小批量塑件的模具技術(shù)在汽車中的應(yīng)用

徐以國(guó)，王偉國(guó)，向良明

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

1 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展放緩，繼2018年我國(guó)汽車行業(yè)的首次負(fù)增長(zhǎng)以來，我國(guó)汽車的產(chǎn)銷數(shù)量連續(xù)兩年下滑[1]。盡管車企通過自身調(diào)節(jié)產(chǎn)能、終端促銷去庫(kù)存等措施，銷量下滑有收窄趨勢(shì)，但整體銷量仍處于低迷狀態(tài)。同時(shí)，購(gòu)車的主體也從70、80后逐步轉(zhuǎn)移到90后以至00后中，消費(fèi)者對(duì)個(gè)性化和多樣化的需求越來越高[2]。面對(duì)這一趨勢(shì)，傳統(tǒng)的大批量策略已經(jīng)無法滿足消費(fèi)者的個(gè)性化需求，為消費(fèi)者進(jìn)行小批量個(gè)性化定制汽車產(chǎn)品將為企業(yè)帶來新的機(jī)遇與競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[3]。

模具作為塑件的母體，是一切創(chuàng)新的根源，好的模具是保證好的質(zhì)量的前提，同時(shí)模具也是投資的大頭、整車開發(fā)成本中重要的組成部分。常規(guī)的模具策略一般以滿足數(shù)十萬量綱為前提（例如PP注射模要求滿足50萬次量綱[4]），要求模具壽命較高，穩(wěn)定性較好，但模具投資較大，開發(fā)周期長(zhǎng)，面對(duì)小批量生產(chǎn)時(shí)無法滿足項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度，同時(shí)也會(huì)造成成本與資源的浪費(fèi)。如何在保證塑件質(zhì)量的同時(shí)，控制小批量個(gè)性化定制過程中的模具投資成本以及模具開發(fā)時(shí)間，是提升競(jìng)爭(zhēng)力有效的途徑。本文以汽車內(nèi)飾為例，探討小批量塑件的模具技術(shù)在汽車中的應(yīng)用。

2 面向小批量塑件的模具開發(fā)技術(shù)

隨著車企車型策略的調(diào)整，部分高配及限量定制版車型只有幾千輛的需求，如果采用常規(guī)模具成型，則是大大的過設(shè)計(jì)和浪費(fèi)。因此需要根據(jù)項(xiàng)目規(guī)劃，若是小批量車型，則需要構(gòu)建小批量塑件的模具技術(shù)規(guī)范。結(jié)合具體的塑件壽命需求，打破常規(guī)模具設(shè)計(jì)方法，將模具的結(jié)構(gòu)大幅簡(jiǎn)化，避免以往模具一刀切的概念，助力開發(fā)成本的大幅降低。

2.1 大中塑件型腔、型芯分塊式加工

一般型腔型芯有整體式和組合式兩種類型。整體式型腔和型芯由模具鋼整體加工而成，如圖1所示，整體式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無拼接位置、強(qiáng)度大、剛性好，不易發(fā)生變形，適用于形狀簡(jiǎn)單的中小型產(chǎn)品。組合式型腔和型芯通常采用鑲嵌的方式進(jìn)行組合，鑲件可單獨(dú)加工，提高模具整體的加工速度。鑲件組合式能夠改善模具的加工工藝性，節(jié)省優(yōu)質(zhì)鋼材。鑲件可以使用與動(dòng)模/定模不同的鋼材，可以解決因產(chǎn)品復(fù)雜，模具整體無法加工的難題，提高模具可加工性。針對(duì)成型過程中容易磨損的部分，可以做成鑲件進(jìn)行組合，以便于后期產(chǎn)品成型過程中可及時(shí)更換。此外，采用組合式模具還可以實(shí)現(xiàn)較容易的控制溫度，減少熱處理變形等等。圖2所示為組合式模具型芯，鑲件組合式適用于形狀復(fù)雜的塑件。

圖1 整體式

圖2 組合式

在大中型塑件小批量模具設(shè)計(jì)中，型腔型芯宜設(shè)計(jì)為組合式結(jié)構(gòu)，采用分塊式加工，以便達(dá)到縮短周期的目的。此外，小批量塑件通常無軟模對(duì)塑件進(jìn)行驗(yàn)證生產(chǎn)，實(shí)際生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)設(shè)計(jì)或工程更改。采用鑲件組合式模具在有工程更改的情況下可以及時(shí)更換鑲塊，避免模具型腔、型芯的整體報(bào)廢或更換，大大的節(jié)省了后期因工程變更導(dǎo)致的模具修模費(fèi)用。但如果會(huì)在塑件表面留下鑲拼線的痕跡，那么在塑件模具設(shè)計(jì)時(shí)，需要和塑件設(shè)計(jì)師溝通，確認(rèn)是否會(huì)影響塑件的外觀質(zhì)量。

