汽車儀表板下本體的大型注塑模具設計

洪維，傅瑩龍

(臺州科技職業學院，浙江臺州 318000)

近年來隨著新能源汽車產業的快速發展，汽車工業的發展又上了一個新的臺階，汽車儀表板下本體是汽車中控臺的重要組成部分，也是車輛的重要內飾件，它集安全性、美觀性于一體，還要滿足裝配的功能性與方便性等要求[1–3]。在汽車發生正面碰撞時，還可以適當起到緩沖保護的作用，同時對車內的靜音也起到一定的效果，其結構的復雜程度在所有汽車內飾件中較高[4–5]。汽車儀表板下本體的成型難度大，注塑模具結構復雜[6]。筆者承接某集團有限公司某款汽車儀表板下本體注塑模具的結構設計，根據塑件產品特點設計了一副基于順序閥控制的大型熱流道注塑模具。

1 塑件產品的結構工藝及外觀要求

圖1為某款汽車儀表板下本體的結構圖。該塑件的總體尺寸為959 mm×379 mm×282 mm，主體壁厚為2.5 mm，側面加強筋平均壁厚1.5 mm，屬于中大型塑件。由于該產品屬于裝配件，因此其尺 寸 公 差 等 級 為MT4 級(GB/T 14486–2008)[7–8]。圖1中的T1特征為厚度2 mm、深度30 mm、長度650 mm的側加強筋；T2～T4為側向倒扣，采用常規的滑塊很難完成脫模；T5～T6為較深的側孔，T5深度為48 mm，T6深度達到70 mm；T7為厚度1.8 mm、平均深度3.5 mm的加強筋，起到加固產品強度的作用；T8為產品的卡扣；T9處為皮紋面，因此該處外觀要求較高，不得出現熔接痕、縮影、氣痕等缺陷[9–10]。

該產品的材料由聚丙烯(PP)、三元乙丙橡膠(EPDM)、質量分數20%滑石粉(TD20)這3種原料制備而成，收縮率為1.2%。這種混合的改性材料解決了常規PP性能上的缺點，提高了材料的流動性、降低了熱扭曲溫度，同時具有耐沖擊性好、光澤度高、剛性好的優點，綜合性能得到很大提高，另外，其抗老化及氧化性能好、表面抗劃痕性能優異，大大提高了汽車儀表板下本體的綜合性能[11–13]。

2 產品的澆注系統設計及CAE分析

2．1 澆注系統的設計

為避免汽車儀表板下本體塑件出現短射、熔接線等現象，采用了先進的順序閥熱流道技術，如圖2所示。圖2中，閥針打開的順序為G3→G2→G1，通過電磁閥控制各個閥針的打開順序，保證該產品的成型質量。從圖2可以看出該模具采用“熱流道+冷流道”的澆注系統。

