高端輕卡儀表板優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王珍珍，劉憲，張衛(wèi)華

(東風(fēng)延鋒汽車飾件系統(tǒng)有限公司，湖北武漢 430056)

0 引言

汽車儀表板作為車身內(nèi)飾的核心部件，一直都是零部件廠家競爭的主流產(chǎn)品。近年來我國與國際市場接軌，各大主機(jī)廠陸續(xù)推出高端輕型商用車。

為應(yīng)對高端輕卡儀表板的設(shè)計(jì)與開發(fā)要求，通過消化吸收，多方論證，同時(shí)結(jié)合當(dāng)前儀表板行業(yè)存在的缺陷和產(chǎn)品特殊工藝要求，開展創(chuàng)新性工藝研究與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用了獨(dú)創(chuàng)的模具預(yù)變形設(shè)計(jì)技術(shù)、環(huán)形定位緊固技術(shù)、高分子熔體注射角度設(shè)計(jì)技術(shù)，使產(chǎn)品外觀質(zhì)量及可靠性大大提高，勞動生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益等都有了綜合性的提升。

1 注塑模預(yù)變形制造技術(shù)

1.1 問題描述

方形雜物盒是商用車乘用車常見的儲物空間，這類雜物盒制造過程普遍存在一個(gè)問題——盒體長邊向內(nèi)側(cè)凹陷變形。變形后的盒體與周邊零件間隙不均，無法直接裝車使用。

針對雜物盒變形造成的影響，傳統(tǒng)方法是使用矯形工裝對口部進(jìn)行矯形。但長時(shí)間受到環(huán)境溫度交替變化影響后，雜物盒口部變形回彈再次出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象。

1.2 技術(shù)原理

利用模流分析工具計(jì)算了雜物盒開口多點(diǎn)的體積收縮率[1](圖1)，用開口處最大體積收縮率乘以體積得到雜物盒開口的理論最大變形量xmax，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，理論最大變形量并不是實(shí)際的最大變形量，因此總結(jié)了預(yù)變形經(jīng)驗(yàn)系數(shù)κ0，不同的原材料有不同的κ0值。另外，考慮到原材料收縮率的影響，將收縮率η納入考量范圍。最大變形量nmax=理論最大變形量xmax×預(yù)變形經(jīng)驗(yàn)系數(shù)κ0×原材料收縮率η×1 000。同理，可計(jì)算出盒體每個(gè)點(diǎn)的變形量并連接成曲線和曲面。

圖1 體積收縮率

1.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

(1)最大預(yù)變形量計(jì)算。通過數(shù)據(jù)分析計(jì)算雜物盒口部變形位置及變形量，并在模具設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留變形量，如圖2所示。

圖2 預(yù)留變形量示意

最大預(yù)變形量nmax最大值的計(jì)算方法如下：

nmax=xmax×κ0×η×1 000

式中：nmax為雜物盒口部最大預(yù)變形量；

x為模流分析得出的變形量；

xmax為模流分析得出的最大變形量；

κ0為第一次預(yù)變形經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；

η為塑料材料收縮率(千分比)。

通過模流分析得出的變形量x計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的變形量(n),形成變形量曲線/面。

(2)預(yù)變形量的修正?？紤]到模具材質(zhì)導(dǎo)熱能力有高有低，預(yù)變形量需作相應(yīng)修正，模具材質(zhì)的修正系數(shù)為κ1。

預(yù)變形修正值f(n)′計(jì)算如下：

f(n)′=f(n)×κ1

通過對變形量的計(jì)算及修正，將修正后的預(yù)變形量應(yīng)用到模具設(shè)計(jì)中，取得了良好的效果。

2 環(huán)形定位緊固技術(shù)

2.1 問題描述

世界各國交通規(guī)則的差異使得左舵車和右舵車并存，同一型號的左/右舵車型以及新開發(fā)的換代車型要求盡可能通用配件，以減少開發(fā)和制造成本[2]。在這個(gè)前提下，將儀表板設(shè)計(jì)為多段式分體結(jié)構(gòu)，由多段單獨(dú)的儀表板本體及除霜蓋板裝配組合成一個(gè)整體，如圖3所示。為實(shí)現(xiàn)儀表板的分塊拼裝并保證儀表板的整體間隙面差均勻，外觀質(zhì)量良好，對定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局帶來了新的挑戰(zhàn)。

圖3 多段拼接式儀表板

儀表板整體強(qiáng)度剛性要求較高，卡接式結(jié)構(gòu)往往不能滿足要求，螺釘裝配儀表板產(chǎn)品是最常見的安裝方式[3]。普通的螺釘安裝結(jié)構(gòu)存在不足之處，如圖4所示。

圖4 無定位功能的緊固結(jié)構(gòu)圖

由圖可知，由于A零件的螺釘孔是一個(gè)過孔，僅能起到使A、B零件相互鎖緊的作用，不能作定位。因此，A、B零件定位需要靠其他的結(jié)構(gòu)(如定位筋、定位柱等)來實(shí)現(xiàn)，從而增加了產(chǎn)品和模具的復(fù)雜程度。當(dāng)A、B零件安裝結(jié)構(gòu)的空間很小時(shí)，就會給定位結(jié)構(gòu)的布置帶來困難。同時(shí)，粗大的定位結(jié)構(gòu)會使得產(chǎn)品表面產(chǎn)生縮痕缺陷[4]。

