汽车前门护板大尺寸薄壁件热流道全3D注塑模设计

Design of a Full 3D Hot Runner Injection Mold for Large-sized Thin-walled Parts of Front Door Panel of Automobiles

摘要

根据汽车门板的结构特点设计一副大型薄壁顺序阀控制的热流道注塑模具。模具采用热流道浇注系统，热射嘴通过5个顺序阀控制进料时间，解决了大型薄壁塑件熔体的填充问题。采用加长套挂槽式司筒结构配合顶针，解决了塑件顶出问题。采用侧位滑块与锥形斜顶对接配合方式，成功解决了塑件局部侧板存在的微倒扣抽芯难题。通过采用“直通式管道+隔片式冷却水井”的结构形式构建了近似“随形水路”的模具冷却系统，模具冷却均衡充分。经生产实际验证，模具结构合理，动作顺畅，成型塑件的精度及合格率均达到客户要求。

Abstract

Based on the structural characteristics of the automotive door panel, a large-scale thin-wall sequential valve-controlled hot runner injection mold was designed. The mold employed a hot runner gating system, in which the hot nozzles controlled the filling timing through five sequential valves, thereby resolving the melt filling issue for large thin-wall plastic parts. An extended sleeve with a hanging groove ejector sleeve structure, combined with ejector pins, was adopted to address the part ejection problem. A lateral slider and conical angle lifter in an interfacing configuration were utilized to successfully solve the micro-undercut core pulling challenge present in the local side panel of the plastic part. By adopting a "straight-through cooling channel+baffle-type cooling well" structural form, a mold cooling system approximating a "conformal cooling channel" was constructed, ensuring balanced and sufficient mold cooling. Production practice verified that the mold structure was rational, its movements were smooth, and the dimensional accuracy and qualification rate of the molded parts both met the customer's requirements.

Graphical abstract

关键词

汽车门板 / 顺序阀热流道 / 大型注塑模具 / 侧向抽芯机构 / 模具设计

Key words

Automotive door panels / Sequential valve hot runner / Large injection molds / Lateral core pulling mechanism / Mold design

汽车门板塑件作为汽车内部的重要结构件和装饰件，其质量、性能和外观直接影响整车的品质与用户体验。该类塑件尺寸大，结构复杂，其注塑模具属于典型的大型精密复杂长寿命模具，设计难度大，开发周期长。随着汽车产业的快速发展以及消费者对汽车品质要求的日益提升，汽车门板注塑模具的性能与精度面临更高的技术挑战。当前，相关研究不断深化，涌现出诸多新颖实用的模具设计方案。总体而言，汽车门板注塑模具设计聚焦大型、薄壁和精密化需求，进胶方案多采用“热流道+顺序阀”多点进胶，结合滑块/斜顶复合侧向抽芯机构，以解决多倒扣特征，同时借助网格状3D水路实现模具均衡冷却。张维合等^[1-3]围绕汽车门板注塑模具开展了一系列研究，具体如下：通过“斜顶+斜顶杆”与“油缸+T形块+滑块”的侧向抽芯结构有效解决了内外倒扣多、脱模困难的问题；针对左前门板尺寸大、壁厚小的特点设计一套大型薄壁顺序阀控制的热流道注塑模具，解决熔体填充难题；采用双推杆和辅助杆斜顶侧向抽芯机构克服抽芯面积大、抽芯力大及倾斜角度大的脱模难题。赵利平等^[4]将异型斜顶抽芯机构与直顶顶出机构配合，解决了常规斜顶因设计空间不足而难以完成侧抽芯的问题。闫丽静等^[5]采用双斜推杆和导向杆斜顶内侧向抽芯机构，有效避免大型注塑模具中斜推杆弯曲和断裂的问题。白松^[6]采用斜导柱+整体式T形滑块机构与斜顶杆交叉辅助机构，实现了倒扣及内部异形孔的抽芯脱模，通过优化组合设计，从整体上简化了模具结构，降低了制造成本。周纪委等^[7]、蔡厚道等^[8]、陈兵等^[9]在浇注系统设计后，通过计算机辅助工程(CAE)模流分析验证浇注系统的合理性，对成型过程中可能出现的问题进行预测，据此对分型面、型芯、型腔板及推出机构进行优化。随着产品功能的不断迭代，汽车门板结构也在持续变化，既有文献中的模具方案难以直接应对新的抽芯难题。

