dòng)大滑塊1及T形塊等部件后退，此時(shí)H形塊及其組件不動(dòng)，用以頂住塑件，防止跟隨滑塊移動(dòng)；當(dāng)大滑塊抽芯移動(dòng)18 mm時(shí)，塑件已部分脫離大滑塊，已無粘滑塊隱患，此時(shí)T形塊末端斜面與浮動(dòng)塊斜面開始接觸，迫使浮動(dòng)塊進(jìn)入托板，接著H形塊及其組件跟隨整個(gè)抽芯機(jī)構(gòu)后移；當(dāng)抽芯距離達(dá)158 mm時(shí)，抽芯動(dòng)作結(jié)束。合模復(fù)位時(shí)，在液壓油缸驅(qū)動(dòng)下，拉鉤帶動(dòng)H形塊及組件完成復(fù)位。

圖6 防粘滑塊機(jī)構(gòu)

圖7 S1區(qū)域抽芯機(jī)構(gòu)

S5區(qū)域抽芯機(jī)構(gòu)如圖8所示，該機(jī)構(gòu)用兩個(gè)液壓油缸驅(qū)動(dòng)，抽芯距離為102 mm。滑塊5 (用于S5區(qū)域抽芯)位于頂部，其外形尺寸為1 010 mm×293 mm×190 mm，屬于大型滑塊，在塑件量產(chǎn)時(shí)有下墜的風(fēng)險(xiǎn)，如何解決此安全隱患是本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，采用如圖8所示機(jī)械式機(jī)構(gòu)可解決此難題；在滑塊5下方設(shè)計(jì)出與水平方向成45°的斜面，連接塊內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)出與水平方向成135°的斜面，同時(shí)在浮動(dòng)塊上方設(shè)計(jì)出與水平方向成44°的斜面，且其下方有2個(gè)?30 mm×45 mm的藍(lán)色彈簧，詳見圖8的N局部放大圖。側(cè)向抽芯時(shí)，兩個(gè)液壓油缸驅(qū)動(dòng)滑塊5及其組件，當(dāng)滑塊5移動(dòng)25 mm時(shí)，其斜面部分開始與浮動(dòng)塊斜面接觸，并不斷把浮動(dòng)塊壓入托板；抽芯距離達(dá)102 mm時(shí)，抽芯完成，此時(shí)連接塊斜面與浮動(dòng)塊另一側(cè)斜面形成配合，鎖緊滑塊5，防止下墜。合模復(fù)位時(shí)，先有連接塊把浮動(dòng)塊壓入托板，其它組件相繼恢復(fù)到原來位置。

圖8 S5區(qū)域抽芯機(jī)構(gòu)

與其它抽芯機(jī)構(gòu)相比，斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)具有穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、鉗工配模和維修容易及工作效率高等優(yōu)點(diǎn)；因此，S2，S3，S6，S7及S9 5個(gè)區(qū)域均用斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，S4和S8兩個(gè)區(qū)域用液壓油缸驅(qū)動(dòng)抽芯，如圖9所示。其中，S2區(qū)域滑塊較大，設(shè)計(jì)了兩套斜導(dǎo)柱來驅(qū)動(dòng)滑塊2 (用于S2區(qū)域抽芯)；S4區(qū)域抽芯機(jī)構(gòu)行程為104 mm，S8區(qū)域抽芯機(jī)構(gòu)行程為110 mm。為了冷卻均勻，S3，S4，S8和S9抽芯機(jī)構(gòu)均有獨(dú)立冷卻回路。

圖9 S2，S3，S4，S6，S7，S8，S9區(qū)域抽芯機(jī)構(gòu)

3.4 導(dǎo)向定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車前段框架模具屬于大型精密模具，注射成型過程中導(dǎo)向定位必須安全可靠。為此模具4個(gè)角上均布置了?100 mm×520 mm的圓導(dǎo)柱，用M20螺栓固定在A板，可減少導(dǎo)柱過孔加工量，利于裝配；為了方便機(jī)械手抓取動(dòng)模側(cè)塑件，導(dǎo)柱設(shè)計(jì)在定模側(cè)。前段框架外形為U型，分型面存在高度差，故設(shè)計(jì)了防側(cè)滑的止口定位機(jī)構(gòu)，使成型中受力均衡，保證合模精確、平穩(wěn)，如圖10所示。

圖10 模具導(dǎo)向定位系統(tǒng)

模具開模時(shí)，若僅僅有導(dǎo)柱支撐型腔容易咬死，故在天側(cè)、地側(cè)均設(shè)計(jì)了既導(dǎo)向又承重的裝置；在模具寬度方向布置了4組0°精定位塊。本模具“斜導(dǎo)柱+滑塊”的側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)較多，為了使斜導(dǎo)柱與滑塊能正常開合，需要導(dǎo)柱提前20 mm進(jìn)入導(dǎo)套，可避免斜導(dǎo)柱復(fù)位時(shí)產(chǎn)生的安全隱患。

3.5 脫模系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前段框架零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加強(qiáng)筋和倒扣較多，所需脫模力大。為了塑件不出現(xiàn)頂白頂裂等不良現(xiàn)象，需要設(shè)計(jì)出合理的脫模機(jī)構(gòu)。該套模具采用“直頂塊+斜頂塊+頂桿+頂管+拉料桿”的組合推出機(jī)構(gòu)，如圖11所示。為了節(jié)省推出復(fù)位時(shí)間，把6支氮?dú)鈴椈涉i在頂針背板上，當(dāng)注塑機(jī)頂輥通過KO孔頂出塑件后，有氮?dú)鈴椈沈?qū)動(dòng)推出機(jī)構(gòu)復(fù)位，合模后在復(fù)位桿的作用下精確復(fù)位。實(shí)踐證明，塑件脫模時(shí)，運(yùn)用“頂輥+氮?dú)鈴椈伞苯M合方式驅(qū)動(dòng)、復(fù)位頂出機(jī)構(gòu)，安全可靠，與采用液壓油缸方式相比，頂出復(fù)位時(shí)間降低了約28%。

