模具設計經(jīng)典案例：汽車門板下本體模具的設計

2018-04-03 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

汽車門板下本體是汽車內(nèi)飾件的重要組成部分,位于汽車車門的內(nèi)側,有前后左右之分,根據(jù)車系的不同而不同,通常為兩門與四門,這些零件統(tǒng)稱門板系列。門板有前后左右之分,但前后門板外形與結構在不同的車系設計各有不同,常規(guī)門板為整體式門板,也有分體式門板。

整體式與分體式門板的區(qū)別是:整體式門板塑件為一個整體,分體式門板設計時將門板分成上中下三截,這在汽車塑件設計中很常見,本章所介紹的門板模具案例就是分體式門板。本章以汽車左右門板下本體為案例進行分析,介紹一款帶二次頂出機構的門板,以及介紹法國佛吉亞模具設計要點與經(jīng)驗,門板下本體零件特征如圖1與圖2所示:

圖1 汽車門板下本體零件圖1

圖2 汽車門板下本體零件圖2

1. 塑件外觀要求與結構分析

圖1、圖2所示為某品牌汽車門板下本體零件圖,材料為PP+EPDM,收縮率一般取1.012,其中EPDM能夠提高門板的彈性,模具型腔數(shù)為1+1。外表面皮紋,塑件為外觀件,表面要求高。

塑件尺寸為:1042.3*497.5*89.8mm。塑件特點如下:

1)外觀面要求高,塑件外觀面需皮紋,塑件外觀面不允許有斑點,澆口痕跡,更不允許有收縮凹陷.熔接痕.飛邊等缺陷。

2)塑件為皮紋件,塑件外觀面(A面)脫模斜度設計要合理(一般至少設計5度以上)。

3)塑件外形復雜,曲面光潔度高,塑件內(nèi)側面共有12個倒扣。

2. 模具結構分析

根據(jù)門板下本體塑件的結構特點,模具優(yōu)先采用熱流道注塑模結構,采用10點針閥式順序閥熱流道+冷流道+香蕉式澆口(俗稱牛角)進膠。圖1所示塑件內(nèi)側面共有12個倒扣,均采用斜推塊抽芯結構。

本模具外形尺寸為:1780*1750*1342(mm),總重量約18噸,屬于大型注塑模具。詳細結構見圖3-圖9。

圖3 汽車門板下本體注塑模具結構圖1

圖4 汽車門板下本體注塑模具結構圖2

圖5 汽車門板下本體注塑模具結構圖3

圖6 汽車門板下本體注塑模具結構圖4

圖7 汽車門板下本體注塑模具結構圖5

圖8 汽車門板下本體注塑模具結構圖6

圖9 汽車門板下本體注塑模具結構圖7

2.1 成型零件設計

本模具定動模采用一體式,常用材料為:P20/2738。模具AB板采用四面圍邊的設計方式,在門板模具設計中,斜推塊與推塊以及網(wǎng)孔的設計是門板模具的核心結構,斜推塊的設計要防止塑件粘斜推塊,以及拉傷塑件。對于門板零件一般都有喇叭網(wǎng)孔,因而網(wǎng)孔的設計也是門板模具的難點,本模具網(wǎng)孔采用鑲件成型,為了讓網(wǎng)孔排氣順利,網(wǎng)孔采用鑲件內(nèi)套鑲件的鑲拼方式。一般網(wǎng)孔周圍需要設計推塊頂出,本模具采用二次頂出機構,將網(wǎng)孔鑲件安裝在推桿上,既解決了網(wǎng)孔排氣困難的問題,又解決了網(wǎng)孔頂出困難的問題。網(wǎng)孔鑲件材料要求嚴格,一般為S136或者透氣鋼。成型零件設計的原則是在保證模具強度和壽命的前提下尺寸做到最小,以降低模具的制造成本和生產(chǎn)成本。汽車門板模具成型零件尺寸可參考表2-1。