本文针对一款新式汽车门板塑件，详细阐述了其注塑模具的设计要点与工程实践经验。

1 塑件结构分析

图1为汽车前门护板的三维模型。塑件的最大外形尺寸约为852 mm×649 mm×104 mm。从图1a可以看出，塑件具有众多复杂特征结构且呈板状覆盖件形状，具有大量的破孔特征。从图1b可以看出，塑件一侧有很多插穿孔，外观面的一角部位有异形深腔凹陷，其底部存在大量加强筋特征，有9处BOSS柱结构，塑件内表面共有3处倒扣特征。其中，L1与L2处倒扣特征比较明显，必须设计侧抽芯机构进行脱模；L3处倒扣位于塑件的一角，目测不易发现其扣位特征，但经拔模检测后发现L3处有两个面形成倒扣，因此这个地方也要考虑抽芯机构。内表面存在的大量加强筋及BOSS柱结构特征将增加塑件的脱模难度，需要设计对应的模具结构予以解决。成型塑件外观面不允许有飞边、收缩凹痕、熔接痕等缺陷，也不允许出现黑斑和点浇口痕迹。

2 模具结构设计

2.1 浇注系统设计

汽车门板属于大型、复杂且薄壁的平板类塑料制品，具有多种复杂的几何形状和结构，如喇叭网孔、倒扣等。这些特征结构容易导致塑胶熔体在填充过程中遭遇流动阻力大、填充困难等问题^[10-12]。汽车门板属于汽车内饰件中的重要外观件，其表面质量要求较高，通常要求无熔接线、无浇口印、无收缩凹陷等缺陷。直接采用传统的冷流道进胶不但会导致熔体在填充型腔时产生熔接痕，影响门板的外观质量，而且流道内熔体冷却凝固会延长注塑成型周期。对于汽车门板这种大型注塑件，冷却时间的延长会显著降低生产效率。为了解决均衡进料难题，本模具的浇注系统设计采用热射嘴进胶方案。图2为模具浇注系统。G1~G5分别表示热射嘴的位置，在充分考虑充模流动的情况下，较为均匀地分布于塑胶四周。通过顺序阀对5个热射嘴的射胶时间和顺序进行精确控制，该顺序阀由油缸驱动，其开闭顺序及时间则由模具智能化系统控制，以实现最优的成型质量。

2.2 成型零件设计

在注塑模具中，成型零件是指与塑料熔体直接接触，并决定塑件最终形状尺寸和表面质量的模具零件，主要包括动模、定模及其镶件等。其中，动模和定模是最主要的成型零件，它们直接与产品的内外表面胶位相接触，决定产品的基本形状。在当前技术条件下，模具的成型零件是通过三维软件经分模设计之后得到的，在根据产品形状分模设计时，分型面的构建是一个关键的技术环节，需要综合考虑塑件质量、加工难易及制造成本^[13-18]。图3和图4分别为定模和动模结构。汽车门板塑件尺寸较大，为了有效保证模具强度及精度，工程中常常采用单腔模整体式结构，即直接在定模板(图3)、动模板(图4)上加工出模具成型面。同时，根据塑件是否方便脱模及加工是否方便，会在定模或动模中另外拆分出镶件结构。在汽车门板模具中，为增强模具的刚性和稳定性，确保注塑过程中模具能够承受高压，保证成型精度和产品质量，设计全周虎口结构(图3a和图4d)，可有效分散注塑时产生的压力，从而减少模具变形的风险。模具的定模板用来成型汽车门板的外观面，为方便加工及模腔内部排气的需要，在其上又分别拆出镶件结构。定模镶件的固定主要分为两类，对于尺寸较小的镶件(图3b)，其固定方式是螺钉从胶位面侧进入与定模本体锁紧；对于尺寸较大的镶件(图3c)，类三角形镶件用来成型塑件上局部特征的加强筋，在大镶件的内部又设计有嵌套镶件，嵌套镶件及大镶件均采用盲镶结构，各自用螺丝从其底面进行固定。

