（廣東科技學(xué)院，廣東東莞523000）

摘 要：根據(jù)新能源汽車的儲物箱蓋板的結(jié)構(gòu)特點，圍繞質(zhì)量、效率、成本、環(huán)保四大維度進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計。通過隨形加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將塑件平均壁厚從2.5mm降至2mm，材料節(jié)省約15%，滿足了新能源汽車輕量化要求。通過模流分析，確定了“熱流道+普通流道+圓弧形潛伏式澆口”最優(yōu)組合式澆注系統(tǒng)，保證了成型塑件的外觀質(zhì)量，實現(xiàn)了全自動化生產(chǎn)，廢料率從5%降至1%。通過采用型腔納米涂層技術(shù)、分區(qū)隨形水路、閉環(huán)溫控系統(tǒng)，模具成型效率和成型精度得到了顯著提升，尺寸精度達(dá)到了MT3（GB/T14486—2008），生產(chǎn)周期從35s縮短至26s，冷卻效率提升了25%，模具綜合產(chǎn)能提高了2倍。

關(guān)鍵詞：新能源汽車儲物箱蓋板；大型薄壁注塑模具；納米涂層技術(shù)；熱流道；斜推桿側(cè)抽芯；液壓頂出油缸；分區(qū)隨形水路；閉環(huán)溫控系統(tǒng)

  新能源汽車儲物箱蓋板是儲物箱的重要零件，位于副駕駛位置的外側(cè)，長寬尺寸大，厚度尺寸小，裝配尺寸精度和外觀質(zhì)量要求高。為了滿足新能源汽車質(zhì)量、效率、成本、環(huán)保四大要求［1］，客戶要求在普通汽車儲物箱蓋板的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低質(zhì)量，提高精度，縮短成型周期，并能實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)。這就大大增加了成型難度，對模具結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。為此筆者對塑件結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步優(yōu)化，對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，成型塑件各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，其成功經(jīng)驗對大型、薄壁塑件的注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較好的參考價值。

1  塑件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及成型工藝分析

  圖1所示為某款新能源汽車儲物箱蓋板零件圖，空間造型優(yōu)美，分型線較復(fù)雜，材料為PP/EPDM?T20，收縮率1.1%。塑件與箱體有裝配要求，裝配尺寸的精度須達(dá)到MT3（GB/T14486—2008），塑件外觀面要做蝕紋處理，內(nèi)表面粗糙度為Ra=0.04~1.25μm。塑件最大長度555.5mm，最大寬度200.4mm，最大高度300.5mm。根據(jù)客戶要求，我們對塑件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隨形加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將塑件平均壁厚從2.5mm降至2mm，質(zhì)量從420g降至360g，材料節(jié)省約15%，達(dá)到了新能源汽車輕量化要求。通過振動和受力測試（20~2000Hz），無結(jié)構(gòu)失效。塑件屬于大型薄壁塑件，存在兩處倒扣S1和S2，熔體填充和脫模都比較困難。塑件外觀面不允許有成型缺陷，如熔接痕、收縮凹陷、斑點、飛邊和澆口痕跡等。

圖1  新能源汽車儲物箱蓋板零件圖

2  模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1  成型零件設(shè)計

  根據(jù)汽車儲物箱蓋板尺寸較大，空間造型較復(fù)雜，分型面落差較大的結(jié)構(gòu)特點，經(jīng)綜合考慮及客戶同意，模具定、動模成型零件均采用一體式，即型腔和型芯直接在定模A板和動模B板上加工，模板就是成型零件，訂購模架時須特別注明動模B板和定模A板材料均采用P20模具鋼［2］。相較于鑲拼式結(jié)構(gòu)，一體式結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)更緊湊，剛度更好，避免了開框、配框和制造斜楔等繁瑣的工序，而且可以減小模架的尺寸，單套模具成本降低了約18%。

