閆竹輝，劉斌
華南理工大學(xué)聚合物成型加工工程教育部重點實驗室，聚合物新型成型裝備國家工程研究中心，廣州 510640
摘要：設(shè)計了一種一模一腔兩板注塑模具用于汽車空調(diào)出風(fēng)口殼體塑件的注射成型。針對汽車空調(diào)出風(fēng)口殼體的使用要求，選用聚丙烯作為注塑材料。根據(jù)產(chǎn)品性能及工藝特點的要求，對空調(diào)出風(fēng)口殼體的成型結(jié)構(gòu)特征進行深入剖析，選擇采用熱流道兩點進膠的成型方式保證模腔的可靠充填。針對塑件多處細節(jié)特征的脫模難題，設(shè)置了多個方向的滑塊抽芯機構(gòu)實現(xiàn)脫模，并針對產(chǎn)品局部無法一次抽芯完成的細節(jié)特征，相應(yīng)地在滑塊中設(shè)置二次抽芯機構(gòu)、斜導(dǎo)柱液壓組合式二次抽芯機構(gòu)。此外，在動模側(cè)設(shè)有16根圓頂桿、1個斜頂以保證制品順利頂出。實踐證明，設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)合理，動作可靠，成型的塑件質(zhì)量良好，可為同類塑件的注塑生產(chǎn)提供有益借鑒。
關(guān)鍵詞：汽車空調(diào)出風(fēng)口殼體；注塑模具；二次抽芯機構(gòu)；模具結(jié)構(gòu)
汽車空調(diào)出風(fēng)口殼體具有引導(dǎo)風(fēng)向、調(diào)節(jié)風(fēng)量等功能，屬于整個汽車空調(diào)系統(tǒng)中極為重要的一類零件。由于汽車空調(diào)出風(fēng)口殼體需與儀表盤及其它汽車零部件裝配，其外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精度要求高，給汽車空調(diào)出風(fēng)口殼體注塑模具的設(shè)計帶來諸多難點。筆者以某汽車空調(diào)出風(fēng)口殼體為例，針對不同位置處的細節(jié)特征，采取了多個方向的滑塊抽芯機構(gòu)以保證產(chǎn)品順利脫模，有效解決了汽車空調(diào)出風(fēng)口殼體注射成型等難點。
01 塑件結(jié)構(gòu)特點
某汽車空調(diào)出風(fēng)口殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該塑件材料為金發(fā)科技的聚丙烯(PP)TD40，平均收縮率為0.7%。該材料具有耐高溫、耐寒、低收縮、耐沖擊、加工流動性好等特點，廣泛用于汽車、電器、水處理等行業(yè)。由UG10.0測得塑件體積為108.9cm3，質(zhì)量為149.4g，平均壁厚為1.5mm。塑件表面質(zhì)量要求較高，不能有熔接痕、氣泡和銀紋。為使汽車空調(diào)出風(fēng)口殼體與儀表盤等其它零件精確裝配，要保證尺寸公差為±0.05mm。由圖1可知，汽車空調(diào)出風(fēng)口殼體其外形特征復(fù)雜，主體外圍部分存在接插薄壁、吸氣通孔、接插位、盲孔螺柱位、接插條、限位薄壁、定位插孔等特征。此外，空調(diào)出風(fēng)口殼體前端有多段斜槽，內(nèi)側(cè)有直徑為8mm的通孔。這些特征決定了該塑件的成型模具必須進行復(fù)雜的內(nèi)、外側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)設(shè)計[1–3]。
02 注塑模具結(jié)構(gòu)及設(shè)計
