汽车发动机气门室盖的复杂注塑模具设计

Design of Complex Injection Mold for Valve Cover of Automotive Engine

摘要

选用玻璃纤维（GF）增强聚酰胺专用塑料对汽车发动机气门室盖进行注塑成型，添加GF的质量分数为33%。根据某汽车发动机气门室盖的特殊的装配结构，设计一副一模一腔复杂结构的热流道模具。在定模侧创新设计多种脱模机构，包括双联动转轴抽芯结构通过一个油缸的运动实现两个不同方向的脱模，通过设计六瓣内缩机构完成定模侧螺纹特征的成型与脱模。在动模侧设计一套三重叠滑块的三次脱模结构，在其中一个滑块内部设计一种内缩芯结构，解决产品侧向内螺纹孔径为15 mm的脱模问题。动模底部设计1个联动式油缸驱动T形槽滑块斜抽芯机构，将斜向抽芯转化为水平运动方向的抽芯，降低斜抽芯机构零件对模具厚度方向尺寸的要求。冷却系统方面设计“直通式+隔水片+喷泉管式”的随形循环水路，产品采用“直顶+斜顶”的组合推出机构，然后利用机械手将产品取出。实践生产表明，该模具整体结构设计与机构匹配合理，结构上有较好的参考意义。

Abstract

Glass fiber (GF) reinforced polyamide specialty plastic with a GF mass fraction of 33% was selected for the injection molding of a valve cover of automotive engine. Based on the special assembly structure of a valve cover of a certain automotive engine, a complex hot-runner mold with one-cavity-one-mold configuration was designed. Multiple innovative demolding mechanisms were devised on the stationary mold side, including a dual-linkage rotating shaft core-pulling structure that achieved demolding in two different directions through the motion of a single hydraulic cylinder, and a six-segment internal shrinking mechanism designed to complete the molding and demolding of threaded features on the stationary mold side. On the movable mold side, a triple overlapping slider structure with three-stage demolding was designed, with an internal shrinking core structure incorporated within one of the sliders to address the demolding issue for a product-side internal threaded hole with a diameter of 15 mm. At the bottom of the movable mold, a linkage hydraulic cylinder-driven T-slot slider inclined core-pulling mechanism was designed to convert inclined core-pulling into horizontal motion, reducing the dimensional requirements for inclined core-pulling mechanism components in the mold thickness direction. For the cooling system, a conformal circulating waterway combining "straight-through, baffle, and bubbler" configurations was designed. The product utilized a combined ejection mechanism of "straight ejector pins and angled ejector pins", followed by robotic part removal. Production practice demonstrated that the overall structural design and mechanism matching of this mold were rational, providing significant reference value for similar structural designs.

Graphical abstract

关键词

汽车发动机气门室盖 / 聚酰胺 / 双联动转轴抽芯结构 / 三重叠滑块 / 内缩芯结构

Key words

Valve cover of automotive engine / Polyamide / Dual linkage shaft core pulling structure / Three-overlapping sliders / Internal shrinkage core structure

汽车工业作为现代工业体系的重要支柱，其核心部件发动机的性能、可靠性及轻量化水平直接决定整车品质与市场竞争力。气门室盖是发动机顶部的关键密封件与功能部件，不仅承担封闭配气机构、防止机油飞溅及外部污染物侵入的核心密封任务，还常集成机油加注口、油气分离通道、传感器安装座、线束固定点等多种功能结构，其性能直接影响发动机的密封性、可靠性、噪声、振动与声振粗糙度(NVH)表现及整机外观品质^[1-3]。针对气门室盖这类结构复杂、精度要求高、多嵌件集成的塑料件，其模具设计绝非简单的型腔复制，而是一项融合材料科学、高分子流变学、热力学、计算机辅助工程(CAE)等多学科知识的复杂系统工程^[4-6]。模具结构合理性、浇注系统优化、冷却系统效率、顶出系统可靠性、排气设计充分性及针对复杂结构和嵌件的特殊处理方案，均是确保最终产品满足严苛技术要求的关键因素。

