基于Pro/E汽車電機線圈架成型工藝及模具設計

郝軍偉，劉葉平，李玉華，彭艷波，楊 濤

（1.東風汽車股份有限公司制造總部，湖北襄陽 441004；2.襄陽卓靈塑膠有限公司，湖北襄陽 441000）

1 引言

汽車發電機是汽車的主要電源，其作用是發動機正常運轉，向所有用電設備（發動機除外）供電，同時給蓄電池充電。線圈架作為其中的一個零件，主要是將漆包圓銅線繞制在線圈架上，配合漆包圓銅線制造成發電機轉子繞組。該塑件的質量是否符合產品要求直接影響到整機裝配質量及電機性能，從而影響到總成性能。

2 塑件特征

塑件名稱：線圈架，塑件所用材質：玻璃纖維增強尼龍6（PA6），該塑件的精度要求高：內徑為?60+0.250mm，外徑為?88.60-0.25mm，塑件上端面正面有3處繞線定位凸臺，背面有一條卡線凹槽。

3 線圈架成型工藝設計

3.1 材料工藝特性

（1）流動性差。玻璃纖維增強尼龍6（PA6）為淡黃色至琥珀色透明或半透明的固體物，為熱塑性塑料，熔融指數比普通尼龍料低30%～70%，故流動性不良、融接不良、玻纖分布不均。

（2）成形收縮小，異向性明顯。增強料成形收縮比普通尼龍料小，有助于產品精度的保證，但異向性增大，沿料流方向收縮小，垂直方向大，近進料口處小、遠處大，塑件易發生翹曲、變形。理論收縮率為0.3%～1.0%，結合經驗數據設計取該線圈架徑向收縮率為0.5%，軸向收縮率為0.4%，厚度方向不考慮收縮率。

（3）脫模不良、磨損大。該料不易脫模，模具磨損大，在注射時料流對澆注系統，型芯磨損大。

（4）易發生氣體。成形時由于纖維表面處理劑易揮發成氣體，必須予以排除，不然易發生融接不良，缺料及燒傷等缺陷。故應在分型面上開設排氣及溢料槽。

3.2 塑件CAE分析及工藝設計

Plastic Advisor（塑料顧問）是Pro/E Wildfire自帶的一種分析、計算和動態仿真功能的模流分析模塊，主要用于塑件在模具型腔內注射成型分析,可直觀地觀測塑料融體的流動情況、塑件的填充狀態、注射力的變化情況等,并得到可靠的反饋信息和建議，從而使塑件和模具在設計階段就能得到完善與改進，達到用戶的設計要求和最終使用目的。Plastic Advisor提供了澆口位置分析、充模動畫、描述設計、可塑性的圖形以及熔接線和氣泡可能出現的位置，模擬塑料熔體在模具型腔中的流動、保壓、冷卻過程，預測塑件可能發生的翹曲等，其結果對優化模具結構和注射工藝參數有重要的指導意義。

在Pro/E軟件里，建立一個新文件，按塑件圖尺寸實體建模xqj.prt。進入應用程序-Plastic Advisor模塊。為了確定澆口的合理位置，進入Adviser—Analysis Wizard，選擇Gate Location，指定塑料廠家和材料牌號PA6，默認的成型溫度和模具溫度，進行分析。

（1）選擇合理的成型工藝參數。

CAE分析的成型工藝參數和《塑料模設計手冊》查詢結果接近，確定為：①溫度：在注射成型過程中需要控制的溫度有成型溫度和模具溫度。成型溫度與材料PA6特性有關，為227℃～316℃，模具溫度為80℃；②壓力：由于玻纖增強PA6流動性差，注射壓力較高，為700～1,760kg/cm；③成型周期：在生產中，充模時間約為3～5s。如圖2所示。

圖2 成型工藝參數

（2）根據型腔充填狀況、塑件品質和冷卻質量的預測確定澆口位置。如圖3所示。

圖3 澆口合理位置分析

根據分析結果，澆口位置在塑件中部?60mm的孔上（深色區域）比較合適，但線圈架中間內徑?60mm的孔需要型芯成型，且精度要求高，初步確定澆口（黃色錐形物）設置在塑件上、下端面靠近?60mm的孔邊緣處，如圖4、圖5所示。

圖4 布置在上、下端面孔邊緣一處澆口質量分析

圖5 布置在下端面孔邊緣兩處和6處澆口質量分析

澆口設置在上、下端面內孔邊緣時，如果只設置一處澆口，熔接痕（紅線處）出現在澆口在塑件對面位置中部?62mm外圓表面，影響漆包銅線繞線，且塑件上3處凸臺使模具分型開模困難，考慮將澆口位置設置在塑件下端面內孔邊緣。根據該材料的工藝特性，需要多設澆口以使料流亂流、玻璃纖維分散，以減少異向性。分析結果顯示增加至兩處澆口后進料在?62mm外圓表面仍出現熔接痕，而增加至6處澆口進料后塑件質量有提高，熔接痕出現在塑件下端面，塑件端面在發電機總成裝配中空開，對其它零件裝配影響不大，且該平面出現的熔接痕可以通過在模具分型面處增加溢流槽改善。如圖6所示。

圖6 澆口形式優化后分析

4 線圈架注射模設計

4.1 澆注系統設計

由于該塑件的外形尺寸相對較大（相比發電機內部其它精密塑料件），相應模具的尺寸更大，考慮到現有注塑機安裝尺寸有一定的限制，故采用一模一腔。

澆注系統的作用是將熔融狀態的塑料填充到模具型腔內,并在填充及凝固過程中將注射壓力傳遞到塑件各部位,而得到要求的塑件。它由澆口、澆道、進料口和冷料穴組成。

（1）澆口的設計。

圖7中，d=注塑機噴嘴孔直徑+0.5～1=3+0.5=?3.5mm，α=5.8°，SR=注塑機噴嘴球面半徑+2～3=12+2=14mm，L應盡量縮短，取37mm。

