基于顺序阀与复杂抽芯技术的汽车门槛精密模具设计

2022-08-17符立华赵贵昱任建平

工程塑料应用 2022年8期

符立华，赵贵昱，任建平

(1.台州科技职业学院，浙江台州 318000； 2.余姚市汇合塑化有限公司，浙江余姚 315400)

随着家用汽车的普及，汽车的轻量化要求也越来越高，主要体现在更多的塑料件应用在汽车内饰件上，汽车门槛是汽车内饰件重要的组成部分，它集美观性、安全性、装饰性为一体，还要满足人机工程等要求。在汽车发生侧向碰撞时能提供一定的缓冲保护，同时对车外噪音起到屏蔽的作用[1–2]。汽车门槛模具结构复杂，成型难度大[3]。笔者成功设计了某款汽车左右门槛注塑模具，该模具采用了顺序阀控制的热流道注塑技术与复杂抽芯的结构。

1 塑件外观与结构分析

图1 为汽车的左右两个门槛的二维结构图。

图1 汽车门槛的二维结构图

一般家用车上的左右两个门槛整体结构基本一致，只有局部的特征稍微有点区别，因此可将两个产品设计在同一副模具里，可减少模具的总成本。该产品的材料为聚丙烯(PP)，收缩率为1.7%，平均壁厚为2.3 mm，单个体积约为374 cm3，总体尺寸为954 mm×92 mm×308 mm。图1 中左门槛A面T1 处有一个直径为14 mm 的侧孔，T2 为一处尺寸为113 mm×32 mm×30 mm 内凹特征；T3处有一个长度为34 mm，直径为8 mm 的细长搭扣侧凸特征，其局部放大为图1b 所示；T4 处为一个宽6.5 mm×0.8 mm 的加强筋特征；T5 为5 处与脱模方向成15.5°的倒扣，其局部放大见图1b；右门槛A 面的T6 处有整体的侧凹约为3 mm。左右门槛的A 面是外观面，质量要求较高，要求体积收缩均匀、不得出现熔接线、缩痕或其它的注塑缺陷，外表面粗糙度取0.32 μm；同时该产品作为一个装配零件，对其尺寸精度与变形都有较高的要求。以上这些塑件的结构特征给模具设计带来很大的难度。

2 浇注系统设计

为保证汽车门槛的外观质量，模具采用“热流道+冷流道+侧浇注”的浇注方式。如果采用同步浇注的方式会在塑件表面产生熔接痕及变形等缺陷[4–5]，本次汽车门槛的注塑模具浇注系统采用两组3点顺序阀热流道浇注，浇注顺序为G1 →G2 →G3，通过控制各点阀针的开启时间来保证门槛的成型时的外观质量，具体结构如图2 所示，根据产品的尺寸确定热流道的阀针直径为8 mm。

图2 汽车门槛的热流道系统

3 模具结构分析

3．1 主要成型零件及排气系统设计

由于模具尺寸较大，定、动模板均采用整体式，定模A 板要求较高，采用德国标准1.2738 预硬模具钢，可减少正常模具加工生产中的热处理环节，该模具钢有优良的抛光性及光蚀刻花性能[6–7]，其结构见图3，在分型面边缘每隔50 mm 设计一个宽度为10 mm，深度0.02 mm 的排气槽，为达到塑件的表面质量要求，型腔粗糙度Ra=0.8 μm[7–8]。动模B 板结构见图4，采用P20 预硬模具钢，该材料性价比较高，可降低模具的成本，硬度为28～32 HRC[9–10]。

图3 定模A 板

图4 动模B 板

3．2 抽芯机构的设计

(1)定模抽芯机构。

由于左门槛A 面有一个直径为14 mm 的侧向通孔特征T1，外表面要求无痕，需采用定模抽芯，如果采用常规的斜导柱滑块抽芯结构，需要把斜导柱设计在动模板，这样会增加模具的装配难度[11–12]。故采用液压油缸与镶针的结构，其如图5 所示，通过抽芯块4 与连接块2 的T 形槽连接，将油缸6 的竖直方向运动转化为镶针1 的抽芯运动，油缸的工作行程为50 mm，通过调节行程开关7 来限制，T 形槽的角度为10°，可计算出镶针的抽芯距为8 mm，符合要求。

图5 T1 特征的抽芯机构

左门槛A 面的T2 特征在定模型腔面，抽芯距离需要35 mm，该截面尺寸较大，成型时该处成型滑块1 需要较大的锁模力，因此在该处抽芯油缸10与锁模油缸5 必须分开使用，该机构的三维结构如图6 所示，开模前锁模油缸5 带动锁紧块2 做抽芯运动，待锁紧块延长杆3 碰到行程开关4 后，抽芯油缸10 通过滑块连接杆6 带动成型滑块1 做脱模运动，为了锁紧块2 能为成型滑块1 提供更大的锁模力，它们之间的锁模角度设计为5°。

图6 T2 特征的抽芯机构

(2)动模抽芯机构。

动模处门槛头部抽芯的大滑块4 整体结构较大，与水平方向呈9.7°倾斜，抽芯距离较长达到60 mm，所以采用倾斜式液压抽芯机构如图7a 所示，由于T3 处的搭扣长径比较大，成型时在滑块上产生的包紧力较大，如果用大滑块直接脱模，很容易将T3 的特征拉断或变形，因此大滑块4 上叠加设计了一个小滑块2，其运动原理如图7b 所示，斜导柱1的直径为20 mm，有效工作长度L1 为105 mm，其工作角度α 为18°；小滑块的工作距离L2=L1sinα/cosβ，可计算得出其工作行程L2 为33 mm；由于整个机构的空间有限，小滑块中间部位通过固定在大滑块上的单根T 形导滑条3 进行导向工作；整个机构通过油缸7 进行抽芯与复位。