表2-1 汽車門板模具成型零件設計

2.2 澆注系統(tǒng)設計

本模具澆注系統(tǒng)采用熱流道進膠,采用10點順序閥熱流道+冷流道+香蕉澆口的進膠方式,塑件材料為PP+EPDM。

由于塑件為PP+EPDM料,料流動性好,在設計流道時流道設計范圍廣些,但熱嘴至塑件邊緣的流道長度盡量設計在60mm以內(nèi),如果實在不行也盡量控制在100mm以內(nèi),避免冷流道過長與避免壓力損失大。門板為外觀件,表面不允許有熔接痕,注塑成型時必須把熔接痕趕到非外觀面或消除熔接痕,這是本模具設計的重點和難點之一。傳統(tǒng)的同步多點進澆,雖然能使熔體充滿整個型腔,但是由于熔接痕的存在,很難使產(chǎn)品質量達到理想的要求。為此本模具采用了10點順序閥熱流道澆口控制技術,它通過油缸的驅動來控制10個熱射嘴的開啟和關閉,由此達到了塑件表面無熔接痕的理想效果。門板注塑模熱流道澆口位置見圖10,圖中G1-G10為熱嘴位置。本模具為左右鏡像件,每腔各5個進澆點。門板模具有網(wǎng)孔的必須在網(wǎng)孔附近設計一澆口,以便于注塑保壓。

圖10 10點順序閥熱流道控制系統(tǒng)

2.3 側向抽芯機構設計

側向抽芯機構是本模具最重要的結構之一。針對塑件內(nèi)側的12處倒扣,模具均采用了斜推塊的抽芯機構,抽芯方向見圖2、圖3。門板模具由于斜推塊眾多,實際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)塑件跟著斜推塊走的現(xiàn)象發(fā)生。造成這種現(xiàn)象的原因有很多,設計時要優(yōu)先考慮避免這些現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4 溫度控制系統(tǒng)設計

汽車門板下本體為汽車最重要的內(nèi)飾件之一,也是外觀要求很高的塑件之一,因此溫度控制系統(tǒng)設計的好壞對模具的成型周期與產(chǎn)品成型質量影響很大。冷卻水道設計原則之一是距離型腔面要大致相等,以達到模具型腔各處溫度大致均衡。本模具的溫度控制系統(tǒng)采用了“直通式水管+傾斜式水管+水井”的組合形式(見圖11和圖12)。這種組合形式是優(yōu)先采用直通式水管,其次是傾斜式水管,萬不得已才采用水井。其優(yōu)點是塑件冷卻均勻,成型周期短,成型質量高,適用于高要求與外觀性能要求高的模具。在汽車模具設計中,類似于內(nèi)外飾件模具如汽車前后保險杠、儀表板、中央通道、格柵、汽車裝飾條等內(nèi)外飾塑件。

冷卻水道排布按以下規(guī)律設計:

1.冷卻水方向要與料流方向一致。

2.定.動模冷卻水道優(yōu)先設計成十字網(wǎng)格形式,冷卻回路形成互相交叉形成水路交織網(wǎng),均勻冷卻塑件。

3.在不能設計成十字交叉式水路時,定.動模水路在互相有縫隙處交互布置。

4.每一組冷卻水盡量只設計四條循環(huán)水路,避免水路距離長影響塑件冷卻效果。

5.冷卻水路要設計成可與另一組水路進行外部接水管連接的方式,方便后續(xù)塑件因變形.收縮等現(xiàn)象的調整。通過水路調整塑件缺陷,在汽車內(nèi)外飾塑件模具上應用廣泛。

6.各冷卻水道間隔距離控制在水道的3.5-5倍直徑(一般50-60mm左右),塑件膠位面距離運水的距離一般在15-25mm之間,具體根據(jù)模具大小決定。(如儀表板與保險杠模具更需控制在25-28mm之間,中央通道與門板一般控制在20-25 mm之間。因為模具大且孔很長,深孔鉆加工容易偏鉆嘴,且還可以避免因應力集中引起的模具開裂.漏水現(xiàn)象的發(fā)生。)

7.冷卻水道與推桿.斜推桿.鑲件之間的距離要保證在8-10mm以上,因為模具大且水道長,容易鉆偏。

8.在汽車模具設計中,熱嘴盡量要單獨設計一組水路,不能與其它水路串聯(lián),以利于熱嘴區(qū)域的熱量散失。

圖11(a)定模冷卻系統(tǒng)