2.1分型分析
分型面的類型、形狀及位置選擇是否恰當，不僅直接關(guān)系到模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，而且對注塑成型質(zhì)量和生產(chǎn)操作等問題都有影響。為了保證制品的質(zhì)量要求，使其順利脫模，選取制品斷面輪廓最大的部位作為分型面[4–6]。該分型面可使塑件成型收縮后留在型芯上，且便于抽芯，能保證塑件外觀和質(zhì)量的要求。
基于上述分型設(shè)計原則，待產(chǎn)品主分型面設(shè)定后，將側(cè)抽芯分型區(qū)域模具平面設(shè)置為4個側(cè)抽芯方向，即X+，X–，Y+，Y–方向[7]，如圖2a所示。X+側(cè)抽芯方向所對應(yīng)的側(cè)抽芯滑塊為N4滑塊，X–側(cè)抽芯方向所對應(yīng)的側(cè)抽芯滑塊為N7滑塊，Y+側(cè)抽芯方向所對應(yīng)的側(cè)抽芯滑塊為N1，N2，N3滑塊，Y–側(cè)抽芯方向所對應(yīng)的側(cè)抽芯滑塊為N5，N6滑塊，其中N1與N6對應(yīng)、N3與N5對應(yīng)共同成型Y方向的兩個風(fēng)口。此外，N1，N3滑塊完成了圖1中制品上、下共12處特征13定位插孔的成型，N1，N3滑塊內(nèi)部存在制品前端特征8斜槽的二次抽芯滑塊，N5，N6滑塊內(nèi)部存在制品內(nèi)側(cè)特征15內(nèi)側(cè)通氣孔的二次抽芯滑塊，N2滑塊完成了制品共6處特征7接插條的成型，N4滑塊完成了特征12，17，18的側(cè)抽芯，并且N4滑塊內(nèi)部存在二次抽芯滑塊用以成型與X軸方向存在角度的特征10，11，N7滑塊完成了特征2，3，4的成型，并且N7滑塊內(nèi)部存在二次抽芯滑塊用以成型圖1中與X軸方向存在角度的特征1，5，如圖2b所示。
2.2 模腔布局及制品澆注
塑件為中批量生產(chǎn)，由UG10.0測得塑件外形尺寸為 245mm ×113mm×82mm，產(chǎn)品外形尺寸較大，并且考慮到制品四周都存在側(cè)抽芯機構(gòu)，為避免模具尺寸太大，綜合考慮后，采取一模一腔布局較為合適，澆注系統(tǒng)選用熱流道兩點式成型方式，模具為單分型面注射模。澆注位置依據(jù)圖3模流分析結(jié)果并結(jié)合模具結(jié)構(gòu)設(shè)置要求來協(xié)調(diào)處理得到[8]，最終澆注系統(tǒng)設(shè)計如圖4所示。
2.3 側(cè)向抽芯機構(gòu)設(shè)計
N2滑塊的側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)相對簡單，常規(guī)的斜導(dǎo)柱側(cè)滑塊機構(gòu)即可滿足要求。N1，N3，N5，N6的滑塊機構(gòu)因一次抽芯無法實現(xiàn)制品前端斜槽、內(nèi)側(cè)通氣孔特征的抽出，且用以成型Y 方向的兩個風(fēng)口的側(cè)抽芯距離較長，成型面積較大，最終均采用一種斜導(dǎo)柱液壓組合式二次抽出結(jié)構(gòu)，以完成制品脫模。而N4，N7的滑塊機構(gòu)因一次抽芯無法實現(xiàn)制品兩個側(cè)面上與X軸存在角度的盲孔螺柱位、接插位特征的抽出，且抽芯距較小，最終均采用一種在滑塊中設(shè)計滑塊的二次抽出結(jié)構(gòu)即可完成制品脫模。現(xiàn)針對其中N5，N6，N7的滑塊機構(gòu)進行詳細介紹。
