基于Moldflow的汽车前保险杠大型精密注塑模具设计

Design of Large Precision Injection Mold for Automotive Front Bumper Based on Moldflow

摘要

利用Moldflow软件对汽车前保险杠进行模流分析优化，结合模拟分析结果及塑件结构特点，设计8点针阀式浇注系统，实现熔体流动前沿的速度相等，达到平衡充模。为了解决产品正面筋位多导致的开模后塑件被拉伤及粘在定模型腔的难题，创新性地设计了“弯销+活动压块+复位杆”的防塑件粘定模机构；采用“大斜顶+推块+T形块+活动拉杆”机械式抽芯机构成功解决了塑件两端倒扣抽芯空间小、难脱模的问题；采用“弹块+导向杆+氮气弹簧”的抽芯机构解决了塑件定模倒扣脱模问题；通过设计“齿轮+平衡块”机构解决了大型模具装在注射机后不平衡的调整难题；采用组合式的冷却水路结构，模温均匀；设计组合脱模机构，分两次顶出，效率高，安全可靠。经生产验证，模具运行平稳，塑件尺寸能够达到精度要求。

关键词

汽车前保险杠 / 防粘定模机构 / 斜顶内置推块 / 顺序阀热流道 / 模流分析

Key words

Automotive front bumper / Anti stick fixed mold mechanism / Inclined top with built-in push block / Hot runner of sequence valve / Mold flow analysis

Moldflow软件能够从多个模具设计方案中选取最佳方案，并且能够准确预判注塑生产中可能产生的一些问题，进而优化产品结构，缩短成型周期，降低注塑生产成本，是大型注塑模具设计中必不可少的分析工具。

孙庆东等^[1]采用Moldflow软件对汽车窗装饰板的4种浇口方案进行仿真分析，结合析因设计、响应曲面设计和多响应优化等手段，最后得出最佳注塑成型工艺参数。刘祥建等^[2]采用Moldflow软件确定按钮开关帽模具的浇口位置和冷却系统，并分析熔体在型腔内的充填情况，加快模具设计过程。范玉等^[3]采用注塑仿真软件对电池正极支架的冷却、翘曲进行仿真分析，确定熔体在塑件上的进胶位置，且效果较好。罗彦英等^[4]采用模流软件对汽车用升降器薄壁开关面板进行DOE分析，得到最佳成型工艺参数组合，使设计的模具更加紧凑。吴俊超等^[5]研究发现，采用Moldflow DOE功能与响应面法、Minitab相结合能够快速解决复杂条件下工艺参数取值问题，提高了产品合格率。周慧兰等^[6]利用CAE软件对摩托车灯罩进行模流分析，确定了最佳熔体温度和模具温度，优化了相应的工艺参数，提高了模具设计效率。周大路等^[7]、郭旭等^[8]、刘青宜等^[9]、刘海波等^[10]、傅莹龙等^[11]、高莉等^[12]、周俊杰等^[13]、李丽等^[14]、王振刚等^[15]和袁春霞^[16]均在模具设计之前运用Moldflow软件分析了塑件的潜在成型缺陷，从而缩短模具的开发周期。

汽车前保险杠是典型的大型外观塑件，表面光洁度要求高，外形尺寸比较大，结构复杂，成型工艺要求较高。科研人员对保险杠模具设计进行一定的研究。张维和^[17]、褚建忠^[18]、李又兵等^[19]均应用内分型技术和顺序阀浇口控制技术设计出保险杠模具，试生产效果较好，产品外观质量得到很大改善，各项尺寸符合要求，模具结构安全实用。赵利平等^[20]、曾珠等^[21]、植才华^[22]和温煌英等^[23]均运用CAE技术对保险杠塑件进行仿真分析，最终设计出大型保险杠注塑模具。张栩梓等^[24]、钟厉等^[25]、于保君等^[26]、郑守银等^[27]和谭安平等^[28]均用Moldflow数值软件或与其他方法相结合的方式对车用保险杠进行工艺优化，效果较好。

目前，关于汽车保险杠模具设计的文献总体较少，关于开模后塑件对定模包紧力大的问题的解决和高效设计二次顶出系统等方面的研究较少。因此，本研究以典型的汽车前保险杠为研究对象，设计8点针阀式进胶的大型热流道精密模具。

