汽車中央通道主體大型注塑模具設計

張維合

(廣東科技學院機電工程系，廣東 東莞 523083)

機械與模具

汽車中央通道主體大型注塑模具設計

張維合

(廣東科技學院機電工程系，廣東 東莞 523083)

根據汽車中央通道主體的結構特點和外觀要求及汽車中央通道主體注塑模具成型零件、側向抽芯機構、澆注系統、溫度控制系統、導向定位系統和脫模系統的設計要點和經驗，設計了一副側向抽芯、2點順序閥熱流道大型注塑模具。實例測試表明，模具動作安全穩定，結構先進合理，成型周期和成型塑件精度都達到了設計要求；模具成型周期控制在60 s左右，勞動生產率提高了約10 %。

汽車中央通道主體；注塑模具；側向抽芯機構；順序閥；熱流道

0 前言

汽車中央通道是用來操控掛檔換檔、放置茶杯等物件的一個機構，位于駕駛室正中位置。不同車系的中央通道有不同的配置，同一車系因檔次高低不同配置也不盡相同。隨著時代的進步，人們對汽車的審美水平也越來越高，汽車不僅要有良好的使用功能，還要有和諧統一的外觀和內飾零件。中央通道主體是中央通道中的主要零件(見圖1)，作為內飾件，它不但外觀要求高，表面需加工皮紋，而且其結構的復雜程度也僅次于儀表板，其成型模具的結構非常復雜。本文詳細介紹了汽車中央通道注塑模具的設計要點和經驗技巧。

圖1 汽車中央通道三維效果圖Fig.1 3D graph of the car vice dashboard

1 塑件外觀要求與結構分析

圖2所示為某品牌汽車中央通道主體塑件結構圖，材料為添加20%滑石粉的聚丙烯(PP/TD20)，其中PP為中央通道主體的基材，滑石粉為添加劑，它可以提高中央通道主體塑件的剛性。塑件收縮率取1.1 %[1]，平均壁厚為2.5 mm，塑件結構特點包括：

(1)尺寸大，形狀復雜。本塑件外形最大尺寸為950.9 mm×205.8 mm×208.7 mm，屬于大型復雜汽車內飾件。

(2)本塑件兩側具有獨特的長波浪狀的外形，造型美觀，外觀面需做皮紋，所有粗皮紋面脫模斜度設計在5 °以上，從而防止塑件皮紋后拉傷，以及粘定模現象的發生。

(3)塑件內、外側共有13處倒扣(S1～S13)，其中S1、S2兩處倒扣面積很大，且此處內側面凸臺又是S3和S4，由于受塑件內空間影響，無法設計斜頂滑塊等內側向抽芯機構，此處如何脫模是難點。

(4)塑件內側加強筋多，熔體填充和塑件脫模都很困難。在汽車內外飾件中，加強筋一般大端做到0.9 mm，小端做到0.7 mm，脫模斜度一般為1 °左右，以防止加強筋正對的塑件表面收縮凹陷且方便脫模。

(5)塑件表面要求很嚴格，不但不允許有推桿和澆口痕跡，而且也不允許有熔接痕、收縮凹痕、飛邊和氣孔等注塑缺陷。

(a)主視圖 (b)E-E剖視圖 (c)立體圖圖2 汽車中央通道主體零件圖Fig.2 The main body of car vice dashboards

2 模具結構分析

根據中央通道塑件的結構特點，模具采用熱流道2點順序閥熱嘴進膠。圖2所示塑件外側面有2個大面積倒扣，采用“斜導柱+滑塊”側向抽芯機構。其余9個內側面倒扣則均采用“斜推塊+斜推桿抽芯”的結構。