圖7 澆口尺寸

（2）流道設計。

圖8所示采用T型澆道，該澆道加工方便且塑料熱量損失小，流速小。

圖8 流道尺寸

（3）冷料穴的設計。采用溝扣形，具體形狀與拉料桿頭部一致。

（4）進料口的設計。采用矩形側澆口，便于后序切除澆口。

4.2 模具成形零部件設計

（1）型腔尺寸計算。

徑向尺寸DM=DS（1+K）+0.5δ=（88.6-0.25）×（1+0.005）+0.1=88.mm

高度尺寸HM=H×（1+K）=30×（1+0.004）=30.1±0.02mm

（2）型芯尺寸計算。

徑 向 尺 寸dM=dS（1+K）-0.1δ=60.25×（1+

式中K為收縮率，δ為尺寸公差。

4.3 模具分型面的選擇

根據塑件形狀、尺寸、壁厚及要求，在有利于脫模,抽芯和排氣的要求下，分型面的選擇如圖9所示。

圖9 分型面

4.4 脫模機構的設計

（1）側向分型機構的設計。

由于分型面1和分型面Ⅱ相互垂直，故要采用側向分型機構，此處用斜導柱和斜滑塊側抽芯機構。

a.脫模距的計算。

式中S——最小脫模距離，mm

D——線圈架最大直徑，mm

d——線圈架最小直徑，mm

b.斜導柱的計算。

斜導柱用于驅動滑塊作開閉運動。如圖10所示，根據經驗數據取斜導柱直徑為壓合部分D=?16mm，工作部分d=?15.4mm，斜導柱的角度α取20°，脫模距為S時，斜導柱工作部分長度L4=S/sinα=35/0.342=102mm。

圖1 線圈架塑件

圖10 斜導柱工作尺寸

c.斜滑塊的確定。斜滑塊斜面傾角一般大于斜導柱的角度α，但小于25°，取為22°。

（2）二次脫模的設計。

由于該線圈架下部有一條凹槽，由模具斜滑塊上部的一凸臺成型，如圖11所示，該凸臺的方向應與斜滑塊打開方向一致，防止斜滑塊打開時將線圈架塑件拉裂。這樣，線圈架上部的3個異形小凸臺不能設在模具斜滑塊上由斜滑塊成型，而只能設在模具靜模上成型。因此需要設計二次脫模機構，首先垂直分型，將3個異形小凸臺由靜模中脫出，再由斜導柱和斜滑塊動作，完成側向水平分型。如圖10所示，ΔD=H×tanα=4×tan20°=1.46mm，斜滑塊與斜導柱配合的孔徑D=d+ΔD×cosα=15.4+1.37=16.77mm，取整為20mm。

圖11 模具成型零件三維圖

4.5 排氣槽和溢流槽的設置

（1）排氣槽設置的原因。模具型腔在塑料填充過程中，除了模具型腔內有空氣外，還有塑料受熱而產生的氣體，如果不能順利地排出空氣，被壓縮的空氣變得高溫燃燒，使塑料焦化，或使融接痕處強度減低以及不能成形，其次是在開模時造成型腔及型芯貼緊塑件在脫模時成為真空而使塑件破裂，因此要設排氣槽。

（2）流槽設置的原因。從進料口注入的熔融塑料，由于型腔表面散熱而粘度增加，使流動性變差，因而流到末端時融接強度下降，為了使高溫的塑料融接，則需把變冷的塑料流到設置的溢流槽內。

（3）排氣槽的位置設置及尺寸。根據進料口的位置考慮開設在模具型腔最后被充滿的地方，所以在斜滑塊的下表面成型線圈架下表面型腔處開設4處排氣槽，排氣槽深度為0.03mm，如深度過大則易出飛邊。

4.6 頂出系統的確定

成型后線圈架塑件由于收縮將包在模具型芯上，不能取下，所以要設置頂出系統。該線圈架塑件為薄壁塑件，表面質量要求高，如果設計使用頂桿頂出，會在塑件表面留有頂出痕跡。因此設計使用推板頂出，推板頂出的特點是頂出力均勻，力量大，運動平衡。

5 注射模結構及其工作過程

模具結構如圖12、圖13所示。

圖12 模具二維圖前視圖1.A面 2.B面 3.斜滑塊 4.復位桿5.推板 6.定模座板 7.型芯 8.斜導柱

圖13 模具二維圖右視圖1.導柱 2.拉料桿 3.墊塊 4.頂桿墊板 5.頂桿固定板 6.導條

模具工作過程為：合模?塑料充模（塑料沿澆注系統流進模具型腔）?保壓、冷卻?開模。開模時，靜模首先和模具下部在分型面Ⅰ處分開，當分開一定距離后，斜導柱A面碰到斜滑塊的孔壁B面，帶動左、右斜滑塊水平方向沿分型面Ⅱ打開，當斜滑塊完全從線圈架中脫開后，由注塑機的頂桿頂動頂出底板，頂出底板帶動頂板連同回程桿，頂動推板將線圈架從型芯上頂出。

6 結束語

該線圈架注射模經用戶使用后，脫模順利，塑件尺寸合格，外觀良好，達到了設計要求，并且經過了批量生產的考驗。其中Pro/E軟件里的Plastic Advisor模塊對該塑件進行CAE分析的結果對工藝及模具設計有一定的指導作用，該模具結構設計中創新點是斜導柱配合的斜導柱孔徑優化擴大，可以實現垂直分型后再進行水平分型。該模具結構對今后類似塑件的模具設計將有一定的借鑒作用。