2.2 斜頂、滑塊簡(jiǎn)單化

針對(duì)塑件的倒扣位置，在大批量生產(chǎn)時(shí)需要設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)頂出的斜頂機(jī)構(gòu)，如圖3所示，以降低塑件的成型周期。小批量生產(chǎn)時(shí)為了簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，可以用直頂（見圖4）代替斜頂，避免了復(fù)雜的斜頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。產(chǎn)品成型后直接由頂桿頂出，倒扣位置的直頂隨著塑件一起運(yùn)動(dòng)，由工人對(duì)倒扣位置采取手工脫模取件的方式進(jìn)行。通過直頂代替斜頂，簡(jiǎn)化模具的結(jié)構(gòu)，降低模具開發(fā)的成本。

圖3 硬模斜頂設(shè)計(jì)

圖4 小批量塑件的模具斜頂設(shè)計(jì)

2.3 簡(jiǎn)化冷卻水路設(shè)計(jì)

為了簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，加快小批量塑件的模具生產(chǎn)制造周期，建議小批量塑件的模具水路一般設(shè)計(jì)為直通水路+水井方式，如圖5所示。大批量生產(chǎn)時(shí)，為了縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，水路排布的設(shè)計(jì)通常較為復(fù)雜，會(huì)結(jié)合使用多種水路形式，如圖6所示，包括采用皮銅等價(jià)格昂貴的材料達(dá)到快速冷卻目的。

圖5 小批量塑件的模具冷卻水路

圖6 硬模冷卻水路

簡(jiǎn)化水路的設(shè)計(jì)要求如下：水嘴用普通φ12mm快換水嘴，不沉入模板；水路到產(chǎn)品表面的距離為1.5D～2.0D（D為水路直徑值，不小于8mm）；水路與水路之間的距離為3～5D；水路建議全部直通水，減少內(nèi)部串接。小模具可以串接為一進(jìn)一出；大模具，串接長(zhǎng)度不大于2m。

2.4 表面處理簡(jiǎn)單化

為了避免模具壽命周期內(nèi)分型面壓塌、成型表面磨損等問題，常規(guī)注射模通常會(huì)對(duì)模具鋼材進(jìn)行熱處理以提高其表面硬度，減少模具的磨損，延長(zhǎng)模具使用壽命。模具鋼材的熱處理根據(jù)加熱冷卻方式等的不同，可以分為普通熱處理以及化學(xué)熱處理兩類[5]。普通熱處理主要為退火、回火、淬火、退火等工藝，使得鋼材的組織成分發(fā)生一定的轉(zhuǎn)變；化學(xué)熱處理主要為鋼材的表面處理，如滲碳、滲氮、碳氮共滲等等，改變模具鋼表面的化學(xué)成分，使其達(dá)到需要的性能要求。

小批量生產(chǎn)時(shí)，由于模具使用次數(shù)在幾千次以內(nèi)，模具型腔表面無需像大批量模具一樣進(jìn)行熱處理（調(diào)質(zhì)、淬火、滲碳、發(fā)黑），即可滿足模具使用的壽命等要求。常規(guī)模具加工工序通常包括粗加工、半精加工（表面處理）、淬火熱處理加硬、精加工、配模、拋光、蝕紋、氮化、后處理等工序。與之相比，小批量塑件的模具可以省去淬火、氮化等工序，同時(shí)因?yàn)槟＞哂捕炔蝗绯Ｒ?guī)模具高，模具的拋光、蝕紋等加工變得更容易。通過簡(jiǎn)化模具的表面處理工藝，能夠節(jié)省20%～30%的模具加工成本以及10～15天的模具加工周期。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)化借用