模具最大外形尺寸為長1600 mm、寬940 mm、高1017 mm，總質量約15 t，屬于大型注塑模具[2]。模具結構詳見圖3。

1—定模固定板 2—熱流道板框板 3—墊板 4—定模板 5—推塊 6—內側抽芯(Ⅰ) 7—斜推桿 8—導套 9—導套壓塊 10—推桿 11—導柱 12—導向塊 13—復位桿 14—斜推桿底座 15—推桿固定板 16—推桿底板 17—動模固定板 18—頂出油缸 19—鑲件楔緊塊 20—滑塊 21—定位夾 22—斜導柱 23—鎖模扣 24—耐磨塊 25—定位銷 26—耐磨塊 27—定位圈 28—一級熱射嘴 29—內側抽芯(Ⅱ) 30—內側抽芯(Ⅲ) 31—熱流道板 32—二級熱射嘴 33—推件板導套 34—推件板導柱 35—動模鑲件(Ⅰ) 36—斜推桿底座 37，38—斜推桿 39—底座 40—動模鑲件(Ⅱ) 41—撐柱 42—推桿 G1,G2—熱射嘴 (a)動模排位圖 (b)A-A剖視圖 (c)B-B剖視圖 (d)熱流道澆注系統圖3 汽車中央通道主體模具結構圖Fig.3 Injection mold schematic of the main body of car vice dashboards

2.1 成型零件設計

模具成型零件包括動模鑲件32、定模板5、動模鑲件38以及側向滑塊20等零件，詳見圖3和圖4。定模采用整體式結構，其目的一是為了減小模具外形尺寸，降低模具成本，二是為了提高模具強度和剛性，提高模具壽命[3]；由于型芯高出分型面很多，故動模采用鑲拼式，以方便模具制造。根據客戶要求，本模具使用壽命為30萬次，動模鑲件材料為熱作模具鋼P20，它是引進美國的中碳 Cr-Mo系塑料模具鋼。定模型腔由于表面需加工皮紋，定模板材料采用預加硬塑料模具鋼718。

2.2 導向定位系統設計

注塑模具的導向定位系統對其的使用壽命和成型品質影響很大，客戶對大型汽車注塑模具中的導向定位系統往往要求很嚴，模具設計工程師必須格外重視。該模具除了在4個角上各設計了1支φ70 mm×300 mm的圓導柱，還設計了6幅1 °精確定位塊。另外，對于表面需做皮紋汽車內外飾件，外觀夾線精度要求高，動定模具之間除了有精準止口定位外，還必須有邊鎖，詳見圖4所示。

(a)定模立體圖 (b)動模立體圖圖4 汽車中央通道主體模具立體圖Fig.4 3D graph of the injection mold

導柱的直徑按標準模架確定，導柱11的長度必須做到在斜導柱22插入滑塊20之前20 mm就插入導套8，否則在模具的制造和生產中將會造成安全事故，嚴重時會損壞模具[4]，這一點必須重視。為了使導柱與導套在運動過程中順利插入，導柱上方應開設排氣槽，見圖3(c)。設計此排氣槽時應注意，避免將排氣槽排氣方向朝向操作側與非操作側，應設計在上下兩側，避免導套內的黃油射向注塑機的操作者。

在汽車注塑模具中，圓導柱前端要做一段單邊5 °的錐面，保證導柱能夠安全順利地插入導套。導套長度一般取導柱直徑的1.5倍，導套須用壓板壓住，防止脫出。導套壓板材料用冷作模具鋼Cr12淬火，既可做壓板用，亦可做承壓板用。

2.3 澆注系統設計

澆注系統中澆口的位置、大小與數量設計不當將使塑件產生氣紋、熔接痕甚至填充不滿等成型缺陷[5]，這對汽車內飾外觀件來說，是不能接受的。本模具澆注系統采用熱流道2點進膠，可以輕松解決氣紋問題，但熔接痕在所難免，因此當務之急是如何將熔接痕形成在塑件的非外觀區域。為此筆者采用了由順序閥控制射膠順序的熱射嘴，使得塑料熔體可以在不同的時間段依次進入模具型腔，從而控制塑件表面熔接痕的位置，將其形成于非外觀面上。為保險起見，型腔的進膠位置、數量、大小以及先后次序、相隔時間，在設計前都進行了模流分析驗證。汽車中央通道注塑模熱流道板、熱射嘴結構見圖3(d)所示。

