汽車揚聲器盆架注塑模具設計

賴忠義 李誠楓 鄔瑜鴻

寧波雙林模具有限公司，中國·浙江 寧波 315000

1 引言

模具是以特定的結構形式通過一定方式使材料成型的一種工業產品，近些年來隨著汽車工業中新車型的不斷開發和批量生產，而汽車內外飾件、部分結構件已基本實現塑料化。其中，新的塑膠模具技術為新車型的推出起到了重要的推動作用，特別是汽車塑料件模具的發展是息息相關。近年來，CAD/CAM/CAE 的不斷成熟，使許多精密復雜的產品可以設計并生產出來，在模具設計時，可依托強大的加工能力設計出更好的機構，提高生產效率，保證產品質量，降低成本，減輕勞動強度，減短模具生產周期。

汽車揚聲器盆架在防止共振方面的現實意義實際上比穩固支撐更加重要，因為盆架是無法與懸置系統完全分離隔開的，懸置系統的振動可以通過質點運動的方式輕松的傳播到盆架上，從而引起盆架的共振。除了加強定心支片和折環對懸置系統的振動進行阻隔外，降低盆架本身的共振問題也是必須充分且積極的。一般汽車揚聲器盆架材料很多采用聚苯希PP 材料。公司承接的深圳PSS 公司的GM9BU×項目中的一套汽車揚聲器盆架注塑模具，該套注塑模具有一定的復雜性，研究該注塑模具的設計有一定的現實意義和經驗價值[1]。

2 模具的可行性分析

2.1 產品分析

本次設計的為汽車揚聲器盆架注塑模具設計，材料為PP 36360 BK009，模具壽命約為100 萬件，采用普通注射模注塑成型，該汽車揚聲器盆架的形狀如圖1所示。

圖1 汽車揚聲器盆架

汽車揚聲器盆架用于支撐時的剛度需求和安裝時的尺寸需求外，能降低產品的質量及成本，并能有效地降低揚聲器盆架可能產生的各種共振，提高揚聲器的音效質量。

作為汽車零部件，其有以下特點：

（1）作為汽車零部件動功能件，其工作環境極其惡劣，長時間置于室內，需承受高溫高濕及低溫干燥的環境，長時間承受一定的壓力載荷，面臨酸、堿、鹽性的腐蝕等。

（2）作為汽車零部件，其產品產量大。

（3）作為汽車零部件，其屬于汽車零部件中的內飾件并且有皮紋面，對產品外觀有較高的要求。

（4）此產品結構復雜成型困難。

根據設計任務書要求得知產品外觀面有皮紋要求，需特別注意：

（1）皮紋面不能有分型線、鑲拼線、澆口痕跡、熔接痕等一切影響外觀的痕跡。

（2）皮紋面對出模角度有要求。例如，本案例的汽車揚聲器盆架局部皮紋面分別為VDI3400-36 皮紋，深度115μm，取拔模角度為5o。

2.2 汽車揚聲器盆架材料分析

本案汽車揚聲器盤架選用PP 作為注塑生產材料。PP（聚丙烯）的成型性能是結晶性塑料，吸濕性小；流動性好，溢邊值0.02；冷卻速度快；成型收縮范圍大，收縮厲害，故易出現縮孔、縮痕、變形；需注意控制成型溫度，料溫低時取向性明顯，尤其低溫高壓時，當模具溫度低于50℃時塑件無光澤，易產生熔接痕、流痕，90℃以上易發生翹曲變形；塑件應壁厚均勻，以免出現縮痕和應力集中。本案列產品材料PP36360BK009，為變性PP，可以提高材料的硬度、撕裂強度，并能改善其耐介質性能，同時具有良好的工藝性能，常用于汽車零部件的生產[2]。

PP36360BK009 的材料收縮率為0.3～1%，根據設計經驗及實際情況此套模具選用0.5%的收縮率，并結合模流分析報告實際對產品局部尺寸調整、留修模余量以及反變形余量。

