謝祖通，翁禮杰，李朋，傅瑩龍，夏文明

(1.臺州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 臺州 318000； 2.臺州市模具智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臺州 318000；3.寧波潤華全芯微電子設(shè)備有限公司，浙江 寧波 315000)

氣輔注射成型(GAIM)技術(shù)是在傳統(tǒng)注塑成型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種創(chuàng)新技術(shù)，該技術(shù)在20世紀(jì)80 年代末的幾年內(nèi)得到不斷的完善并商品化應(yīng)用，其工作原理是利用高壓氣體進(jìn)入塑件壁厚較厚的局部區(qū)域并形成中空的截面，利用高壓氣體保壓替換注射機(jī)的保壓，消除制品縮痕的缺陷，完成產(chǎn)品的成型過程[1-2]。與傳統(tǒng)注射成型相比，GAIM 具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)由于塑件壁厚較厚的內(nèi)部中空，故可節(jié)省原料，冷卻散熱快，縮短成型周期；(2)可改進(jìn)產(chǎn)品表面光滑度，避免表面縮痕，降低殘余應(yīng)力，減少翹曲變形；(3)打破了傳統(tǒng)注射成型對制品壁厚均勻的設(shè)計(jì)要求，可用于加工厚、薄壁一體結(jié)構(gòu)的塑件[3-5]。

針對某款新能源車門內(nèi)部扶手骨架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該產(chǎn)品作為車門內(nèi)飾系統(tǒng)的重要組成部分，其質(zhì)量與注塑模具的研發(fā)水平密切相關(guān)；該扶手骨架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)品上既有厚壁又有薄壁的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套采用氣輔注射成型工藝的熱流道注塑模具，通過CAE的氣輔成型分析，確定了熱流道時(shí)序閥打開的時(shí)間，進(jìn)氣口位置，氣體延遲時(shí)間，氣體壓力等參數(shù)[6-8]；并設(shè)計(jì)了多種脫模機(jī)構(gòu)，模內(nèi)熱切溢料口的結(jié)構(gòu)，為相關(guān)的氣輔成型模具提供了很好的參考價(jià)值。

1 材料及結(jié)構(gòu)分析

圖1 為某款車門內(nèi)飾的扶手骨架產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖，其為左右鏡像的兩個塑件，既有外觀面的特征又有很多的裝配結(jié)構(gòu)特征，其所用材料為金發(fā)科技有限公司生產(chǎn)的牌號AIP-2015，該材料的主要成分為聚丙烯，并添加了20%的滑石粉作為添加劑，可增強(qiáng)產(chǎn)品的耐磨性與剛性，同時(shí)具備良好的流動特性，是一種常用的汽車內(nèi)飾件材料。

圖1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)圖

車門扶手骨架的整體尺寸為356 mm×108 mm×123 mm，體積為332 cm3，產(chǎn)品裝配區(qū)域平均厚度為2.2 mm，屬于中小型塑件；塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成型難點(diǎn)如下：產(chǎn)品T1 處為皮紋外觀面，長度為265 mm，平均壁厚達(dá)到22 mm，該區(qū)域需采用氣輔成型工藝，降低產(chǎn)品成型時(shí)出現(xiàn)縮痕及其它缺陷的風(fēng)險(xiǎn)；T2特征處有多處比較深的BOSS 柱結(jié)構(gòu)，對司筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有較高的要求；在T3處產(chǎn)品有多條的側(cè)向加強(qiáng)筋，并與水平的脫模方向成7.5°夾角；產(chǎn)品T4 區(qū)域有兩處裝配的卡扣特征，需設(shè)計(jì)斜頂機(jī)構(gòu)。

2 熱流道設(shè)計(jì)及CAE氣輔分析

由于客戶要求車門扶手骨架在生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品與澆注系統(tǒng)自動分離，所以根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了時(shí)序閥熱流道+冷流道的澆注系統(tǒng)，最后通過潛伏式牛角澆口與產(chǎn)品相連，如圖2所示，其針閥式熱澆口的打開順序?yàn)镚1，G2先同時(shí)打開，經(jīng)過1.5 s后再打開G3；同時(shí)將高壓氮?dú)獾倪M(jìn)氣口位置設(shè)計(jì)在P1與P2兩個對稱位置。