(1) 斜導(dǎo)柱液壓組合式二次抽芯結(jié)構(gòu)。
采用一種斜導(dǎo)柱液壓組合式二次抽芯結(jié)構(gòu)來成型汽車空調(diào)出風(fēng)口殼體的特征15內(nèi)側(cè)通氣孔，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。其中，側(cè)滑塊的具體連接為N5，N6滑塊緊固在滑座Ⅰ上，二次側(cè)抽滑塊Ⅰ嵌在N5滑塊內(nèi)，二次側(cè)抽滑塊Ⅱ嵌在N6滑塊內(nèi)，側(cè)抽滑塊Ⅰ、側(cè)抽滑塊Ⅱ嵌在滑座Ⅰ內(nèi)，且側(cè)抽滑塊Ⅰ和Ⅱ分別與二次側(cè)抽滑塊Ⅰ和Ⅱ采用燕尾槽配合，配合角度為70°。經(jīng)測量內(nèi)側(cè)通氣孔深度為2.5mm，為保證塑件順利脫模，需加上2~3mm的安全距離[9]，經(jīng)計算取整得側(cè)抽滑塊的一次抽芯距為12.5mm。
抽芯機構(gòu)工作原理如下：當模腔打開時，N2滑塊、N5滑塊、滑座Ⅰ固定不動，定模側(cè)斜導(dǎo)柱Ⅰ驅(qū)動側(cè)抽滑塊Ⅰ和Ⅱ在滑座Ⅰ中沿Y軸負向滑動，由于N5滑塊、N6滑塊的限制作用，二次側(cè)抽滑塊Ⅰ在側(cè)抽滑塊Ⅰ帶動下只能沿X 軸正向運動，二次側(cè)抽滑塊Ⅱ在側(cè)抽滑塊Ⅱ帶動下只能沿X 軸負向運動，當側(cè)抽滑塊Ⅰ和Ⅱ由位置A運動到位置B時，內(nèi)側(cè)通孔的一次抽芯動作完成。同時，斜導(dǎo)柱Ⅰ完全脫離側(cè)抽滑塊Ⅰ和Ⅱ，定模側(cè)頂鎖與B位置頂鎖孔接觸阻止側(cè)抽滑塊Ⅰ和Ⅱ與滑座Ⅰ的再次相對滑動。之后在液壓油缸Ⅰ的帶動下，整個側(cè)滑塊沿Y軸負向運動84.5mm，擋塊Ⅰ碰到行程開關(guān)Ⅰ觸電位置，液壓油缸Ⅰ停止運轉(zhuǎn)，二次抽芯動作完成。
(2) 滑塊中設(shè)計滑塊的二次抽芯結(jié)構(gòu)。
采用一種滑塊中設(shè)計滑塊的二次抽芯結(jié)構(gòu)，來成型汽車空調(diào)出風(fēng)口殼體的盲孔螺柱位、接插薄壁、吸氣通孔，結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。
2.3 側(cè)向抽芯機構(gòu)設(shè)計
N2滑塊的側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)相對簡單，常規(guī)的斜導(dǎo)柱側(cè)滑塊機構(gòu)即可滿足要求。N1，N3，N5，N6的滑塊機構(gòu)因一次抽芯無法實現(xiàn)制品前端斜槽、內(nèi)側(cè)通氣孔特征的抽出，且用以成型Y 方向的兩個風(fēng)口的側(cè)抽芯距離較長，成型面積較大，最終均采用一種斜導(dǎo)柱液壓組合式二次抽出結(jié)構(gòu)，以完成制品脫模。而N4，N7的滑塊機構(gòu)因一次抽芯無法實現(xiàn)制品兩個側(cè)面上與X軸存在角度的盲孔螺柱位、接插位特征的抽出，且抽芯距較小，最終均采用一種在滑塊中設(shè)計滑塊的二次抽出結(jié)構(gòu)即可完成制品脫模。現(xiàn)針對其中N5，N6，N7的滑塊機構(gòu)進行詳細介紹。
(1) 斜導(dǎo)柱液壓組合式二次抽芯結(jié)構(gòu)。
