汽車尾門左右窗框飾板氣輔注塑模具設計

周紀委，王明偉*，吳 迪，張文超，林連明，于峻偉

（1.大連工業大學機械工程與自動化學院，遼寧 大連 116034；2.浙江凱華模具有限公司，浙江 臺州 318020）

0 前言

在汽車內飾件中，由尾門上窗框飾板、左右窗框飾板和下飾板組成的機構統稱為汽車尾門飾板總成［1-2］。圖1 為汽車尾門飾板總成裝配圖。汽車尾門飾板的主要功能是包裹金屬門板，提供優美外觀，對車外噪聲提供屏蔽作用，并滿足人機工程、舒適性、功能性和方便性的需求，此外還能在汽車發生交通事故時提供適當的吸能保護，從而減輕對乘客的傷害。汽車尾門左右窗框飾板內部結構較為復雜，成型難度大。本文分析了其結構特性與技術要求，設計了一副一模兩腔的順序閥式熱流道氣輔注塑模具。

圖1 汽車尾門飾板總成裝配圖Fig.1 Assembly drawing of automobile tailgate trim panel

1 左右窗框飾板外觀要求與結構分析

圖2 為尾門左右窗框飾板零件圖。材料為聚丙烯+三元乙丙橡膠+滑石粉含量為20 %（質量分數）的改性材料（PP+EPDM+T20），收縮率0.8 %，改性聚丙烯材料克服了普通PP 料性能上面的不足，具有較好的流動性、光澤度、較高的抗沖性、強度以及機械性能好等優點，而且表面抗劃痕性能較好［2］。

圖2 左右窗框飾板零件圖Fig.2 Part drawings of left and right window frame trim panels

塑件結構特點為：（1）左右窗框飾板最大外形尺寸為622 mm×176 mm×187 mm，壁厚差異很大，基本壁厚為2.5 mm，而厚壁部分為滿足功能性需要和流線型外觀要求，最大壁厚為43.1 mm。由于壁厚相差較大，采用傳統注射成型將會出現表面縮痕、翹曲變形等嚴重缺陷，所以要采用氣輔成型技術將塑件厚壁部分進行“吹空”并使用氣體進行保壓來得到較好的成型質量。（2）塑件為左右對稱件，為滿足高產能要求，因此在模具設計時采用一模兩腔的模具布局［3］。（3）塑件結構復雜，側向區域曲面弧度較大且有4 處側孔、1 處倒扣和較多加強筋特征，內表面有4處（S1～S4）倒扣和1處Boss柱特征，尾部則是有內凹特征，脫模較為困難。（4）塑件為汽車內飾件，外觀要求較高，不能有熔接痕、氣紋、飛邊和明顯凹痕等缺陷，也不能有頂桿、澆口等痕跡。（5）外觀需要做皮紋處理，外觀脫模斜度應在5°以上，以防加工皮紋后粘住型腔面。（6）尾門左右框飾板還需要與尾門上窗框飾板和下飾板進行裝配，對安裝方向上的翹曲變形要求較為嚴格，最大翹曲變形應控制在6 mm內。

2 左右窗框飾板澆注系統設計及CAE模擬分析

2.1 澆注系統的設計

由于左右窗框飾板外觀不允許有澆口痕跡，為保證塑件外觀質量，最終確定采用“熱流道+冷流道+隧道澆口進膠”的進膠方式［4］。熱流道直徑為16 mm，閥澆口直徑為5 mm，U 型冷流道為10 mm×8 mm，隧道澆口為10 mm×1.2 mm。模具澆注系統如圖3所示。同時為了避免開放式熱流道在塑件外觀面產生熔接線和溫差線等缺陷，本次汽車尾門左右窗框飾板氣輔注塑模具熱流道采用8 點順序閥式結構（即多澆口的SVG 技術），8點閥式熱流道開啟順序為：G1/G5—G2/G6—G3/G7—G4/G8［5-6］。

