右前門外拉手蓋注射模具設計

丁立剛，李海林，黃楚杰，黃鎮輝

(1.中山火炬職業技術學院裝備制造系，廣東 中山 528436；2.廣州城建職業學院機電工程學院，廣州 510925；3.中山高林美包裝科技有限公司，廣東 中山 528436)

0 前言

隨著社會經濟發展和人民群眾收入的提高，小轎車已由原來老百姓心目中的奢侈品逐漸過渡為普通家庭居家旅行和出門代步的常用工具。與此同時，隨著汽車工業的發展，小轎車的性能不斷提高，造型和款式也越來越好看，這就對汽車各關鍵性能部件和裝飾件提出更高要求，其中包括汽車各內外飾件的造型更優美、結構更復雜、尺寸更精密等。本文涉及到的是某款家用小轎車的右前門外拉手蓋(簡稱為“右蓋”)。

1 塑件工藝性分析

右蓋產品材料是苯乙烯 - 丁二烯 - 丙烯腈共聚物(ABS)和聚碳酸酯(PC)，最大外形尺寸為48 mm×37 mm×32 mm，最大壁厚在產品側邊為7.0 mm。其產品結構比較復雜，兩側各有一個勾位，左端有一內凹位，右端有一斜孔；內部結構中加強筋數量較多，高度較高，脫模斜度較小，最小壁厚僅為1.0 mm。產品壁厚相差較大，成型時會造成流動不平衡，使各個方向的填充速度差異較大，特別是薄壁處容易發生遲滯效應，導致產品短射，嚴重影響產品品質；另外，塑件壁厚不均勻時，成型中各部分所需冷卻時間不同，收縮率也不同，容易造成塑件的內應力和翹曲變形[1]。右前門外拉手蓋的結構示意圖如圖1所示。

(a)內部結構 (b)外觀形狀圖1 右前門外拉手蓋Fig.1 Cap FR door outside handle RH

右蓋產品既是結構件也是外飾件，一方面要求具有足夠的剛度和強度，另一方面也要求具有良好的外觀品質，產品注塑完畢后的后續表面需要進行電鍍處理，因此塑件不允許有任何波浪紋、氣泡、銀絲、熔接痕、澆注痕跡等缺陷。

通過對右蓋產品的結構分析，可知設計該塑件注射模具時應注意以下工藝問題：塑件上有較為復雜的勾位、內凹以及斜孔等結構，模具中需要設置合理的側向抽芯機構予以解決；內部結構中加強筋高度較高，模具中對應的型腔較深，注射成型過程中容易由于排氣不暢而發生遲滯效應，因此設計成型零件時應解決排氣問題；由于加強筋型腔較深，數量較多，塑件冷卻固化過程中容易對型芯產生較大的包緊力，因此設計推出機構時應重點考慮加強筋的脫模問題；由于塑件壁厚較厚，注射過程中必須加強對成型零件的冷卻；同時由于塑件的結構特點，將決定下模型芯需采用多型芯鑲拼結構，而且有必要對滑塊型芯進行必要的冷卻，因此模具結構中必須設置合理的冷卻系統；根據設計任務要求，該模具采用1模2腔的結構，而且根據上述可知，每個型腔的4個方向均需要設置抽芯機構，如何在保證產品外觀的前提下解決型腔進膠問題也是必須重點考慮的。

2 模具結構設計

2.1 澆注系統設計

澆注系統是指模具與注塑機噴嘴接觸處到模具型腔之間的塑料熔體的流動通道或在此通道內凝結的固體塑料，由主流道、分流道、冷料井和澆口組成。其設計方案受產品材料特性和形狀尺寸、型腔數量和排布形式以及成形零件的結構形式等方面的影響[2]。