3 注塑成型機的選擇和模穴排布

3.1 注塑成型機的選擇

注塑成型機的選擇應根據成型塑件所需的最大注塑容量或質量（含塑件與澆注系統凝料的用量）、鎖模力、模具的閉合厚度及所需的開模距離等來確定。此外，還應考慮噴嘴孔直徑與模具主流道始端直徑、定位孔與模具上的定位圈直徑、模具外形尺寸與注塑機拉桿空間等關系的校核等[3]。

本案例的汽車揚聲器盤架客戶要求出模數為1/2，經計算單個產品質量為180g，鎖模力為176.22T（鎖模力T=鎖模力常數Kp*產品投影面積S，PP 鎖模力常數為0.32，產品投影面積為801cm2），模具外形為600cm×1050cm×660cm。適用海天HTF380T 注塑成型機（注射重量1850g，合模力1100KN，移模行程700cm，拉模內距710cm×710cm，適用模厚250cm～710cm）。

3.2 模穴排布

模穴排布需要遵循以下基本原則：

（1）首先從流道平衡考慮。使各腔注射壓力和填充時間基本一致。

（2）排位盡量合理緊湊，使鑲件和模架盡量小。

本案例的汽車揚聲器盤架客戶要求出模數為1 出2，根據型腔布局的基本原則采用了一模兩穴旋轉排布，如圖2所示。

圖2 型腔布局

3.3 分型線的確認

由于此產品的尺寸要求較高，為了后期修模及加工方便，把大圓窗口單獨做大的圓型鑲件。這樣既有利于產品的排氣，又利于加工，而且方便與后期修模調整產品每個窗口的位置度及其他相關尺寸。對于幾個比較深的筋也要單獨鑲出來，便于調整它的平面度和相關位置尺寸，如圖3所示。

圖3 汽車揚聲器盆架分型線設計

這樣的分型線設計分型在產品脫模最大外形處，塑件大部分留在動模一側，且產品的皮紋面全在型腔側，滿足產品表面及外觀要求，滑塊留在動模側，并且水平分型面方便模具的加工制造及排氣。

3.4 模具的鑲拼設計

依照客戶的要求，產品上利于模具的排氣，還有利于產品變形維修方便，減少模具成本，降低模具維修率。并且提高模具試模合格率。因此，模具的型腔型芯采用全鑲拼式結構，如圖4、圖5所示。

圖4 型腔鑲件

圖5 型芯鑲件

3.5 型芯、型腔的設計

型腔是成型塑件外表面的成型零件。型芯是用來成型塑件內表面的成型零件。型腔、型芯的基本結構可以分為整體式、整體嵌入式和組合式。采用鑲拼結構的型腔、型芯，對于改善模具加工工藝性有明顯的好處。整體嵌入式的型芯型腔結構加工效率高、拆裝方便，能節省貴重的模具材料，適用于小型塑件的模具[4]。本案例汽車揚聲器盤架注塑模具采用整體嵌入式型腔如圖6a 所示，型芯如圖6b 所示。在滿足模具剛度、強度的基礎上，結合水路、固定螺絲位置、四壁扣等各種因素，型腔大小設計為300cm×260cm×135cm，2 件鋼料選用8407，型芯大小是300cm×260cm×120cm。

圖6 型芯、型腔設計

3.6 抽芯機構的設計

滑塊是在模具的開模動作中能按垂直于開合模方向或與開合模方向成一定角度滑動的模具組件。斜頂是在模具的開模動作中能按垂直于開合模方向或與開合模方向成一定角度滑動并隨產品一并動作的模具組件。