圖3 模具澆注系統設計Fig.3 Design of mold pouring system

2.2 CAE 模流分析

模具澆注系統設計后，為驗證澆注系統的合理性，應運用Moldex3D 軟件進行模流分析［7］。而在模流分析前需要對塑件進行簡化和網格劃分，網格劃分的質量會直接影響到分析的準確性，所以在網格劃分時應嚴格控制網格尺寸，以免出現自由邊、展弦比和尖銳角。左右窗框飾板是對稱氣輔注塑件，且氣輔注射成型需要更加精密的網格，因此在Moldex3D 軟件中使用流道對稱功能對左右窗框飾板腔數進行設置并采用Solid 網格對塑件進行劃分。網格劃分結果如圖4所示。塑件表面網格293 270 個；實體網格1 886 602 個，表面網格缺陷為零個，實體網格缺陷為零個［8］。網格劃分結果如圖4所示。各參數滿足模流分析計算要求，可正常進行分析計算［9］。

圖4 網格劃分Fig.4 Grid division

在Moldex3D 軟件中選擇“充填+保壓+翹曲”分析類型，并按設定工藝參數（熔體充填時間2 s、氣體延遲時間0.5 s、氣體保持時間2.98 s、氣體壓力4.5 MPa、熔體溫度235.1 ℃、模具溫度 69.84 ℃）進行模擬分析，分析結果如圖5所示。從圖5（a）熔體流動波前時間可知在2.299 s 時熔體充填到塑件末端，未出現短射和流動遲滯現象，因此可以說明澆注系統較為合理［10］。從圖5（b）氣體波前時間可知氣體能夠穿透到塑件末端，氣體穿透效果較好。從圖5（c）縫合線結果可知塑件外觀面無熔接線產生，孔位置產生的熔接線由結構引起無法避免。從圖5（d）Z方向位移結果可知，塑件裝配方向上的最大翹曲變形為5.822 mm，滿足裝配方向6 mm的變形和生產要求［11］。

圖5 CAE分析結果Fig.5 Results of CAE analysis

3 左右窗框飾板模具結構設計

3.1 注氣系統與溢料槽的設計

為實現尾門左右窗框飾板厚壁處形成中空結構，因此需要對注氣系統與溢料槽進行設計。尾門左右窗飾板外觀要求較高且表面還要皮紋處理，故經過綜合考慮選擇氣體由氣針直接注入型腔的注氣方式，這樣注射后的氣針孔在塑件內部更容易隱藏，不會影響外觀。氣針直徑設為3 mm，溢料槽設為105 mm×38 mm×60 mm。氣針位置在設計時應盡量靠近澆口，保證氣體與熔體充填的方向一致，同時還要考慮到流動的平衡性，便于氣體的穿透［12］。在注塑時，熔體從澆口開始進行充填直至充滿型腔，然后經過0.5 s 的氣體延遲時間由氣針注入氣體將厚壁區域“挖空”形成氣道，并在氣體壓力的作用下對塑件均勻保壓，從而避免表面縮痕［13-14］。注氣系統與溢料槽設計如圖6所示。

圖6 注氣系統與溢料槽的設計Fig.6 Design of gas injection system and overflow tank

3.2 成型零件及排氣系統的設計

成型部件設計的好壞與否會直接影響到產品成型的質量，因此成型部件的設計在整副模具設計中占據比較重要的地位。型腔與型芯應具有足夠的強度、剛度、硬度、耐磨性，以承受熔體流動的摩擦力，故型腔與型芯均采用整體式結構。型腔尺寸為1 000 mm×1 000 mm×270 mm，型芯尺寸為1 000 mm×1 000 mm×230 mm，選用綜合性能較好的718H 模具鋼，該材料的硬度為33～35 HRC，表面粗糙度為0.8 μm。成型零件的設計如圖7所示。型腔與型芯邊緣上均勻的設計了承壓板和耐磨板，便于模具制造、裝配以及合模時壓力分布更均勻，從而提高模具壽命［15］。此外在型腔與型芯的4個角設計了6°的虎口結構，一方面使其起到鎖模與定位作用，另一方面便于鉗工研配。同時尾門左右窗框飾板在注射成型時若不能將型腔內的氣體及時排除，則會在塑件表面出現流痕、氣紋和飛邊等缺陷，因此本模具在分型面均勻設計了寬6 mm，深0.02 mm 的一級排氣槽和寬6 mm，深0.5 mm 的二級排氣槽，分型面上的排氣槽不僅排氣效果好，也便于加工［16］。

