基于CAE技術的帶嵌件汽車前段框架大型注塑模設計

張留偉，顧賽君，洪維，任建平，邵俊，袁博，黃吉寧

(1.臺州科技職業(yè)學院裝備制造研究所，浙江臺州 318020； 2.臺州模具智能制造重點實驗室，浙江臺州 318020；3.武漢理工大學交通與物流工程學院，武漢 430064； 4.臺州黃巖德而特模塑有限公司，浙江臺州 318020)

在模具設計與制造之前運用CAE技術可以輔助確定澆注系統、預判產品成型中可能產生的缺陷及對加工過程中的工藝參數進行優(yōu)化等，它可縮短成型周期、降低塑件不良率。

含有金屬嵌件的塑件在汽車、軍工及航空航天等領域的應用越來越廣泛。這類零件將塑料與金屬的優(yōu)點有效結合，既提高了零件的強度、剛度及耐磨性，又使零件局部具有絕緣性，同時又可減輕整體質量，滿足輕量化的要求。王金榮等[1]運用CAE軟件對帶金屬嵌件的卡扣進行模擬仿真，確定了最佳澆口位置，提前預判了塑件缺陷，提高了塑件生產效率。熊毅等[2]設計出帶嵌件的家族制品注塑模，實現了滑塊間的幾何平衡，運用嵌件本身特征進行定位，效果良好。王巍等[3]利用CAE軟件輔助確定合理的澆口，并設計成型頂桿來定位塑件內的嵌件。大型塑件具有尺寸大、形狀復雜及壁厚相對較小等特點，加強筋多、碰插穿孔多使熔體在型腔內流動阻力大，導致塑件成型難度進一步加大。為成型符合質量要求的塑件、降低模具制造成本及提高塑件生產效率，大型模具的設計尤為關鍵。張維合等[4-5]、洪維等[6]、胥永林等[7]、馮婧等[8]、何鏡奎等[9]均運用相關軟件設計了大型注塑模具，且提前預測成型中可能出現的品質缺陷，最后注塑出滿足質量要求的塑件。王穎等[10]、樊薇等[11]、溫煌英等[12-13]、吳俊超等[14]、符立華等[15]、傅瑩龍等[16]均采用順序閥熱流道的澆注方式成型產品，效果良好，注塑出了合格的制件。目前，關于大型注塑模具設計的文獻較少，帶嵌件模具研究多集中于小型塑件，大型的帶金屬嵌件的模具方向的研究更少。鑒于此，筆者以汽車前段框架為研究對象，設計了10點針閥澆注的帶金屬嵌件大型注塑模。模具投產后，各機構運行穩(wěn)定，成型塑件符合質量要求，其設計思路可為同類模具提供有益借鑒。

1 塑件結構工藝分析

某款汽車前段框架零件如圖1所示，材料為德國巴斯夫尼龍(PA6)塑料(30%玻纖增強)，收縮率取0.5%，其質量輕，具有良好的韌性、耐化學藥品性及耐久性等特性。產品最大外形尺寸為1 558 mm×692 mm×350 mm，基本壁厚2.5 mm，局部壁厚3～5.2 mm，加強筋處壁厚1.2 mm，屬于大型汽車零件。塑件內部有三個嵌件，所用材料均為不銹鋼，如圖1d所示。由于裝配的需要，零件尺寸精度需達MT4級(GB/T 14486-2008)。塑件兩側不完全對稱，外側與內側四周均存在大面積倒扣。為簡化模具整體結構，塑件寬度方向大面積倒扣需設計長度為1 170，1 010，647 mm的三個大滑塊進行整體側抽芯；由于抽芯過程中塑件對大滑塊包緊力較大，強制抽芯會損傷塑件，合理的防粘滑塊機構設計尤為重要，是設計的難點。塑件長度方向最大倒扣深度達61 mm，且部分位置倒扣間距較小，需合理設計組合式抽芯機構。另外，塑件存在大量加強筋，導致脫模難度增加；塑件外形呈U狀，若冷卻不充分，會使局部區(qū)域產生熱積，導致塑件變形。

圖1 汽車前段框架零件圖

2 塑件的CAE分析

將塑件的三維模型導入Moldflow2018中，進行網格劃分處理，圖2為網格劃分圖。網格劃分結果顯示，三角形網格單元為199 389個，已連接的結點數為99 568個，表面面積為32 229.1 cm2，按單元類型統計的體積為4 169.09 cm3，最大縱橫比為14.85，最小縱橫比為1.16，平均縱橫比為2.66，共用邊為262 164個，自由邊與多重邊均為0，匹配百分比為88.3%，相互百分比為87.9%。

