汽车保险杠注射模设计

黄 智

中山职业技术学院（广东中山 528400）

1 引言

目前，我国的模具制造行业有了飞速的发展，对模具的要求也更加精细化，一些模具设计软件（比如UG、Creo、MoldFlow等）也越来越先进。在模具开发前，运用UG、Creo等对塑件结构进行充分的分析，然后运用MoldFlow软件对塑件进行模流分析，找出最合理的进浇位置，并且结合以前开发同类模具的经验，可以开发出更合理的模具。

保险杠是汽车的一个外观零件，精度要求较高，重量较重，材料为PP。如果模具设计不合理，注射成型时塑件容易出现变形、熔接缝、气泡、烧焦或者披锋等不良现象。因此，为了生产出合格的塑件，除了有合理的注射成型工艺外，还应有一副结构合理、精度较高、使用寿命较长的注射模。现介绍一款汽车保险杠的塑料注射模，分别从定模结构、动模结构、冷却水路、流道、顶出机构、排气槽设计等几方面对该模具进行分析。

2 塑件结构分析

该汽车保险杠长度约为1.75m，高度为0.6m，宽度为0.2m，壁厚为2.5mm，主视图呈扁担形，前视图呈拱形，如图1所示。塑件上有若干个异形通孔和两个车灯装配位，可以在模具上用碰穿方式实现。塑件的侧面有若干个圆孔，不能顺利脱模，需用动模滑块机构实现，塑件上无倒扣，模具上没有斜顶机构。

图1 汽车保险杠塑件图

3 定模采用整体结构设计

汽车保险杠的定模钢材选用GS738，采用整体结构，即胶位直接出在定模板上，而不是在定模板上开框，再把型腔零件镶进定模框中。这种整体结构使定模更牢固，强度更好，能有效防止型腔变形，也能防止注射成型时产生飞边。

定模板的尺寸为2,250×600×720mm，使用锻打料，型腔侧边钢料最薄处的尺寸为200mm，型腔底面最薄处的尺寸为120mm，强度符合模具生产的要求。同时为了防止动、定模在注射成型时产生错位现象，除了用导柱导套定位外，还在定模与动模分型面上设计凸、凹的定位机构，在合模后，该机构能使动、定模紧紧地啮合在一起，可靠性较好，有效防止动、定模发生错位，避免胶位不均匀，定模整体结构如图2所示。

4 动模采用分体结构设计

汽车保险杠型芯的形状又细又长，呈拱形。将动模的型芯和动模板分开，则动模板可以用较低品质的材料（S50C，2,250×600×320mm），型芯采用较好的材料（P20锻打料，1,728×600×528mm），型芯材质比动模板材质好，不仅能节约原材料成本，可以降低加工的工作量。加工完成之后，再将型芯镶进动模板框中，符合模具设计原理。为了防止型芯磨损，在动模型芯上增加耐磨片，耐磨片的材料选用40Cr，并热处理至47～50HRC，具有耐磨和润滑作用，动模镶件结构如图3所示。

图3 型芯镶件结构图

5 优化冷却水路

冷却水路在塑料模具结构中非常重要，它直接关系到塑料模具的成功与否。保险杠的材料为PP，该材料比重为0.9～0.91g/mm3；成型收缩率为1.0%～2.5%；成型温度为160℃～220℃。冷却温度为50℃～90℃，当模具温度低于50℃时，PP的流动性不好，无法充满整个型腔，易产生注射不满、熔接不良、流痕，模温高于90℃时，塑件冷却时间长，易发生翘曲变形，因此，控制模具温度非常重要。为了使正常生产的模具各部分温度保持均匀，根据保险杠塑件形状对冷却水路分布进行优化，在模具材料较薄的部位（比如型腔的中间部位）适当减少冷却水路；而在模具材料较厚的部位（比如型腔的两端），适当增加冷却水路，这样可以通过冷水在模具中的流动控制模具温度，并使各部分的模温均匀，以达到PP料的注塑要求，其中定模冷却水路设计如图4所示，动模镶件的冷却水路图与定模类似，由于篇幅原因，这里不再列出。

6 集水块集中供水

传统的冷水连接方式是只有一个冷水进口和一个冷水出口，一般情况下直接将模具的冷却水管连接在自来水管上，不同的冷水管是以串联的方式联接在一起，当冷水从一个冷水管流进另一个冷水管时，也会从其他水管中带入热量，使不同冷水管的温度逐渐升高，导致模具不同位置的温度不均匀。而采用集水块集中供水结构，不同冷水管是以并联的方式连接在一起，使模具上每个冷水管的水都是直接从自来水管中流出的自来水，水温一致，从而使模具各部位的温度均匀，而且集水块供水结构不但可以能简化水管的连接方式，减轻工人安装冷水管的劳动强度，还可以减少故障发生率，该模具集水块集中供水结构如图5所示。