圖7 成型零件的設計Fig.7 Design of formed parts

3.3 側向抽芯機構的設計

由圖1可知左右窗框飾板形狀較為復雜，外觀要求無痕，因此需要在動模上設計多種抽芯機構，這樣產品才能夠順利脫模［17-18］。動模上各區域側抽芯機構設計如圖8所示。由圖8 可知，T1 區域有4 個側孔，因此設計了“斜導柱+滑塊”側抽芯機構對其進行脫模；產品T2 區域扣位角度與大滑塊脫模角度不一致，所以單獨設計“斜導柱+滑塊”機構對T2區域扣位進行脫模；T3區域內表面加強筋較多，成型過程中會產生很大包緊力，所以設計了“油缸+大滑塊側抽芯機構且大滑塊作為型芯的一部分，由液壓油缸直接提供動力，經過油缸連接桿拉動SA01 滑塊同時帶動SA03 滑塊和SA07 滑塊對T3 區域進行脫模［19］。T4 區域是左右窗框飾板的內凹特征，同時要從此處對塑件厚壁進行吹氣，所以設計了“斜導柱+滑塊”側抽芯機構，同時將氣針設計在滑塊機構中跟隨其一起進行脫模；而尾門左右窗框飾板內表面還有4處倒扣特征，則采用“斜頂塊+斜頂桿”直接脫模方式，在頂出時，由安裝在推板上的萬向滑座帶動斜頂桿，從而推動斜頂塊進行脫模。

圖8 側向抽芯機構的設計Fig.8 Design of lateral core pulling mechanism

3.4 頂出機構的設計

尾門左右窗框飾板內表面結構較為復雜，有較多的加強筋、倒扣等特征，需要的脫模力較大［20］。為防止在頂出時產品出現頂白、頂裂現象，本模具的頂出機構采用“頂針+直頂桿+直頂塊”組合進行頂出。頂出機構如圖9所示。由于該模具頂針、頂桿和斜頂的數量比較多，推板上需要留出較多的空間對頂針、頂桿、斜頂來進行安裝，從而導致注塑機無法為模具提供頂出動力，因此使用油缸為模具提供頂出動力［21］。當動定模打開后，推板上的頂出油缸2 以及油缸3 帶動所有頂出部件將塑件、冷流道以及多余溢料進行頂出，完成后在頂出油缸2的推動下，推板再帶動頂出部件沿著復位桿和推板導柱進行精確復位。

圖9 頂出機構的設計Fig.9 Design of ejection mechanism

3.5 冷卻系統的設計

由于尾門左右窗框飾板為不規則的曲面結構，為了防止塑件發生翹曲變形，必須要保證模具冷卻均勻，且進水口與出水口的溫度變化在5 ℃內。模具的冷卻系統如圖10所示。其中，定模采用了4 組“直通式+隔板式”循環水路，直通式水路直徑為11.5 mm，隔板式水路直徑為16 mm。動模由型芯、滑塊和斜頂塊組成。型芯水路采用了5組“直通式+隔板式”循環水路，而大滑塊、斜頂塊與高溫熔體接觸較多，為了防止其長時間工作受熱變形，因此在大滑塊和斜頂塊內側分別設計了2 組直徑為11.5 mm 的直通式循環水路，使其冷卻效果更好。