圖2 熱流道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

可以通過Mouldflow中的“氣體輔助注射成型”模塊，將產(chǎn)品的網(wǎng)格類型劃分為3D 網(wǎng)格，根據(jù)表1設(shè)置好相關(guān)的成型工藝參數(shù)，啟動“填充+保壓+翹曲”分析可判斷時(shí)序閥熱流道結(jié)構(gòu)及高壓氮?dú)膺M(jìn)氣點(diǎn)的位置是否合理[9-10]，部分分析結(jié)果如圖3 所示，圖3a與圖3b顯示，當(dāng)注射時(shí)間為1.5 s時(shí)G3的針閥打開之后，注射壓力由15.6 MPa 一直增大，當(dāng)注射時(shí)間為2.1 s時(shí)，注塑壓力達(dá)到最大值為42.13 MPa，同時(shí)成型產(chǎn)品所需的鎖模力達(dá)到107 t，圖3c表明產(chǎn)品兩端往內(nèi)部收縮，最大翹曲變形量為1.679 mm，圖3d的氣體型芯為氣輔分析的特有結(jié)果，可以看出高壓氣體在產(chǎn)品內(nèi)部的分布情況，產(chǎn)品壁厚較大的區(qū)域基本被穿透，效果比較理想。

表1 成型工藝參數(shù)

圖3 CAE氣輔分析結(jié)果

3 注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 型腔與型芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

不同于常規(guī)的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，氣輔模具還需考慮溢料井結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括溢料井的大小、溢料口的模內(nèi)切結(jié)構(gòu)等，該模具的型腔結(jié)構(gòu)如圖4 所示。由于產(chǎn)品成型區(qū)域有多處較高的凸起，該處需要良好的排氣和冷卻效果，同時(shí)為了方便模具加工及后期的維護(hù)，將產(chǎn)品成型面設(shè)計(jì)為一個整體鑲塊，鑲塊材料采用成本較高的鈹青銅，鈹青銅具有良好的高導(dǎo)熱性能，可降低產(chǎn)品的冷卻周期；定模A 板所用的材料為塑膠模具鋼2711，它具有較低的維修費(fèi)用，通過真空熱處理后硬度可達(dá)HRC45 以上，同時(shí)具有很高的韌性，在A板的分型面上設(shè)有若干個承壓板，可以降低產(chǎn)品封膠面受到的鎖模力，從而延長模具的壽命，同時(shí)為了增加合模時(shí)的定位精度，在A板型腔四周設(shè)計(jì)了5°的錐面鎖模結(jié)構(gòu)[11]。

圖4 定模A板型腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

動模B 板型芯的結(jié)構(gòu)如圖5 所示，由于澆口屬于潛伏式與牛角澆口，位于動模，為了便于后期的加工與裝配，將澆口區(qū)域全部設(shè)計(jì)成鑲塊式結(jié)構(gòu)，所用材料為H13 塑膠模具鋼，淬火后硬度可達(dá)46HRC 以上；在產(chǎn)品的氣輔成型區(qū)域由于壁厚較大，為縮短冷卻時(shí)間，將此處的模仁也設(shè)計(jì)為鈹青銅鑲塊，同時(shí)在動模上設(shè)有溢料井結(jié)構(gòu)，用于存儲被高壓氣體擠出的塑料[12]。

