某車型保險杠注射模設(shè)計

谷達(dá)遠(yuǎn),尹紅靈

（1.長安福特汽車有限公司，重慶 401329；2.上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200030）

0 引言

保險杠是汽車重要零部件之一，是裝飾轎車外形部件，不僅具有裝飾功能，而且還具有吸收和緩和外界沖擊力、保護(hù)前后車體及行人安全的功能。以前汽車前后保險杠采用鋼板沖壓成槽鋼，與車架縱梁焊接或鉚接在一起，與車身存在較大的間隙，外觀不美觀。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和工程塑料在汽車工業(yè)的應(yīng)用，汽車保險杠作為重要的安全裝置也進(jìn)行了革新。目前汽車前后保險杠除了保持原有的保護(hù)功能外，還要追求與車體整體造型的和諧統(tǒng)一以及輕量化。

隨著塑料保險杠的應(yīng)用，國內(nèi)科技人員在保險杠模具設(shè)計方面進(jìn)行了不少研究。袁瑩瑩[1]運用MoldFlow軟件對保險杠充模過程進(jìn)行了分析，研究了影響保險杠翹曲變形的因素；余玲等[2]基于Mold-Flow軟件對汽車保險杠模具澆注系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計；李仕成等[3]運用CAD軟件Creo設(shè)計汽車后保險杠注射模，并采用該軟件的simulate模塊對熱流道系統(tǒng)進(jìn)行了傳熱分析，研究熱流道系統(tǒng)中熱噴嘴功率和加熱棒的數(shù)量、布置方式、加熱功率對熱流道系統(tǒng)溫度場的影響；馮志新[4]研究了汽車保險杠注射工藝參數(shù)的優(yōu)化方法，并以注射成型過程中熔體溫度、模具溫度、保壓時間3個因素為試驗因子，以最大鎖模力和成型后的最大翹曲變形量為目標(biāo)進(jìn)行了試驗設(shè)計，最終得到了多目標(biāo)優(yōu)化的方法和參數(shù)優(yōu)化方案；胡學(xué)川[5]通過模流分析軟件Mold-Flow對某汽車前保險杠的注射成型過程進(jìn)行仿真，確定了澆口數(shù)量和位置，實現(xiàn)澆注系統(tǒng)的平衡與優(yōu)化。這些研究都側(cè)重于模流分析在優(yōu)化工藝參數(shù)和澆口位置及數(shù)量方面的運用，而要獲得合格的保險杠，制品設(shè)計、模具設(shè)計、注射工藝等各階段都很重要，尤其模具設(shè)計階段起著決定性作用。

現(xiàn)綜合運用CAD/CAE技術(shù)對某車型保險杠進(jìn)行了模具設(shè)計與模流分析，解決了模具設(shè)計過程中的難點，獲得了合格的制品。

1 制品結(jié)構(gòu)特征分析

保險杠結(jié)構(gòu)如圖1所示，外觀質(zhì)量要求較高，外形尺寸為1 910 mm×640 mm×781 mm，平均厚度為2.8 mm。制品材料為TEO+20%Td，該材料采用低密度礦物質(zhì)填充，減輕制品質(zhì)量的同時保持傳統(tǒng)高密度制品的所有性能，具有較好的工藝性能。該保險杠除存在卡扣結(jié)構(gòu)外，兩側(cè)還存在倒扣，如圖1（b）所示。該保險杠注射成型的難點有：①澆注系統(tǒng)設(shè)計；②模具分型面設(shè)計；③推出系統(tǒng)設(shè)計；④冷卻系統(tǒng)設(shè)計。

圖1 保險杠結(jié)構(gòu)