圖11 模具脫模系統(tǒng)立體圖

3.6 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前段框架屬于大型塑件，脫模后極易產(chǎn)生變形。為保證塑件成型質(zhì)量、縮短成型周期，合理的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤為重要。本模具的冷卻系統(tǒng)如圖12所示，模具采用近似“隨形水路”的冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括直通式水管、傾斜式水管和隔片式水井；各冷卻水路縱橫交錯(cuò)，形成網(wǎng)格立體式水路，水流與料流方向基本一致，相互之間的距離保持在40～55 mm。熱射嘴區(qū)域溫度較高，布置了一組獨(dú)立水路重點(diǎn)冷卻；由于動(dòng)模中的斜滑塊機(jī)構(gòu)、液壓抽芯機(jī)構(gòu)與膠位大面積接觸，故動(dòng)模側(cè)用6組獨(dú)立水路冷卻側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)。

圖12 模具冷卻系統(tǒng)

由于冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為合理，冷卻充分，加上采用了先進(jìn)的順序閥熱流道系統(tǒng)，使成型周期大為縮短，與同類型注塑模具相比，成型周期降低了約11%，成型塑件尺寸精度達(dá)到MT4 (GB/T 14486-2008)。

3.7 金屬嵌件的定位

設(shè)計(jì)帶嵌件的注塑模具中，如何使嵌件快速安裝和可靠定位是這類模具設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。若生產(chǎn)中嵌件松動(dòng)或脫落，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)受阻，嚴(yán)重的會(huì)損壞模具；設(shè)計(jì)嵌件定位機(jī)構(gòu)時(shí)要充分運(yùn)用嵌件自身結(jié)構(gòu)特征；另外，嵌件的加入對(duì)澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、水路的布置及導(dǎo)向定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等提出更高的要求。筆者設(shè)計(jì)的嵌件定位方式如圖13所示，為了嵌件定位牢靠，除了用自身型面定位外，又設(shè)計(jì)了定位桿、S1區(qū)域抽芯機(jī)構(gòu)中滑塊型芯、定模側(cè)小型芯以及強(qiáng)力磁鐵等進(jìn)行定位。

圖13 嵌件定位結(jié)構(gòu)

4 模具工作過程

汽車前段框架的模具裝配圖如圖14所示，該模具設(shè)計(jì)為兩板式的模具結(jié)構(gòu)，采用了10點(diǎn)順序閥控制的澆注方案，汽車前段框架模具的總體尺寸為2 340 mm×1 500 mm×1 545 mm。模具的工作過程如下：

圖14 模具裝配圖

(1)把模具熱流道接線口通電，并加熱到指定溫度，利用注射壓力將料筒內(nèi)塑化完成的熔融料打入熱流道板，在順序電磁閥控制下熔料通過一級(jí)熱嘴和二級(jí)熱嘴注入型腔，同時(shí)各個(gè)水路接通冷卻水。

(2)熔融塑料充滿型腔后，待保壓補(bǔ)縮和冷卻固化后，在開模力作用下，動(dòng)模板與定模板打開，同時(shí)S2，S3，S6，S7及S9 5個(gè)區(qū)域斜導(dǎo)柱側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)完成抽芯動(dòng)作。

(3)動(dòng)模停止運(yùn)動(dòng)后，S1，S4，S5及S8 4個(gè)液壓抽芯機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作，把相應(yīng)滑塊抽出，在各自的限位桿觸碰到行程開關(guān)時(shí)抽芯完成。

(4)此時(shí)注塑機(jī)頂輥使推板和推板固定板開始運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)頂出系統(tǒng)，把產(chǎn)品和流道凝料推出，機(jī)械手抓取產(chǎn)品，脫模完成。

(5)在氮?dú)鈴椈勺饔孟?，推板及推板固定板先行?fù)位，各液壓抽芯機(jī)構(gòu)相繼復(fù)位，同時(shí)注塑機(jī)帶動(dòng)動(dòng)模完成合模，開啟下一個(gè)注塑循環(huán)周期。

5 結(jié)語

根據(jù)汽車前段框架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一副單分型面10點(diǎn)針閥側(cè)澆口澆注的帶嵌件大型注塑模具。通過CAE技術(shù)分析提前預(yù)測了塑件成型時(shí)可能產(chǎn)生的問題。設(shè)計(jì)了防粘滑塊機(jī)構(gòu)，解決了塑件對(duì)大滑塊包緊力過大導(dǎo)致脫模困難的問題；采用液壓抽芯機(jī)構(gòu)和斜導(dǎo)柱抽芯機(jī)構(gòu)完成了塑件側(cè)向脫模；采用“直頂塊+斜頂塊+頂桿+頂管+拉料桿”的組合推出機(jī)構(gòu)，解決了脫模困難的問題；采用了縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)格立體式冷卻系統(tǒng)，冷卻效果較好；用“頂輥+氮?dú)鈴椈伞苯M合方式驅(qū)動(dòng)和復(fù)位頂出機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)了金屬嵌件定位機(jī)構(gòu)，安全可靠。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)合理，投產(chǎn)運(yùn)行后，模具工作平穩(wěn)，產(chǎn)品質(zhì)量符合要求。