某車型保險杠注射模設計

谷達遠,尹紅靈

（1.長安福特汽車有限公司，重慶 401329；2.上海交通大學 材料科學與工程學院，上海 200030）

0 引言

保險杠是汽車重要零部件之一，是裝飾轎車外形部件，不僅具有裝飾功能，而且還具有吸收和緩和外界沖擊力、保護前后車體及行人安全的功能。以前汽車前后保險杠采用鋼板沖壓成槽鋼，與車架縱梁焊接或鉚接在一起，與車身存在較大的間隙，外觀不美觀。隨著汽車工業的發展和工程塑料在汽車工業的應用，汽車保險杠作為重要的安全裝置也進行了革新。目前汽車前后保險杠除了保持原有的保護功能外，還要追求與車體整體造型的和諧統一以及輕量化。

隨著塑料保險杠的應用，國內科技人員在保險杠模具設計方面進行了不少研究。袁瑩瑩[1]運用MoldFlow軟件對保險杠充模過程進行了分析，研究了影響保險杠翹曲變形的因素；余玲等[2]基于Mold-Flow軟件對汽車保險杠模具澆注系統進行了優化設計；李仕成等[3]運用CAD軟件Creo設計汽車后保險杠注射模，并采用該軟件的simulate模塊對熱流道系統進行了傳熱分析，研究熱流道系統中熱噴嘴功率和加熱棒的數量、布置方式、加熱功率對熱流道系統溫度場的影響；馮志新[4]研究了汽車保險杠注射工藝參數的優化方法，并以注射成型過程中熔體溫度、模具溫度、保壓時間3個因素為試驗因子，以最大鎖模力和成型后的最大翹曲變形量為目標進行了試驗設計，最終得到了多目標優化的方法和參數優化方案；胡學川[5]通過模流分析軟件Mold-Flow對某汽車前保險杠的注射成型過程進行仿真，確定了澆口數量和位置，實現澆注系統的平衡與優化。這些研究都側重于模流分析在優化工藝參數和澆口位置及數量方面的運用，而要獲得合格的保險杠，制品設計、模具設計、注射工藝等各階段都很重要，尤其模具設計階段起著決定性作用。

現綜合運用CAD/CAE技術對某車型保險杠進行了模具設計與模流分析，解決了模具設計過程中的難點，獲得了合格的制品。

1 制品結構特征分析

保險杠結構如圖1所示，外觀質量要求較高，外形尺寸為1 910 mm×640 mm×781 mm，平均厚度為2.8 mm。制品材料為TEO+20%Td，該材料采用低密度礦物質填充，減輕制品質量的同時保持傳統高密度制品的所有性能，具有較好的工藝性能。該保險杠除存在卡扣結構外，兩側還存在倒扣，如圖1（b）所示。該保險杠注射成型的難點有：①澆注系統設計；②模具分型面設計；③推出系統設計；④冷卻系統設計。

圖1 保險杠結構

2 模具方案

2.1 澆口數量和澆口位置的確定

首先根據經驗確定澆口的位置和數量，然后通過模流分析驗證方案的可行性并預測潛在的風險，從而對澆口方案進行優化設計。保險杠模具設計過程中，從澆口數量的選擇、澆口位置的確定到流道平衡及順序閥開閉時間的控制等都重要，過去僅憑經驗設計，因此需要經過多次試模與修模，造成模具開發周期延長，增加了制造成本。在該保險杠模具開發過程中，將模流分析作為標準流程，根據經驗確定圖2（a）所示的進澆方案，通過仿真分析發現熔接痕位置不滿足成型要求，制品翹曲變形也較大，根據仿真結果更改澆口位置，采用順序閥控制澆口的開閉時間，同時對澆注系統和冷卻系統進行優化設計，縮短了模具開發周期，避免了潛在的風險，提升了制品成型質量并降低了制造成本。優化后的方案仿真結果如圖2（b）所示，一方面通過調節澆口的位置和順序閥的開閉時間，改變了熔接痕的位置，另一方面設置合理的冷卻系統改善了制品的翹曲變形，翹曲量由7.4 mm降至5.8 mm。

圖2 2種進澆方案翹曲量比較

根據注射仿真分析與優化，保險杠模具的進澆方案如圖3所示，設置了10個進澆點，采用熱流道順序閥轉普通流道的澆注系統。澆口尺寸如下：①澆口1為扇形搭接澆口，始端尺寸為20 mm×5 mm，末端尺寸為100 mm×1.8 mm；②澆口2、3、4、5、6為矩形搭接澆口，始端尺寸為20 mm×5 mm，末端尺寸為20 mm×1.8 mm；③澆口7、8、9、10為扇形搭接澆口，始端尺寸為12 mm×10 mm,末端尺寸為20 mm×1.8 mm。熱流道與型腔之間的普通流道尺寸（U形）為12 mm×10 mm。熱流道尺寸（圓形）為?22 mm。順序閥的開放順序為澆口1、2→澆口5、6→澆口3、4→澆口7、8→澆口9、10。