1 塑件结构分析

图1为汽车气门室盖的结构。塑件材料为聚酰胺66(PA66)，添加33%玻璃纤维(GF)进行增强，收缩率为0.35%。产品的整体尺寸为333 mm×226 mm×90 mm，平均壁厚为2 mm，产品体积约为454 cm³。塑件精度高，要求达到MT3级(GB/T 14486—2008)。该塑件的正反面结构特征上均较为复杂，产品正面T1位置上的结构筋或卡扣特征上有多处的通孔结构；T2位置为内径M32的粗牙螺纹特征，螺距为3.5 mm；T3处为产品侧面加强筋的侧孔特征，T4处的侧孔内部有深度为12 mm，内径为M16细牙螺纹特征；T5处为内径9 mm、外径15 mm、长35 mm的侧管结构；T6处为气门室盖内部的机油回流通道，直径为14 mm的斜孔特征。在产品T7、T8处的10个通孔位置均设有金属嵌件，在气门室盖与发动机缸体通过螺栓连接时起到加强的作用，防止塑件变形，同时该产品的密封面精度要求较高，这些特殊的几何特征不仅显著增加产品成型过程中材料流动控制的技术复杂性，还对模具的设计与制造提出多维度的挑战^[7-9]。

2 模具结构设计

2.1 浇注系统的设计

该汽车发动机气门室盖属于中型零件，产品批量大，成型品质和尺寸精度要求高，由于产品型腔侧的结构较为复杂，无法从产品的中心位置直接进胶。图2为塑件浇注系统的结构。从图2可以看出，模具的浇注系统采用热流道转冷流道的浇注系统，由“热流道板+热流道+冷流道”组成，最后通过两个扇形冷浇口从产品的侧面进胶^[10-11]。

2.2 定模脱模机构的设计

由图1中的产品结构分析可知，在产品的T1及T3特征处需要设计相应的脱模结构，保证产品顺利脱模，在定模侧设计“斜顶杆+滑座”的机构。图3为定模斜顶机构。将顶出油缸固定在定模的A板上，油缸杆与顶出板通过螺钉固定连接，油缸杆的工作行程为55 mm，由于产品所需的抽芯距离(s)较小，斜顶杆的倾斜角度设计为5°，可得出s=55×tan 5°=4.8 mm，满足要求。

图4为双联动转轴抽芯结构。在T1特征两处侧孔位置的产品表面上有较多的加强筋结构，没有足够的空间距离来采用斜顶的结构脱模，创新设计如图4a所示的脱模结构。由于两个侧孔的脱模方向不一致，常规设计会采用两个油缸的结构，这样设计会增加模具的成本。这里设计一种双联动的转轴抽芯结构，在与油缸相连的滑块内部设计一个万向滑座^[12-14]，只通过一个液压油缸的运动实现两个方向的脱模，油缸的运动方向沿着其中的第一型芯的抽芯方向运动，另外第二型芯通过螺钉固定在滑座上，滑座的导轨与滑块的运动方向成5°的夹角，油缸的抽芯距离为30 mm。因此，第二型芯的运动原理如图4b所示，4 mm满足脱模的要求。

图1中的T2特征为螺牙结构，常规的脱模机构一般采用“马达+齿轮”或者“齿轮+齿条”的结构，不管采用哪种机构都会增加模具的体积及复杂程度。本文设计一种六瓣内缩机构^[15-17]，借助定模顶针板的运动，实现螺纹处型芯的内缩运动。图5为六瓣内缩机构。从图5可以看出，六瓣内缩机构由多个零件组成，主要包括中间一根六边形的主芯轴与热流道板固定连接，推块与定模的顶针板相固定，每个边均设有燕尾槽结构与6个斜滑块(S1~S6)构成滑动副的连接。其中，滑块S1、S3、S5的倾斜角为2.5°，滑块S2、S4、S6的倾斜角为5°。因此，当推块推动滑块运动时，滑块S2、S4、S6的内缩距离为滑块S1、S3、S5的两倍。

2.3 动模脱模机构的设计

在图1中产品的T4处细螺纹特征及T5处的侧管特征，无法采用一个滑块直接成型脱模，在T4处设计一套三重叠滑块的三次脱模结构，在T5处设计一套双重叠滑块的二次脱模结构，它们使用同一个油缸抽芯的大滑块。图6为滑块套滑块的脱模结构。从图6可以看出，首先在T4处设计一款内缩脱螺纹的机构，通过斜导柱2驱动与小滑块2固定连接的芯轴，实现螺纹处的内缩滑块抽芯，当小滑块2碰到挡块1后，在斜导柱2的继续驱动下小滑块3也实现抽芯运动，直到小滑块3碰到挡块2。此时，斜导柱2也脱离滑块，为防止内缩机构在工作过程中因温度升高而卡死，在芯轴的内部必须设计喷泉管水路对其进行冷却。图7为多重滑块的内部结构。从图7可以看出，T5处的侧管特征通过侧管型芯来成型，开模时，斜导柱1带动与小滑块1相连的侧管型芯完成脱模，最后油缸驱动整个大滑块完成整套系统的脱模^[18-20]。