右蓋產品的成型材料是ABS+PC，塑料熔體黏性較大，流動性較差；而且由于結構中加強筋深度較大，數量較多，將增加型腔注射充填難度。因此澆注系統流動通道不宜過長，截面積不應太小，以免塑料熔體流動過程中產生過大的壓力損失和溫降。綜合各類澆口形式的優缺點，結合本模具的結構方案，確定在塑件的內凹處中間部位下方采用側澆口的進料方式。澆注系統的分流道與澆口均在下模鑲件單邊開設，其中靠近澆口處的分流道處在塑件內凹位抽芯滑塊的下方；同時為了避免注塑過程中型腔出現排氣不良的缺陷，澆口處采用由下往上進料的方式。具體尺寸及形狀參照企業設計標準。澆注系統的三維結構如圖2所示。

圖2 澆注系統Fig.2 Gating system

由于塑件及其相應的模具結構較為復雜，為了避免結構不合理而導致后期模具制作及試生產過程中出現重大工藝問題，在模具設計初期，根據模具的初始結構方案，如表1所示，在常規注塑工藝條件下，利用常用模流分析軟件Moldex模擬分析塑料熔體的流動狀態，驗證澆注系統的合理性。

表1 成型條件

Tab.1 Forming conditions

澆注系統填充模擬結果如圖3所示，由不同注射時間下型腔的填充狀態云圖可知，該模具的注射填充過程平穩，流動狀態較好，注射完畢后未出現排氣不良等成型缺陷。 另外， 產品保壓狀態下剪切應力分析如圖4所示，由狀態云圖可知，產品保壓結束后整體結構的剪切應力小于0.629 MPa，處于較小的應力狀態下，能滿足產品品質要求。

(a)60 %的狀態云圖 (b)80 %的狀態云圖 (c)100 %的狀態云圖圖3 澆注系統填充模擬Fig.3 Filling simulation of gating system

圖4 剪切應力分析Fig.4 Analysis of shear stress

綜上所述，該澆注系統的進料方式與結構尺寸較為合理，能滿足本模具的注射成型要求。

2.2 成型零件設計

由塑件結構可知，外表面形狀比較簡單，其成形零件主要采用數控銑削加工與電火花加工，后續再進行表面拋光即可。因此，為確保塑件外觀品質和模具的強度與剛度，型腔鑲件以采用整體式結構為宜。而由于塑件內部結構比較復雜，加強筋型腔較深，數量較多，其成形零件主要采用電火花成型加工以及表面拋光；為了方便對型芯進行電火花和拋光加工，以及加工出推出機構的配合結構，同時提高加強筋對應溝槽的排氣效果，下模型芯應根據塑件實際結構進行鑲拼，因此只能采用組合式結構。此外，塑件上需要側向抽芯的部位，也根據產品實際結構進行鑲拼，并固定在對應的滑塊上。

2.3 推出機構設計

注射成型后，塑料熔體在模具型腔內冷卻定型，由于體積的收縮，塑件對型芯產生包緊力，塑件要從模腔或型芯上脫出，就必須克服因包緊力而產生的摩擦阻力，一般可用式(1)進行脫模力的估算，以便設計合適的推出零件[3]。

Ft=AP(μcosα-sinα)

(1)

式中Ft——脫模力

μ——塑料對鋼的摩擦系數，約為0.1～0.3

A——塑件包容型芯的面積

P——塑件對型芯的單位面積上的包緊力，一般情況下，模外冷卻的塑件P約取2.4～3.9×107Pa，模內冷卻的塑件P約取0.8～1.2×107Pa

α——型芯的脫模斜度

根據脫模力的估算，綜合各類推出機構的特點，并結合右蓋塑件結構可知，本模具以采用推桿推出機構為宜。同時考慮到產品材料強度剛度較好，產品內部加強筋數量較多，型腔較深，塑件冷卻固化后加強筋對下模型芯產生較大的包緊力，如果只采用圓柱推桿將容易導致產品推出過程中出現頂白甚至頂穿等問題。因此在本模具結構中，每個產品除了在合適的位置布置4根φ5 mm和2根φ4 mm的圓柱推桿，同時還在產品中間部分的加強筋下端設置1根矩形推桿(也叫扁推桿或扁頂)，以增加加強筋部分的推出力，確保塑件能順利脫模不變形。矩形推桿如圖5所示。