塑件卡扣部分可以利用斜頂和抽芯滑塊來實現抽芯。本案例汽車揚聲器盤架注塑模具里如果全部使用滑塊抽芯，滑塊抽芯機構含滑塊成型零件、滑塊座、斜導柱、壓條、耐磨片、斜鍥等零件組成，是最常用的側向抽芯機構，具有結構緊湊、動作可靠、加工制造方便的特點。在本案例汽車行李箱鎖扣蓋板注塑模具中用來側向抽芯外側的兩個卡扣，如圖7所示。

圖7 滑塊和斜頂設計

4 澆注系統設計

主流道一般可分了冷流道和熱流道，通常位于模具中心塑料熔體的入口處，它將注射機噴嘴注射出的熔體導入分流道或型腔中。本案例汽車揚聲器盤架模具，根據產品形狀和注塑工藝，根據模流分析確認本產品采用熱流道為4 點針閥直接進產品上，其好處為減少材料在注塑生產中產生的流道料浪費，一模多腔模具的注塑工藝的穩定型，如圖8所示。

圖8 產品進膠方案

主流道入口的凹坑球面半徑R2通常為R2=R1+(1～2)mm，本模具由于塑件尺寸要求極高，澆口位置是處在塑件變形量最小的位置不得改動，不得不遠離中心。一般情況下，要求主流道進口處的位置應盡量與模具中心重合。這種設計如果是一模一腔會導致注塑機合模力向模具的一邊集中。為防止這種現象發生，一般會在另一側加承壓塊來平衡模具所受的壓力，如圖9所示。本模具為一模2 腔，所以兩邊的注塑壓力相對平衡，只要在模具四周均衡的加上承壓塊就可。由于四面滑塊，型腔與滑塊配合面必須加上反鎖面來防止注塑壓力導致滑塊錯位而導致塑件跑飛邊及斷差等問題。

圖9 模具承壓塊示意圖

5 脫模機構設計

脫模機構的設計應根據以下幾個原則：

（1）要求在開模過程中塑件盡量留在動模一側，以便推出機構盡量設在動模一側，從而簡化模具結構。

（2）正確分析塑件對模具包緊力與粘附力的大小與分布，有針對性地選擇合理的推出裝置和推出位置，使脫模力的大小與分布與脫模阻力一致。

（3）推出力作用點應盡可能靠近塑件對凸模包緊力最大的位置，同時也應是塑件剛度與強度最大的位置；力的作用面盡可能大一些，以防止塑件在被推出過程中變形或損壞。

（4）推出位置應盡可能設在塑件內部或對塑件外觀影響不大的位置，以保證良好的塑件外觀。

（5）推出機構應結構簡單、動作可靠、運動靈活、制造及維修方便等。

（6）頂出行程一般要比產品高度大10MM 以上，對于較高較大的產品，無法實現全自動化生產的其頂出行程根據產品形狀來確定。

脫模阻力的大小及其分布情況是脫模機構設計的主要依據。由于塑件的結構形狀往往比較復雜，影響脫模阻力的因素很多，導致脫模所需脫模力很難計算。因此，在實際設計中，通常依據經驗估算或類比設計的方法來確定脫模阻力的大小及分布，并以此確定脫模力的大小及推桿位置。

頂出方式：直頂桿，臺階頂桿，頂管，扁頂針；非標準頂出方式：頂塊，頂環，成型頂和推板等。考慮到要盡可能使塑件滯留在動模一側，以便借助開模力驅動脫模裝置，并且要防止塑件變形后損壞，盡可能選用大面積頂出方式，頂桿盡量選用直頂桿，頂出系統需保證產品質量，頂出不變形，無拉傷，無頂痕，不影響產品外觀和尺寸等要素，頂桿設計如圖10所示。

圖10 頂出方式展示圖

本案例汽車揚聲器盤架注塑模具的推桿位置遵循的脫模機構的設計原則。根據塑件結構、各處脫模阻力情況且斜頂既能側抽芯又能推出脫模的特性，在塑件內側均勻布置了40根圓桿和8 根扁頂針，如圖11所示。