  由于汽車儲物箱蓋板外形為不規(guī)則空間曲面，分型線亦為復(fù)雜空間曲線。為此筆者采用非對稱變曲率分型面，減少了合模線對美觀的影響，同時降低了制造成本。成型塑件外形落差大，注射成型時型腔側(cè)向脹型力較大，為防止模板之間側(cè)向位移，模具采用四周錐面定位，定位面錐度為5°,確保精準(zhǔn)定位［3］。

  本模型腔采用了納米涂層技術(shù)，在型腔表面噴涂類金剛石（DLC）涂層，不但大大降低了熔體流動阻力，也大大降低了脫模阻力，從而可以大大降低注射壓力和鎖模力，模具壽命預(yù)計可延長30%。

2.2  澆注系統(tǒng)設(shè)計

  為保證儲物箱蓋板的外觀質(zhì)量，改善熔體填充，模具采用熱流道與普通流道組合形式：塑料熔體由熱流道進(jìn)入普通流道，再由兩個潛伏式澆口進(jìn)入型腔，詳見圖2（a）。普通流道采用“U”形截面，潛伏式澆口采用圓弧形結(jié)構(gòu)［3］，具體尺寸見圖2（b）。

  在注射成型過程中，圓弧形潛伏式澆口能夠自動切斷，這種模內(nèi)切澆口系統(tǒng)既保證了成型塑件的外觀質(zhì)量，又可以實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)，廢料率從5%降至1%，提高了新能源汽車的綠色制造技術(shù)。

圖2  模具澆注系統(tǒng)

2.3  模流分析

  為了驗證以上澆注系統(tǒng)設(shè)計的合理性，筆者應(yīng)用MolFlow軟件對模具注射成型進(jìn)行模擬分析，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化澆口的形狀與位置。圖3~圖7分別是汽車儲物箱蓋板填充分析，填充等高線分析，注射壓力曲線分析，鎖模力曲線分析和熔接痕與困氣分析結(jié)果圖。

圖3  熔體填充分析 

圖4  熔體填充等高線分析

圖5  注射壓力曲線分析

圖6  鎖模力曲線分析

圖7  熔接痕與困氣分析

  根據(jù)模流分析結(jié)果可以得出結(jié)論：塑件采用2點順序閥熱流道，從塑件側(cè)邊進(jìn)膠，填充時間為4.6s，塑件填充效果良好，流動平衡，無填充不良和困氣現(xiàn)象，塑

件填充壓力均勻，進(jìn)膠方案科學(xué)合理［4?5］。

2.4  側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計

  成型塑件有兩個內(nèi)側(cè)倒扣S1和S2，抽芯方向相對，由于空間有限，只能采用斜推桿側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)，該抽芯機(jī)構(gòu)由側(cè)抽芯27、28，斜推桿31、37，斜推桿滑座32、34和4個導(dǎo)套26、29、33、36組成，詳見圖8。兩個倒扣深度均為4.71mm，加上安全距離，側(cè)抽芯距離取8.40mm，根據(jù)塑件高度，成型塑件脫模距離取80mm［6］。根據(jù)作圖法或三角函數(shù)計算法，可得到斜推桿的傾斜角度為6°。

公式  1

  由于兩個斜頂靠的較近，必須保證兩個斜頂在向內(nèi)側(cè)抽芯時不會相撞。從圖8可知，合模時兩個斜頂之間的距離為22.53mm，大于側(cè)抽芯向內(nèi)側(cè)橫向移動距離8.40×2=16.80mm，安全。

2.5  溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

  儲物箱蓋板為大型薄壁塑件，內(nèi)表面粗糙度小，外表面需進(jìn)行蝕紋處理，結(jié)構(gòu)包含卡扣、加強(qiáng)筋等，易因冷卻不均導(dǎo)致縮痕、翹曲變形。為此本次模具溫度控制系統(tǒng)采用隨形水路（conformalcooling），冷卻水路貼合蓋板曲面形狀（距離型腔表面20~25mm），主水路水管直徑φ12mm，分支水路φ8mm［7?8］。

