大型汽車儀表板注射模設計＊

褚建忠

（臺州科技職業學院，浙江臺州 318020）

1 引言

現代轎車的儀表板作為轎車必備的功能部件，在設計時除滿足其總成安裝結構外，還追求其美觀，特別是作為轎車內飾的標志性零件，更不允許有熔接痕的可視面，同時具有輪廓分明并且超薄型顯著特征的帽沿，與各種高精密的電子儀表、開關、控制器等精確配套年孔位等等[1～5]。

目前國外生產的儀表板90%是高端產品，即指技術含量高、塑件功能全面、精度高等綜合性的塑件，特別是對超薄深型腔的塑件有著獨到的技術優勢：包括各種設計方案、加工工藝、材料選擇以及配模經驗等都十分成熟，但模具生產的成本遠遠高出國內生產成本的3～5倍以上，同時生產周期也比國內更長[6～8]。

為了促進進口取代，本項目開發的大型超薄深型腔儀表板模具是在傳統注射模的基礎上對新概念塑件模塑化的嘗試，主要是利用對熱流道系統的控制手段以及澆口的分布來進行弱化澆注的熔接痕，以達到無痕的效果；同時在機械結構集成的指導思想下將多級抽芯轉化成一次抽芯來完成，減少了模具機構的工作工序；另一方面，在型腔深處采用獨特的熱處理技術，消除了尖銳部分在加工過程中產生的應力，有效消除了材料因應力集中而開裂的可能，并且在帽沿處采用內部設置優良的導熱部件，并輔以化學導熱介質，建立獨立的冷卻循環，使模具在高頻工作過程中始終保持均衡的模具溫度。

2 塑件分析

由于儀表板是轎車的儀表總成的主要部件，兼備裝配、裝飾、安全等諸多用途，也就造成其碰穿孔位繁多，尺寸、位置要求精度高，外形彎曲多變，要求符合人體工程學原理，經分析，該儀表板（見圖1）存在下列問題：

圖1 儀表板結構

（1）儀表板超過80%的面積暴露在視覺范圍內，需要通過澆注點位的設計以及澆注工藝的確定，達到澆注熔接線不可見或不外露的視覺效果。

（2）儀表板帽沿處最薄只有5mm，如圖2所示，而澆注壓力通常達到80～90MPa左右，溫度在230℃左右，因此需要在模具結構設計時采用相應的改善措施來保證強度的需求，并解決此處模具溫度與其他部位的溫度差在澆注工藝要求范圍內。

圖2 超薄超高帽沿結構

（3）儀表板骨位繁多，成型后對模具的包緊非常大，局部需要分兩次甚至多次脫模才能解決包緊力的問題，來保證塑件的質量，但同時又會使模具結構更加復雜，生產效率更低，并且增加成本，因此需要研究一種側向頂出脫模的機構來簡化模具結構，以節約成本，提高工作效率。

（4）儀表板模具屬于大型注射模，大多數材料都存在材料回彈等情況，由此，會導致模具頂出不平衡、精度差等問題，因此，需要研究一種適用于大型注射模的生產工藝與方法，來解決材料回彈的負面影響。

3 注射模創新設計

本項目對傳統的儀表板模具設計方法進行了創新，在注射模鎖模、熔接痕控制技術、多向運動同步機構等方面都有相應的創新，使設計更加合理。

3.1 新型鎖模結構設計

儀表板注射模型腔的分型面形狀曲面較多，而且高度相差很大，因此在注射成型過程中注射壓力對模具各處的壓力也產生不同程度的影響，這種影響導致了模具成型零部件各處的壓力出現不平衡分布，影響了模具的成型質量和壽命。為了消除這種影響，在模具側面部分分別設計了鎖模面，對模具進行整體加強，平衡鎖模壓力。

