汽車熱交換系統斜向管口氣室模具設計

葉衛文，陳鎮森，姜炳春，吳光明

（1.廣東科技學院機電工程學院，廣東 東莞 523083；2.達興塑膠模具有限公司，廣東 東莞 523000；3.東莞技師學院，廣東 東莞 523000）

0 前言

在汽車工業的快速發展和激烈競爭中，汽車已成為大眾生活中不可缺少的一部分。隨著汽車的數量快速增加，給我們的生活帶來便利的同時也產生了環境問題，比如汽車尾氣污染。尾氣中所含的一氧化碳、二氧化碳等溫室氣體是造成全球氣候變暖的一個重要因素，節能減排、降低尾氣排放是低碳時代汽車技術發展的重要方向［1］。

從20世紀90年代開始，汽車熱系統的氣室也逐漸開始由鋁制品開發為聚酰胺/玻璃纖維的塑膠制品，但是由于聚酰胺/玻璃纖維的易變形特性，熱系統氣室在注射成型后都會發生明顯的翹曲變形，熱系統氣室從注塑機中取出后在完全冷卻前需要使用治具裝夾后，將產品放在冷水中進行大約10 min左右的矯正才能用于組裝，生產效率和品質管控受到比較大的挑戰。通過對汽車塑膠功能件斜向管口氣室模具的研究，開發出斜向管口氣室模具最佳的產品數據，研究設計出一套滿足裝配需要的管口氣室模具制造方案，效果良好。

斜向管口氣室有其本身的結構設計方式和要求。首先，由于產品屬于功能件，所以材料需要采用PA66/（30%～50%）GF，由于該材料流動性差，在設計斜向管口氣室模具時，為減小模具熔接線，要求塑件必須采用單點熱流道進行注射生產。其次，塑件的冷卻盡可能保證均衡冷卻，避免造成塑件在生產過程中因冷卻不均衡導致產品不穩定和后期裝配使用過程中產生裝配應力而發生開裂。為了避免此情況的出現，需要進行斜向管口特征脫模機構的設計，其中，3次滑塊機構存在于斜向管口的關鍵位置。本文重點研究了斜向管口氣室的3次滑塊機構和預變形技術，提出較為新穎的結構設計思路，可供相關企業參考借鑒。

1 模具成型部件工藝和特點

1.1 現有脫模技術缺點

（1）適用性差。因為產品內部空間狹小，只能設計油缸式的行位，先在滑塊內脫模，導致模具尺寸較大，模具制造和維護成本較高。

（2）生產周期長。因為傳統的氣室模具生產方法是從注塑機中取出產品后，在完全冷卻前需要使用治具裝夾后，放在冷水中進行大約10 min左右的矯正才能用于組裝。

（3）不良品的增加。受到人工放置時間的影響，導致產品治具矯正冷卻時間不相同，增加了產品尺寸不穩定性。

（4）綜合上述考慮，該產品設計受到制造成本和生產工藝約束，而避免采用PA66/30%GF材料，而選擇傳統的鋁制件，阻礙了塑膠件代替金屬制件的輕量化設計進程。

1.2 斜向管口氣室參數特征與工藝分析

圖1～圖2為兩種不相同氣室產品，模穴為1+1設計，分別為斜向管口氣室Q1和循環氣室Q2。本文主要研究了斜向管口氣室，氣室斜管口為37.5°（圖3），行位需要沿管口傾斜方向出模，管口口部倒扣量為1.2 mm，導致產品內部可用于設計的空間只有27 mm，增加模具結構設計的難度。

圖2 斜向管口氣室Q1三維圖Fig.2 3D View of oblique tube air chamber Q1

圖3 斜向管口氣室Q1剖面圖Fig.3 Cross-sectional view of the oblique orifice air chamber Q1

該產品分為兩個研究方向：（1）模具方面，為了解決產品內部空間狹小和倒扣出模問題，設計了一種新型模具結構，通過3次滑塊機構實現模具內部運動脫扣的設計方案。（2）產品方面，結合PA66/30%GF材料的研究，采用產品預變形分析設計，最終產品達到了預期效果，同時解決了該產品生產過程中尺寸不穩定的問題［2］。

1.3 塑件注塑工藝性分析

塑料制件的材質為PA66/30%GF，密度為1.2～1.4 g/cm3。PA66質地輕便，使用溫度范圍為-30～140 ℃，熔點為290 ℃，在280 ℃左右會軟化，其獨特性表現在有良好的力學性能、強韌性、耐油性、自我潤滑性、摩擦因數小等優點，而其最大的缺點則是吸濕性大而影響尺寸穩定性［3］。其廣泛用于制造機械、汽車、化學與電氣裝置的零件，如齒輪、滾子、滑輪、輥軸、泵體葉輪、風扇葉片、高壓密封圈、閥座、墊片、襯套、各種把手、支撐架、電線內層等［4］。該材料擁有代替傳統金屬的應用前景。