圖11 頂桿排布設計

推出導向機構包含推板導柱、推板導套、復位桿等，作用是確保脫模機構運動的靈活性和可靠性。復位機構包含復位桿、彈簧、強制拉回鑲件、限位釘（垃圾釘）等。其中推板導柱、推板導套、復位桿為模架標準件，設計時一般不做考慮。復位彈簧根據復位桿大小及推出行程（推出行程55MM）選取輕載荷的φ60×175 彈簧（藍彈簧，50 萬模壓縮量為60MM，預壓10MM）。限位釘（垃圾釘）在動模底板上均勻布置。

5.1 冷卻系統設計

模具冷卻系統是用來調節和控制模具溫度的，可以控制塑件冷卻時間提高生產效率，控制產品變形提高產品尺寸精度和產品表面質量。

本案例汽車揚聲器盤架注塑模具的冷卻水路如圖12所示。

圖12 水路設計

模具工作時的溫度是周期性變化的。注射熔體時，模具溫度升高，開模、脫模時模具溫度降低。模具可看成一個熱交換器。其熱量的傳輸主要靠對流、輻射和傳導等方式完成。塑料熔體以較高的溫度注入模具型腔內，冷卻到制品頂出脫模時的溫度。在這一過程中，塑料制品所釋放的熱量約有5%左右以輻射、對流的方式散發到大氣中，其余95%左右將由冷卻介質帶走。模具的生產效率主要取決于冷卻介質的熱交換效率。

冷卻系統的優劣是影響注塑生產效率與制品質量的關鍵因素之一。近年來，注塑行業間的競爭越來越激烈，如何最大限度地挖掘生產潛力，降低注塑生產成本顯得非常重要。進一步提高注射成型是降低生產成本的最有效途徑，論文盡量避免煩瑣的理論計算，從模具設計與注塑生產兩個方面，分析了影響冷卻的常見因素。一般來說，模溫過低，會降低塑膠熔體的流動性，容易出現充填不足、夾水紋、噴射紋等缺陷。模溫過高，會使塑膠熔體發生熱降解，制品收縮率增大，影響制品尺寸精度。另外，模溫過高還會使塑料制品出現縮凹、毛刺、粘模、翹曲變形等缺陷。對精密注射模具來說，只有使模具溫度控制在一個合適的范圍內（一般波動不能超過2℃），才能生產尺寸精度高，質量穩定的合格制品[5]。因此，此模具更改后動冷卻水設計不但提高模具生產周期，比之前類似模具提高一倍，產品的合格率為百分之九十八以上，產品報廢率幾乎為零。在2019年此模具的注塑工廠還被評為優秀供貨商。

5.2 排氣系統設計

注塑過程中，熔融狀態的塑料進入型腔的時候需要一瞬間排凈型腔內的氣體，其中包括型腔和澆注系統中存在的空氣、塑料原料含有的水分在高溫下蒸發而產生的水蒸氣、高溫下塑料分解產生的氣體、塑料中某些添加劑揮發或發生化學反應所產生的氣體等[6]。合理的開設排氣槽，可以大大降低注射壓力、注射時間、保壓時間和鎖模壓力等參數，從而提高生產效率，降低生產成本，降低機器的能量消耗。

本案例汽車揚聲器盤架注塑模具的排氣如圖13所示，排氣槽深0.02mm，寬5mm，主排氣槽深0.3mm，寬5mm。

圖13 排氣系統設計

6 模架的選擇

模架是由模板、導柱、導套等零件組成，但型腔未加工的組合體。模架的主要零件有定模座板、定模板（A 板）、動模板（B 板）、墊腳（C 板）、動模座板、頂針面板、頂針底板、導柱、導套、復位桿（回針）、螺絲等[7]。由于模架及標準件的組合方法基本相同，故為了了降低模具成本，縮短制造周期，提高生產質量，在實際生產中 們常選用標準模架來設計生產。圖14為LKM 單分型面模架的BI 系列模架示意圖。