圖2 網格劃分

在Moldflow中設置的工藝參數為熔體溫度290 ℃，模具溫度90 ℃，保壓時間23 s，保壓壓力85%，冷卻時間80 s，得到的CAE分析結果如圖3所示。由圖3a得出，完成前段框架充填的時間為4.385 s，充填過程流暢，可滿足模具內部熔料的流動要求。由圖3b可得，速度/壓力切換時間為2.1 s，最大充填壓力為90.58 MPa，產品的充填體積為98.0%，表明壓力合理。由圖3c和圖3d可知，開模塑件頂出時，表面位置收縮率均勻，澆口凍結時間可以滿足保壓要求，塑件表面均已凍結，滿足頂出要求。由圖3e和圖3f可看出，產品外表面基本上無氣穴，內表面嵌件位置及卡扣位置的氣穴可以通過添加排氣鑲針、鑲塊的方法去解決；產品表面無明顯熔接線，總體符合外觀要求，料流交匯處熔接線不可避免，由于大部分匯合角度大于120°，熔接線不明顯，其它個別熔接線位置添加排氣鑲件加強排氣，以淡化熔接線。

圖3 CAE分析結果

3 模具結構設計

3.1 澆注系統設計

由前述分析，模具采用10點針閥式熱流道和冷流道組合式的澆注系統，如圖4所示，在冷流道末端設計有冷料井，儲存前端冷料，從而利于注射成型。圖4中G1/G2/G8/G9為針閥直接澆注，其余為側澆口澆注，具體尺寸為：G3和G8側澆口寬11 mm，高1 mm；G4/G5/G6側澆口寬17 mm，高2 mm；G10側澆口寬14 mm，高2 mm。順序閥開啟順序為G1/G9/G10→G2/G8→G3/G4/G5/G6/G7。這種組合式的澆注系統可使熔體在模具內流動更好，并節(jié)約材料。

圖4 模具澆注系統

3.2 成型零件和排氣系統設計

前段框架零件尺寸大，結構復雜，模具動、定模均采用鑲拼式結構。定模A板采用的材料為S50C，硬度為30～33 HRC；動模B板采用的材料為P20預硬模具鋼，硬度為31～34 HRC；型腔和型芯鑲塊均采用718H預硬模具鋼，硬度為33～37 HRC；由于硬度相同的型芯和型腔鑲塊容易磨損，所以需使型腔鑲塊硬度高于型芯鑲塊硬度2 HRC左右[7]。為保證前端框架零件表面質量，型腔和型芯成型面粗糙度需要達到0.4。為了提高模具壽命、合模時壓力分布平衡以及模具制造、維修便利，在動模板中設計有41塊承壓板。

汽車前段框架結構較復雜，加強筋較多，內側和外側四周都有大面積倒扣，這都要求塑件成型時要有良好的排氣系統，否則塑件表面會產生接縫、流痕、氣紋或局部飛邊等不良現象；在壁厚較大的部位會產生氣泡，影響塑件強度；嚴重困氣部位會導致塑件燒焦。為了注射成型時排氣較順暢，在動模和定模分型面位置均設計有一級、二級和三級排氣槽，相鄰排氣槽間距為40～50 mm，分型面上的排氣槽便于加工、排氣效果好；同時，在塑件深骨位、柱位處設置有排氣鑲針，既方便排氣又便于加工。排氣系統如圖5所示。另外，由于側抽芯滑塊尺寸較大，也要設計合適的排氣槽。

圖5 汽車尾翼本體模具排氣系統

3.3 側向抽芯機構設計

側抽芯機構是本模具最重要的核心結構之一。塑件外側與內側四周有9個區(qū)域倒扣S1～S9 (圖1)，均設計在動模側，其中S1，S2和S5區(qū)域屬于大面積倒扣，考慮倒扣特征間距較小，需要設計整體液壓油缸驅動的側抽芯機構；S1區(qū)域最大倒扣間距只有3.1 mm，這就導致開模時塑件對大滑塊1 (用于S1區(qū)域抽芯)的包緊力過大，脫模較困難，如何讓大滑塊順利抽出是設計的難點。