模具的澆注系統由熱流道和普通流道組成，塑料熔體由熱流道進入普通流道，最后分別通過側澆口和潛伏式澆口進入型腔，詳見圖3(b)和圖5。

圖5 澆注系統圖Fig.5 The gating system

2.4 側向抽芯機構設計

側向抽芯機構是本模具最重要也是最復雜的機構。側向抽芯機構的數量達11個，分別完成塑件內、外側共13處倒扣的脫模。其中倒扣S1和倒扣S2的位置對稱，面積大，抽芯力也大，模具采用了“滑塊+斜導柱+限位夾”2個相同的外側抽芯機構，詳見圖2(c)。該機構包括滑塊20，斜導柱22，限位夾21和耐磨塊24。倒扣S5～S13 9個倒扣結構也基本相同，內側抽芯機構均采用“內側型芯+斜推桿+導向塊+滑動底座”的組合機構，詳見圖2(b)、2(c)。

圖6 倒扣S3和S4采用強制脫模Fig.6 The forced release mechanism of S3 and S4

而倒扣S3和S1背靠背，倒扣S4和S2背靠背，由于靠的太近，加上塑件內側空間較小，無法設計斜頂或滑塊等側向抽芯機構，見圖6。經研究，倒扣S3和倒扣S4采用強制脫模機構，這是因為(1)塑件材料為PP/TD20，材料本身具有良好的彈性；(2)倒扣S3和倒扣S4二處結構為光滑弧面；(3)倒扣深度相對于塑件此處的高度較小，變形率約為2.5 %，小于PP料5 %的變形率[6]；(4)強制脫模時，外側面的滑塊已經“遠離”塑件，倒扣S3和倒扣S4外側面存在塑性變形的空間。

2.5 溫度控制系統設計

根據模具的大小和結構特點，溫度控制系統采用了“直通式水管+水井”的組合形式，詳見圖7。它主要采用直通式水管，水管直徑均為φ12 mm，同時在動模鑲件中采用了42個水井，水井直徑均為φ20 mm。這種溫度控制系統結構的優點是冷卻均衡，冷卻速度快，塑件不會產生翹曲變形等成型缺陷，適用于大型和精密注塑模具。缺點是水井數量過多，會對模具強度造成一定的影響。

(a)定模冷卻系統 (b)動模冷卻系統圖7 汽車中央通道主體模具冷卻系統圖Fig.7 The temperature control system

本模具的定模側設計了18股水路，動模設計了4股水路，動模每股水路的拐彎次數都控制在4次以內，冷卻水道長短做到了基本相等，避免因水路太長，而影響模具的冷卻效果。同時冷卻水管之間的距離必須在50～60 mm之間，冷卻水管到型腔表面之間的距離必須在20～25 mm之間。冷卻水的流動方向盡量做到了與塑料熔體流動方向一致，經驗表明，這樣的設計使塑件得到了良好的外觀品質，模具也得到了良好的冷卻效果，成型周期被成功控制在60 s以內，與以前同類型汽車中央通道主體成型周期66 s相比，勞動生產率提高了10 %左右。

另外，熱嘴區域以及熱嘴正對著的動模區域，需要設計冷卻水來加強對熱嘴區域的冷卻，避免塑件外觀出現缺陷。在汽車模具設計中，模流分析是必須的，它不但可以看出熔體流動情況，還可以看出模具的溫度場情況，為冷卻水路的設計提供參考。