2 模具成型部件結構設計

2.1 分型位置及排氣槽

根據該模具型腔與型芯的特點，型芯與型腔均采用嵌入式的整體設計，為了提高模具的壽命，動定模模仁的材料均選擇1.2344熱作模具鋼。因其優異的耐磨性、高強度、高溫穩定性和良好的加工性而廣泛應用于模具、壓鑄模、擠壓模、塑料模等領域［5］。

為了降低模具的整體成本，動定模模框材料均采用了成本較低的高強度中碳鋼S50C。同時為了提高模具的排氣效果，防止產品在分型面處發生燒焦等現象，在型腔側和滑塊的分型面上每隔10 mm左右分別設有長寬為3 mm×5 mm深0.03 mm的排氣槽，保證熔體在腔體內快速流動時排氣順暢［6］。因為PA66/30%GF在生產的過程中會產生玻纖粉末，容易堵住排氣槽，從而導致產品燒焦。因此設計二級排氣距離膠位2 mm，并且每個生產班次需要對模具PL面進行清潔保養。

由于汽車都需要安裝氣室產品，且每款產品都會銷往不同的國家，該產品要求達到極冷極熱的使用環境，還需要做“老化測試”。因此該產品質量和精度要求非常高，為保證塑件的質量和成型精度，使產品能夠順利脫模，選取塑件截面最大輪廓處作為分型面（圖4），而且鑲件都設計成面鑲，使得生產過程中能夠更好地維護保養［7］。

圖4 分型面及排氣Fig.4 Parting surface and exhaust

2.2 模具整體結構及工作過程

該產品倒扣位置空間狹小，脫模行程較長，不能采用簡單結構完成出模［8］。考慮到注塑件的精度和生產效率要求，整體注塑模具結構設計成1模2穴3滑塊的設計方案（圖5）。

通過3次滑塊機構設計實現模具內部3次運動脫扣，同時讓管口倒扣位置出模（圖6）。當注塑完成后（圖7），在前后模開模瞬間，在斜導柱的作用下，小滑塊座5先帶動管口芯鑲件4移動26 mm，完成第一次運動（圖8）。此時在斜導柱的繼續作用下，大滑塊座9帶動縮科鏟機6和小滑塊繼續運動15.5 mm，因為大滑塊鑲件2在限位釘8定在耐磨塊1作用下保持不動，所以在縮科鏟機的帶動下縮科鑲件3先下運動9 mm完成倒扣位置的脫扣（通過三角函數計算設計角度30 °，運動距離15.5 mm，即可完成移動9 mm），完成第二次運動（圖9）。此時限位釘8已經運動至行位座底面設計的限位處，此時在斜導柱拉動和導向斜面的作用下，限位釘8會往上運動后，解除與耐磨塊定位。同時在斜導柱的作用下大滑塊座會繼續帶動小滑塊，而且在大滑塊座9中行程螺絲10的作用下，帶動大滑塊鑲件2再運動10.5 mm完成第3次運動（圖10）。動模移動至注塑機設置好的位置后，通過注塑機拉桿對模具的頂針面板24進行頂出50 mm，機械手會根據設計好的線路取出產品（圖11）。

圖6 3次滑塊機構Fig.6 Three-time slide mechanism

圖7 原始合模狀態Fig.7 Original closed mould state

圖8 第一次運動狀態Fig.8 State of the first movement

圖9 第二次運動狀態Fig.9 State of the second movement

圖10 第三次運動狀態Fig.10 State of the third movement

圖11 氣室實物圖Fig.11 Physical picture of the air chamber

該模具在實際生產過程中，效率高、空間緊湊、工作安全穩定，塑件成型缺陷較小，有效解決了此類產品出模困難的問題。這是本模具結構設計的一個創新點［9］。

2.3 模具冷卻系統的設計

該功能件采用PA66/30%GF，縮水為1.005，塑膠密度為1.2～1.4 g/cm3，產品單重為（73.53+88.61）g，為避免產品卡扣位置出現缺陷，本次設計采用兩點整體針閥式熱流道設計（圖12）。