圖5 矩形推桿Fig.5 Rectangular ejector pin

2.4 側抽芯機構設計

右蓋產品兩側各有一個勾位，因此模具結構中必須設計側抽芯結構。由于勾位脫模需要的抽芯距離較短(≥0.7 mm)，綜合各類側抽芯機構的特點，同時為保證機構安全可靠，確定采用機動抽芯機構。

根據模具的型腔布局，該部位的側抽芯機構突破常用機動抽芯機構采用斜導柱驅動與鎖緊楔壓緊的結構形式，而是直接在鎖緊楔兩側設置T形凸邊，并在滑塊背面加工出相應的T形槽，以此作為滑塊抽芯與復位的驅動結構，使鎖緊楔既起到開模抽芯、又發揮閉模鎖緊的作用，從而使模具整體結構更為簡單、緊湊。根據上述產品結構分析可知，勾位倒扣0.7 mm，為安全起見，確定滑塊抽芯行程為5 mm，參照企業設計規范設計出該側抽芯機構，如圖6所示。注塑時，鎖緊楔4壓緊滑塊7，防止滑塊7由于受注射壓力作用而產生松動；開模時，利用鎖緊楔4兩側的T形凸邊驅動滑塊7的T形槽，滑塊7在壓塊9的導向下完成5 mm的抽芯距離，并在下模鑲件2和定位零件3的作用下實現限位與定位；合模時，鎖緊楔4驅動滑塊7開始復位，閉模后鎖緊楔4背面在下模鑲件2的作用下壓緊滑塊7之后進入下一個注塑周期。

右蓋產品左邊的內凹位結構同樣需要設置側抽芯機構，根據模具初始的結構方案，該處采用常用的斜導柱抽芯機構即可，其結構形式和動作原理在此不再贅述。

1—型芯鑲件 2—下模鑲件 3—定位零件 4—鎖緊楔5、8—螺釘 6—型腔鑲件 7—滑塊 9—壓塊(a)裝配結構圖 (b)A—A剖視圖圖6 勾位側抽芯機構Fig.6 Side core pulling mechanism for hooks

根據產品工藝性分析可知，產品內部有一斜孔，經測量與分型面成41.4 °，深度為15 mm。此類斜孔脫模不適宜直接采用常用的斜導柱機動抽芯機構，而只能采用齒輪齒條驅動抽芯、液壓與氣動驅動抽芯或斜導柱驅動二級滑塊抽芯，前2種抽芯方式由于需要在模架外圍設置相關驅動裝置，模具整體結構較為復雜，因此確定在本模具設置二級滑塊抽芯機構。根據斜孔深度，借助常用設計軟件，參照企業設計規范設計出該側抽芯機構，如圖7所示。

1—型腔鑲件 2—二級滑塊 3—上模板 4—斜導柱 5—斜導柱鑲件 6—鎖緊楔 7—一級滑塊 8—下模板 9—定位零件 10—下模鑲件(a)結構圖 (b)關鍵零部件的三維結構圖7 斜孔側抽芯機構Fig.7 Side core pulling mechanism for inclined holes

在斜孔側抽芯機構中，斜導柱4與一級滑塊7之間采用常用的斜導柱機動抽芯方式，而一級滑塊與二級滑塊之間利用T形槽驅動，其運動分解圖如圖8所示，其中OA為一級滑塊的運動方向，OB為T形槽裝配方向，OC為二級滑塊的運動方向，α為裝配角度，β為斜孔的傾斜角度。

圖8 運動分解圖Fig.8 Motion decomposition diagram

注塑時，鎖緊楔6通過一級滑塊7壓緊二級滑塊2，防止二級滑塊2由于受注射壓力作用而產生松動。開模抽芯時，斜導柱4驅動一級滑塊7實現水平運動，一級滑塊7利用T形槽與開模方向之間的角度關系，帶動二級滑塊2在OC方向上完成抽芯動作。合模時，斜導柱4驅動一級滑塊7，進而驅動二級滑塊2復位。閉模后滑塊型芯在鎖緊楔6的鎖緊力作用下進入下一個注塑周期。

