基于CAX汽車前門B柱外飾板注射模設計＊

蔣 燕，方迪成

（汕頭職業技術學院，廣東汕頭515078）

1 塑件結構與材料分析

1.1 塑件結構分析

圖1所示塑件為汽車前門B柱外飾板，它是汽車外飾件的重要組成部分，也是一種關鍵裝配件，大批量生產。汽車前門B柱飾板的外形尺寸為495.3×91.6×60.4mm，塑件平均壁厚約3.6mm，厚度最大處約為3.9mm，體積為1.6×106mm2。塑件的尺寸較大，結構比較復雜。塑件要求精度等級為MT3，為高精度公差等級，面輪廓度公差要求為±0.5mm。

圖1 汽車前門B柱外飾板

塑件成型后要求：表面光滑、無縮印、無毛刺、無頂出痕，卡扣無損傷、卡接力達到預定目標值，其他部位無明顯缺陷痕跡。塑件由內、外兩個分型部分組成；塑件外部為A級面，表面后期皮紋處理；塑件內部共4處倒勾結構特征：1處BOSS柱式掏膠倒勾，可以考慮通過一個斜頂與一個滑塊進行左右抽芯的方式來實現；1處長約401mm，寬約10mm的內倒勾，可以考慮通過一個細長斜頂的抽芯機構來實現；1處長約468mm，寬約17mm的內、外組合倒勾，可以考慮通過一個滑塊與一個直頂的組合抽芯頂出機構來實現。

1.2 成型材料分析

所選用的材料是PC/ABS（錦湖日麗HAC8270），該材料的密度為1.15g/cm3，收縮率為0.5%~0.7%，模具成型溫度范圍為40℃～60℃，熔體溫度范圍為230℃～270℃。具有ABS材料的成型性和PC的機械性、綜合性能，高抗沖擊性、化學穩定性、電性能良好，抗蠕性，收縮率小，尺寸穩定性好，耐溫、抗紫外線（UV）等性質，可廣泛使用在汽車內部零件、商務機器、通信器材、家電用品及照明設備上。材料的流變粘度曲線及PVT性能性能曲線如圖2所示。

圖2 PC/ABS的流變粘度及PVT曲線

2 模流成型工藝分析

2.1 網格劃分

使用NX11軟件對汽車前門B柱外飾板進行實體建模，并運用MoldFlow Doctor模塊，對汽車前門B柱外飾板3D數據中不影響影響分析結果的工藝小圓角、倒角進行修整，并將修整后的模型導入MFI 2016中。對汽車前門B柱外飾板模型進行雙層面網格劃分，網格模型如圖3所示。三角形網格實體為59,480，表面面積為1,094.61cm2，網格最大縱橫比9.99，平均縱橫比1.87，最小縱橫比1.16，共用邊為132681條，網格匹配率93.0%，相互百分比為92.1%。網格劃分質量很高，能保證后續各項分析的精確。

圖3 汽車前門B柱外飾板網格模型

2.2 塑件壁厚分析

如圖4所示，汽車前門B柱外飾板塑件的整體壁厚分布比較均勻，厚度為3.6mm，基乎達到了在塑件的任一切面上厚度均勻一致，避免了壁厚過渡劇變造成的尺寸不穩，也保證了塑件表面不會出現明顯的瑕疵。而圖4中厚度為4.625mm處為塑件上筋條與主壁厚的連接處，尺寸為外表面厚度與內側筋條之間的距離總和；而0.484mm為塑件內側上加強筋的最小厚度。

圖4 塑件壁厚分析

2.3 澆口位置與澆注系統

利用MFI澆口位置分析模塊，得到汽車前門B柱外飾板理論“最佳澆口位置”如圖5a所示，在塑件的中間偏大端位置。綜合考慮塑件主要表面質量要求高，不允許在外表面出現澆口痕跡，便于做抽芯結構，大批量生產和模具具體結構與布局的需要，設計了如圖5b所示的3點針閥式熱流道轉冷澆口的澆注系統。主流道采用熱流道系統，直徑為φ16mm；冷分流道采用普通U形截面流道，尺寸為10×8mm；冷主澆口G0采用扇形澆口側進膠，其截面是矩形，尺寸為40×2.5mm；保壓澆口G1采用潛伏式澆口，其截面是圓形，直徑為φ1.5mm。

