汽車用升降器薄壁開關面板注塑模具設計

羅彥英，梅益，唐方艷，甘盛霖

(1.貴州大學機械工程學院,貴陽 550025；2.貴州電子信息職業技術學院,貴州 黔東南苗族侗族自治州 556099)

隨著汽車制造業的發展,人們對車用塑料配件的各項性能提出了更高要求,為了減輕車身自重,提高汽車性能,汽車內飾件一般選擇使用塑料結構[1-4]。車用升降器開關面板主要承擔裝配車窗的功能性作用,也是重要的內飾件。由于該件結構復雜,采用常規的注塑成型工藝制造周期長、生產成本高。根據塑件產品特點,筆者設計了一副一模兩腔壓板鑲拼式側抽芯注塑模具,且針對注塑成型工藝參數進行了優化。

1 塑件結構與工藝分析

1.1 結構分析

該零件為汽車內部車門用車窗的開關面板。從結構上看,面板四周的卡扣用于安裝,起固定作用,對機械強度有一定的要求；另一方面,需要保證面板尺寸穩定性以滿足汽車使用壽命的要求。升降器開關面板塑件為平均厚度1.75 mm的薄壁件,塑件外形尺寸為406 mm×68 mm×57 mm。圖1為塑件的三維模型?；赨G12.0 Mold Wizard應用模塊進行模具結構的整體設計,并對模具的開合模過程進行模擬。由圖1可知,塑件四周分布有較多的固定卡扣；四個內部倒扣；多個尺寸不一的圓孔；尺寸較大的異形孔；一個不規則盆狀凹槽且凹槽中還有形狀較為復雜的孔等結構。

圖1 升降器開關面板三維結構

為成型該件的凹槽和卡扣需要設計多個抽芯機構,這會導致注塑填充過程中更易產生翹曲[5-7]。故采用推桿推出機構,并且塑件采用鑲拼方式成型。使用UG12.0軟件對該件進行壁厚分析,最大壁厚為4.41 mm,平均厚度為1.75 mm,表明該件不屬于均注塑件,故設置拔模角度為1°保證脫模過程平穩順利,壁厚云圖如圖2所示。塑件精度要求為MT2,無特殊表面粗糙度要求[8]。

圖2 塑件壁厚云圖

1.2 工藝分析

升降器開關面板塑件材料選用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)[9]。該材料具有良好的沖擊韌性、力學性能、尺寸穩定性、耐化學性和電性能[10],易于成型和機械加工,塑件內應力和翹曲變形小,適合注塑成型這種薄壁塑件。

結合升降器的結構特點,設計組合式的凹凸模結構,采用扇形澆口形,分流道直徑為7 mm,長度為15 mm。塑件頂出時體積收縮率最大為6.7%,實際注射量為398.61 cm3,為保證塑件質量需要足夠的保壓壓力,選用SZ-10000/1600型號的注塑機。其中注塑機的理論注射量為10 000 cm3,注射壓力為140 MPa,頂出力為151 kN,所選擇注塑機型號滿足工藝需求。

2 模具結構設計

2.1 確定分型面

升降器開關面板的分型面選擇其最大截面輪廓處,如圖3所示。選擇該分型面便于塑件脫模且有效降低了塑件成型過程中產生氣穴,造成塑件精度下降的影響,從而保證產品的精度和質量[5]。

圖3 分型面位置

2.2 升降器開關面板抽芯機構

(1)側向抽芯機構。

由圖1可知,塑件兩側卡扣過多,故兩側需要抽芯位置過多,為了簡化模具設計,提高加工效率保證塑件精度,將抽芯機構設計為整體,整體抽芯由三個斜銷抽芯組成共同完成抽芯。為避免抽芯力過大、芯頭磨損等問題,在抽芯上的與型腔接觸的非作為型腔面的面設置1°的拔模斜度,抽芯與套套板之間留有0.5 mm的抽芯間隙,如圖4所示。

圖4 側向抽芯結構

(2)斜導柱抽芯機構。

由圖1可知,升降器開關面板上表面有一不規則盆狀凹槽,且凹槽中還有一異形孔,故選用斜導柱抽芯機構。為保證塑件順利脫模,本設計斜銷安裝角度α為15°,銷緊楔的斜度為2°,斜銷直徑d為8 mm,抽芯力Q為83.3 N,斜銷的工作部分長度L約為42.5 mm,斜銷安裝長度約是其工作長度的兩倍,筆者選用斜銷長度為90 mm,安裝端采用壓塊來固定。設計的抽芯機構如圖5所示。

圖5 斜導柱抽芯結構

2.3 頂出機構設計

升降器開關面板是薄壁注塑件,采用組合式凹凸模結構。其精度及外觀質量要求較高且塑件上有多個難加工的孔,不適宜布置大面積推桿,由壓桿穩定公式可知,每個塑件需布置7根推桿,直徑有4,7,8,10,11 mm等五種規格,塑件推出距離最小為58 mm,為達到脫模順利的目的,選用安全距離a=12 mm,則實際推出距離為70 mm,脫模力為48.40 kN。頂出機構布置如圖6所示。