圖5 動模B板型芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 溢料口模內(nèi)熱切及產(chǎn)品側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，溢料井里的塑料在模具開模前要與產(chǎn)品分離，可采用模內(nèi)熱切機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，模內(nèi)熱切系統(tǒng)包含4個單元：外部超高壓時(shí)間控制系統(tǒng)+耐高壓油管+高壓油缸+切刀+觸點(diǎn)開關(guān)[13]；該模具的熱切機(jī)構(gòu)如圖6 所示，選用惠普斯的方形高壓油缸，油缸內(nèi)徑為50 mm，活塞行程為20 mm，其工作原理為：溢料井充滿塑料后，溢料口未完全凍結(jié)前，在控制系統(tǒng)的作用下外部液壓機(jī)通過管道將高壓油輸送給高壓油缸，高壓油缸推動鑲針切刀，與高壓油缸相連的擋桿碰到觸點(diǎn)開關(guān)后停止運(yùn)動，此時(shí)溢料口與產(chǎn)品分離，待產(chǎn)品冷卻凝固后，高壓油缸帶動鑲針回退20 mm后再等待模具開模。

圖6 溢料口模內(nèi)熱切設(shè)計(jì)

由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖1 可知產(chǎn)品的分型面較為復(fù)雜，有多處部位需設(shè)計(jì)側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)品的T3 區(qū)域，模具采用了“斜導(dǎo)柱+斜滑塊”的結(jié)構(gòu)，如圖7所示。其中大滑塊的運(yùn)動方向與水平方向成7.5°的夾角，斜導(dǎo)柱的工作角度設(shè)計(jì)為16°，根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際所需的抽芯距離為32.5 mm，由此計(jì)算出斜導(dǎo)柱工作長度為219 mm，為保證斜導(dǎo)柱工作時(shí)有足夠的強(qiáng)度帶動滑塊抽芯，不發(fā)生變形，根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算公式及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)其直徑設(shè)計(jì)為35 mm，為防止大滑塊抽芯后在重力的作用下沿著斜面自動復(fù)位，在大滑塊內(nèi)部還設(shè)計(jì)了定位機(jī)構(gòu)，采用DME 的標(biāo)準(zhǔn)限位夾與限位銷釘，同時(shí)在滑塊的封膠面還設(shè)計(jì)了排氣槽，使產(chǎn)品成型時(shí)更加容易排氣[14]。

圖7 斜導(dǎo)柱+斜滑塊的抽芯機(jī)構(gòu)

3.3 產(chǎn)品脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于產(chǎn)品的BOSS柱較多，位置又比較深，脫模時(shí)需較大的頂出力，為了增加司筒的強(qiáng)度，所有司筒采用了分段式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖8a 所示，尾部采用直徑為16 mm的加長桿，所有加長桿外部都設(shè)有鋁青銅材質(zhì)的導(dǎo)套，頭部按產(chǎn)品成型尺寸6 mm 設(shè)計(jì)司筒；由于整個產(chǎn)品的頂出距離需要80 mm，而圖5 的動模B 板的厚度有限，導(dǎo)致有些司筒加長桿的頂出距離最多只有35 mm，因此整個頂出系統(tǒng)設(shè)計(jì)了二次頂出機(jī)構(gòu)如圖8b所示，兩個大的頂出油缸與頂針面板連接固定在一起，頂針板與頂針面板之間設(shè)計(jì)了四個定距拉桿，當(dāng)油缸帶動頂針面板頂出30 mm后，四個定距拉鉤使頂針板與頂針面板分離，接著與頂針面板相連的直頂與斜頂系統(tǒng)將產(chǎn)品、澆口凝料及溢料井里的塑料推出。

圖8 脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.4 模具水路及氣路的設(shè)計(jì)

由上述可知，該模具中有較多部位采用了導(dǎo)熱效果良好的鈹青銅作為鑲塊材料，為了能充分發(fā)揮這種材料的功效，還需設(shè)計(jì)出良好的冷卻水回路，整個產(chǎn)品的冷卻系統(tǒng)如圖9 所示，采用了“直通式+隔水片式”的水路，定模A 板設(shè)計(jì)了4 組直徑為12 mm的循環(huán)水路，其中一組與鈹青銅鑲塊連通；為防止大滑塊受熱膨脹卡死，大滑塊內(nèi)部也設(shè)計(jì)了一條直徑為8.5 mm的水路，定模B板由于有較多的頂出孔，水路不能與這些孔相干涉，設(shè)計(jì)了4 組直徑為20 mm的隔水片水路，通過12 mm的直通水路相連通；在A，B 板上分別設(shè)計(jì)了進(jìn)水與出水的集水塊，所有的水路接口分別與相應(yīng)的集水塊相連，后期生產(chǎn)時(shí)通過集水塊上的快速水路接頭實(shí)現(xiàn)模具的快速更換[15]。