图5 集水块快速装置

7 热流道进料系统

汽车保险杠的形状是又细又长，且为拱形结构，如果采用大水口或细水口的进料方式，由于流道的距离较长，水口材料浪费大，导致生产成本提高，同时也会严重影响高分子聚合物的流动性能，需要提高注射成型压力才能满足成型需求，而且提高注射成型压力会导致塑件出现飞边或披锋、气泡或者烧焦的现象。另外，大水口或细水口的流道较粗，需较长时间才能使流道中的材料冷却，从而导致生产周期较长。而使用热流道进料就能克服上述现象，它能缩短流道长度，减少水口料的浪费，也能减轻注射成型压力，节约注射成型成本，该模具设计有3个热流道进胶口，如图6所示。

图6 热流道结构图

8 顶出机构

保险杠塑件表面积较大，并且塑件上有许多筋位，需要有较大的力才能将塑件从型芯中顶出，如果用顶杆顶出，由于顶杆的横截面积较小，则单位面积上所受的力非常大，在顶出时容易在塑件上形成顶白，严重情况下有可能损坏塑件，如果增加顶杆，则顶杆的密度就会增加，从而会影响型芯中冷却水路的设计。为了避免这种现象，将顶出机构做成顶块的形式，有两个方面的优点：①增加顶出位置的受力面积，可以减少单位面积上的顶出力，避免在塑件上出现顶白；②顶出机构的顶杆直径较小，不影响型芯的强度，也不影响在型芯中冷却水路，顶出机构的结构如图7所示。

图7 顶出机构

9 增加排气槽，提高塑料的流动性

保险杠的体积较大，型腔里面充满大量的空气，在注射成型时，高温的高分子化合物将在极短的时间内填满整个型腔，如果型腔中的空气不能及时排出，空气就会在短时间内被压缩，形成高温高压的气体，当温度超过高分子的燃点时，就会使塑件上出现烧焦的现象。而且，如果空气不能及时排出，还会在塑件上形成气泡，出现注射不满的现象。为了使型腔中的空气顺利排出，在塑件上细、深位或筋位处增加顶杆，或将这部分做成镶件形式，使型腔中的空气沿镶件侧壁排出。另外，还在定模的车灯碰穿位置沿车灯的轮廓添加排气槽和排气孔，因排气孔的直径较大，能使型腔中的空气沿排气孔快速排出，而且在车灯装配位置添加排气槽和排气孔，塑件上的不良现象将会被车灯遮住，不影响塑件的外观，也不影响模具强度，车灯位的排气槽和排气孔如图8所示。

图8 在车灯位置添加排气槽

10 模具整体结构

由于模具上有许多活动零件，运动时受重力的影响，在模具开模和合模过程中，应合理利用重力，因此，必须在模具装配图上标识摆放方向，严禁在注塑机上反装。另外为了保护模具上的水管接头等零件，还需要在模具上加装模脚，模具结构如图9所示。

11 模流分析果及解决方案

经过MoldFlow软件对塑件进行分析可以发现，塑件各部分厚度均在2.5mm左右，不存在明显的厚度差，用3个浇口比较合理，可以减少熔接缝等不良现象，塑件的填充时间为6s，注射时的最大压力在浇口附近，为147MPa，温度分布在材料允许范围以内，流动前后温差较小，锁模力在30kN以下。

模流分析结果显示，在车灯处以及扣位处存在熔接鏠和气泡，这些缺陷可以加工通过排气槽、添加顶杆得到解决。

模流分析结果显示，塑件在成型过程中，由于冷却不均匀、收缩不同步或分子配向性效应等原因，可能会导致翘曲，总体翘曲变形量为15mm左右，可以通过降低注射速度，改善冷却水路，增加保压时间等方面得到解决。该塑件的模流分析如图10所示，由于塑件较细长，为了篇幅关系，这里只截取模流分析图的一半。

图9 模具的整体结构

图10 模流分析图结果

12 模具工作过程

注射完成后，在注塑机的作用下，动模与定模分离，在包紧力的作用下，塑料制件紧紧包裹在动模型芯上，并跟随动模一起运动，与定模分离。同时动模各滑块一起运动，各滑块在各自的斜导柱（斜导柱安装在定模）的导引下，同时向远离模具中心的方向运动，直至完全脱离塑料件，最终实现滑块型芯和塑件的分离。当动模运动到极限位置后，动模与定模完全分离，注塑机推杆推动模具的推板向定模方向运动，进而带动所有推杆、顶杆和顶块一起作顶出运动，当限位柱碰上动模动模板底面时，顶出机构停止运动，此时滑块已脱离塑件，塑件从动模型芯上被顶出，整个顶出动作完成。各顶出机构在注塑机推杆的作用下开始复位，该模具设有一个复位开关，在复位开关完全到位的情况下，表示模具各零件（包括顶杆、滑块等）已完全复位，此时才可以合模，开始下一次注射成型周期。

13 结论

本模具生产时所使用的注塑机为2,000t，具有注射压力小、水口料浪费少、成型快、塑件变形小、塑件表面缺陷少等优点。经实际生产证明，本模具结构设计合理，生产效率高，模具使用寿命长，目前仍在正常生产。