圖5 最佳澆口位置分析

2.4 成型分析

依據前述澆注系統方案，針對影響汽車前門B柱外飾板表面質量和尺寸的充填時間、流動前沿溫度、速度/壓力切換時的壓力、凍結層因子、熔接線、氣穴、鎖模力、縮痕、體積收縮率、冷卻回路雷諾數、變形等進行成型仿真分析，結果如圖6所示。

（1）圖6a為注射充填時間，從圖6a可以看出，汽車前門B柱外飾板塑件沒有出現半透明區域，說明在填充過程中充填順暢，流動平衡，無短射和充填不足情況。

（2）圖6b為流動前沿溫度。從圖6b可以看出，塑件整體溫度在成型范圍內，外觀表面上的溫度差為3.9℃（目標值≤5℃），非外觀表面上的溫度差為15.3℃（目標值≤20℃），塑件溫度分布比較平均，不會在表面上出現色差。

（3）圖6c為速度/壓力切換時的壓力。結果顯示在V/P切換位時，充填最大需要的壓力為88.59MPa，在圖中不存在透明區域，表明注射壓力合理。

（4）從圖6d兩個塑件在充填結束時的凍結層因子分布圖來看，兩個塑件的冷凍層分布比較均勻，沒有過快冷凍區域。雖然水口的冷凍時間會比塑件快一點，在控制好注射時間的情況一般不會發生短射，不影響充填。

圖6 汽車前門B柱外飾板模流仿真分析

（5）從圖6e來看，在塑件表面上沒有熔接痕，說明此進膠方式比較適合成型，塑件表面質量也更有保證。

（6）觀察氣穴圖6f，只在塑件邊緣的地方及筋條處可見散點分布式氣穴。表明模內氣體基本可以排出，可以將塑件筋條處做鑲件及在邊緣采用模具縫隙進行排氣即可。

（7）從圖6g看，最大鎖模力發生在4.061s時，鎖模力為548.3t，符合設定注塑機鎖模力（機臺選用1,300t的要求）。

（8）從圖6h所示的縮痕看，最大縮痕尺寸為0.037mm，且縮痕位于塑件邊緣R處，所以該縮痕對制品質量幾乎沒影響。

（9）從圖6i來看，塑件近外表面部分的平均體積收縮較均勻，收縮最大的地方在澆口與流道的結合處，所以不影響塑件。

（10）圖6j所示的冷卻回路雷諾數最小值為10,000,最大值達到12,266，說明冷卻效果非常好，水路設計合理。

（11）從圖6k可見，塑件的總變形量是0.259～1.627mm，變形最大的位置在塑件的小端，

（12）再從圖6l可知導致塑件變形的主要原因是收縮不均。

因為裝配的需求，且面輪廓度公差要求為±0.5mm，所以目前的變形量無法滿足塑件要求，因為在本方案中注射工藝條件都比較合理，所以不再做優化，在不更改塑件結構的前提下，將采用預變形的方案來調整模具，最終使塑件達到客戶需求。

綜上所述，汽車前門B柱外飾板擬采用的模具澆注系統方案是可行的。

3 模具結構設計

3.1 塑件預變形

根據上述翹曲變形分析結果，以及此類塑件的過往成功注射經驗，制定如圖7所示預變形方案。利用NX11中的整體變形“”命令按塑件的脫模的反方向完成其做預變形的數據調整，小端總體做1.3mm，大端整體做0.9mm，預變形后的塑件數據對比如圖8所示。

圖7 預變形方案

圖8 預變形后塑件數據對比

3.2 分型面設計

針對汽車前門B柱外飾板的形狀結構，采用如圖9中塑件整個外觀A面作為分型面，一分為二，PL處為分型線。模具型腔采用如圖6所示塑件布置的一模兩腔結構形式，使用NX11軟件進行設計。

設置如圖9所示的分型面，既有利于利用模具結合面（包括定、動模結合面，各滑塊、斜頂、鑲件與主型芯、型腔的結合面）處細小間隙進行排氣。同樣也更有利于塑件在模具中安放和定、動模的設置，同時也為抽芯機構的設計提供了方便，從而降低塑件的脫模難度和模具的設計難度，及便于模具長時間使用后，塑件合模面飛邊的處理。