2 模具方案

2.1 澆口數(shù)量和澆口位置的確定

首先根據(jù)經(jīng)驗確定澆口的位置和數(shù)量，然后通過模流分析驗證方案的可行性并預(yù)測潛在的風(fēng)險，從而對澆口方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。保險杠模具設(shè)計過程中，從澆口數(shù)量的選擇、澆口位置的確定到流道平衡及順序閥開閉時間的控制等都重要，過去僅憑經(jīng)驗設(shè)計，因此需要經(jīng)過多次試模與修模，造成模具開發(fā)周期延長，增加了制造成本。在該保險杠模具開發(fā)過程中，將模流分析作為標(biāo)準(zhǔn)流程，根據(jù)經(jīng)驗確定圖2（a）所示的進(jìn)澆方案，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)熔接痕位置不滿足成型要求，制品翹曲變形也較大，根據(jù)仿真結(jié)果更改澆口位置，采用順序閥控制澆口的開閉時間，同時對澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，縮短了模具開發(fā)周期，避免了潛在的風(fēng)險，提升了制品成型質(zhì)量并降低了制造成本。優(yōu)化后的方案仿真結(jié)果如圖2（b）所示，一方面通過調(diào)節(jié)澆口的位置和順序閥的開閉時間，改變了熔接痕的位置，另一方面設(shè)置合理的冷卻系統(tǒng)改善了制品的翹曲變形，翹曲量由7.4 mm降至5.8 mm。

圖2 2種進(jìn)澆方案翹曲量比較

根據(jù)注射仿真分析與優(yōu)化，保險杠模具的進(jìn)澆方案如圖3所示，設(shè)置了10個進(jìn)澆點，采用熱流道順序閥轉(zhuǎn)普通流道的澆注系統(tǒng)。澆口尺寸如下：①澆口1為扇形搭接澆口，始端尺寸為20 mm×5 mm，末端尺寸為100 mm×1.8 mm；②澆口2、3、4、5、6為矩形搭接澆口，始端尺寸為20 mm×5 mm，末端尺寸為20 mm×1.8 mm；③澆口7、8、9、10為扇形搭接澆口，始端尺寸為12 mm×10 mm,末端尺寸為20 mm×1.8 mm。熱流道與型腔之間的普通流道尺寸（U形）為12 mm×10 mm。熱流道尺寸（圓形）為?22 mm。順序閥的開放順序為澆口1、2→澆口5、6→澆口3、4→澆口7、8→澆口9、10。

2.2 模具分型

圖3 進(jìn)澆方案

保險杠模具設(shè)計中主要有2種分型，即外分型和內(nèi)分型，如圖4所示。外分型是傳統(tǒng)分型方式，分型面是制品在主拔模方向的最大外形輪廓線處，模具結(jié)構(gòu)和推出機(jī)構(gòu)簡單，成型周期比內(nèi)分型短，缺點是制品表面出現(xiàn)分型線的風(fēng)險較大，噴涂時需增加打磨工序，增加人工成本，且該保險杠外觀質(zhì)量要求高，故不采用。

圖4 模具分型

內(nèi)分型可以避免分型線的問題，因為內(nèi)分型的分型面在非外觀面，設(shè)置在保險杠周圍翻邊圓角的內(nèi)側(cè)，避免了制品表面產(chǎn)生缺陷。為了實現(xiàn)模具的內(nèi)分型，模具結(jié)構(gòu)上通過二次變軌軌道控制技術(shù)，一次性將保險杠注射成型，保證了保險杠的外觀質(zhì)量，減少了加工工序，節(jié)約了加工成本。但該技術(shù)難度較大，技術(shù)風(fēng)險也較高，模具成本高于外分型模具，但生產(chǎn)的保險杠外觀美觀，在中高檔汽車保險杠模具中廣泛應(yīng)用。為了保證該保險杠的外觀質(zhì)量，從模具結(jié)構(gòu)、價格和成本等多方面綜合考慮，采用內(nèi)分型技術(shù)進(jìn)行模具設(shè)計。

2.3 推出系統(tǒng)