  冷卻水路各參數(shù)設(shè)計：注射成型時，冷卻水流量控制在5~10L/min之間，使冷卻水始終處于湍流狀態(tài)（雷諾數(shù)>4000），以增強(qiáng)傳熱［7］。水路間距為管徑的3~5倍，交錯排列避免冷卻盲區(qū)，詳見圖9。為了提高冷卻效果，防止水路內(nèi)壁生銹，我們對所有冷卻水路內(nèi)壁都做了鍍鉻處理，減少了水垢沉積。為實時反饋數(shù)據(jù)至控制系統(tǒng)，實現(xiàn)閉環(huán)控制，模具在注塑生產(chǎn)過程中，還采用了智能化IoT集成監(jiān)測技術(shù)，在鑲件內(nèi)嵌入溫度傳感器，實時監(jiān)控模腔填充狀態(tài)，結(jié)合AI算法動態(tài)調(diào)整注塑參數(shù)，模具溫差控制在±2℃以內(nèi)，良品率提升至99.5%以上［8］。

圖8斜頂側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)設(shè)計

圖9  模具溫度控制系統(tǒng)

  對模具溫度的精準(zhǔn)控制保證了快速冷卻和均衡冷卻，避免了局部溫差導(dǎo)致變形，成型周期從35s縮短至26s，冷卻效率提升了25%，尺寸精度達(dá)到了MT3

（GB/T14486—2008）。

2.6  導(dǎo)向定位系統(tǒng)設(shè)計

  汽車儲物箱蓋板注塑模具設(shè)計壽命50萬，尺寸大，壽命長，精度高，模具需要承受長時間高頻率的開合模動作，導(dǎo)向定位系統(tǒng)的耐用性和準(zhǔn)確性非常重要。

圖10  模具導(dǎo)向定位系統(tǒng)

  汽車儲物箱蓋板注塑模具導(dǎo)柱采用高碳鉻軸承鋼SUJ2，淬火，表面硬度60?62HRC；導(dǎo)套采用銅合金，減少摩擦磨損［9］。導(dǎo)柱直徑通常為模具分型面寬度的1/10~1/8，本模取φ50mm，導(dǎo)柱長度需超出動模閉合高度10~15mm，本模取370mm。導(dǎo)柱數(shù)量4支，布置在模具的四個角上，采用法蘭式固定，便于拆卸維護(hù)，詳見圖10。導(dǎo)柱端部增設(shè)鍵槽或平面，防止旋轉(zhuǎn)偏移。

  汽車儲物箱蓋板注塑模具采用錐面精定位結(jié)構(gòu)，以輔助導(dǎo)柱導(dǎo)套，用于模具生產(chǎn)過程中高精度對位。定位面錐度取10°,接觸面積需85%。為了提高模具壽命，便于維修，錐面上共設(shè)計了12塊耐磨塊。導(dǎo)柱與導(dǎo)套按H7/f7間隙配合，保證潤滑和熱膨脹空間［10］。

2.7脫模系統(tǒng)設(shè)計

  為防止汽車儲物箱蓋板脫模時頂白變形，模具采用了“推桿+斜推桿+液壓頂出油缸”組合頂出方案。頂針12根，直徑φ8mm，均勻分布，2組斜頂，處理側(cè)扣脫模。頂出行程80mm，頂出速度0.5m/s，頂出力約8t［11］。脫模系統(tǒng)由兩個液壓油缸25驅(qū)動頂出和復(fù)位，平穩(wěn)且可靠，無頂白或變形。汽車儲物箱蓋板注塑模具屬于大型模具，為保證推件安全運行，推桿板導(dǎo)柱和復(fù)位桿均設(shè)計了6支。定模A板與復(fù)位桿接觸的位置還設(shè)計了一塊直徑為φ40mm的硬塊，硬塊材料為S50C模具鋼，表面氮化處理［12］。