圖14 LKM BI 結構圖

6.1 標準模架的選用方法和步驟

（1）模架型號的選擇：按照型腔型芯的結構形式、脫模動作、澆注形式確定模架的結構型號。

（2）模架系列的選擇：根據型腔型芯的最大外形尺寸、側分型側抽芯機構的動作結構范圍、附加動作件的布局、冷卻系統等，選擇組成模架的模板板面尺寸（尺寸應符合所選注塑機對模具的安裝要求），以確定模架的系列。

（3）模架規格的選擇：分析模板受力部位，進行強（剛）度的計算，在規定模板厚度范圍內確定個模板厚度和導柱長度，以確定模架的規格。

（4）模架選擇的其他注意事項：①模架板面尺寸確定后，導柱、導套、推桿、緊固螺絲的孔徑尺寸，組配的推板，墊塊尺寸均可從標準中找出。②考慮塑件的推出距離和調節模具厚度，確定方鐵厚度和推桿長度。③核實模架的總厚度是否符合所選注塑機要求，不符合時對某些模板或墊塊進行適當的增減，使其滿足要求[8]。

本案本案例汽車揚聲器盤架注塑模具的模架選用LKM 模架標準，根據型芯型腔大小、推出距離等因素選取CI5085-A120、B200、C120（增加一塊98.85 熱流道板）非標模架，并對其變更型使用，如圖15所示。

圖15 模架訂購圖

（1）模架大小合理設置如圖15所示，采用方導柱導向，動定模用鑲拼式結構，模架材料為S50C 和P20，動定模所有鑲件材料為SKD61，以模具拆裝方便，變形維修方便，通模溫控制收縮方便為目標。

（2）充分考慮冷卻，水路盡可能安排多，直徑大，中間環形水路冷卻均勻。

（3）頂出安全、合理，均勻。

（4）分型面設置合理，方便加工和配模，R 角分型面加工成順斷差

6.2 模具基本外觀構造的確定

模具基本外觀構造：熱流道保護塊、定位圈、鎖模塊、撬模坑、吊環螺孔、水路、防塵板。

（1）保護塊比熱流道高出10mm 以上，在生產，運輸中起保護作用。

（2）每二塊板間撬模坑尺寸設置為50×50，深8mm。

（3）模具地側設置模腳。

（4）A、B 板各6 點起吊，吊環位置盡量設置在模具兩側。

定模座板600×1050×75，熱流道板500×850×99，定模板500×850×150，動模板500×850×200， 模腳100×850×130，頂針面板290×850×30，頂針底板290×850×35，動模底板600×1050×35。如圖16所示，模架根據需要變更范圍動定模底板長度上下各加長50mm，動定模開精框、增加推桿彈簧孔、頂針板加頂針板導柱、模具刻字等，全交由模架廠定制加工。

圖16 模架外形圖

7 結語

在汽車揚聲器盆架注塑模具的實際生產中，產品在頂出時，可以很好地預防產品的變形；無頂白，可以減少和控制熔結線位置。通過對之前類似汽車內飾件模具經驗不斷積累，設計、加工、裝配及模架廠間協調有條不紊，在模具周期上得以保證，處理模具問題具有針對性和專業化，各個步驟實際是交叉進行的。在型腔布局時需考慮模具的冷卻、推出結構等，在計算型腔型芯大小時除了考慮剛度、強度還需考慮水路、鎖緊螺絲的放置等，甚至還需考慮加工的難易、鉗工配模的情況、注塑生產的保壓和冷卻時間等，這些總結對于今后制作類似模具具有參考性、指導性[9]。

隨著近年來注塑行業間的競爭越來越激烈，如何最大限度地挖掘生產潛力，降低注塑生產成本顯得非常重要。進一步提高注射成型的生產效率，是降低生產成本的有效途徑。