合理的鎖模設計應該能將注射壓力進行合理的分散，保證模具在注射工程中的受力平衡，從而避免模具成型零件在成型過程中產生不必要的變形。

由于模具在注射過程中受力非常復雜，通過UGNX有限元分析模塊對模具進行受力分析，可以看出在注塑機注射壓力的施加下，模具型腔的受力情況出現不規則的分布，如果采用傳統的單斜面鎖模設計，則不能有效地抗衡注塑機對模具各處的壓力影響。

本項目設計的鎖模面對傳統的鎖模設計進行了創新，設計了間隔式鎖模面，如圖3所示。間隔式鎖模面根據儀表板的曲面形狀進行分布，通過有限元分析后結果表明，在同等條件下，相比傳統的單斜面鎖模設計，間隔式鎖模方案能有效地縮小模具的變形量（60%以上），因此能有效地提高模具的使用壽命。

圖3 間隔式鎖模與單斜面鎖模的變形量對比

3.2 多點順序閥熱流道澆注系統與模具局部控溫技術

儀表板塑件的主要特征是體積大（超過1,500×800×600mm），碰穿孔位多，面形復雜多變，呈不規則狀。外表面要求不能出現明顯的熔接痕、明顯的色差，同時有眾多的電子元器件需安裝在儀表板上，要求不能有過大的變形。由于塑料流長的限制，本項目的儀表板模具必須設置多澆口。這樣模具型腔內就存在多股塑料料流，在塑件遠離澆口的位置熔料溫度比較低，就有可能產生熔接痕，并且在此情況下模具溫度又難以保持均衡，造成塑件收縮不平衡，塑件翹曲也就隨之發生，情況嚴重時會直接導致塑件報廢，影響生產線的正常運行。

針對此種情況，通常需要在模具上通過控制澆口開放的時間來調整料流匯合的夾角（達到120°以上），但針閥式熱流道系統只能控制其在某一時間開放某個熱噴嘴進行注射成型，所以單一依靠熱流道系統不能完全控制熔料的流向及料流的前沿溫度，因此也不能將熔接痕消除或是調整到非可視區。

熔接痕的出現主要影響因素是澆口的數量、塑料熔體的匯合角度、熔體的前鋒溫度、模具溫度。熔接痕的出現會對塑件的熔接強度造成不良影響。因此，在設計順序閥熱流道系統時必須要設計正確的澆口開放時間，確保通過合理的設置順序閥的開閉時間，對熔料流動進行有效的控制，進而消除熔接痕或者轉移到非可視面，如圖4所示。

圖4 定時開放噴嘴與流道設置

其次，經過計算機模擬分析發現儀表板熔料的最后匯合點集中在塑件的邊緣部分，由于匯合點的料溫比較低，剪切速率也比較低，將嚴重影響塑件的熔接強度。因此，必須要借助于外部熱量來進行局部加熱，故在這些匯合點設計了局部加熱裝置來提高熔料的溫度，增強熔接強度，如圖5所示。

圖5 模具上加熱區域設置

通過試模結果表明：在模具局部進行加溫設計，提高局部的模溫，塑料熔料在匯合點的融合情況得到了有效改善，匯合點的熔接強度得到了提升，熔接痕幾乎消失。

通過對澆注系統的模擬分析，確定了型腔帽沿處需采用側切向進料既能滿足塑料流長比的理論要求，又能通過避免料流正向沖擊模具型腔來解決帽沿處強度不足的隱患；而氣囊處采用臨近雙澆口的方案，既增大了注射量，又通過料流夾角的控制避免了熔接痕的產生，最終確定了澆注方案，并按模流分析的設計進行了熱流道系統的設計制造，如圖6所示。

圖6 熱流道系統

3.3 快速冷卻系統設計

由于模具上有多點順序閥澆注口，又有局部加熱系統，因此對模具冷卻系統的設計又提出了較高的要求，一方面需要根據模具溫度分布的特點，確定是否需要設計獨立的冷卻回路，并通過調節進水的流量，測量進出水溫，來避免模具溫度過高或是過低；另一方面，水路的流向亦會影響塑件的尺寸精度，因此設計時必須按塑料收縮的方向進行設計，否則塑件成型后翹曲就會十分明顯，也就不能有效精確達到塑件的尺寸精度要求。