圖9 分型面的設計

3.3 型腔結構設計

模具為三板式熱流道臥式模具結構，設計的模具圖整體外觀結構如圖10所示。滑塊31、斜頂47、滑塊50及斜頂51成型卡扣及塑件內部結構部分，流道在動模板24和動模鑲件48上經過。動模鑲件48固定在動模板24上。由于汽車前門B柱外飾板批量大，結構復雜，模具使用時間長，同時為防止成型合模面磨損和型腔塌邊等，且直頂26、滑塊31、斜頂47、滑塊50及斜頂51均為活動件，固均選用拋光性能優良、易切削、高韌性、耐磨性及高延展性的熱作模具鋼葛利茲2343ESR，并進行熱處理，保證熱處理硬度為48~50HRC。

圖10 模具結構3D圖

將成型汽車前門B柱外飾板塑件按照整個外觀A面外輪廓分開，上半部分的模腔部分作定模，做型腔；而下半部分的模腔部分作動模，做型芯，卡扣部分做滑塊、斜頂等抽芯結構出模汽車前門B柱外飾板的型腔模具結構3D如圖11所示。

圖11 汽車前門B柱外飾板的型腔模具結構3D圖

（1）型腔結構。模具型腔部分由定模板3及熱咀15組成，如圖11a所示其中定模板3成型塑件上半部分外表面膠位；熱流道系統固定在熱流道板2上熱咀15穿過定模板3，熱流道接線盒23放在天側靠模具中心位置以防其與碼模槽發生干涉，熱流道控制閥20放在操作側便于注塑人員操控，熱流道集水塊4放在非操作側便于其與注塑機連接，如圖12b所示。動模滑塊上的斜導柱10、17及斜楔18都固定在定模板3上，如圖11a所示。

圖12 汽車前門B柱外飾板的熱流道系統結構3D圖

在定模板3的選材上，因塑件表面有皮紋要求，采用曬紋要求比較高的模具鋼葛利茲XPM，它具有優良的拋光性能、機械加工性能、熱傳導性能、焊接性能，硬度均勻、高韌性，特別適用于大批量生產的塑料模具，其出廠狀態是預硬調質，硬度為38~42HRC。

（2）型芯結構。模具型芯部分由動模板24、直頂26、滑塊31、斜頂47、動模鑲件48、滑塊50及斜頂51組成，如圖11c所示。其中動模板24和動模鑲件48成型塑件下半部分外表面膠位，直頂26、

動模板24及動模鑲件48均采用切削加工性能良好、焊補性能及拋光性能佳且性價比高的預硬模具鋼寶鋼P20，出廠硬度為28~34HRC。

3.3 導向與定位結構設計

由于汽車前門B柱外飾板為不規則形狀塑件，表面要求高，且模具結構復雜，為保證塑件的裝配公差要求以及保證合模準確和模具長時間使用后的維修方便，設計了由導柱導套、邊鎖、1°耐磨塊及原身10°虎口組成的導向與定位組合系統，如圖13所示。它既能實現模具在運行過程中的快速、精確導向，也能防止長期生產后因為模具磨損而造成錯位。

圖13 汽車前門B柱外飾板的導向與定位結構示意圖

3.4 抽芯與頂出結構設計

因汽車前門B柱外飾板是一個內部共4處倒勾結構特征的塑件（見圖1）。有3處倒勾可以采用常規的滑塊和斜頂的抽芯機構來實現，圖14a所示滑塊抽芯結構主要由斜導柱17、斜楔18、耐磨塊34、滑塊50、耐磨塊54、限位螺絲55、滑塊壓塊56、螺絲65、66及彈簧67組成；斜導柱17、斜楔18固定在定模板上3，耐磨塊54及滑塊壓塊56固定在動模板上24，滑塊50限制在耐磨塊54及滑塊壓塊56之間移動，其原理是開模時利用斜導柱17的撥力及彈簧67的預壓力迫使滑塊50在耐磨塊54及滑塊壓塊56上移動來完成抽芯動作。圖14b所示斜頂抽芯結構此處只敘述其中一個斜頂的動作主要由斜頂51、導套68、避空鐵套69、卡簧70、頂桿71、斜頂底座72、萬向頭73及導滑片74組成；斜頂51固定在頂桿71上，頂桿71穿過導套68及避空鐵套69與萬向頭73連接并與模具的出模方向形成一定的傾斜角度，導套68及避空鐵套69又被卡簧70固定在動模板24中，斜頂底座72固定在頂桿板44上，導滑片74套在萬向頭73上并安裝在斜頂底座72的卡槽中，其原理是頂出時頂桿板44帶動斜頂座72推動導滑片74、萬向頭73、頂桿71、斜頂51等沿斜頂導套68移動，把頂桿板的沿模具軸線方向的單一直線運動轉化成斜頂的沿模具軸線方向及與該方向垂直的橫向運動，斜頂的橫向運動則完成了側向抽芯。