2.6 脫模系統設計

中央通道主體屬于深腔類大型塑件，對模具型芯的包緊力大。為使塑件安全平穩脫離模具，脫模力必須足夠大。因此本模具的推件數量應盡量多，推件尺寸應盡量大。該模具的推出零件包括推塊5和推桿40，另外，斜推桿7、35、36不但推動內側抽芯6、29、30進行側向抽芯，同時也起到推動塑件脫模的作用。

模具推件全部裝配在推件固定板15和推件底板16上。為了保證所有推件的推出和復位安全、平穩、順暢，設計脫模系統時采用的措施有：(1)推件固定板15和推件底板16采用4個直徑為φ63 mm×140 mm的油缸推動脫模和拉回復位，4個油缸的油路串聯布置，保證其動作同步，做到了頂出和復位平衡；(2)普通模具采用4支復位桿，本模具采用了6支復位桿13，以保證復位平穩可靠；(3)普通模具的推件固定板一般采用2組或4組導柱和導套，本模具采用了6組導柱導套，以保證推件的運動精度和模具使用壽命，詳見圖3(b)中的33、34。

圖8 斜推桿的4種裝配方式Fig.8 Four ways of assembling the inclined putter

對于中央通道主體這樣的采用PP料的汽車內外飾件一般應盡量多用推塊，少用推桿，以防止塑件外觀出現頂白等缺陷。本模具的4個頂出油缸底部必須設計限位釘，限位釘和緊固螺絲的間距應控制在200 mm左右，以保證模具的強度。為保證裝拆方便，除了模板上需設計吊環螺孔外，推件固定板和推件底板也需設計6個工藝螺孔。另外，對于汽車中央通道主體這樣的大型模具，所有的斜頂，推塊，油缸等零部件，必須要保證在不拆模的情況下可以拆卸。對于大型汽車注塑模具所有的推桿過孔、推管過孔、螺釘過孔、斜頂桿過孔，單邊都必須避空1 mm以上(普通模具為0.5 mm)。模具的斜推桿數量較多，且位置較近，相互之間易發生干涉，對此斜推桿底座采用了正裝和反裝2種結構，相互錯開。圖8中是汽車注塑模具斜推桿底座常見的4種結構，其中方式一和方式四是反裝結構，方式二和方式三是正裝結構。反裝的斜頂座的斜頂桿與頂針底板之間的腰形避空孔避空要足夠，以避免與萬向斜頂座干涉。

3 模具工作過程

塑料熔體通過注塑機噴嘴，依次通過一級熱射嘴28、熱流道板31、二級熱射嘴32進入模具分型面之間的普通流道，最后經側澆口和潛伏式澆口進入模具型腔；熔體充滿模具型腔后，經保壓和冷卻，當固化至足夠剛性后，注塑機開模機構啟動，拉動模具從分型面Ⅰ處打開。在A、B板打開過程中，斜導柱22撥動滑塊20進行側向抽芯，完成倒扣S1和S2的脫模；分型面Ⅰ打開300 mm后，4個頂出油缸18同時啟動，推動推件固定板及全部推件，將成型塑件推離動模，推件的推出距離135 mm；接著機械手取出塑件，最后油缸18推動推件及其固定板復位，注塑機推動動模合模，模具進行下一次注射成型。

4 結論

(1)采用順序閥熱射嘴，動、定模各增加一條冷卻水路等的設計改善了該注塑模具在塑件生產過程存在的起皺、破裂以及直接影響到裝配的回彈等問題；

(2)模具各部分結構先進合理，成型塑件的尺寸精度及外觀品質均達到了設計要求，在耐沖擊、抗壓力、抗振動及安全性測試方面取得了優良效果；

(3)模具成型周期控制在60 s左右，與過去汽車中央通道主體注塑模具相比，勞動生產率提高了10 %左右。

[1] 張維合.注塑模具設計實用手冊[M].北京：化學工業出版社，2011:112-177.

[2] 張維合.注塑模具設計經驗技巧與實例[M].北京：化學工業出版社，2015:67-82.