儀表板塑件的帽沿處的壁厚很薄，本項目塑件尤為突出，帽沿最薄的壁厚只有4mm。如果采用傳統的冷卻方式：直通式、隔板式、噴泉式等，都無法設計在如此薄的模具鋼內部，也就無法保證冷卻效果。因此需要設計獨特的冷卻系統，既能保證不影響儀表板帽沿處的模具強度，又能充分地吸收熔料產生的熱量。因此本項目對帽沿處設計了專門的冷卻系統，如圖7所示。該冷卻系統的設計過程如下：在儀表板帽沿型芯內部沿著塑件斜面設計直徑?2mm的冷卻水道，塞入鈹銅棒，鈹銅棒的下端連結循環冷卻水，利用鈹銅良好的熱傳導性能，快速地將帽沿處的熱量傳導到模具下面的循環冷卻水；同時在模具鋼與鈹銅棒之間充入化學冷卻介質，增強熱傳遞效率。由于鈹銅棒側的冷卻水道直徑很小，不會影響帽沿處的模具鋼強度，也不會影響注射壓力對該處的強度影響。這種冷卻技術既能有效地消除模具局部集中的熱量又不影響模具的強度。

圖7 快速冷卻系統

3.4 柔性抽芯頂料同步機構設計

根據塑件進料的需求，在塑件側面有一潛伏式澆口料柄，該潛伏式澆口與流道都設計在滑塊內部，在滑塊運動的同時可以自動拉斷澆口，但是流道依舊殘留在滑塊內，如果不做專門的頂料處理無疑會影響模具的自動化程度，增加塑件的后加工工作量，加大塑件的成型周期。

因此本項目針對這一問題設計了柔性抽芯頂料同步機構，如圖8所示。結構如下：在滑塊內部流道下面設計了頂桿，頂桿前端套上復位彈簧，頂桿下端設計了導套進行運動導向，并與底座導滑斜面接觸。頂桿的頂出長度根據潛伏式澆口的長度進行設計。當模具成型后，滑塊開始向模具外側運動，同時帶動了頂桿向外運動，與此同時頂桿也沿著底座的斜面進行向上的頂出子運動，從而自動頂出潛伏式澆口與流道冷料。滑塊復位時，滑塊內部的頂桿在復位彈簧的作用下進行向下的回退運動，從而回復到初始狀態。

圖8 柔性嵌件抽芯機構

該柔性抽芯頂料同步機構成功地實現了滑塊運動與冷料頂出運動同步的功能，即簡化了機構又減少了設計冷料頂出的專門機構。

4 結論

通過在模具結構方面一系列的創新設計，本項目開發的大型儀表板注射模經過裝配、試模獲得了成功。注射模結構如圖9所示。

圖9 模具整體圖a——主視圖 b——側視圖 c——動模俯視圖

主要創新點為：

（1）對塑件在注射過程的受力的情況進行了有限元分析，對傳統的大型模具鎖模進行了改良，設計了間隔式鎖模，并圍繞塑件形狀進行分布，分析結果表明間隔式鎖模設計能夠有效地抵抗注射壓力，消除模具內部壓力不平衡的情況，從而能有效延長模具的使用壽命。

（2）使用順序閥熱流道對模具各個澆口的開放時間進行控制，能夠有效地消除塑件上的熔接痕或轉移熔接痕；在模具局部進行加溫，提高模具溫度，能有效地提高注射過程中塑料熔料的溫度，從而提高多股熔料的結合強度。這兩項技術結合使用能夠有效消除儀表板表面上的熔接痕，提高塑件強度。

（3）柔性抽芯頂料同步機構能將滑塊運動與冷料頂出運動有效地組合，實現了合二為一，簡化了機構又能有效地實現多向運動，提高了模具機構運動的穩定性。