圖10 冷卻系統的設計Fig.10 Design of cooling system

4 模具工作原理

尾門左右窗框飾板模具裝配圖如圖11所示。整體尺寸為1 320 mm×1 300 mm×1 025 mm，屬于一模兩腔兩板式中型氣輔注塑模具，模具采用8點閥式熱流道+U 型冷流道+隧道澆口的進膠系統，減小了注塑時的壓力、鎖模力以及避免熔接線的產生［22］。模具工作原理為：（1）首先模具通過定位圈安裝固定在注塑機上，然后將模具熱流道系統接線口與電源線相連接，且把所有油路與水路接口接好。將熱流道加熱到設定溫度后，塑料熔體通過注塑機螺桿的擠壓流入熱嘴，在電磁閥控制下打開熱流道閥針，按照澆口G1/G5-G2/G6-G3/G7-G4/G8 的開啟順序進行充填，熱流道閥針開啟順序為G1/G2 澆口最先打開，經過0.488 s 后，澆口G2/G6 打開，1.158 s 后澆口G3/G7 打開，1.878 s 后澆口G4/G8打開。熔體充滿型腔后，經過0.5 s的氣體延遲時間注入氣體使厚壁中間位置形成氣道，并且在氣體壓力的作用下均勻保壓，所有澆口關閉后，產品開始冷卻。（2）等到產品完全固化后，注塑機通過下模板拉動模具動模部分從分型面開模，同時小滑塊SA03～SA 08 在斜導柱的作用下會向外運動進行抽芯，而產品由于收縮包緊力的原因也會留在型芯上隨動模一起運動。（3）模具開模完成后，大滑塊SA01/02在油缸1的作用下先對塑件側向抽芯，然后頂出油缸2和頂出油缸3 在液壓力的作用下啟動，通過推板帶動各個頂針、頂桿、斜頂，一方面做內側抽芯，另一方面將產品、冷流道和多余溢料緩慢頂出。（4）待機械手取出塑件后，大滑塊SA01/02 開始進行復位，接著在復位桿和推板導柱的作用下，頂出油缸2 和頂出油缸3 繼續帶動抽芯機構與頂出機構復位，最后小滑塊SA03～08 在動模回程中進行復位，模具閉合，開始下一次循環注塑。

圖11 模具裝配圖Fig.11 Mold assembly drawing

5 實際生產驗證

根據前文所設計的左右窗框飾板模具進行加工制造，模具如圖12所示。然后將氣輔注塑模流分析得到的工藝參數應用到注塑機上進行試模生產。試模生產出的樣品如圖13所示。由圖13（a）可知，尾門左右窗框飾板表面光潔，無熔接線、縮痕等問題。由圖13（b）可知，氣體能夠掏空厚壁形成氣道，穿透效果較好。經過實際檢驗，制造的產品符合客戶裝配要求，且外觀質量穩定。因此可以說明本文設計的氣輔注塑模具結構合理，模流分析得到的工藝參數組合較為可靠，能夠滿足左右窗框飾板生產需求。

圖12 汽車尾門左右窗框飾板模具Fig.12 Mold for left and right window frame trim panels of car tailgates

圖13 實際試模結果Fig.13 Actual mold trial results

6 結論

（1）根據尾門左右窗框飾板的結構與特點，設計了“一模兩腔”采用“8點閥式熱流道轉冷流道+隧道澆口進膠”的兩板模氣輔注塑模具；前期模具設計采用CAE模流分析技術對設計的澆注系統合理性進行了驗證，并通過模流分析結果對成型過程缺陷進行預測；

（2）針對產品在側向脫模時容易出現破裂和變形問題，在動模上巧妙地設計了側向抽芯機構；對于T1、T2、T4 區域采用“斜導柱+滑塊”的抽芯機構，T3 區域采用“油缸+大滑塊”的側向抽芯機構從而帶動T1、T2區域滑塊對產品側面進行抽芯，產品內側面4 處倒扣（S1～S4）則采用“斜頂桿+斜頂塊”組合方式進行抽芯，該機構解決了左右窗框飾板難以實施的脫模困難問題，有效降低模具的加工難度和制造成本；

（3）實際試模后，模具結構設計合理，可平穩運行，無任何故障產生，且塑件尺寸和外觀質量均達到了設計要求；與機械手相結合實現了左右窗框飾板的自動化生產，不僅提高了生產效率，還為同類氣輔注塑模具提供了一定的參考。