[3] 萬鵬程.汽車保險杠注塑模澆注系統設計與成型參數優化[M].昆明：昆明理工大學出版社，2011：58-75.

[4] 張維合.汽車注塑模具設計要點與實例[M]. 北京：化學工業出版社，2016:23-45.

[5] 程 美.基于Moldflow的汽車盒體件注塑模具設計[J].中國塑料， 2016，30(2): 104-108. Cheng Mei. Injection Mold Design of Auto Parts Based on Moldfow[J].China Plastics,2016,30(2):104-108

[6] 高 慧，張文兵，沈建新,等.汽車油箱密封蓋注塑模具的研制[J].中國塑料，2015， 29(11): 113-116. Gao Hui, Zhang Wenbing, Shen Jianxin, et al.Development of Injection Molds for Automobile Fuel Tank Sealing Covers[J]. China Plastics,2015，29(11): 113-116.

科萊恩將攜手CB&I公司在中國設計全新的大型丙烷脫氫裝置

2017年2月28日，全球領先的特種化學品制造商科萊恩宣布已與東莞巨正源科技有限公司簽約，將與CB&I合作開發新型丙烷脫氫裝置。該項目包括脫氫裝置的許可和工程設計，項目地點位于廣東省東莞市。這套裝置將成為全球最大的單套脫氫裝置之一。科萊恩的技術合作伙伴CB&I將基于其Catofin?催化脫氫技術進行裝置設計，這一技術將采用科萊恩定制的Catofin催化劑和發熱材料(HGM)。Catofin脫氫工藝是一種業已成熟且高度可靠的技術，可將異丁烷轉化為異丁烯、將丙烷轉化為丙烯、將異戊烷轉化為戊烯。該技術采用最合適的反應器壓力和溫度進行操作，可實現丙烷轉化率的最大化，從而提高丙烯產量，同時也降低了投資和操作成本。這些性能優勢在Catofin工藝采用HGM后會得到進一步提升。HGM是一款創新的金屬氧化物材料，旨在顯著提高Catofin裝置的選擇性和產量。HGM材料與催化劑一同裝入反應器床層，在循環操作周期中經歷氧化和還原過程，產生熱量，從而驅動脫氫反應。不僅能夠提高產量、降低能耗，還能減少排放。HGM在中國和韓國的幾家丙烷脫氫工廠中已經展現出卓越的性能。鑒于其對提升原料利用率所做出的重大突破性貢獻，這一創新技術在2015年入選柯克帕特里克(Kirkpatrick)化學工程成就大獎。科萊恩高級副總裁兼催化劑業務單元總經理司徒浩(Stefan Heuser)表示：“我們很榮幸能夠參與到東莞巨正源公司的這一重要項目當中。此前的一些項目已經證明，Catofin和HGM技術不僅可以為我們的新客戶帶來明顯的商業優勢，還可以幫助他們削減排放。”

Design of Large-sized Injection Molds for Main Bodies of Auto Central Channels

ZHANG Weihe

(Guangdong University of Science & Technology, Dongguan 523083, China)

On basis of structural characteristics and appearance requirements for main bodies of auto central channels, a large-sized side core-pulling injection mold equipped by a hot runner system with two sequence valves was designed in terms of the design considerations and experiences of injection mold forming parts, side core-pulling mechanism, gating system, temperature control system, guiding system and stripping ejection system. Injection molding tests indicated that the mold was safe and stable during motion due to its reasonable structure, and its forming cycle and precision met the requirements for our design. The cast study demonstrated that the productivity increased by approximate 10 % when the forming cycle of the mold was controlled at about 60 s.

main body of auto central channel; injection mold; side core-pulling mechanism; sequence valve; hot runner system

2016-12-01

TQ320.66+2

B

1001-9278(2017)05-0092-06

10.19491./j.issn.1001-9278.2017.05.017

聯系人，allenzhang0628@126.com