汽车空调出风口注塑模优化设计

毛江峰

(浙江工业职业技术学院，浙江绍兴 312000)

汽车空调出风口塑件是汽车空调系统的一种重要零件，特别是对于仪表台上左右两侧和中间位置布置的4个出风口，其出风效果及可操作性深刻影响到消费者的使用体验感。因而，此种塑件在4个方面应引起塑件设计者重视：第一是安装牢固性，第二是拆卸方便性，第三是风口内置装置的多功能可调性，第四是能为使用者后续提供可改装和加装空间。出风口塑件形状及较多的内外壁附加特征是此种塑件结构设计的一个重要特点，随着塑件结构变得越来越复杂，对注塑工艺中模具结构的设计带来很大的挑战，需要模具设计工程师从浇注、成型件设计、冷却方式、脱模机构及模具整体结构优化方面做更多的综合和优化考虑，以最优化的技术因素将模具投入生产，增加模具制造企业在市场资源竞争中的优势[1–4]。笔者结合某新款汽车仪表台出风口塑件的模具结构优化设计要求，设计了一副假三板注塑模具，能为模具企业设计实践提供有益借鉴。

1 空调出风口塑件

某新款汽车空调出风口塑件的结构形状如图1所示，塑件结构由两部分构成，以DL平面为界，分成两部分，一部分为水平矩形口部分，另一部分为斜喇叭口部分。水平矩形口部分用于与汽车仪表台内空调管道的插接，斜喇叭口部分用于塑件在仪表台上的扣接安装。斜喇叭口外壁上所设置的特征主要用于出风口本身在仪表台上的插接安装，内壁上所设置的特征主要用于调节风叶的安装。塑件材料的选择依据汽车的配置有所不同，高档配置使用聚碳酸酯(PC)/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)合金，中档配置使用ABS，低档配置使用30%滑石粉改性的聚丙烯塑料。针对不同的配置，模具结构使用同种结构。本例中，材料使用高配的PC/ABS合金，材料的收缩率为0.54%～0.59%。塑件的包装尺寸为107 mm×56 mm×129 mm，其整体结构尺寸不大，在注塑模具设计分类中，属于中小型塑件注塑模具[5–8]。

图1 空调出风口塑件

2 模具设计方案

鉴于各壁上所设置的附加特征各不相同的缘故，在模具结构设计时，须首先对各面进行标识区分后，再针对各壁上的特征进行有针对性的机构设计，这样能有效简化模具结构，同时也能化繁就简，降低模具结构设计难度。因而，对塑件的结构构成作以下区分：结合图1，针对塑件的外壁，将塑件外壁划分为顶壁、底壁、前端口、后端口、左侧壁、右侧壁6个分区；内壁则直接划分为水平矩形口内壁和斜喇叭口内壁2个分区。按此划分后，再进行有针对性的成型件设计和脱模机构的设置，这样能非常有效地降低塑件的模具结构设计复杂程度。经综合调整后，此塑件模具结构设计的难度在于塑件外壁各附加特征的脱模和斜喇叭口内壁的脱模。

2.1 模腔布置

结合前述设计难度，较优的模腔布局及分型设置如图2a所示，以塑件水平矩形口部分的平躺布置作为塑件模腔的基准布置，模具按开模方向K打开，这种布置有以下优点：第一，便于采用直接浇口对模腔进行浇注，第二，能有效简化塑件外壁各附加特征和斜喇叭口内壁的脱模机构设计。模腔布置中，若使用水平矩形口部分的站立式布置为塑件模腔的基准布置，则无法开设模腔浇口，内、外壁的脱模机构设计也变得复杂；若使用斜喇叭口部分作平躺布置，要增加脱模机构；若使用斜喇叭口部分作站立式布置，浇口也无法开设，且脱模机构设计难度大。因此，模腔布置的最优方案为采用图2a所示的水平矩形口部分的平躺布置，在此布局布置下，鉴于塑件四周需要进行侧向脱模的缘故，模腔在开模方向K上的分型使用上分型面PS和下分型面PX进行分型。由上分型面PS分型而获得塑件的顶壁成型件，由下分型面PX分型而获得塑件的底壁成型件，如图2b所示。其余部分则须结合塑件分区上特征的具体脱模方向要求再进行局部成型件的分型设置。

图2 模具基本设计方案

2.2 浇注布置

如图2a所示，塑件的浇注拟采用单点直接浇口G进行浇注，这样设置虽有塑件出模后须手工剪切主浇道废料的工序，但能最大限度保证浇注系统流道最短，最大程度保证模腔充填的饱满性，也有利于为提高塑件成型品质而实施的保压工艺。相比于采用多点点浇口浇注方案，直接浇注对模具模架的使用要求低，流道加工量少，模具制造成本更为低廉；相比于使用热流道浇注方案，可以避免使用昂贵的热流道嘴，并且热嘴在生产过程中维护较为复杂，维护成本高，不适用热流道浇注方案的另一个原因是塑件中有一处特征需要进行定模先抽芯，定模板与定模座板需要打开，若采用热流道则会影响热流道嘴工作的稳定性[9–12]。