為解決S1區(qū)域抽芯難題，經反復試驗，設計出防粘滑塊機構，如圖6所示。頂桿和頂塊固定于H形塊上，T形塊固定在大滑塊上，其下部末端設有與X方向成35°的斜面，浮動塊上部設有與X方向成51°的斜面，如M處放大圖所示。拉鉤固定于T形塊上，浮動塊固定在托板上，且下方有彈簧提供浮力。S1區(qū)域抽芯機構如圖7所示。開模時，鎖在托板1、托板2上的兩個液壓油缸帶動大滑塊1及T形塊等部件后退，此時H形塊及其組件不動，用以頂住塑件，防止跟隨滑塊移動；當大滑塊抽芯移動18 mm時，塑件已部分脫離大滑塊，已無粘滑塊隱患，此時T形塊末端斜面與浮動塊斜面開始接觸，迫使浮動塊進入托板，接著H形塊及其組件跟隨整個抽芯機構后移；當抽芯距離達158 mm時，抽芯動作結束。合模復位時，在液壓油缸驅動下，拉鉤帶動H形塊及組件完成復位。

圖6 防粘滑塊機構

圖7 S1區(qū)域抽芯機構

S5區(qū)域抽芯機構如圖8所示，該機構用兩個液壓油缸驅動，抽芯距離為102 mm?；瑝K5 (用于S5區(qū)域抽芯)位于頂部，其外形尺寸為1 010 mm×293 mm×190 mm，屬于大型滑塊，在塑件量產時有下墜的風險，如何解決此安全隱患是本機構設計的重點之一。經反復試驗，采用如圖8所示機械式機構可解決此難題；在滑塊5下方設計出與水平方向成45°的斜面，連接塊內側設計出與水平方向成135°的斜面，同時在浮動塊上方設計出與水平方向成44°的斜面，且其下方有2個?30 mm×45 mm的藍色彈簧，詳見圖8的N局部放大圖。側向抽芯時，兩個液壓油缸驅動滑塊5及其組件，當滑塊5移動25 mm時，其斜面部分開始與浮動塊斜面接觸，并不斷把浮動塊壓入托板；抽芯距離達102 mm時，抽芯完成，此時連接塊斜面與浮動塊另一側斜面形成配合，鎖緊滑塊5，防止下墜。合模復位時，先有連接塊把浮動塊壓入托板，其它組件相繼恢復到原來位置。

圖8 S5區(qū)域抽芯機構

與其它抽芯機構相比，斜導柱抽芯機構具有穩(wěn)定性好、結構簡單、鉗工配模和維修容易及工作效率高等優(yōu)點；因此，S2，S3，S6，S7及S9 5個區(qū)域均用斜導柱側抽芯機構，S4和S8兩個區(qū)域用液壓油缸驅動抽芯，如圖9所示。其中，S2區(qū)域滑塊較大，設計了兩套斜導柱來驅動滑塊2 (用于S2區(qū)域抽芯)；S4區(qū)域抽芯機構行程為104 mm，S8區(qū)域抽芯機構行程為110 mm。為了冷卻均勻，S3，S4，S8和S9抽芯機構均有獨立冷卻回路。

圖9 S2，S3，S4，S6，S7，S8，S9區(qū)域抽芯機構

3.4 導向定位系統設計

汽車前段框架模具屬于大型精密模具，注射成型過程中導向定位必須安全可靠。為此模具4個角上均布置了?100 mm×520 mm的圓導柱，用M20螺栓固定在A板，可減少導柱過孔加工量，利于裝配；為了方便機械手抓取動模側塑件，導柱設計在定模側。前段框架外形為U型，分型面存在高度差，故設計了防側滑的止口定位機構，使成型中受力均衡，保證合模精確、平穩(wěn)，如圖10所示。

圖10 模具導向定位系統

模具開模時，若僅僅有導柱支撐型腔容易咬死，故在天側、地側均設計了既導向又承重的裝置；在模具寬度方向布置了4組0°精定位塊。本模具“斜導柱+滑塊”的側抽芯機構較多，為了使斜導柱與滑塊能正常開合，需要導柱提前20 mm進入導套，可避免斜導柱復位時產生的安全隱患。