圖6 頂出機構

3 升降器開關面板CAE分析

基于Moldflow軟件對該件進行模流分析,按全局3 mm劃分網格,通過交換邊、合并節點、移動節點重新劃分網格,整體合并后進行縱橫比修復,修復后結合網格統計可知,三角形單元數為45 970,最小縱橫比1.16,最大縱橫比6,平均縱橫比1.98,不可見三角形、自由邊、多重邊、配項不正確的單元、相交單元、完全重疊單元均為0,匹配率為87.7%,升降器開關面板塑件滿足模流分析條件。

3.1 冷卻系統

冷卻系統采用水冷方式,塑件在成型過程中會放出大量余熱,其中約90%由冷卻介質帶走,其余則以輻射、對流的形式散發到大氣中[11-12]。因零件結構不規則,注射時塑件各部分易產生溫度不均,從而導致塑件凝固收縮不均發生翹曲[2,13]。故水道應均勻分布在零件兩側,同時在零件凹槽附近加設專屬冷卻水道,冷卻水道直徑為8 mm。冷卻水道布局如圖7所示。

圖7 冷卻布局結構

基于Moldflow軟件對冷卻布局模型進行冷卻分析,進水口溫度為25.01℃,出水口溫度為26.11℃,回路冷卻溫度差小于5℃,表明在注塑過程中,冷卻回路達到均勻熱交換,基本實現模具組件溫度均衡目的。水路熱去除效率基本達到冷卻效果。達到頂出溫度的時間為64.95 s,塑件在冷卻時全部凍結層百分比達到了100%,可順利脫模頂出。

3.2 澆口位置分析

升降器開關面板塑件屬于壁厚不均注塑件,使用Moldflow軟件分析其澆口匹配特性,得到塑件最佳澆口位置如圖8澆口位置分析所示。最低流動前沿溫度為207.9℃,達到頂出溫度時間為77.88 s。

圖8 澆口位置分析

結合塑件薄壁、寬大等特點,選用扇形澆口[14-15],主流道長度67.54 mm,為減小熱量損失,分流道截面選為圓形,長為15 mm,冷料穴直徑為10 mm,高度15 mm。

3.3 DOE優化分析

由于局部壁厚不均以及收縮不均勻,使注塑件產生翹曲變形[2,16]。選擇熔體溫度、模具表面溫度、保壓壓力及持續時間[17-20]四個作為變量進行DOE實驗。結果表明,塑件翹曲變形量與熔體溫度、達到頂出溫度、保壓壓力、持續時間有關。翹曲變形產生于成型過程中的不均勻收縮,具體可分為結構不合理、材料性質、模具結構及生產工藝四大原因。

通過對塑件進行模流分析與DOE分析可以得到對注塑成型效果影響最大的因素是熔體溫度、保壓壓力。根據分析結果選用優化參數,將熔體溫度調整為230.8℃,模具表面溫度為52.5℃,注塑時間為1 s,開模時間為5 s,保壓階段最大保壓壓力為200 MPa,保壓總時間為20 s,到達頂出時間為59.21 s,總冷卻時間約為38 s。表1為優化前后的參數比對。優化后達到頂出溫度的時間降低了18.54%；活動接觸座塑件的翹曲值為1.291 mm,降低了51.92%,塑件的質量和精度得到明顯改善。對比優化前后成型效果如圖9、圖10所示。

表1 DOE優化分析結果

圖9 DOE收縮不均變形分析

圖10 調整保壓曲線

4 模具工作原理

升降器開關面板塑件采用一模兩腔進行注射,設計了側抽芯機構和斜導柱抽芯機構,澆口為扇形澆口,圖11為車用升降器開關面板模具總裝配圖。塑件內部復雜、多孔,為保證模具良好的工作性能,從兩個不同方向上進行抽芯。模具工作過程為：模具合模之后,將加熱塑化后的塑料通過注塑機進行注射,經過澆口套,進入到模具型腔之中；在進行保壓、冷卻固化到足夠剛性后,等待模具開模。抽芯機構進行滑動,在斜銷和斜銷壓塊的作用下對塑件進行成型抽芯。然后在推板與頂桿的作用下,將塑件頂出,塑件取走以后,頂出過程結束。最后在復位桿的作用下,模具完成復位,合模結束；模具開始準備下一次注射。

圖11 車用升降器開關面板注塑模具結構圖

5 結論

(1)針對汽車升降器開關面板塑件,設計了具有側抽芯結構、斜導柱抽芯結構和頂出結構的模具。成功解決了抽芯力過大、芯頭磨損、塑件卡扣多和脫模困難等問題。其中塑件采用一模兩腔進行注射,壓板鑲拼式進行成型,基于UG12.0 MoldWizard應用模塊下保證各機構間不產生干涉現象,確保模具結構緊湊及運行過程穩定可靠。

(2)冷卻水道在零件兩側均勻分布,同時在零件凹槽附近加設專屬冷卻水道,解決塑件凝固收縮不均發生翹曲的問題?；贛oldflow軟件進行冷卻分析,在注塑過程中,回路冷卻溫度差小于5℃,冷卻回路達到均勻熱交換,基本實現模具組件溫度均衡目的；水路熱去除效率基本達到冷卻效果。塑件在冷卻時全部凍結層百分比達到了100%,可順利脫模頂出。

(3)使用Moldflow軟件對塑件保壓壓力、持續時間、翹曲變形進行CAE分析,并結合DOE實驗對其相關參數進行優化,達到頂出溫度的時間降低了18.54%；活動接觸座塑件的翹曲值降低了51.92%,塑件的質量和精度得到明顯改善。