圖2 熱流道澆注系統結構圖

2．2 CAE分析

為驗證以上澆注系統的合理性，可通過CAE軟件進行分析。

(1)氣穴分析。

圖3為氣穴分析。從圖3可以看出產品成型時，氣穴主要分布在側面加強筋和卡扣等難以排氣的位置。

圖3 氣穴分析

(2)熔接線分析。

圖4為汽車儀表板下本體填充時的熔接線分布圖。

從圖4可以看出，塑件皮紋面部位無明顯熔接線，其它熔接線主要分布在加強筋及非外觀處，這些熔接線主要是由孔洞引起的，一般不可避免，但都比較短，符合外觀要求。

圖4 熔接線分析

(3)總翹曲變形量分析。

圖5為汽車儀表板下本體總體翹曲變形情況分布圖。由圖5可以得到，產品的整體翹曲變形不大，局部最大也只有2.6 mm左右，符合要求。

圖5 總翹曲變形量分析

3 模具結構設計

3．1 主要成型零件的設計及排氣系統的分布

由于該產品的尺寸較大，結構比較復雜，模具整體采用鑲拼式，A板(型腔固定板)跟B板(型芯固定板)的材料為S50C，定模型芯由于要做皮紋面，故型芯大鑲塊的材料采用718H預硬模具鋼，定模整體結構如圖6所示。A板邊緣均勻設有承壓板，使合模時壓力分布更加均勻，兩個大鑲塊背部用M20螺釘均勻鎖住，此外在其正面還設計了6個擠塊，一方面增加大鑲塊的定位精度，另一方面提高其鎖緊力。擠塊四周三個面為垂直面、剩余一面設計為7°的斜面，方便鉗工研配。同時在鑲塊的分型面上設計有一級排氣槽與二級排氣槽，分型面上的排氣槽排氣效果好，不容易堵塞，也方便加工。設計排氣槽時，要求與外部連通，避免形成內循環，導致排氣不良，排氣槽不得與流道和澆口等發生干涉，排氣槽之間的距離一般為40～60 mm[14–15]。在產品的A面(如圖1所示)的卡扣處為了排氣順暢，避免短射，需設計排氣鑲塊。

圖6 定模結構圖

動模的整體結構如圖7所示。由于產品的B面(如圖1所示)為非外觀面，為了降低模具的成本，型芯大鑲塊的材料采用P20H預硬塑膠模具鋼，其固定方式也與定模相同，采用螺釘和擠塊組合固定。同時在大鑲塊分型面的邊緣每隔45 mm設計一個深0.02 mm、寬6 mm、長15 mm的一級排氣槽。

圖7 動模結構圖

3．2 側向抽芯及推出機構的設計

由于產品四周都有側孔、加強筋、卡扣等特征結構，而且都為對稱結構，需設計對應的抽芯機構。經反復計算分析及考慮制造成本后，在產品寬度為282 mm的一側(如圖1所示)采用液壓抽芯機構，該機構可以適用長距離的抽芯，該處滑塊的抽芯距離需達到120 mm，可以通過選擇油缸的大小提供不同的脫模力，缺點是由于油缸一般比較長，會占用比較大的空間。為了克服這一缺點[14]，設計的模具液壓抽芯機構如圖8所示。圖8中，采用方形的液壓油缸，設計在滑塊的下方，通過螺釘固定在動模上，用連接塊將滑塊與油缸固定在一起；為了減少滑塊的裝配時間，在滑塊的斜面及側面都設計了承壓板；滑塊運動時通過固定在滑塊上的延長桿及接觸限位開關達到限位的目的，再通過固定在滑塊上的定位銷與固定在動模板上的定位器進行配合，保證滑塊的定位精度。該組滑塊的材料也采用718H預硬模具鋼，壓條采用黃銅石墨組合的材料，使滑塊在運動時能夠達到自潤滑的目的。

圖8 液壓抽芯機構

在該產品長度為959 mm一側(如圖1所示)的抽芯機構如圖9所示。由于圖9中滑塊的長度達到980 mm，因此在它的底部設計了兩根精密的導滑條，起到導向和定位的作用，同時選用了雙斜導柱抽芯結構，斜度為15°，抽芯距離為70 mm，經詳細計算斜導柱的直徑為70 mm，有效工作長度為280 mm，通過銷釘固定在定模的A板上。

圖9 雙斜導柱抽芯機構

同時該側面由于分布較多的加強筋，成型時會在滑塊上產生很大的包緊力，在圖1中D-D的放大圖可以比較清楚地看到有較多的側向倒扣，如果直接用滑塊脫模，很容易拉斷這些側向倒扣，而且使產品變形。在大滑塊內部設計了3組如圖10所示的斜頂脫模機構。圖10中導柱固定在定模中，導套、斜頂滑塊以及斜頂通過螺釘固定在一起。該機構的驅動零件為大滑塊，斜頂滑塊通過壓條跟大滑塊構成滑動副連接，它們之間的傾角為16°，當滑塊做側向運動時，在導向零件的作用下，斜頂沿著導向零件的方向運動，實現抽芯。在加強筋較多部位的滑塊內部設計了10組如圖11所示的直頂脫模機構，當模具開模距離少于38 mm時，在延時擋塊的作用下，內置的延時頂針通過頂塊頂住產品，而大滑塊在斜導柱及氮氣彈簧的雙重作用下，克服包緊力順利脫模；當延時頂針脫離延時擋塊后，直頂機構在彈簧的作用下與產品分離。在圖1中的T1特征中加強筋深度到達30 mm，為了提高該處的散熱冷卻效果，在滑塊的成型部位上鑲拼了鈹銅材料。

