傅莹龙，符立华，叶星辉，林连明，任建平
(1.台州科技职业学院，浙江台州 318000；
2.浙江凯华模具有限公司，浙江台州 318000)
汽车转向管柱护罩是汽车内饰件中比较重要的组成部分，它位于汽车方向盘下方部位，用于遮挡住方向盘的传动轴，对于美观性有一定的要求。汽车内饰件基本为外观件，对外表面的质量要求较高，不能出现熔接痕、斑点、气痕、毛边及缩痕等缺陷，并且内饰件形状一般不规则，包含各种卡扣、boss柱、狗窝等连接结构，同时曲面形状复杂，因此相应的模具设计有一定的难度，一般借助CAE/CAD技术来完成结构工艺分析和模具设计。热流道是当前塑料注塑技术的发展方向，是一种比较先进的技术，它可以缩短产品的成型周期并节省原材料，降低注塑压力[1-3]。笔者通过对汽车转向管柱护罩的前期CAE分析，预测可能存在的问题，通过设计多种组合抽芯机构，在顶出系统中采用了直斜顶组合机构及二次顶出结构，解决了塑件产品脱模困难的问题。
某汽车转向管柱护罩的零件图如图1所示，零件的整体尺寸为197 mm×115 mm×125 mm，体积约为118.2 cm3，选用材料为日本大赛璐科技有限公司生产的聚碳酸酯(PC)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)，牌号为NovalloyS 1220，收缩率为0.5%，其具有耐热性好、抗冲击性好、强度高等优点，主要的物理力学性能及工艺性能参数见表1。
图1 汽车转向管柱护罩零件图
表1 NovalloyS 1220的物理力学性能及工艺参数
该塑件外表面要求光滑无痕，内部无短射，尺寸满足装配要求[4-5]。图1中产品的T1，T2两处外表面有较大的内凹特征，内部各有4根厚度为0.5 mm的加强筋，最大深度可达到14 mm，T3，T4两处区域有两个圆形通孔和方形通孔的狗窝特征，通孔深度为3 mm，且该区域空间结构狭小，这些结构给模具结构设计带来了很大的困难。
将汽车转向管柱护罩的零件图保存为“*.x_t”导入CAE分析软件Moldflow2019中，进行网格的划分处理，创建好热流道与冷流道后，按照设定的注塑工艺参数(模具温度70℃、熔体温度265℃、保压时间10 s、保压压力85%、冷却时间20 s)在Modflow中进行设置，通过“填充+保压+翘曲”的分析，得到分析结果[6-7]，如图2所示。由图2a和图2b可以得出，产品充满型腔的时间为1.915 s，充填过程稳定，表面无滞留短射的现象出现；
在注射时间达到1.787 s时，注塑压力达到最大为53.95 MPa，接着进入10 s的保压阶段，保压压力为43.16 MPa。由图2c和图2d可以得出，当塑件顶出时，塑件表面的收缩率均匀，表面都已经冻结，符合顶出的要求。由图2e和图2f可以得出，塑件的外表面基本没有气穴，气穴主要分布在内表面的卡扣及两处狗窝上，可通过设计排气镶块解决该问题，塑料熔体从模具的一侧流向另一侧，塑件表面无明显熔接线，符合技术要求。
图2 CAE分析结果
3.1 浇注系统的设计
由前述CAE分析，本模具采用了开放式热流道与冷流道相结合的技术，以侧浇口的方式进胶，浇口宽10 mm、高1.5 mm，如图3所示。开放式热流道在加热线圈的加热下，使料流始终处于熔融的状态，降低了注塑压力；
在冷流道的尾端设置了一小段的冷料井，以降低产品表面出现冷料缺陷的风险。
图3 浇注系统的设计
3.2 成型零件的结构设计
注塑模具成型零件的设计需要全面考虑产品的结构和技术要求、脱模方向及分型面的位置等因素[8-9]。由于塑件产品的外表面要求皮纹处理，综合考虑模具的制造成本，定模型腔侧采用整体的高端塑料模具钢718，这种材料具有耐腐蚀性和抛光性好的特点，洛氏硬度可达33～36，经常应用在汽车内饰件的模具中。
定模的整体尺寸为500 mm×400 mm×175 mm，如图4a所示，由于模具尺寸较为紧凑，故在四个虎口处设计了四块承压板。动模B板也采用整体式的结构，在模具钢方面采用性价比更高的P20钢材，整体尺寸为500 mm×400 mm×235 mm，如图4b所示。在塑件的狗窝处设计有两个排气镶块，由于镶块的尺寸较小，没有足够的空间设计水路，为了使该处的冷却效果更好，镶块的材料采用导热效率更高的铍铜。
图4 动定模的结构设计
3.3 抽芯机构的设计