1 塑件结构和工艺分析

图1为汽车前保险杠结构。汽车前保险杠尺寸为1 754 mm×230 mm×488 mm，主壁厚2.5 mm，局部壁厚1.5 mm，两侧对称且呈拱形结构，属于大型汽车零件。塑件材质为改性聚丙烯(PP+EPDM-T20)，收缩率0.9%。塑件上有连续排列的91个异形加强筋，长度83 mm，最大宽度和高度分别为9 mm和18 mm。这些筋位会对定模型腔产生很大的包紧力，从而使塑件粘在定模侧，如何解决这一问题是本模具设计的难点之一。前保险杠外观面要求很高，不允许有夹口线、缩痕等注塑缺陷，设计时应尽量减少分型线，因此M局部放大区域的倒扣T1~T5及T6~T16倒扣均要合理设计侧抽芯机构，这是本模具设计的另一个难点。塑件整体呈拱形，注塑完成后的冷却至关重要。冷却不均匀会造成注塑件局部热积，导致塑件变形量增加^[29]。

2 基于Moldflow的模流分析

在Moldflow 2018中对前保险杠进行网格划分。模型最大纵横比为15.86，平均2.35，最小1.15，节点数为99 568，三角形网格单元数量为199 398，按照单元类型统计的体积为1 910.86 cm³，共用边数量为299 097，自由边和多重边数量均为0，相互百分比为85.2%，匹配百分比为86.7%。

根据PP+EPDM-T20复合材料特性，在模流软件中设定的参数为模具温度50 ℃、熔体温度230 ℃、顶出温度119 ℃、最大剪切应力0.25 MPa、最大注射压力64 MPa。图2为模流分析结果。图2a中蓝色线条代表开始填充区域，红色线条为填充末端。从图2a可以看出，熔体能平衡充模，无滞留现象，充填时间约为5.8 s。从图2b可以看出，压力分布梯度较为合理，没有明显的压力突变区域，速度/压力控制转换时的压力为52.43 MPa，该压力位于合理区间，有利于填充。从图2c和图2d可以看出，前保险杠中格栅位置存在困气及少量熔接线，因孔位料流汇合，熔接线无法避免，可加强排气，淡化熔接线；而塑件中间碰穿位置较多导致困气，可在每一个碰穿位置增加排气孔，将气体引出去；其他局部困气分布在加强筋、卡扣等位置，可有镶件、顶块、分型面等结构排气。从图2e和图2f可以看出，塑件末端到浇口附件依次冻结，保压充分；塑件在保压和冷却结束顶出模具后绝大部分区域体积收缩分布比较均匀。

3 模具主要结构设计

3.1 浇注系统设计

汽车前保险杠属于外观件，其表面光洁度要求较高，不允许外表面有夹口线、浇口印、缩水痕等注塑缺陷^[30]。通过分析塑件结构特点，设计8点针阀式热流道+冷流道组合式的浇注系统。图3为浇注系统。此方式对熔体在型腔内的流动性和充填效果均较好，节约注塑成本，保证塑件外观面不存在浇口痕迹^[31]。表1为各个顺序阀针开启时间。

3.2 防塑件粘定模机构设计

前保险杠外观面有连续排列的91个加强筋特征，既增加塑件强度，又起到装饰作用。但这些特征注塑完成后对型腔包紧力很大，如果强制开模会使动模侧的大直顶上浮，注塑完成后使塑件严重拉伤，这不利于塑件的正常出模，同时也不能满足客户要求。如何使塑件开模后不粘在定模上是设计的难点。

为解决注塑完成后塑件粘定模型腔问题，经过反复论证和试验，设计4组防塑件粘定模机构。图4为防粘定模机构位置分布。图5为防塑件粘定模机构的局部剖视图和立体图。其工作过程如下：弯销通过压板固定在定模A板上，其头部与活动压块上部配合部位均设计成与X方向成65°夹角的斜面，有利于顺利拔出和插入；开模时，活动压块处于被弯销锁紧状态，进而使复位杆不能单独运动，而带动大直顶的推杆与复位杆均固定在一次顶针板上面，所以这些部件会往开模方向整体后移，这样就避免了大直顶单独上浮，从而把塑件留在动模侧。当开模距离达到54 mm时，弯销就会脱离活动压块，在弹簧力的作用下，活动压块在压条的滑槽内开始往X正方向运动，在运动至8 mm时停止，用后端挡块进行限位，此时对复位杆的限制已经解除，为开模到位的顶出塑件做好准备。合模复位时，弯销头部65°斜面与活动压块上部斜面相互作用，迫使活动压块回到原位，重新压紧复位杆，其他各组件也完成复位。