圖10 滑塊內置斜頂機構

圖11 滑塊內置直頂機構

該模具采用“斜頂塊+直頂塊+頂桿+頂管”的組合推出機構，如圖12所示，模具的直頂桿底部布置了調整塊，可以調節直頂桿長度，以避免在配模時造成直頂桿的長度誤差，從而避免造成直頂桿報廢。開模后，頂桿固定板在模具上的4個頂出油缸的推動下，依靠推出機構頂出塑件；完成后同樣在4個頂出油缸的推動下，沿著4根復位桿復位。

圖12 推出機構

3．3 冷卻系統的設計

汽車儀表板下本體結構復雜，為提高生產效率，必須保證模具冷卻均勻充分，溫度均勻，防止塑件脫模后變形。模具的冷卻系統如圖13所示，模具定模鑲塊設計了5組水路，動模鑲塊設計了6組水路，4個滑塊都有自己的獨立回路，各個水路交叉布置，形成了縱橫交錯的“隨形水路”。水路主要由直通式水管與隔片式水井組成。

圖13 冷卻系統

由于模具水路設計合理，冷卻效果良好，采用了先進的順序閥熱流道澆注系統，成型周期控制在55 s以下，縮短了8%，塑件的尺寸精度達到了MT4級(GB/T 14486–2008)，產品最大變形量由3.8 mm降為1.4 mm。

4 模具工作過程

汽車儀表板下本體的模具整體結構圖如圖14所示，采用3點順序閥控制的熱流道澆注系統，模具為1模1腔橫向布局、四面四方向滑塊抽芯、斜直頂組合推出的單分型面注射模，模具總體尺寸為2 100 mm×1 400 mm×1 380 mm。

圖14 模具裝配圖

模具工作原理如下：模具合模后，將熱流道接口7與溫控箱相連，電磁閥31與注塑機控制單元的接口相連；待熱流道溫度加熱到設定值后，塑料熔體通過料筒進入一級熱流道，流向熱流道板12，在順序電磁閥的作用下，依次打開二級熱流道12的閥針G3→G2→G1 (見圖2)，通過冷流道進入模具型腔；待熔體充滿型腔，經保壓、冷卻、固化后，注塑機緩慢開模，兩個大滑塊18在四根斜導柱36的作用下，沿著精密導滑條37的方向運動；同時大滑塊中的斜頂桿42沿著內導柱41的方向完成側向倒扣的脫模，隨著開模動作的繼續進行，延時頂針19脫離延時擋塊21的作用，跟著大滑塊一起完成分型，快速開模到設定位置；接著方形抽芯油缸32推動小滑塊34運動，碰到行程開關33后完成抽芯；緊接著頂針板28在4個頂出油缸35的作用下，推動頂出機構將產品和冷流道頂出，在機械手與吸盤的抓取下產品順利脫模；最后，頂出油缸35帶動頂針板28先行復位，抽芯油缸32推動小滑塊34復位；注塑機合模，在斜導柱的作用下，所有機構恢復到開模前的狀態，進入下一次的循環。

5 結語

(1)根據汽車儀表板下本體的結構和特征，成功設計了一副3點順序閥控制的熱流道系統大型注塑模具；冷卻系統采用了組合的“直通式水管+隔片式水井”，成型周期縮短了8%，塑件的精度等級達到了MT4級(GB/T 14486–2008)，產品最大變形量由3.8 mm降為1.4 mm。

(2)針對產品側向滑塊脫模時容易變形或破裂的問題，創新地設計了滑塊內置斜頂機構與滑塊內置直頂機構，解決了因側向倒扣多導致的脫模困難的問題，以及側向包緊力引起產品變形的問題。

(3)前期模具設計采用CAE分析，對產品的氣穴位置、熔接線位置和翹曲變形等進行了預測，為模具的成功設計奠定了理論基礎，模具試模一次成功，投產后模具運行平穩順利，塑件尺寸和外觀均達到了設計要求，說明模具結構先進合理，為類似結構提供了設計依據。