圖14 汽車前門B柱外飾板的滑塊及斜頂抽芯結構3D圖

另1處長約468mm，寬約17mm的內、外組合倒勾，如果采用常規滑塊或斜頂式抽芯會因直接強制脫模而使塑件受到損傷產生缺陷。在本設計中將創新設計一種由一個滑塊與一個直頂的組合頂出抽芯機構，及外加一個二次頂出機構的注射模結構，如圖15、圖16及圖17所示。其原理就是讓塑件先脫離除直頂之外的型芯部分后，再與直頂一起頂出，有向外翻的變形空間再進行取件，這樣塑件就不會因強制脫模而產生損傷，提高了塑件的設計想像空間。

組合頂出抽芯中滑塊主要由斜導柱10、滑塊31、限位塊32、平衡塊33、耐磨塊34、導向塊38、滑塊壓塊40、彈簧78及耐磨塊80組成，導向塊38、滑塊壓塊40及耐磨塊80固定在動模板上24，滑塊31限制在導向塊38、滑塊壓塊40及耐磨塊80之間移動；直頂機構主要由直頂26、頂桿84組成，直頂26固定在頂桿84上，而頂桿84穿過導套81及避空鐵套82固定在頂桿板45上，導套81及避空鐵套82又被卡簧83固定在動模板24中。二次頂出機構主要由限位導柱96、彈簧片98、導套99及導套底座101組成，如圖11、圖16、圖17所示。它們是在注塑機的的開模力的作用下，圖11、圖14、圖15及圖16中定動模3、24分開，滑塊31在斜導柱10及彈簧78的作用力向后移動，在限位塊32的限制下完成抽芯（注：此時塑件16因為直頂26的阻擋而不會發生強行脫模的現象，另一滑塊50也完成同樣的抽芯動作）。接著注塑機的頂棍頂著頂棍墊柱85推動頂桿板45上運動，在頂桿板45上的頂桿84推動直頂26開始向上運動，頂桿板45上的氮氣彈簧95在頂出力的作用下向上壓縮；與此同時在二次頂出機構的作用下，頂桿板44、頂桿板43同樣推著頂桿52、斜頂底座72向上運動，推力迫使斜頂51沿斜頂導套68移動，把頂桿板的沿模具軸線方向的單一直線運動轉化成斜頂的沿模具軸線方向及與該方向垂直的橫向運動（注：另一斜頂47也進行同樣的抽芯動作）。當二次頂出機構中限位導柱96與導套底座101發生接觸時就完成了第一次頂出距離H1，此時頂桿52完成了頂出動作，斜頂47、51也完成了側向抽芯（注：此時塑件16仍然附著在直頂26上）。繼續頂出，二次頂出機構中的彈簧片98在限位導柱96的作用下內縮，導套99與導套底座101開始脫離，頂桿板45也與頂桿板44脫開，直到在限位塊103限制下完成整個頂出距離H，機械手將附著在直頂上的塑件16取出。

圖15 汽車前門B柱外飾板的組合頂出抽芯及二次頂出結構2D圖

圖16 抽芯與頂出各關鍵部件的示意圖

圖17 滑塊、直頂、二次頂出機構裝配的結構3D圖

3.5 其它結構設計

（1）復位機構。

為保證開合模順序的準確無誤、側向分型機構及頂出機構的動作靈活順暢，本模具在設計時采用在導柱導套附近及模具中心位置均勻布置6根直徑為φ30mm的復位桿25進行合模復位。復位桿25固定于頂桿板45上，在靠近復位桿25及頂棍墊柱85的地方，頂桿板45上均勻布置6支直徑為φ38mm的氮氣彈簧95。如圖15、圖18所示。