3.3 侧抽芯机构设计

前保险杠下本体呈拱形结构，表面光洁度要求高，倒扣方向不统一，使侧抽芯机构的设计变得复杂，因此在设计时要综合考虑塑件结构、位置布局、是否发生干涉等因素。为使塑件上的侧孔和倒扣能顺利脱模，本模具采用定模弹块抽芯机构、动模滑块抽芯机构、斜顶脱模以及斜顶内置推块机构等组合形式脱模。由于塑件左右对称，只分析一侧对应的抽芯机构。

图1中M局部放大区域的倒扣T1~T5方向各异，出模方向不统一，且距离较近，抽芯空间有限，常规的滑块抽芯和斜顶抽芯不适合用在此处，这是本模具设计的又一难点。经反复论证，决定用斜顶内置推块的结构，即“大斜顶+推块+T形块+活动拉杆”机械式抽芯机构。图6为斜顶内置推块抽芯机构。活动拉杆1固定在推块1上，活动拉杆2和辅助杆固定在推块2上，导向块、T形块1和T形块2均固定在动模B板上。在第一次顶出开始时，两根与水平方向呈74°夹角的斜顶杆带动大斜顶顺着导向块的方向运动，同时内置推块1、推块2在活动拉杆1和活动拉杆2带动下，沿着T形块1、T形块2的轨道上运动。由于推块2尺寸较大，为了工作时稳定、顺畅地运动，设计与活动拉杆2平行的辅助杆。当第一次顶出行程达到82 mm时，推块1脱离倒扣T4、T5，侧抽芯完成；当顶出行程达到102 mm时，推块2脱离倒扣T1~T3，侧抽芯动作完成。

塑件中部区域T6~T11倒扣孔抽芯方向一致，采用“弹块+导向杆+氮气弹簧”的定模抽芯机构，图7a为定模和动模抽芯机构。T形块和限位块用螺钉固定在定模A板，与竖直方向成5°夹角的导向杆和氮气弹簧固定在大弹块上。开模时，大弹块在氮气弹簧驱动下开始沿着T形槽朝导向杆方向运动，当运动至108 mm时，限位块使大弹块停止运动，此时对T6~T11倒扣抽芯完成；合模复位时，由大直顶驱使大弹块回到原位，其他组件相继复位，开启下一个循环。

为简化模具结构，方便钳工配模及维修，T12和T13倒扣特征采用常规的斜导柱侧抽芯机构，滑块抽芯距离为12 mm；为避免模具零件间产生干涉，T14~T16倒扣特征采用斜顶脱模，由于斜顶块尺寸大，采用双斜顶杆来推动；为了使斜顶块稳定、准确地工作，设计T形块辅助运动。图7b为斜导柱和双斜顶机构。

3.4 顶出系统设计

开模后，塑件会包在大直顶上，需要两次顶出才能把塑件取出。设计两板分离机构用来分开一次顶针板和二次顶针板。图8为两板分离机构。插销固定在动模B板上，且头部设计成与水平方向夹角为60°的斜面，拉钩固定在一次顶针板上，限位块和压条固定在二次顶针板上；当插销进入活动挡块时，会驱使活动挡块在压条槽内后移，弹簧被逐渐压缩，当后移16 mm时，活动挡块与插销分离，为第二次顶出做好准备。复位时，处于压缩的弹簧释放弹力推动活动挡块复位，最后限位块进行位置限定。

图9为模具顶出系统。从图9a可以看出，顶出开始时，注射机顶辊驱动一次顶针板和二次顶针板，进而带动固定在这两板上的所有零件往顶出方向运动，当顶出行程达到120 mm时，两板分离机构会迫使一次顶针板和二次顶针板分开，第一次顶出结束，此时塑件仍然包裹在大直顶上。从图9b可以看出，注射机顶辊继续往前顶出，此时只有二次顶针板带着直顶、斜顶、复位杆及氮气弹簧等零件运动，当二次顶出行程达到130 mm时，塑件被顶出，第二次顶出结束。复位时，有6根氮气弹簧提供驱动力，在复位杆的导向下回到原位。