2.2 模具分型

圖3 進澆方案

保險杠模具設計中主要有2種分型，即外分型和內分型，如圖4所示。外分型是傳統分型方式，分型面是制品在主拔模方向的最大外形輪廓線處，模具結構和推出機構簡單，成型周期比內分型短，缺點是制品表面出現分型線的風險較大，噴涂時需增加打磨工序，增加人工成本，且該保險杠外觀質量要求高，故不采用。

圖4 模具分型

內分型可以避免分型線的問題，因為內分型的分型面在非外觀面，設置在保險杠周圍翻邊圓角的內側，避免了制品表面產生缺陷。為了實現模具的內分型，模具結構上通過二次變軌軌道控制技術，一次性將保險杠注射成型，保證了保險杠的外觀質量，減少了加工工序，節約了加工成本。但該技術難度較大，技術風險也較高，模具成本高于外分型模具，但生產的保險杠外觀美觀，在中高檔汽車保險杠模具中廣泛應用。為了保證該保險杠的外觀質量，從模具結構、價格和成本等多方面綜合考慮，采用內分型技術進行模具設計。

2.3 推出系統

根據分型面的不同，保險杠模具的推出方式也不同。采用外分型的模具一般采取一次推出，機械推出和液壓推出均可。采用內分型的模具推出系統較復雜，需要采用多次推出，機械推出不能滿足要求，需采用液壓缸和氮氣彈簧。液壓推出過程平穩，對模具零件沖擊較小，成型周期較長且有漏油的風險，而氮氣彈簧推出迅速，對模具零件沖擊大，模具零件強度要求高，成型周期比液壓推出短。成型該保險杠模具采用三級推出機構，如圖5所示，第一級推出40 mm，與開模同步，利用液壓缸活塞桿實現制品脫出定模，第二級推出160 mm（見圖6），開模完成后依靠注塑機頂桿推出，兩端倒扣脫離斜推桿，如圖7所示，制品從動模脫出；第三級推出85 mm，利用液壓缸活塞桿推出，斜推桿和推桿實現制品從大推塊上脫出（見圖7和圖8），最后機械手取件。

圖5 三級推出機構

圖6 第二級推出

圖7 斜推桿機構

圖8 第三級推出

保險杠模具結構復雜，需要對推出的上止點和復位的下止點進行精準控制。保險杠上有較多卡扣，須采用斜推桿機構才能實現脫模，其結構設計見圖7。另一個推出難點是倒扣脫模，采用斜推桿和拉塊實現倒扣脫模，如圖9所示，模具第一級推出40 mm，斜推塊后退，讓出變形空間，拉塊將制品拉變形（彈性變形）脫模。

圖9 倒扣脫模機構

2.4 溫度調節系統

保險杠注射成型中，模具溫度直接影響制品的成型質量（變形、尺寸精度、力學性能和表面質量）和生產效率，因此需要根據材料性能與成型工藝的要求進行溫度調節系統設計。保險杠模具的溫度調節系統包括熱流道加熱系統和冷卻系統，冷卻采用水冷即可。熱流道加熱系統由熱流道企業提供，現主要考慮冷卻系統設計。

如果保險杠冷卻不均勻容易導致翹曲變形，產生質量缺陷。保險杠模具水路的設計除了遵循模具冷卻系統設計的一般原則[6]外，還有以下設計特點：①沿制品形狀設計隨形水路，盡可能使所有冷卻管道與型腔表面的距離相等，保證均勻冷卻，減小制品翹曲變形量，冷卻水路如圖10所示；②水孔直徑為?15 mm，水井直徑為?24 mmn，保證了足夠的傳熱面積；③水路之間間距為60 mm，水路距型腔表面為25 mm，距其他非膠位面>15 mm；④模具采用集中供水方式，設計集水塊與注塑機連接；⑤單組冷卻回路的長度保證在3 m以內，進、出口冷卻水溫差在2℃以內；⑥為減少保險杠的變形，動、定模溫度獨立控制，動模溫度高于定模溫度5℃。

圖10 模具冷卻水路排布

3 試模結果

模具制造完成后在HTF3300注塑機上進行試模，材料牌號為TYC 1152X C2，注射成型工藝參數設置為料筒溫度230℃、注射壓力11 MPa、保壓壓力7 MPa、成型周期55 s。試制的制品質量為3.61 kg，達到制品要求，成型的保險杠如圖11所示。

圖11 保險杠實物

4 結束語

根據保險杠模具的設計過程，得到如下結論。

（1）采用計算機輔助設計技術和計算機仿真模擬技術，縮短了保險杠模具開發周期，降低了開發成本，保證了制品成型質量。

（2）在保險杠模具設計中，澆口方案的選擇對制品變形影響較大，實踐證明通過注射成型仿真分析確定澆口方案是快捷有效的方法。

（3）隨形冷卻水路雖然增加了加工難度，但是提高了保險杠模具冷卻系統的散熱效率，縮短成型周期，保證制品均勻冷卻，也保證了制品的成型質量。

（4）采用多級推出系統實現了保險杠的脫模，多級推出系統是實現該保險杠成型質量的最后保證。