圖12(b)動模冷卻系統(tǒng)

本模具定動模溫度控制系統(tǒng)為:定動模都設計了12組水路,定動模都是12進12出,模具冷卻水路設計做到了與料流方向一致,優(yōu)先采用:“直通式水管+傾斜式水管+水井”的隨塑件形狀的設計形式,進出水距離做到了水路長度大致相等,因而使塑件得到了良好的冷卻效果與外觀質量。本模具網(wǎng)孔鑲件單獨設計水路,熱嘴區(qū)域均有水路,因而塑件生產(chǎn)時得到了良好的冷卻效果,保證產(chǎn)品質量,縮短了成型周期。

本模具溫度控制系統(tǒng)設計時還做到了以下幾點:

1)水道之間的間距保證在50~60mm之間,冷卻水道距型腔面在20~25mm之間。本模具的網(wǎng)孔區(qū)域和熱嘴區(qū)域熱量較為集中,因此進行了重點冷卻。

2)考慮到加工問題,本模具的冷卻水道與推桿、推塊等推件孔保持了至少8mm的距離。

3)冷卻水道長短做到了大致相等,保證了冷卻水出入口溫差大致相等,從而保證了模溫大致均衡。

4)根據(jù)塑件形狀,模具采用了大角度的斜孔,雖然鉆頭有側滑現(xiàn)象,極易鉆偏,但只要鉆孔之前銑削一個垂直于斜孔的平臺即可解決問題。

2.5 導向定位系統(tǒng)設計

在汽車注塑模具設計中,由于模具大,塑件外觀要求高,尺寸精度要求也高,因此對模具的導向定位設計非常嚴格,導向定位系統(tǒng)設計的好壞直接影響成型塑件的精度和模具的壽命。

本模具在4個角上各設計了1支方導柱,以及4個1 °精定位,詳見圖3和圖4。4支方導柱尺寸如圖所示,安裝在定模側,由于塑件開模后留在動模側,這樣就不會影響塑件取出。同時4支方導柱還起到翻模時可作為支撐腳用,方便FIT模,如圖13所示。

導柱的長度必須做到:無滑塊的模具導柱要高出定動模最高點30mm,有滑塊的模具要在斜導柱插入滑塊前20mm插入導套,否則在模具的制造和生產(chǎn)中會帶來很大的麻煩,嚴重時會損壞模具。

圖13 汽車門板下本體模具導向定位系統(tǒng)

2.6 脫模系統(tǒng)設計

本模具為“推桿+推管+斜推塊+推塊+油缸推出”結構,模具在定.動模開模后,依靠推件推出塑件與流道,推件固定板由注塑機通過油缸推動和在4支復位桿的作用下復位。在設計脫模系統(tǒng)時要注意以下幾點:

1)大型模具(長寬方向超過1400mmX700mm)需設計6支復位桿與6支推桿板導柱,所有汽車模具復位桿上要設計一比復位桿大一級的回復塊,回復塊一般選45#(S50C)氮化處理。推桿板導柱要布置在推出力大的推出元件附近(如油缸.復位桿等)。

2)所有汽車模具需要設計限位柱,限位柱要優(yōu)先布置在KO孔上方或附近。推桿要排布在靠近R處的受力位置,布置在包緊力大的位置,推桿設計要大,推桿布置要多些,設計推桿盡量設計成同一規(guī)格,不要設計很多種規(guī)格,這樣可以避免頻繁更換鉆嘴,節(jié)省加工時間與加工成本。本模具由于為了網(wǎng)孔的順利脫模,采用了兩組頂針板,采用了二次頂出結構,兩組頂針板采用扣基控制。本模具分兩次頂出,第一次頂出25mm,第二次頂出200mm。