采用一種斜導(dǎo)柱液壓組合式二次抽芯結(jié)構(gòu)來成型汽車空調(diào)出風(fēng)口殼體的特征15內(nèi)側(cè)通氣孔，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。其中，側(cè)滑塊的具體連接為N5，N6滑塊緊固在滑座Ⅰ上，二次側(cè)抽滑塊Ⅰ嵌在N5滑塊內(nèi)，二次側(cè)抽滑塊Ⅱ嵌在N6滑塊內(nèi)，側(cè)抽滑塊Ⅰ、側(cè)抽滑塊Ⅱ嵌在滑座Ⅰ內(nèi)，且側(cè)抽滑塊Ⅰ和Ⅱ分別與二次側(cè)抽滑塊Ⅰ和Ⅱ采用燕尾槽配合，配合角度為70°。經(jīng)測量內(nèi)側(cè)通氣孔深度為2.5mm，為保證塑件順利脫模，需加上2~3mm的安全距離[9]，經(jīng)計算取整得側(cè)抽滑塊的一次抽芯距為12.5mm。
抽芯機構(gòu)工作原理如下：當模腔打開時，N2滑塊、N5滑塊、滑座Ⅰ固定不動，定模側(cè)斜導(dǎo)柱Ⅰ驅(qū)動側(cè)抽滑塊Ⅰ和Ⅱ在滑座Ⅰ中沿Y軸負向滑動，由于N5滑塊、N6滑塊的限制作用，二次側(cè)抽滑塊Ⅰ在側(cè)抽滑塊Ⅰ帶動下只能沿X 軸正向運動，二次側(cè)抽滑塊Ⅱ在側(cè)抽滑塊Ⅱ帶動下只能沿X 軸負向運動，當側(cè)抽滑塊Ⅰ和Ⅱ由位置A運動到位置B時，內(nèi)側(cè)通孔的一次抽芯動作完成。同時，斜導(dǎo)柱Ⅰ完全脫離側(cè)抽滑塊Ⅰ和Ⅱ，定模側(cè)頂鎖與B位置頂鎖孔接觸阻止側(cè)抽滑塊Ⅰ和Ⅱ與滑座Ⅰ的再次相對滑動。之后在液壓油缸Ⅰ的帶動下，整個側(cè)滑塊沿Y軸負向運動84.5mm，擋塊Ⅰ碰到行程開關(guān)Ⅰ觸電位置，液壓油缸Ⅰ停止運轉(zhuǎn)，二次抽芯動作完成。
(2) 滑塊中設(shè)計滑塊的二次抽芯結(jié)構(gòu)。
采用一種滑塊中設(shè)計滑塊的二次抽芯結(jié)構(gòu)，來成型汽車空調(diào)出風(fēng)口殼體的盲孔螺柱位、接插薄壁、吸氣通孔，結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。
為便于表達內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在圖6b中隱去N7滑塊，并對滑座Ⅱ做透視處理。其中側(cè)滑塊的具體連接為M2鑲針嵌在鑲塊內(nèi)，M5和M6鑲針嵌在二次抽芯小滑塊Ⅰ內(nèi)，鑲塊嵌在N7滑塊內(nèi)，二次抽芯小滑塊Ⅰ嵌在滑座Ⅱ內(nèi)，且二次抽芯小滑塊Ⅰ上有與安裝在滑座Ⅱ上的銷釘配合的插槽。二次抽芯小滑塊Ⅰ的抽芯距應(yīng)滿足盲孔螺柱位、接插位側(cè)型芯中最大的一個，考慮安全距離后，計算取整得抽芯距離為13mm。
抽芯機構(gòu)的工作原理如下：當模腔打開時，定模側(cè)斜導(dǎo)柱Ⅲ首先驅(qū)動二次抽芯小滑塊Ⅰ在滑座Ⅱ中沿K方向滑動13mm，滑動距離由安裝在滑座Ⅱ上的銷釘保證。當滑座Ⅱ上的銷釘由C位置移動到D位置時，斜導(dǎo)柱Ⅲ接觸到滑座Ⅱ，定模側(cè)頂鎖Ⅱ與頂鎖孔接觸阻止二次抽芯小滑塊Ⅰ與滑座Ⅱ的再次相對滑動。之后在斜導(dǎo)柱Ⅱ和斜導(dǎo)柱Ⅲ共同驅(qū)動下，整個側(cè)滑塊沿X 軸負向移動43mm時，斜導(dǎo)柱Ⅱ和Ⅲ完全脫離滑座Ⅱ，動模側(cè)頂鎖Ⅰ與頂鎖孔接觸阻止滑座Ⅱ滑動，二次抽芯動作完成。
2.4 冷卻水道設(shè)計