在图1中的产品背面T6处的斜通孔特征中，设计复合联动式脱模结构，如图8所示。从图8可以看出，该机构通过液压抽芯油缸驱动滑块，滑块内部设有与水平方向成30°的T形槽，成型杆底部的滑座可沿T形槽滑动，使成型杆沿着斜孔的抽芯方向运动，其运动原理如图8b所示。AC段为油缸的运动距离89 mm，AB段为成型杆的抽芯距离45 mm，通过该机构将成型杆的斜抽芯运动转化为油缸的水平方向运动，降低斜抽芯机构零件对模具厚度方向尺寸的要求，从而降低模具的制造成本。

2.4 动模顶出机构的设计

注塑模具的顶出机构主要由直顶系统与斜顶系统组成，其中斜顶系统一般分为分体式和整体式两类，分体式斜顶由斜顶块、斜顶杆、导向套、万向滑座等元件组成。图9为顶出系统的设计。从图9可以看出，由斜顶与直顶针一起组成，其中1根方斜顶杆由铜块导向，可以提高方斜顶杆运动时的稳定性，方斜顶杆的工作角度为8°。该产品反面设计有多处的加强筋机构，产品成型时会在型芯侧产生较大的包紧力。因此，在产品的背面均匀布置10根直径为8 mm、13根直径为6 mm、3根直径为10 mm的直顶针，在产品顶出时受力更加均匀，防止被顶变形^[21-22]。

2.5 模具冷却系统的设计

汽车发动机气门室盖形状复杂，模具结构也较为复杂，各种抽芯机构也较多，为防止模具过热造成机构运动卡死或者拉伤，模具水路布置必须均衡。图10为模具水路系统的设计。从图10可以看出，在前模的水路设计中，各个滑块与产品均有较大的接触面积，会存在较多的热交换。因此，在每个滑块内部均设计一组直径为8 mm的循环回路；在定模的六瓣内缩机构中设计1组内径为4 mm、外径为6 mm的“喷泉管”水路，加强芯轴的冷却；在前模的型腔侧，设计5组由“直通式+水井式”水路组合而成的随形水路，直通式水路直径为10 mm，水井直径为16 mm。在动模型芯侧，由于设计有多个的圆柱形镶块及多处的顶针布局，为了防止这些零件与水路干涉，在型芯内部设计3组“直通式+水井式”的组合水路，优良的水路设计可以使产品在成型过程中能够收缩更均匀，可以防止产品产生过大的变形，同时降低生产周期提高生产效率^[23-25]。

3 模具的装配图与工作原理

图11为汽车发动机气门室盖的注塑模具结构。从图11可以看出，模具采用单点热流道转冷流道的浇注系统，在开模时，通过同步顶出油缸实现定模侧脱模机构的同步顶出运动，模具尺寸为900 mm×900 mm×920 mm，属于中大型精密注塑模具。模具工作过程为：(1)塑料熔体通过一级热射嘴，经热流道板，进入二级热射嘴9，最后通过分型面上的冷流道进入模具的型腔。(2)待熔体充满型腔，经保压、冷却后，产品完全固化；首先定模侧的抽芯油缸25通过联动的转轴机构完成产品T1处的脱模；然后模具开始缓慢开模，同时顶出油缸29带动定模顶针板13运动，当定模顶针板13的运动距离达到65 mm后，定模侧的所有脱模机构完成抽芯运动，此时顶出油缸29也停止运动。(3)动模完成开模静止不动后，动模上的两个抽芯油缸开始运动，完成产品所需的抽芯动作，然后注塑机顶棍通过螺纹连接柱26推动推件底板18、固定板17，进而推动顶针与推管，将产品从动模仁上推出。(4)待塑件完全脱模后，注塑机顶棍通过螺纹连接柱26复位顶出系统，接着动定模上的抽芯油缸复位，定模上顶出油缸29也复位，最后模具合模进行下一次的注塑成型。

4 结论

模具采用单点热流道转冷流道的系统结构，既降低模具的制造成本，又满足注塑成型的要求，模具采用两点侧浇口进胶，降低注射压力。在模具定模侧设计多组脱模机构，通过安装在定模A板两侧的顶出油缸，在开模的同时实现定模脱模机构的同步顶出；在动模侧设计多组液压油缸驱动滑块套滑块的复合抽芯机构，解决产品局部特征脱模困难的问题。在模具的冷却系统中设计纵横交错的随形水路，降低产品的注塑成型周期。模具实际试模后，成型塑件的尺寸精度符合MT3的要求。该模具结构设计可靠，各脱模机构可行。

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