图7 滑块叠滑块的机构

动模右门槛的T6 处有整体的内凹特征，需设计滑块机构，经CAD 软件计算得出其抽芯距离为80 mm，由于其脱模方向与水平方向成9°的夹角，因此采用了油缸抽芯，其结构如图8 所示，通过固定在动模B 板上的油缸4 使滑块1 进行抽芯与复位。

图8 T6 处特征的抽芯机构

动模左右两个门槛都有T5 相同的与脱模方向成15.5°夹角的共10 处特征，常规的脱模方法是采用斜顶机构，但是斜顶的角度一般不能超过12°，角度太大一方面加剧斜顶与导向块的磨损，另一方面斜顶工作过程会受到大的扭矩而变形，长时间会有斜顶卡死或断裂的风险[13–14]。图9 为定距拉钩的内抽型芯的脱模机构。因此在此处设计了一种定距拉钩的内抽型芯的脱模机构，如图9a 所示，该模具有两处分型面，第一分型面在动模B 板2 与动模垫板4 之间的PL1 处，刚开模时在6 个开模弹簧3 的作用下动模B 板2 与动模垫板4 分开，在图9b 中的固定在动模垫板4 上的滑座拉动内抽型芯按图10所示的AD 方向运动，AD 为内抽型芯的脱模方向距离L1=34 mm，BD 为其沿着滑座运动的方向距离L3=9 mm，当该分型面的开模距离达到35 mm时，动模拉杆9 头部克服弹簧6 的弹力推动卡块7使其与定模拉杆5 分离，此时动模垫板4 拉动6 根限位杆10 使动模B 板运动，第二分型面PL2 打开，完成该机构的工作过程。

图9 定距拉钩的内抽型芯的脱模机构

图10 内抽型芯运动原理图

3．3 推出机构的设计

由于产品A 面要求较高，如果采用顶针推出，会容易出现A 面顶白等缺陷，因此模具采用头部面积较大的斜顶块+直顶块的组合推出机构，如图11所示，由斜顶杆+导向铜套+万向滑座组成的斜推出机构，直顶杆+导向铜套+调节螺钉组成的直推出机构。斜顶块与直顶块要与动模材料不一致，采用1.2738 预硬模具钢，为了保证顶出时的刚度，直顶杆的直径需20 mm，斜顶杆的直径需25 mm。

图11 产品的推出机构

3．4 冷却系统

由于该塑件是不规则的空间曲面结构，如果冷却不均匀，很容易发生翘曲变形的现象，为此各成型零件需得到良好的冷却[15–16]。整体的冷却水路结构如图12 所示，采用了“直通式+隔水片”的组合水路，每个大滑块都有直径为12 mm 的单独回路，有些较深腔的部位采用直径为24 mm 的隔水片式水路，定模设计了5 组直径为15 mm 的独立水路，使型腔表面的温度保持在较低的范围；动模由于各种机构较多，空间距离有限，设计了4 组直径为15 mm 的独立水路。

图12 冷却系统的水路结构

4 模具装配图及工作过程

模具的装配图如图13 所示。总尺寸为1 820 mm×1 520 mm×1 290 mm，属于大型的精密模具，整体结构为一模两腔的顺序阀热流道注塑模具。

图13 模具装配图

模具工作过程如下：首先将热流道接线口14与温控箱连接，设定好加热的温度，再将控制阀针气缸的进气口51 与注塑机的控制接口相连，设定好阀针的打开顺序；模具合模，注塑机螺杆将PP 塑料熔体注入模具型腔，待保压冷却后；油缸50 通入液压油带动抽芯块49 完成产品T1 特征抽芯，同时锁模油缸46 也通入液压油抽动锁紧块22，待锁紧块22与滑块23 完全分离后，抽芯油缸11 通过连接杆10抽动滑块23，完成产品T2 的抽芯；接着注塑机动模板拉动模底板1，由于模具定模A 板与动模B 板被拉钩机构中的定模拉杆35 与卡块33 卡住，在弹簧26 的作用下，PL1 分型面先打开，当开模距离到达35 mm 时，图9b 中的内抽型芯完成脱模。完成产品T5 的脱模；此时，动模B 板上的动模拉杆31 压住卡块33，使其与定模拉杆35 分离，随着动模底板的继续运动，分型面PL2 打开，小滑块21 在斜导柱20 的作用下，沿其脱模方向运动，完成产品T3 的脱模；待动模停止运动后，油缸25 与油缸37 分别通入液压油抽出大滑块24 与滑块36，完成产品的侧向脱模；接着两个对称顶出油缸6 通入液压油，在内导柱5 与内导套4 导向下，推动复位杆38 与斜顶机构将产品推出；在机械手吸盘的作用下，吸住产品的A 面，将其从注塑机取出，完成一次的生产；接着顶出油缸6 先复位，随后油缸25 与油缸37 复位，所有行程开关都发出信号，动模合模完毕后，抽芯油缸11 推动滑块23 复位，锁模油缸46 推动锁紧块22 使其锁住滑块23，最后油缸50 也复位，准备下一次的生产。