圖18 頂出、復位裝配結構3D圖

（2）冷卻系統。

為確保模具溫度在使用時始終處于生產工藝指定的溫度范圍，本模具在熱流道系統、定模板3、動模板24、直頂26、滑塊31上均采用循環冷卻水路布置。本模冷卻系統能保證型腔各處冷卻均勻，成形周期短，塑件質量高。

4 模具工作過程

模具在使用時，先拆除鎖模塊11，將模具冷卻系統與外部冷卻源連接好，將熱流道系統各接口與外部連接好，將行程開關插頭與外部連接好。

開模時：模具在注塑機的的開模力的作用下，定動模3、24分開，滑塊31在斜導柱10及彈簧78的作用力向后移動，在限位塊32的限制下完成抽芯（注：此時塑件16因為直頂26的阻擋而不會發生強行脫模的現象，另一滑塊50也完成同樣的抽芯動作）。接著注塑機的頂棍頂著頂棍墊柱85推動頂桿板45上運動，在頂桿板45上的頂桿84推動直頂26開始向上運動，頂桿板45上的氮氣彈簧95在頂出力的作用下向上壓縮；與此同時在二次頂出機構的作用下，頂桿板44、頂桿板43同樣推著頂桿52向上運動，固定在頂桿板44上的斜頂底座72推動導滑片74、萬向頭73、頂桿71、斜頂51等沿斜頂導套68移動，把頂桿板的沿模具軸線方向的單一直線運動轉化成斜頂的沿模具軸線方向及與該方向垂直的橫向運動（注：另一斜頂47也進行同樣的抽芯動作）。當二次頂出機構中限位導柱96與導套底座101發生接觸時就完成了第一次頂出距離H1，此時頂桿52完成了頂出動作，斜頂47、51也完成了側向抽芯（注：此時塑件16仍然附著在直頂26上）。繼續頂出，二次頂出機構中的彈簧片98在限位導柱96的作用下內縮，導套99與導套底座101開始脫離，頂桿板45也與頂桿板44脫開，直到在限位塊103限制下完成整個頂出距離H，機械手將附著在直頂上的塑件16取出。

合模時：在開模狀態下，注塑機上的頂棍回收，壓縮狀態下的氮氣彈簧95釋放回彈，頂桿板43、44、45跟隨回位，并帶動固定在其上的復位桿25、直頂26、斜頂47、51、頂桿52等部件回位；在注塑機的合模力的作用下，動模部分向回運動，滑塊31、50在斜導柱10、17的撥力下開始壓縮彈簧67、78前進回位；繼續合模，直到壓縮氮氣彈簧95回位，動模板24、直頂26及滑塊31上的平衡塊33、49、87開始與定模板3端面接觸閉合，直到實現分型面閉合。

5 結論

在汽車前門B柱外飾板注塑工藝分析與模具設計過程中，通過對汽車前門B柱外飾板塑件結構、成型材料性能和塑件壁厚的分析，借助MoldFlow2016軟件，對汽車前門B柱外飾板進行了模流分析。在統籌考慮“最佳澆口位置”、大批量生產和特殊模具結構等的特定情形下，擬定了采用針閥式熱流道轉冷流道大水口扇形澆口與潛伏式澆口兩點進膠的澆注系統方案。在注射成型工藝分析中對影響對汽車前門B柱外飾板表面質量和尺寸的因素進行了分析與探討。在用NX11進行模具設計時，完成了包括：模具分型面選取，型腔、型芯結構，導向與定位機構、側向分型和頂出機構、復位機構、冷卻系統等的設計，圍繞汽車前門B柱外飾板注射模特點、要點和難點進行了細致闡述。在此過程中，采用了由導柱導套、邊鎖、1°耐磨塊及原身10°虎口組成的導向與定位組合系統，使用了由直頂與滑塊的頂出抽芯組合機構，及外加一個二次頂出機構的注射模結構等，使塑件成型質量得到提高。

該案例具有較強的實用性，解決了塑件內部多重倒勾的限制，提高了塑件的設計想像空間。不僅可以減少量產過程中的不良率，節省模具成本，還可以解決塑件結構設計的局限性，對指導實際生產具有重要參考價值。