2.5 冷卻系統設計

由于塑件兩側壁厚較厚，故模具中應對成型零件加強冷卻。綜合本模具的結構特點，由于型腔鑲件結構較為簡單，故2個產品型腔分別采用循環式冷卻回路即可，如圖9(a)所示。下模型芯由于中間部分采用組合式鑲拼結構，因此不適宜設計過度復雜的冷卻方式，而只能采用簡單的循環式冷卻回路，如圖9(b)所示。

(a)型腔鑲件冷卻回路 (b)下模型芯冷卻回路 (c)內凹位活動型芯圖9 冷卻系統Fig.9 Cooling system

活動型芯部分，其中勾位活動型芯由于尺寸較小，故沒必要專門設置冷卻裝置；而斜孔活動型芯由于結構復雜，而且處于模具中間部位，很難將冷卻水引入其中，故不適宜采用冷卻水冷卻方式，而可在開模階段利用壓縮空氣進行風冷；內凹位活動型芯尺寸較大，可根據實際結構采用隔水片的冷卻方式，如圖9(c)所示。

3 模具的整體結構及工作原理

在完成模具澆注系統、成形零件、推出機構、側抽芯機構以及冷卻系統等關鍵部件設計的基礎上，進一步完善設計模具的定位結構、支撐零件以及其他的相關結構，最終設計出右前門外拉手蓋注射模具，主要結構如圖10所示。其工作原理如下：

(1)注塑充型。塑料熔料流經定位環28、澆口套27的主流道、下模鑲件23的分流道和側澆口后開始填充模具型腔；塑料熔體在注射壓力作用下保壓；塑件在冷卻系統作用下冷卻、固化；

(2)開模及滑塊抽芯。在注塑機動定模板帶動下，模具在分型面處打開，塑件與澆注系統凝料從上模脫離；模具中各個活動型芯在抽芯機構驅動下實現抽芯脫模；

(3)推出塑件。開模完畢后，推桿墊板2與推桿固定板3在注塑機頂出桿作用下，帶動圓推桿4、矩形推桿5與拉料桿32運動，將塑件與澆注系統凝料從下模型芯推出；推出行程達30 mm后，限位塊19接觸到B板6，模具推出動作停止；

(4)推出機構復位。推出動作完成后，注塑機頂出桿回抽，推桿墊板2與推桿固定板3在復位彈簧22的作用下，帶動圓推桿4、矩形推桿5、拉料桿32及回程桿24完成復位動作；

(5)模具合模及滑塊復位。在注塑機帶動下，模具動、定模開始合模；各個側抽芯機構的驅動裝置帶動滑塊復位并鎖緊，完成一個注塑周期。

1—動模座板 2—推桿墊板 3—推桿固定板 4—圓推桿 5—矩形推桿 6—B板 7—定位零件 8—A板 9、29—滑塊 10、15—斜導柱鑲件11—定模座板 12、14—導柱 13—二級滑塊 16—螺釘 17、25—鎖緊楔 18—一級滑塊 19—限位塊 20—方鐵 21—垃圾釘 22—復位彈簧23—型芯鑲件 24—回程桿 26—型腔鑲件 27—澆口套 28—定位環 30、35—導柱 31、34—導套 32—拉料桿 33—支撐柱(a)橫向剖視圖 (b)縱向剖視圖圖10 模具裝配圖Fig.10 Mould assembly drawing

4 結論

(1)在分析塑件結構特點的基礎上，借助有限元(CAE)模流分析技術和常用設計軟件，參考企業設計規范，逐一擬定出右前門外拉手蓋注射模具關鍵機構的結構方案，進而完善并設計出模具的整體結構；

(2)經過后期生產驗證，該注塑模具結構緊湊、動作可靠，注塑生產的產品品質符合設計要求，其中的關鍵技術可為類似結構的注射模具提供借鑒。