圖12 澆注系統（熱流道）Fig.12 Pouring system （hot runner）

在實際生產過程中，冷卻時間占據生產周期比重較大，因此控制模具溫度對生產效率和產品質量有較大的影響［10］。由于該產品表面積較大，薄壁較厚，為了得到較好的冷卻效果，如圖13所示在動模側設計了3組運水，其中后模的運水直徑8 mm和滑塊運水直徑8 mm的立體循環式水路，由于滑塊與塑件的接觸面積較大，因此滑塊也需要冷卻，每個滑塊中各設計了1組直徑為8 mm的立體循環水路，為了簡化連接運水工作，采用軟管串聯滑塊運水為1組。定模型腔側設計了2條直徑為10 mm的立體式循環水路。其中塑件有管口鑲件，為了加強重要尺寸位置的冷卻，設計了2條直徑12 mm的帶隔水片的水井，以便帶走更多的熱量（紅色為前模運水、綠色為后模運水、紫色面為滑塊運水）。

圖13 冷卻系統Fig.13 Cooling system

3 產品預變形技術

3.1 預變形設計步驟

由于該產品屬于功能件，材料為PA66/30%GF，此材料吸濕性大、易變形。傳統的制造工藝無法保證生產出合格的產品［11］。為了解決此問題，團隊采用產品預變形技術：（1）首先，產品分析小組通過使用Moldflow，進行模擬分析，再憑著多年的注射成型經驗設定參數，分析出產品在注射成型時初步的變形趨勢和數據。（2）產品設計小組依據Moldflow的數據（圖14）和知識數據庫相結合計算出實際變形數據（圖15）。根據客戶的原始產品計算出實際變形數據后對產品進行數學建模。（3）使用新設計產品圖檔進行模具設計。（4）模具試模完成后，品質管控小組使用專門開發的夾具固定產品，通過特別編制的3次元測量程式測量產品。（5）通過3次元的測量數據和知識數據庫相結合，產品設計小組重新優化產品模型（圖16）。（6）模具設計小組依據新的產品圖檔，重新更改模具結構和重新加工模具。（7）使用新模具注塑出的產品直接符合裝配需求，不需要進行治具矯正［12］。

圖14 斜向管口氣室Q1和循環氣室Q2 Moldflow X、Y、Z方向變形數據Fig.14 Moldflow X，Y，Z direction variant data of oblique tube air chamber Q1 and recirculation air chamber Q2

圖15 第一次預變形設計數據Fig.15 First pre-variation design data

圖16 最終預變形產品圖Fig.16 Final pre-variation product diagram

通過Moldflow的數據顯示（圖14），斜向管口氣室Q1和循環氣室Q2的X軸變形-0.58～0.3 mm，Y軸變形-0.63～0.66 mm，Z軸變形為-0.45～0.51 mm。

由圖15可見，通過模流數據與知識數據庫相結合計算出實際變形數據，第一次進行預變形設計：斜向管口氣室Q1的X軸變形0～0.5 mm，Y軸變形0～0.1 mm，Z軸變形0.1～0.6 mm。循環氣室Q2的X軸變形0～0.4 mm，Y軸變形0～0.1 mm，Z軸變形0.1～0.5 mm。

由圖16可見，產品設計小組依據3次元的測量數據+知識數據庫相結合計算出最終的數據：斜向管口氣室Q1的X軸變形0～0.28 mm，Y軸變形0～0.15 mm，Z軸變形0.1～0.9 mm。循環氣室Q2的X軸變形0～0.4 mm，Y軸變形0～0.15 mm，Z軸變形0.3～0.8 mm。

3.2 預變形結果

根據上述的實驗內容和驗證數據，設計出管口氣室的最佳產品數據。從最佳數據中可見，斜向管口氣室Q1中間部分有骨位支撐，沒有發生變形，而循環氣室Q2中間部分沒有骨位支撐，變形量相對較大（最大0.4 mm）。因此該產品通過預變形優化設計后，有效解決了產品變形的難題［13］。這是本產品預變形設計的一大亮點。

4 結論

（1）傳統的設計方案是在普通的滑塊中再設計油缸抽芯，在普通滑塊運動前，先進行管口垂直方向的脫模，再與普通滑塊一同脫出，導致模具和產品成本上升。而本模具設計采用3次滑塊機構存在于斜管口的關鍵位置，實現模具內部3次運動脫扣。有效減小運行故障概率，大幅降低模具制造成本，提高生產效率。

（2）通過預變形技術提出較為新穎的結構設計思路。通過反復驗證后，設計出最佳的氣室數學模型，有效解決了氣室使用聚酰胺/玻璃纖維易變形的特點。

（3）通過生產驗證，模具效果良好。該模具結構設計合理，模具動作流暢、空間結構上更加緊湊、工作安全穩定、塑件成型缺陷較小。經過預變形分析設計，產品尺寸穩定，無須治具矯正即可完成生產，有效節省治具和人員成本，讓生產效率得到大幅提高。