根據(jù)分型面的不同，保險杠模具的推出方式也不同。采用外分型的模具一般采取一次推出，機(jī)械推出和液壓推出均可。采用內(nèi)分型的模具推出系統(tǒng)較復(fù)雜，需要采用多次推出，機(jī)械推出不能滿足要求，需采用液壓缸和氮氣彈簧。液壓推出過程平穩(wěn)，對模具零件沖擊較小，成型周期較長且有漏油的風(fēng)險，而氮氣彈簧推出迅速，對模具零件沖擊大，模具零件強(qiáng)度要求高，成型周期比液壓推出短。成型該保險杠模具采用三級推出機(jī)構(gòu)，如圖5所示，第一級推出40 mm，與開模同步，利用液壓缸活塞桿實現(xiàn)制品脫出定模，第二級推出160 mm（見圖6），開模完成后依靠注塑機(jī)頂桿推出，兩端倒扣脫離斜推桿，如圖7所示，制品從動模脫出；第三級推出85 mm，利用液壓缸活塞桿推出，斜推桿和推桿實現(xiàn)制品從大推塊上脫出（見圖7和圖8），最后機(jī)械手取件。

圖5 三級推出機(jī)構(gòu)

圖6 第二級推出

圖7 斜推桿機(jī)構(gòu)

圖8 第三級推出

保險杠模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要對推出的上止點和復(fù)位的下止點進(jìn)行精準(zhǔn)控制。保險杠上有較多卡扣，須采用斜推桿機(jī)構(gòu)才能實現(xiàn)脫模，其結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖7。另一個推出難點是倒扣脫模，采用斜推桿和拉塊實現(xiàn)倒扣脫模，如圖9所示，模具第一級推出40 mm，斜推塊后退，讓出變形空間，拉塊將制品拉變形（彈性變形）脫模。

圖9 倒扣脫模機(jī)構(gòu)

2.4 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

保險杠注射成型中，模具溫度直接影響制品的成型質(zhì)量（變形、尺寸精度、力學(xué)性能和表面質(zhì)量）和生產(chǎn)效率，因此需要根據(jù)材料性能與成型工藝的要求進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計。保險杠模具的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括熱流道加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，冷卻采用水冷即可。熱流道加熱系統(tǒng)由熱流道企業(yè)提供，現(xiàn)主要考慮冷卻系統(tǒng)設(shè)計。

如果保險杠冷卻不均勻容易導(dǎo)致翹曲變形，產(chǎn)生質(zhì)量缺陷。保險杠模具水路的設(shè)計除了遵循模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計的一般原則[6]外，還有以下設(shè)計特點：①沿制品形狀設(shè)計隨形水路，盡可能使所有冷卻管道與型腔表面的距離相等，保證均勻冷卻，減小制品翹曲變形量，冷卻水路如圖10所示；②水孔直徑為?15 mm，水井直徑為?24 mmn，保證了足夠的傳熱面積；③水路之間間距為60 mm，水路距型腔表面為25 mm，距其他非膠位面>15 mm；④模具采用集中供水方式，設(shè)計集水塊與注塑機(jī)連接；⑤單組冷卻回路的長度保證在3 m以內(nèi)，進(jìn)、出口冷卻水溫差在2℃以內(nèi)；⑥為減少保險杠的變形，動、定模溫度獨立控制，動模溫度高于定模溫度5℃。

圖10 模具冷卻水路排布

3 試模結(jié)果

模具制造完成后在HTF3300注塑機(jī)上進(jìn)行試模，材料牌號為TYC 1152X C2，注射成型工藝參數(shù)設(shè)置為料筒溫度230℃、注射壓力11 MPa、保壓壓力7 MPa、成型周期55 s。試制的制品質(zhì)量為3.61 kg，達(dá)到制品要求，成型的保險杠如圖11所示。

圖11 保險杠實物

4 結(jié)束語

根據(jù)保險杠模具的設(shè)計過程，得到如下結(jié)論。

（1）采用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)和計算機(jī)仿真模擬技術(shù)，縮短了保險杠模具開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，保證了制品成型質(zhì)量。

（2）在保險杠模具設(shè)計中，澆口方案的選擇對制品變形影響較大，實踐證明通過注射成型仿真分析確定澆口方案是快捷有效的方法。

（3）隨形冷卻水路雖然增加了加工難度，但是提高了保險杠模具冷卻系統(tǒng)的散熱效率，縮短成型周期，保證制品均勻冷卻，也保證了制品的成型質(zhì)量。

（4）采用多級推出系統(tǒng)實現(xiàn)了保險杠的脫模，多級推出系統(tǒng)是實現(xiàn)該保險杠成型質(zhì)量的最后保證。