3. 模具工作過程

熔體通過注塑機噴嘴,經(jīng)熱嘴30進入模具型腔,熔體充滿型腔后,經(jīng)保壓、冷卻和固化,至足夠剛性后,注塑機拉動模具的動模固定板18,模具從分型面PLⅠ處開模。開模500mm后,注塑機油缸推動推件固定板19,推件固定板推動頂桿23,第一次推出25mm,在定距分型器45.46.47的作用下,第一次推出完成。接著油缸繼續(xù)作用,繼續(xù)推出200mm,推動所有推件將成型塑件推離動模。塑件取出后,注塑機油缸拉動推件及其固定板復位,接著注塑機推動動模合模,模具開始下一次注射成型。

4. 模具強度與分型面管位設計

在模具設計中,根據(jù)一個塑件的尺寸大小與結構來設計模具,首先讓設計者迷惑的是模具強度是否足夠?分型面管位的大小.位置.強度是否合理?又該如何來解決這些問題?在進行模具設計時首先要考慮的是模具強度與模具成本問題。一個有豐富經(jīng)驗的設計師與一般的設計師所設計的模具在模具成本上要節(jié)省很多。

合理的模具設計是:模具強度既合理又不亂費,就地取材,模具強度與成本兼顧,選取最優(yōu)的設計方案與加工工藝。對于模具強度太強顯得亂費,太弱則影響模具使用壽命。本模具分型面管位設計在定動模,定動模四面圍邊四周做5度斜度,四周做耐磨塊,此種四面圍邊的設計方法在汽車門板與擋泥板等模具上應用廣泛。

圖14所示A.B兩尺寸的計算方法是:首先從塑件最大邊緣加50mm封膠位(在汽車模具設計中,小型模具(5050以內(nèi))30mm封膠,中型模具(5050-1010)40mm封膠,大型模具(1010以上)50mm封膠。),再加50-70mm避空位(在汽車模具設計中,只有封膠位配合,其余全部避空,減少FIT模工作量。避空位也是保證模具強度的區(qū)域。),然后再加上模胚處分型面承壓板的尺寸就是A.B的尺寸,這樣就設計出既符合客戶模具強度要求又節(jié)省成本的模具。C處尺寸不同塑件數(shù)值會不一樣,最少C處尺寸定模要保證塑件最高膠位面有80mm以上距離,動模由于承受注塑壓力大,需相應加厚,最低設計100mm以上。用來保證模具強度?？傊? 在日常設計中依據(jù)不同的客戶與工廠靈活運用,設計出既符合客戶需求又節(jié)省成本的模具。

圖14汽車門板下本體模具強度參考

5. 模具排氣系統(tǒng)設計

在汽車模具設計中,排氣系統(tǒng)的設計相當重要。如果排氣設計不合理,會嚴重影響塑件的品質。會出現(xiàn)填充不滿.困氣.脫模不順等注塑缺陷,嚴重困氣時會燒焦產(chǎn)品。汽車門板屬于內(nèi)飾件,塑件外觀要求嚴格,合理設計排氣至為重要,在設計模具排氣系統(tǒng)時要注意以下幾點:

1)排氣要優(yōu)先開設在料流末端與塑件轉角位置。

2)靠近鑲件或壁厚最薄處,因為這里最容易形成熔接線。

3)最好開設在分型面上,因為分型面上產(chǎn)生溢料最容易清除。本模具排氣開設在定模,見圖15所示。

圖15汽車門板下本體定模排氣系統(tǒng)設計

6. 結果與討論

本模具采用推桿+推管+斜推塊+推塊+油缸推出的脫模系統(tǒng)以及“直通式水管+傾斜式水管+水井”的溫度控制系統(tǒng)和二次頂出系統(tǒng)。

對于大型汽車模具冷卻系統(tǒng)設計要遵循以下幾點:1.三米原則,汽車大型模具的直通式冷卻管一般設計在￠15,門板定動模冷卻水如果設計成隨形(隨塑件形狀),要設計成兩端鉆孔,冷卻水路總長度不能超過3米,因為超過3米,深孔鉆將無法加工,鉆嘴長度不夠。2.手掌效應。設計大型汽車塑料件模具水路設計,布置水路向一個方向流動,間隔排布有如手掌,水道之間距離控制在50-60mm之間。3.水路流程不能太長,避免模具開模了冷卻水還沒走出來。

在汽車模具溫度控制系統(tǒng)設計中,主要有以下兩種組合形式:

1)第一種組合形式:直通式水管+傾斜式水管+水井;

2)第二種組合形式:直通式水管+水井+傾斜式水管。

此兩種形式的區(qū)別在于:在傾斜式水管和水井之間,前者是優(yōu)先采用傾斜式水管,而后者是優(yōu)先采用水井。此兩種組合側重點不同,因而效果也不同。

第一種形式的優(yōu)點是型腔各處冷卻均勻,成形周期短,塑件質量高,適用于高要求與外觀性能要求高的模具,如汽車前、后保險杠,汽車上、下儀表板本體和汽車左、右門板等內(nèi)外飾注塑模具。缺點是加工成本高,主要適用于歐美系客戶的模具。

第二種形式的優(yōu)點是加工成本較低,加工方便快捷。缺點是在模具上過多的設計水井對模具強度造成了一定的影響,型腔冷卻效果相對于第一種要差些,在日系與中國本國生產(chǎn)的汽車模具中應用較多。

對于汽車塑件,自然隨形設計的冷卻水道對塑件的冷卻,模具的壽命都有好處,要求嚴格的歐美模具甚至不允許或盡量少采用冷卻水井和密封圈等。因為水井直徑較大,數(shù)量太多會影響模具強度,進而減短模具壽命。密封圈容易老化失效,因而在設計上必須盡量減少使用。

下面重點討論一下本模具的二次頂出系統(tǒng)以及佛吉亞模具的設計特點。

本模具網(wǎng)孔采用鑲件成型,是為了讓網(wǎng)孔排氣順利,網(wǎng)孔采用鑲件內(nèi)套鑲件的鑲拼方式。一般網(wǎng)孔周圍需要設計推塊頂出,用來頂出喇叭孔的筋骨。本模具采用二次頂出機構,將網(wǎng)孔鑲件安裝在推桿上,這樣設計既解決了網(wǎng)孔排氣困難的問題,又解決了網(wǎng)孔頂出困難的風險。網(wǎng)孔鑲件材料要求嚴格,一般為S136或者透氣鋼。透氣鋼有很好的透氣性能,但材料價格昂貴,只有高附加值的模具才采用。喇叭網(wǎng)孔需要有很好的排氣,因而使用其它材料做網(wǎng)孔鑲件,必須在網(wǎng)孔鑲件內(nèi)設計鑲件或者鑲針排氣。在考慮排氣的同時,也要兼顧喇叭網(wǎng)孔的頂出,為此本模具設計了二次頂出機構。

門板模具由于斜推塊眾多,實際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)塑件跟著斜推塊走的現(xiàn)象發(fā)生。造成這種現(xiàn)象的原因有很多,具體設計時應注意以下幾點。

1)檢查塑件扣位沿斜推塊運動方向塑件扣位脫模斜度是否足夠?在不影響塑件裝配的前提下,扣位脫模斜度應盡量加大,一般方孔與膠位做到7度以上拔模。

2)在有粘斜推塊風險的塑件區(qū)域,預先設計定位柱,如在斜推塊附近區(qū)域設計塑料定位柱。

3)在粘斜推塊附近區(qū)域設計一推塊,也可以避免粘斜推塊的現(xiàn)象發(fā)生。

佛吉亞是全球頂尖的汽車零部件供應商,總部位于法國。與美國江森,偉世通,麥格納,德國博世,日本電裝同為世界500強企業(yè)。佛吉亞的模具遍布全球,在汽車模具設計中會經(jīng)常遇到。佛吉亞的模具本身有很多特點,本文對本模具中一些佛吉亞的做法進行簡要介紹。如圖3、圖4所示,佛吉亞模具需要在上下碼模板四個角落倒斜角,在地側上下碼模板上鑲8塊尼龍材料的鑲塊,這樣設計的目的是為了保護注塑機格林柱在模具起吊到注塑機上不被模具撞到。

格林柱的保護:如果碼模時,模具與格林柱有干涉風險,在不影響碼模的情況下,模具四個角可以切掉一部分,如果模具外圍與格林柱的間距最小為50mm,保護板的位置和數(shù)量按以下原則設計,如圖16所示。