2.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

為了保證儀表板的裝配效果和提高產(chǎn)品表面質(zhì)量。設(shè)計(jì)了環(huán)形定位緊固結(jié)構(gòu)，除了能起到使兩個(gè)零件相互鎖緊的作用，還能對兩個(gè)零件的安裝進(jìn)行定位，不需要另外布置定位結(jié)構(gòu)，節(jié)省安裝結(jié)構(gòu)的空間，簡化零件結(jié)構(gòu)。

如圖5所示，在A零件安裝孔外增加環(huán)形凸臺，其內(nèi)徑與B零件螺釘柱外徑相同，安裝時(shí)通過環(huán)形凸臺與螺釘柱的配合，可以實(shí)現(xiàn)A、B零件的定位功能。環(huán)形凸臺有倒角，在裝配時(shí)便于螺釘柱的插入，給工人的裝配操作帶來便利?？偨Y(jié)形成技術(shù)規(guī)范，見表1。

圖5 帶定位功能的緊固結(jié)構(gòu)圖

表1 環(huán)形定位結(jié)構(gòu)技術(shù)要求

新型的螺釘定位緊固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了將儀表板本體一分為多的設(shè)計(jì)構(gòu)想，同時(shí)減少了單獨(dú)的定位結(jié)構(gòu)布局，實(shí)現(xiàn)了單結(jié)構(gòu)多用途的功能。大大簡化了模具和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，也避免了單獨(dú)定位結(jié)構(gòu)帶來的縮痕風(fēng)險(xiǎn)，提高了產(chǎn)品外觀質(zhì)量和裝配效率。同時(shí)儀表板間隙尺寸得到保證，儀表板間隙均在公差范圍內(nèi)。

3 高分子熔體注射角度設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1 問題描述

通過對競品車型調(diào)查分析，歐洲/日本的輕卡儀表板外觀質(zhì)量明顯高于國內(nèi)市場車型，而國產(chǎn)車型最明顯的外觀缺陷就是應(yīng)力痕。目前國產(chǎn)車型儀表板的應(yīng)力痕主要靠噴漆掩蓋或客戶讓步接受。然而噴漆成本高，同時(shí)造成環(huán)境污染，因此必須從根本上解決產(chǎn)品的應(yīng)力痕問題。

注塑成型時(shí)，受剪切力的作用，產(chǎn)品加強(qiáng)筋擾亂熔體的流動，改變筋位附近的分子取向形成應(yīng)力痕(圖6)。應(yīng)力痕是由無數(shù)與料流方向垂直的拉伸取向分子和它們之間的微細(xì)距離組成的集合體[5]。尤其是熔體流動方向與加強(qiáng)筋平行時(shí)，分子取向最為明顯[1]，表面的應(yīng)力痕也最為嚴(yán)重。

圖6 儀表板應(yīng)力痕

3.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

首先從不同產(chǎn)品的長寬尺寸與入射角度的關(guān)系著手進(jìn)行仿真分析，當(dāng)澆口呈90°直角時(shí)，虛線框內(nèi)熔體發(fā)生滯留產(chǎn)生應(yīng)力痕，模流分析結(jié)果如圖7所示;當(dāng)澆口呈一斜角時(shí)，熔體流動無明顯滯留，模流分析結(jié)果如圖8所示。由圖可知，當(dāng)入射角度為arctan(x/y)(x為產(chǎn)品最大寬度，y為產(chǎn)品最大長度)時(shí)熔體滯留最不明顯。然后設(shè)計(jì)了不同壁厚的同一產(chǎn)品進(jìn)行仿真分析，針對壁厚的影響進(jìn)一步修正了公式，熔體滯留現(xiàn)象進(jìn)一步得到改善。最后又用不同的材料進(jìn)行仿真分析，不同的材料有不同的流動性能，適用不同的入射角度，因此總結(jié)了幾種常用材料的角度系數(shù)。經(jīng)過逐步完善注射角度計(jì)算公式以及多產(chǎn)品多材料的模流分析驗(yàn)證，最終得到可完全消除應(yīng)力痕的入射角度公式。

圖7 應(yīng)力痕明顯的模流分析結(jié)果

圖8 應(yīng)力痕不明顯的模流分析結(jié)果

最佳的入射角計(jì)算公式：

式中：α為入射角度;

x為產(chǎn)品最大寬度;

y為產(chǎn)品最大長度;

d為產(chǎn)品壁厚;

k為角度系數(shù),PP材料k=0.92,ABS材料k=0.89,PA6材料k=1.06。

注射角度優(yōu)化后，產(chǎn)品外觀面無可視應(yīng)力痕(圖9)，生產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，調(diào)試廢損率低，達(dá)到預(yù)期效果。

圖9 儀表板應(yīng)力痕消除

4 結(jié)論

通過模具預(yù)變形制造技術(shù)、環(huán)形定位緊固技術(shù)和熔體注射角度設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，使出口高端輕卡儀表板項(xiàng)目順利量產(chǎn)，產(chǎn)品外觀質(zhì)量及可靠性得到提升，生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益等都有了綜合性的提升。經(jīng)過理論與實(shí)際結(jié)合，反復(fù)驗(yàn)證優(yōu)化，形成了一套有效的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能縮短同類產(chǎn)品的開發(fā)周期，以及在設(shè)計(jì)階段預(yù)防潛在質(zhì)量問題的發(fā)生。然而，在技術(shù)開發(fā)和實(shí)現(xiàn)過程中也發(fā)現(xiàn)一些不足之處，如采用預(yù)變形技術(shù)的模具制造成本比普通模具高，后期將對非平衡冷卻技術(shù)進(jìn)行研究，力爭在不提高成本的情況下解決產(chǎn)品變形問題。