3.5 导向定位系统设计

图10为模具导向定位系统。该模具属于大型精密注塑模具，合模精度直接影响塑件的质量和模具的使用寿命，在工作过程中要设计精准的导向定位系统，故模具采用4组655 mm×160 mm长方形导柱设计，方形导柱安装在动模B板上。为了防止工作过程中长方形导柱卡住，在模具地侧设计有长方形承重块。在模具的四周设计6组1°精定位块。在模具的地侧设计有“齿轮+平衡块”机构，该机构与长方形导柱配合可解决大型模具装在注塑机后不平衡的问题，调整比较方便，效率较高。

3.6 冷却系统设计

汽车前保险杠属于大型塑件，其长度与宽度方向尺寸相差较大，冷却不均容易发生变形。为了保证注塑成型顺利进行，冷却水路要合理、均衡布置。

本模具设计了由直通式水管、倾斜式水管和隔片式水井组成的类似“随形水路”的冷却系统，水流与料流方向基本一致，提高了冷却效率，各个大的斜顶都有独立的冷却水路，各冷却水路的间距在40~55 mm。图11为冷却系统。

另外，动模和定模的冷却水路位置均使用了集水块，它能把各个进出水管接头集合在一起，方便水路的安装与维修。由于设计的冷却系统较合理，注塑成型时模具冷却快速且均匀，成型塑件的尺寸精度符合要求。

4 模具工作过程

图12为前保险杠模具装配图。

该模具采用二板模结构，运用8点顺序阀控制的热流道系统浇注，该模具整体尺寸为2 750 mm×1 300 mm×1 580 mm。整套模具工作过程如下：(1)在注射机压力作用下，熔融塑料流入热流道板，在电磁阀控制下依序打开二级热喷嘴阀针，按照G1→G2→G3/G4/G5/G6→G7/G8的顺序充填型腔。待熔融塑料充填型腔完毕，经过保压、补缩和冷却固化至足够刚性。(2)定模抽芯。在开模力作用下，定模板和动模板缓慢打开，此时定模内弹块在氮气弹簧的驱动下，沿着导向杆的方向逐渐脱离塑件倒扣位置，当开模距离达到108 mm时，弹块完全脱离塑件倒扣，此时弹块不再运动，而开模动作继续。在整个开模过程中，斜导柱抽芯机构完成侧向抽芯。(3)塑件顶出。开模完成后，注射机顶辊开始工作，驱动一次顶针板和二次顶针板共同运动，当顶出达到120 mm时，一次顶出结束，此时塑件包裹在大直顶上，并且两板分离机构开始工作，使一次顶针板继续往外顶塑件，直至130 mm时塑件完全顶出，二次顶出结束。(4)复位。在6根氮气弹簧作用下，一次顶针板和二次顶针板先行复位，随着合模的进行，动模斜导柱抽芯机构、斜顶机构及定模弹块抽芯机构相继复位，开启下一个循环。

5 结论

根据前保险杠结构特点，设计了8点针阀式进胶的大型精密注塑模具。用Moldflow软件进行仿真模拟，对可能出现的注塑缺陷进行详细分析。设计了塑件防粘定模机构，实践证明效果较好。设计了“大斜顶+推块+T形块+活动拉杆”机械式抽芯机构，解决了塑件两端倒扣抽芯空间小、难脱模的问题。采用“弹块+导向杆+氮气弹簧”的抽芯机构完成定模倒扣脱模，使模具整体结构更紧凑。在模具的地侧设计了偏心齿轮机构，能够快速校正模具在注塑机上的垂直度。使用两次顶出机构，使顶出的塑件更平稳。该模具投产后，各机构运行平稳，成型的塑件符合质量要求，可为同类模具的设计提供思路。

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基金资助

浙江省一般科研项目(Y202352555)

台州市科技计划项目(23gyb32)

台州科技职业学院青年专项项目(23QNZ05)

台州市科技计划项目(24gyb30)

台州市科技计划项目(24gyb27)

台州市科技计划项目(24gyb28)