圖9 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的氣輔成型，還需要在動模B 板上設(shè)計(jì)高壓氮?dú)馔ǖ?，如圖10 所示，采用直徑為6 mm的氮?dú)鈬娮?，氣道直徑? mm。

4 模具裝配圖及工作原理

車門扶手骨架的模具總裝圖如圖11所示，模具為時(shí)序閥控制的熱流道氣輔模具，在氣輔的溢料口位置設(shè)計(jì)了模內(nèi)熱切機(jī)構(gòu)，在頂出系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了四個定距拉鉤實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的二次頂出，模具整體尺寸為1 140 mm×1 140 mm×931 mm，屬于中型精密塑料模具。

模具工作過程如下：將模具安裝到注塑機(jī)后，模具上的兩個進(jìn)氣口與氣輔成型機(jī)相連，并將氣輔成型機(jī)的輸入信號線與注塑機(jī)相連；第一階段注塑機(jī)的螺桿按設(shè)置好的注射量將熔融塑料通過順序閥的控制，經(jīng)熱流道系統(tǒng)13 進(jìn)入模具的型腔，經(jīng)過0.4 s的延遲時(shí)間后，氣輔成型機(jī)將高壓氮?dú)獍丛O(shè)定的壓力經(jīng)模具的進(jìn)氣口，通過型芯上的氣道，最后通過氮?dú)鈬娮爝M(jìn)入塑料熔體內(nèi)部，此時(shí)塑料熔體在高壓氮?dú)獾耐苿酉吕^續(xù)充滿整個型腔，并將產(chǎn)品厚壁處多余的塑料熔體推進(jìn)溢料口進(jìn)入溢料井，待溢料井滿后，高壓油缸36 推動鑲針切斷溢料口，此時(shí)高壓氮?dú)饫^續(xù)保壓，待氣體保壓時(shí)間結(jié)束后，氣輔成型機(jī)停止高壓氮?dú)獾妮敵?；高壓油?6帶動鑲針回退，碰到觸點(diǎn)開關(guān)37 停止；此時(shí)模具的動模部分開始運(yùn)動，產(chǎn)品上的滑塊29 在斜導(dǎo)柱30 的作用下完成側(cè)向抽芯與產(chǎn)品分離，產(chǎn)品留在動模，接著四個頂出油缸5 同步運(yùn)動，通過頂針板2 推動頂出系統(tǒng)，運(yùn)動30 mm 后，在定距拉鉤的作用下，頂針板2停止移動，頂針面板3 繼續(xù)推動產(chǎn)品與其它廢料自動分離脫模，通過機(jī)械手將產(chǎn)品取出；最后頂出系統(tǒng)復(fù)位，模具合模進(jìn)入下一個成型周期。

5 結(jié)論

針對某車門扶手骨架的結(jié)構(gòu)，通過CAE技術(shù)仿真了整個氣體輔助注塑的過程，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果中的氣體穿透長度比較理想。該模具為一模兩腔結(jié)構(gòu)，采用了三點(diǎn)針閥式熱流道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使用時(shí)序閥進(jìn)行控制，降低了注塑壓力，在產(chǎn)品的溢料口處設(shè)計(jì)了模內(nèi)熱切結(jié)構(gòu)，使得溢料井里的塑料與產(chǎn)品能自動分離；在頂出系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩個油缸來保持頂出平衡，通過四個定距拉鉤的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了二次脫模，使產(chǎn)品順利頂出；模具試模后，產(chǎn)品氣輔區(qū)域無缺陷，證明該氣輔模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，為相關(guān)行業(yè)提供了參考價(jià)值。