2.8模具排氣系統(tǒng)設(shè)計

  在汽車儲物箱蓋板注塑模具型腔內(nèi)有大量空氣，在注射成型過程中，這些氣體必須及時排出，同時在開模過程中，外面的空氣又必須及時進(jìn)入型腔，防止型腔出現(xiàn)真空而造成脫模困難。儲物箱蓋板注塑模具主要通過分型面上的排氣槽排氣，見圖11。同時筆者還在頂針側(cè)壁開槽（深度0.02~0.03mm）排氣，效果很好。PP料流動性好，一級排氣槽深度不能大于0.04mm，太深容易產(chǎn)生飛邊，二級排氣槽深度可取0.5~0.8mm。排氣槽寬度取10mm，排氣槽間距30mm，確保氣體快速排出［13］。高效、可靠的排氣系統(tǒng)有效消除了熔接痕和填充不良等成型缺陷。

圖11  模具排氣系統(tǒng)設(shè)計

3  模具裝配圖及工作過程

3.1  模具裝配圖

  綜上所述，模具采用熱流道澆注系統(tǒng)，塑件內(nèi)側(cè)兩個倒扣采用斜推桿（又稱斜頂）側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)。模具外形尺寸為：長1100mm，款730mm，高840mm，總質(zhì)量約3t，屬于大型注塑模具。詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖12。

圖 12  汽車儲物箱蓋板注塑模具結(jié)構(gòu)圖

3.2  模具工作原理

（1）合模：模具的動模和定模在注塑機(jī)驅(qū)動下閉合，形成密閉型腔。（2）注射充填：熔融的聚丙烯塑料由熱流道澆注系統(tǒng)進(jìn)入模具分型面之間的普通分流道，最后由圓弧形潛伏式澆口進(jìn)入模具型腔。（3）保壓與冷卻：保壓階段持續(xù)施加壓力，補(bǔ)償材料收縮；冷卻系統(tǒng)（水路）通過循環(huán)冷卻水快速降溫，使塑料固化定型。（4）開模、頂出及抽芯：在注塑機(jī)驅(qū)動下動模后移，模具打開，開模距離達(dá)到400mm后，液壓油缸25推動推件固定板19，同時推動所有推出零件將成型塑件推離動模。在推出過程中，斜推桿31和35分別推動側(cè)向抽芯28和27向內(nèi)側(cè)向抽芯。（5）取件與復(fù)位：推件推出行程80mm，由限位桿38控制。接著機(jī)械手取出產(chǎn)品，液壓油缸25推動脫模系統(tǒng)和斜頂復(fù)位，模具進(jìn)入下一次注射成型。

4  結(jié)論

（1）通過隨形加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，將塑件平均壁厚從2.5mm降至2mm，材料節(jié)省約15%，滿足了新能源汽車輕量化要求。

（2）通過模流分析優(yōu)化，模具確定了“熱流道+普通流道+圓弧形潛伏式”最優(yōu)組合式澆注系統(tǒng)，既保證了成型塑件的外觀質(zhì)量，又實現(xiàn)了全自動化生產(chǎn)，廢料率從5%降至1%，提高了新能源汽車的綠色制造技術(shù)。

（3）通過采用型腔納米涂層技術(shù)、分區(qū)隨形水路及閉環(huán)溫控系統(tǒng)，模具成型效率和成型質(zhì)量得到了顯著提升，尺寸精度達(dá)到了MT3（GB/T14486—2008），生產(chǎn)周期從35s縮短至26s，冷卻效率提升了25%，提高了新能源汽車的快速成型和精密成型技術(shù)。

（4）本模圍繞質(zhì)量、效率、成本、環(huán)保四大維度進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，結(jié)構(gòu)先進(jìn)合理，單套模具成本降低18%，綜合產(chǎn)能提高了2倍。試模一次成功，成型塑件通過震動和受力測試，各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。

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