3.5 脫模系統設計

前段框架零件結構復雜，加強筋和倒扣較多，所需脫模力大。為了塑件不出現頂白頂裂等不良現象，需要設計出合理的脫模機構。該套模具采用“直頂塊+斜頂塊+頂桿+頂管+拉料桿”的組合推出機構，如圖11所示。為了節(jié)省推出復位時間，把6支氮氣彈簧鎖在頂針背板上，當注塑機頂輥通過KO孔頂出塑件后，有氮氣彈簧驅動推出機構復位，合模后在復位桿的作用下精確復位。實踐證明，塑件脫模時，運用“頂輥+氮氣彈簧”組合方式驅動、復位頂出機構，安全可靠，與采用液壓油缸方式相比，頂出復位時間降低了約28%。

圖11 模具脫模系統立體圖

3.6 冷卻系統設計

前段框架屬于大型塑件，脫模后極易產生變形。為保證塑件成型質量、縮短成型周期，合理的冷卻系統設計尤為重要。本模具的冷卻系統如圖12所示，模具采用近似“隨形水路”的冷卻系統，該系統包括直通式水管、傾斜式水管和隔片式水井；各冷卻水路縱橫交錯，形成網格立體式水路，水流與料流方向基本一致，相互之間的距離保持在40～55 mm。熱射嘴區(qū)域溫度較高，布置了一組獨立水路重點冷卻；由于動模中的斜滑塊機構、液壓抽芯機構與膠位大面積接觸，故動模側用6組獨立水路冷卻側抽芯機構。

圖12 模具冷卻系統

由于冷卻系統設計較為合理，冷卻充分，加上采用了先進的順序閥熱流道系統，使成型周期大為縮短，與同類型注塑模具相比，成型周期降低了約11%，成型塑件尺寸精度達到MT4 (GB/T 14486-2008)。

3.7 金屬嵌件的定位

設計帶嵌件的注塑模具中，如何使嵌件快速安裝和可靠定位是這類模具設計的難點。若生產中嵌件松動或脫落，會導致生產受阻，嚴重的會損壞模具；設計嵌件定位機構時要充分運用嵌件自身結構特征；另外，嵌件的加入對澆注系統的設計、水路的布置及導向定位系統的設計等提出更高的要求。筆者設計的嵌件定位方式如圖13所示，為了嵌件定位牢靠，除了用自身型面定位外，又設計了定位桿、S1區(qū)域抽芯機構中滑塊型芯、定模側小型芯以及強力磁鐵等進行定位。

圖13 嵌件定位結構

4 模具工作過程

汽車前段框架的模具裝配圖如圖14所示，該模具設計為兩板式的模具結構，采用了10點順序閥控制的澆注方案，汽車前段框架模具的總體尺寸為2 340 mm×1 500 mm×1 545 mm。模具的工作過程如下：

圖14 模具裝配圖

(1)把模具熱流道接線口通電，并加熱到指定溫度，利用注射壓力將料筒內塑化完成的熔融料打入熱流道板，在順序電磁閥控制下熔料通過一級熱嘴和二級熱嘴注入型腔，同時各個水路接通冷卻水。

(2)熔融塑料充滿型腔后，待保壓補縮和冷卻固化后，在開模力作用下，動模板與定模板打開，同時S2，S3，S6，S7及S9 5個區(qū)域斜導柱側抽芯機構完成抽芯動作。

(3)動模停止運動后，S1，S4，S5及S8 4個液壓抽芯機構開始動作，把相應滑塊抽出，在各自的限位桿觸碰到行程開關時抽芯完成。

(4)此時注塑機頂輥使推板和推板固定板開始運動，進而帶動整個頂出系統，把產品和流道凝料推出，機械手抓取產品，脫模完成。

(5)在氮氣彈簧作用下，推板及推板固定板先行復位，各液壓抽芯機構相繼復位，同時注塑機帶動動模完成合模，開啟下一個注塑循環(huán)周期。

5 結語

根據汽車前段框架結構特點，設計了一副單分型面10點針閥側澆口澆注的帶嵌件大型注塑模具。通過CAE技術分析提前預測了塑件成型時可能產生的問題。設計了防粘滑塊機構，解決了塑件對大滑塊包緊力過大導致脫模困難的問題；采用液壓抽芯機構和斜導柱抽芯機構完成了塑件側向脫模；采用“直頂塊+斜頂塊+頂桿+頂管+拉料桿”的組合推出機構，解決了脫模困難的問題；采用了縱橫交錯的網格立體式冷卻系統，冷卻效果較好；用“頂輥+氮氣彈簧”組合方式驅動和復位頂出機構；設計了金屬嵌件定位機構，安全可靠。模具結構設計先進合理，投產運行后，模具工作平穩(wěn)，產品質量符合要求。