汽车门板的内表面采用动模板来成型。从图4可以看出，模具外侧分型面相衔接处采用顺滑无尖角结构，可有效保证计算机数字控制(CNC)的加工精度以及分型面不会出现飞边等注塑缺陷，外侧分型面的周围裙边也进行全周虎口设计，插穿处的配合面斜度为5°，尽量减少与定模板相扣合时的摩擦及损伤。动模成型面存在包括窄槽、BOSS柱等在内的众多结构特征，不但会影响模具型腔的排气，更不容易加工，因此也多采用镶件结构，以方便加工和拆卸装配。如图4a所示，这类镶件采用螺丝从胶位面拧入固定。如图4b和图4c所示，螺丝杯头底部则使用堵头敲入并进行抛光成型。

2.3 顶出系统设计

汽车门板注塑模顶出系统可采用包括斜顶、直顶、司筒、气辅等在内的多种机构联合顶出。在具体设计时，大斜顶要注意避开外观面与卡扣，顶针应重点布置在加强筋区域及不易脱模部位，特别注意要均匀布置，使产品能够受力平衡^[19-22]。图5为顶出系统结构。由于汽车门板面积较大，如果顶出受力不均，将会严重影响塑件的顶出安全及产品质量，为此该模具的顶出系统采用“司筒+顶针”综合脱模结构。在门板塑件的周边及内部筋、螺丝柱位等不易脱模特征之处，均设计圆顶针，顶针的规格根据顶出处的局部面积灵活选取，如图5a所示。其中，直径为6 mm顶针12根，直径为12 mm顶针11根，直径16 mm顶针14根。BOSS柱是塑胶产品中常见的结构，主要用于固定导向，提供螺丝或其他紧固件的安装位置，增强塑件的强度和刚度，改善连接性能。在此汽车门板塑件中，共计有9处BOSS柱特征结构，如图1所示。其中，内孔径约4 mm，内孔深度最小约15 mm，最大约27 mm，所有BOSS柱根部均设计火山口结构。为了顺利脱出BOSS柱内部塑胶，采用司筒顶出结构，如图5b~图5d所示，全模具共使用9根直径6 mm的司筒参与顶出动作。由于所采用的司筒平均长度约为624 mm，司筒壁薄且长，加工困难，强度太差，极易导致断裂。为了解决这一难题，该模具采用加长套保护装置，如图5d所示，在加长套的前端开槽，将司筒配入，加长套安装在顶出板上，加长套内部开孔，司针可通过加长套运动，这样既保证了司筒的正常顶出，又增强了其强度，可避免断裂事故的发生。BOSS柱根部火山口结构会导致加工不便且易困气，本模具特别采用镶件结构，如图5b所示，以解决这个加工难题。