在模具內(nèi)設(shè)置冷卻系統(tǒng)是控制模溫的有效措施。合理的冷卻系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)塑件的迅速脫模，進一步提高塑件的定型質(zhì)量和生產(chǎn)效率[10]。由于該套模具采用了熱流道系統(tǒng)，并且側(cè)抽滑塊較長，為保證塑件的均勻冷卻，除應(yīng)在型腔、型芯側(cè)設(shè)有冷卻水路外，熱流道熱嘴處、側(cè)抽滑塊內(nèi)部也應(yīng)設(shè)有專門的冷卻水路。綜合本套模具結(jié)構(gòu)，熱流道熱嘴處設(shè)置了1條冷卻水路，在型腔設(shè)置了2條，型芯設(shè)置了2條，側(cè)抽滑塊設(shè)置了2條，共7條冷卻水路，其位置布置方式如圖7所示，進水口為IN，出水口為OUT，非進出口用螺塞堵住，水路直徑均為10mm，以實現(xiàn)對塑件的均勻充分冷卻。
2.5 頂出機構(gòu)設(shè)計
頂出機構(gòu)是注塑模的重要組成部分，它由一系列頂出零件和輔助零件組成，可以具有不同的頂出動作。頂出零件應(yīng)有足夠的強度、剛度、硬度用以克服制品與模具之間的摩擦力，并且頂出機構(gòu)的設(shè)計應(yīng)盡量結(jié)構(gòu)簡單，降低模具的制造成本。為滿足要求，該模具的頂出零件材質(zhì)均選用SKD61模具鋼，并進行氮化處理增加其耐磨性。共設(shè)有6根Φ6mm的圓頂針、9根Φ8mm的圓頂針、1根Φ5mm的圓頂針和1個厚度為11mm、角度為5° 的斜頂同時推出塑件，如圖8所示。
2.6 模具三維裝配圖
通過上述設(shè)計與分析，利用UG10.0設(shè)計軟件完成的該套模具的三維結(jié)構(gòu)見圖9。
根據(jù)給定的注塑機參數(shù)及規(guī)格，最終選擇的模架幅面尺寸為700 mm×550 mm×657mm。模具結(jié)構(gòu)見圖10。
模具的基本工作過程如下：注射時，通過熱流道系統(tǒng)對模腔進行填充，高溫熔體通過點澆口進入模腔，保壓冷卻之后開模。依靠開模力，斜導(dǎo)柱首先驅(qū)動側(cè)抽滑塊、二次抽芯小滑塊完成圖1中盲孔螺柱位、接插位、斜槽、內(nèi)側(cè)通氣孔等特征的一次抽芯動作。隨后，N4，N7方向上的斜導(dǎo)柱接觸到滑座，斜導(dǎo)柱驅(qū)動二次抽芯開始，過程如圖6的設(shè)計分析所示，N1，N2，N3，N5，N6方向上的斜導(dǎo)柱完全脫離滑座，液壓油缸驅(qū)動二次抽芯開始，過程如圖5的設(shè)計分析所示。抽芯完成后，注塑機頂桿推動推桿固定板，從而驅(qū)動頂針、斜頂完成注塑件的頂出。合模時，液壓油缸先驅(qū)動N1，N2，N3，N5，N6 方向上的滑座復(fù)位，之后模具閉合，頂出機構(gòu)由復(fù)位桿實現(xiàn)復(fù)位，由斜導(dǎo)柱驅(qū)動滑座完成最終復(fù)位合模，準備下一次成型。
04 結(jié)語
汽車空調(diào)出風(fēng)口殼體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于脫模，首先對其側(cè)抽芯進行分區(qū)設(shè)計。綜合考慮產(chǎn)品外形尺寸、模具結(jié)構(gòu)等影響因素，采取一模一腔布局設(shè)置，澆注系統(tǒng)選用熱流道兩點式成型方式成型。為保證產(chǎn)品順利脫模，針對產(chǎn)品局部特征設(shè)有斜導(dǎo)柱液壓組合式二次抽芯結(jié)構(gòu)和滑塊中設(shè)計滑塊的二次抽芯機構(gòu)。經(jīng)實踐檢驗，模具運行過程穩(wěn)定可靠，成型的制品質(zhì)量良好，為同類產(chǎn)品的模具設(shè)計提供了一定的有益借鑒。
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