標(biāo)準(zhǔn)化是行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，能逐漸提升模具標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化，進(jìn)一步提升創(chuàng)新能力。標(biāo)準(zhǔn)化借用的主要意圖是盡可能選用通用結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，避免不必要的加工及采購(gòu)成本，可以實(shí)現(xiàn)快速高效開發(fā)模具，并做到成本最優(yōu)。但是由于產(chǎn)品千變?nèi)f化，模具塑件完全標(biāo)準(zhǔn)化比較困難，所以通常是把與產(chǎn)品無關(guān)的模具塑件標(biāo)準(zhǔn)化，模具標(biāo)準(zhǔn)化主要體現(xiàn)在模架和常用結(jié)構(gòu)配件上[6～7]。模架的標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)模具制造，特別是對(duì)生產(chǎn)批量小，品種較多，生產(chǎn)急用的塑件生產(chǎn)，其優(yōu)越性更為明顯。模具標(biāo)準(zhǔn)化借用對(duì)縮短設(shè)計(jì)和制造周期、降低模具成本有積極作用，同時(shí)使用通用模架等標(biāo)準(zhǔn)化塑件的模具能夠大大地減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

為了保證模具質(zhì)量，對(duì)模具標(biāo)準(zhǔn)件有如下要求：所有重復(fù)使用的標(biāo)準(zhǔn)件不得低于批量產(chǎn)品模具標(biāo)準(zhǔn)的要求，為了保證安全生產(chǎn)，吊環(huán)參照大批量產(chǎn)品模具標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，不得簡(jiǎn)化，油缸系統(tǒng)組件盡量考慮共用。

2.6 熱流道模塊化

熱流道模塊化開發(fā)的核心理念是用相同的零部件，通過不同形式的組合，實(shí)現(xiàn)多樣化的熱流道設(shè)計(jì)。熱流道模塊化能夠增加零部件的共享，提升塑件通用性，提升塑件在生產(chǎn)和裝配環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化程度，從而加速新產(chǎn)品上市速度，提升運(yùn)營(yíng)效率并降低成本。如圖7所示，采用傳統(tǒng)的整體式熱流道時(shí)，流道板位置開框較大，模具整體承壓面積較少；分流板為非標(biāo)件，整體結(jié)構(gòu)需要依據(jù)熱嘴位置調(diào)整；新項(xiàng)目開發(fā)或模具進(jìn)膠位置變更，流道板均不可重新使用，需重新定制；大塊分流的流道加工時(shí)間較長(zhǎng)，可能存在一定的誤差及流道壁光潔度缺陷；所有新項(xiàng)目開發(fā)均需重新評(píng)估溫度平衡狀況，存在一定的誤差。

圖7 傳統(tǒng)熱流道-整體式

采用模塊化熱流道后，分流板整體尺寸縮減，模具開框相對(duì)較少，模具承壓面積較大。模塊式分流板可配合一定范圍內(nèi)熱嘴位置的變動(dòng)調(diào)整，模具進(jìn)膠位置變更，新項(xiàng)目開發(fā)，均可在舊模具中挪用該部件重新利用。標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，小尺寸部件加工，流道加工難度相對(duì)較低，可控性較高，可確保流道壁光潔度，可回收度高。通過熱流道模塊化開發(fā)能有效的保證資源重復(fù)利用，同時(shí)降低模具及塑件的開發(fā)成本。圖8所示為模塊化熱流道的兩種互換狀態(tài)。

圖8 模塊化熱流道

3 應(yīng)用效果分析

基于上述小批量塑件的模具開發(fā)策略，針對(duì)部分高配及限量版車型只有幾千輛這一需求，泛亞將其應(yīng)用到了某小批量高端車型的開發(fā)中，從模具設(shè)計(jì)、加工、冷卻系統(tǒng)構(gòu)建、表面處理、標(biāo)準(zhǔn)化沿用及熱流道選用等方面進(jìn)行了模具設(shè)計(jì)的優(yōu)化。通過打破原始塑件模具“一刀切”的做法，根據(jù)具體產(chǎn)品的需求制定具體的模具開發(fā)技術(shù)策略及技術(shù)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)模具成本下降35%～50%，模具開發(fā)周期縮短1～2個(gè)月，提升了小批量塑件的競(jìng)爭(zhēng)力，具有非常大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

通過模具型腔型芯分塊式加工、斜頂滑塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、冷卻系統(tǒng)構(gòu)建、表面處理簡(jiǎn)單化、標(biāo)準(zhǔn)化借用以及熱流道模塊化選用，對(duì)小批量塑件的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。通過近兩年的實(shí)踐證明，采用該小批量塑件的模具策略能夠大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低塑件及模具開發(fā)成本，通過大幅助力開發(fā)降本來實(shí)現(xiàn)價(jià)值突破，對(duì)汽車內(nèi)飾價(jià)值乃至整車價(jià)值突破有著較為深遠(yuǎn)的意義。