2.4 侧抽芯机构设计

图6为模具侧抽芯机构。经过拔模分析，汽车门板塑件内表面存在两处非常明显的倒扣特征。如图6a中L1、L2所示，L1扣位属于通孔结构，尺寸约为31 mm×40 mm×34 mm；L2扣位属于盲孔结构，尺寸约为40 mm×29 mm×20 mm。这两处大尺寸的扣位特征若采用普通的整体式斜顶结构，不但会导致加工成本增加，还会在本已狭窄的模具内部产生干涉，本模具巧妙地使用镶拼式斜顶结构来解决这类大尺寸扣位导致的侧抽芯问题。从图6c和图6d可以看出，斜顶头部设计成可拆卸的镶件，镶件在包住扣位胶位的前提下，前端胶位面与斜顶块本体连为一体且有高度差(约35 mm)，这种结构设计充分保障斜顶块的强度。斜顶头的整体结构采用类冬菇头的倒锥形，锥度取3°。同时，斜顶块非胶位面棱边进行了倒圆处理，此种结构设计不但起到良好的封胶作用，还使拆卸换装十分方便。斜顶头通过螺钉与斜顶杆固定在一起，螺钉从斜顶头部胶位面拧入，通过铜堵对螺丝安装孔完成封胶，为保证装配方便，斜顶杆的头部已进行防转处理。在产品的一角存在侧凹深度较小(约1.5 mm)且整体呈曲面的倒扣特征，如图6e所示，如果这个地方扣位处理不好，将影响产品的质量。本模具创新地使用了滑块与斜顶相配合的形式来完成此处扣位的成型与脱模。当模具顶出时，3个斜顶座将带动各自的斜顶杆在其对应的导向套内，沿着3个不同的扣位方向完成侧抽芯动作。与此同时，滑块将在斜导柱作用下，沿着压板滑槽方向完成侧抽芯动作。

2.5 冷却系统设计

汽车模具对冷却系统的要求在于实现高效、均匀且可控的热交换，以缩短成型周期，抑制翘曲与缩痕，确保尺寸精度与表面质量。冷却系统需要在型腔-型芯间建立热平衡，避免局部温差引发的残余应力。冷却通道的设计应尽可能贴合模具复杂曲面，冷却水道之间的间距必须经过合理规划，冷却水道与型腔表面的距离应大致保持一致，以确保冷却效果的均匀性与高效性^[8，23-24]。图7为冷却系统设计。从图7可以看出，为保证冷却效果，模具的动、定模均设计有冷却水路，冷却水流动方向与料流方向大致相同，进出水路长度大致相等。冷却管道的基本直径取16 mm，个别狭窄部位管道直径取8 mm，动、定模内管道之间的间距保证在40~50 mm之间，冷却管道距模具型面在20~25 mm之间，冷却管道与顶针孔保持至少6 mm的距离。其中定模设计9组水路(图7a)，动模设计10组水路(图7b)。这些冷却管道沿着模具型面呈等距离布置，在动、定模内纵横交错，在每条直管道上设计隔片式冷却水井，水井直径取24 mm，实现高度方向上的冷却。从整体来看，形成了“随形水路”结构，达到了较好的冷却效果，大大提高了塑件的成型质量和生产效率。

3 模具工作过程

图8为模具整体结构。塑胶熔体自注塑机喷嘴射出后，依次经过一级热射嘴、热流道板、二级热射嘴进入模具型腔。此后，注塑过程分为3个阶段：充模、保压补料、防止倒流。在模具内部构建的冷却管网作用下，塑胶熔体得到充分冷却并逐渐固化，等到成型塑件固化至足够刚性后，在注塑机驱动下，模具的动、定模从I处分开。在开模过程结束之后，注塑机的油缸推动推件固定板，推件固定板的运动将带动其上的顶针、司筒及斜顶一起完成塑件的脱模过程。塑件由机械手取出后，注塑机驱动模具闭合，重新开始下一次注塑成型。

4 结论

模具采用“顶针+斜顶+滑块+司筒”的复合式脱模机构，确保成型塑件安全无损坏地脱模，保证产品的质量。模具采用“直通式水路+隔片式水井”的组合形式，在模具内部构建近乎随形水路温度控制系统，保证模具冷却均衡充分，成型塑件尺寸精度达到MT3。模具结构简单实用，投产后成型过程中模具运行安全平稳，实现全自动化生产，塑件各项指标均达到设计要求。

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基金资助

浙江省高校实验室工作研究项目(YB202661)