当塑件产品有侧孔、侧凹的形状时，一般都需要设计侧向的抽芯机构，这样塑件产品才可以顺利脱模取出。由图1可知，塑件产品T1，T2处的外表面边缘处有较大的内凹半圆孔特征，抽芯距离至少达到22 mm，受模具尺寸限制，不宜采用斜导柱抽芯机构，故采用了“油缸+滑块”的布局，设计了液压抽芯机构，如图5所示，滑块沿着各自的脱模方向运动，通过限位杆和行程开关控制油缸的工作距离，滑块材料采用718H塑料模具钢，由黄铜石墨组合的压条进行导滑。
图5 液压抽芯机构
在图1中塑件产品的T3，T4区域有深度3 mm的通孔，由于抽芯距离短，可以使用“侧型芯+滑块+斜导柱”的抽芯机构，如图6所示，斜导柱的工作角度按常用的12°设计，按实际抽芯距离为6 mm可计算出斜导柱的工作长度为29 mm，为了保证导柱工作时有足够的强度与刚度，导柱的直径设计为35 mm，滑块孔设计为36 mm，使两者有足够的间隙，防止卡死；
同时在滑块的背面设有耐磨板，减少模具钳工研配的时间。
图6 “侧型芯+滑块+斜导柱”抽芯机构
3.4 动模直斜顶组合及二次顶出机构的设计
塑件产品T3，T4处的内部特征为比较大的倒扣，又有多处的加强筋结构，内部空间比较狭窄，采用常规的单一斜顶机构很难将产品推出，故在顶针板处巧妙地设计了定距拉钩机构，利用二次顶出机构将产品推出，如图7所示。
图7 定距拉钩的二次顶出机构
同时在顶出时为了减少产品的变形，增加了小直顶块11；
斜顶块10的工作角度设计为12°，顶出油缸7在顶出的前140 mm以内，两个对称的斜顶块10与小直顶块11以及一个大直顶块9一起顶出；
当顶出距离达到140 mm时，斜顶块10与产品内部侧面分离，此时卡块1碰到定距拉杆4而脱离挡块13，同时顶针板2停止运动，接着顶出油缸继续运动30 mm，带动顶针固定板上的顶针将产品推出。
由于产品整体为不规则的三维曲面结构，如果冷却效果不够理想，产品很容易发生翘曲变形。由于模具定模采用整体式的结构，故采用了3条直径为12 mm的“直通+隔水片水井”结构的水路；
动模模仁基本由抽芯块跟顶出块组成，无法将水路连在一起，因此在各个机构都单独设计了冷却回路，如图8所示。
图8 模具冷却水路
模具的总装图如图9所示，整体尺寸为840 mm×770 mm×850 mm，采用两板式的模具结构，应用了热流道板与热流道组合的加热系统，减少了系统的注塑压力，热流道板通过金属垫块与定模A板分开，减少能量损失，模具型腔采用整体式，型芯采用镶拼，采用非标模架，减少模具后期的制造周期[10-11]。
图9 模具装配图
模具的工作原理如下：
①首先在注塑机装上模具，然后将模具热流道接线口与电源相连并加热到设定的温度，待注塑机料筒中的螺杆对塑料进行塑化和储料后，在注塑压力的作用下，将塑料熔体注入热流道板12通过热流道10进入模具的型腔，同时所有水路都通入冷却水对模具进行冷却；
②待产品固化后，在开模力的作用下，定模A板9跟动模B板6分开，同时滑块14在斜导柱15的作用下完成抽芯；
③待动模停止运动后，抽芯油缸25与31同时通入液压油，抽动滑块26与30，待滑块上的限位杆碰到各自的行程开关24与32后，抽芯动作完成；
④此时两个顶出油缸16在液压力的作用下，带动顶针固定板19开始顶出运动，同时顶针板20在卡块2与挡块3的共同作用下随顶针固定板19一起运动，随后固定在顶针板20上的万向滑座21与直顶杆推动斜顶杆22与大直顶块29一起推出塑件；
⑤待顶出油缸16的运动距离达到140 mm时，卡块2在定距拉杆4的作用下脱离卡块3，此时斜顶杆22完成侧向抽芯，大直顶块29也停止运动，顶出油缸16继续运动30 mm，带动顶针固定板19上的顶针18将产品顶出，此后顶出油缸16复位，接着抽芯油缸25与31也在注塑机压力的作用下完成复位动作，最后合模开启下一个注塑循环周期。
通过对汽车转向管柱护罩塑件的结构分析，结合CAE技术分析了塑件成型时潜在的问题，设计了一副单点开放式热流道单分型面的模具。分别采用了“侧型芯+滑块+斜导柱”与液压抽芯机构，完成产品的侧向脱模；
在顶出系统中使用了动模直斜顶组合及二次顶出机构，解决了产品顶出时容易变形以及脱模困难的问题；
在定模侧采用了“隔水片”式的水路，动模侧每个镶块采用了独立的循环水路。设计的模具投产后，各机构运行顺畅，塑件产品各项指标符合要求，证明该模具的结构设计合理可靠，为类似塑件的模具产品设计提供了有价值的参考。