2.3 冷却布置

由于塑件的形状和结构都相对较为复杂，塑件的各处壁厚很难做到均匀，塑件的最大壁厚3.6 mm，最小壁厚2.2 mm，显然，加强模腔的冷却，使塑件的各部位温度在模腔中冷却时能保持基本一致是保证塑件最终成型后尺寸稳定的关键所在。因而，针对模腔的冷却，如图2c所示，优化为使用W1～W5五条水路进行冷却，各水路的基本管径为Ø10 mm。针对顶壁成型件，塑件顶壁散发的热量相对较少，故使用一般的“回”形水路W1即可满足冷却要求，而对于底壁成型件，其吸收的热量相对较多，故须采用冷却增强手段，该成型件的水路W2上使用7个冷却水井来增强冷却，7个冷却水井之间使用等效截面积相同的6个过水槽连通，7个冷却水井外围使用整条密封圈进行整体密封。塑件内壁使用W4，W5进行冷却，左右侧壁中，鉴于设计空间限制，只对左侧壁使用水路W3进行冷却。

3 局部分型与脱模机构设计

针对塑件的脱模，在前述开模方向K向上所确定的顶壁成型件、底壁成型件的基础上，还需结合塑件外壁、内部局部区域上的附加特征的脱模方向来进行局部分型，以获得局部成型件，并针对局部成型件设置对应的抽芯驱动机构，这是本模具能否实现自动化注塑生产的关键所在[13–14]。

3.1 右侧壁局部分型与成型件设计

右侧壁分型设计如图3所示。图3a为右侧壁上的附加特征分布，该侧壁上，位于塑件斜喇叭口部分外壁上附加的特征有：矩形槽、内孔a、外孔c、外孔d、外孔e各1个；矩形槽外侧壁上的特征有：外孔b、卡槽筋及“A”字筋各1个；位于水平矩形口部分外壁附加的特征有：1个外孔f。上述特征中，外孔f、矩形槽的脱模方向与其它特征的脱模方向不一致，须单独设置成型件进行侧抽芯脱模，其余各特征的脱模方向可汇总为同外孔b的脱模方向相同，外孔b的脱模方向为沿其孔中心线方向。外孔b与内孔a为同轴孔，且内孔a直径小于外孔b直径，故内孔a和外孔b为同轴脱模。进而，该右侧壁的成型件可优化设计为：如图3b所示，内孔a、外孔b优先设置使用同一成型件肩台式圆柱镶件I成型；外孔c、外孔d、外孔e使用3个直杆圆柱镶件成型(圆柱镶件II～圆柱镶件IV)；卡槽筋、“A”字筋使用1个右侧壁斜滑块直接成型。圆柱镶件I～圆柱镶件IV镶装在右侧壁斜滑块上。考虑到使用滑块对外孔f进行侧抽芯脱模时，滑块机构的设计空间受到右侧壁斜滑块的限制，故外孔f的成型件使用1个斜顶进行成型和脱模。矩形槽的脱模方向与后端口的脱模方向一致，故其成型件——槽镶件的抽芯方向设置为与斜喇叭口内壁的成型件抽芯方向相同，但其抽芯时，应先将圆柱镶件I先抽出。

图3 右侧壁分型设计

3.2 后端口局部分型与成型件设计

后端口分型设计如图4所示。图4a为后端口的附加特征，其主要分布在后端口附近的上顶壁和下底壁上。上顶壁上的特征有：1个上斜板、2个上挂钩、8个上壁孔h；上斜板上设置有1个斜板孔i。下底壁上的特征有：1个下斜板、2个下挂钩、9个下壁孔g；下斜板上设置有1个斜板孔i′。上述附加特征中，斜板孔i′、斜板孔i、8个上壁孔h、9个下壁孔g的脱模方向与后端口的脱模方向不一致，其余附加特征的脱模方向与斜喇叭口部分的内壁脱模方向一致，因而，在优先设置斜喇叭口部分内壁的脱模方向基础上，后端口附近附加特征的成型与脱模作以下安排：如图4b所示，斜喇叭口部分内壁使用斜喇叭口内壁镶件进行成型，后端口外壁使用后端口外壁斜滑块进行成型，斜喇叭口内壁镶件镶装在后端口外壁斜滑块上；2个上挂钩使用2个上挂钩镶件、2个下挂钩使用1个下挂钩镶件进行成型，此3个挂钩镶件也镶装在后端口外壁斜滑块上；图3b中所示的槽镶件也镶装在后端口外壁斜滑块上，以上5个镶件都由后端口外壁斜滑块带动实施斜抽芯脱模。8个上壁孔h的成型件为8个圆柱镶件V，镶装在图2b中所示的顶壁成型件中；9个下壁孔g的成型件为9个圆柱镶件，镶装在图2b中所示的底壁成型件中。鉴于斜板孔i的脱模需要，需要设置上斜板斜顶对上斜板进行成型和斜抽芯脱模，鉴于斜板孔i′的脱模需要，需要设置下斜板斜顶对下斜板进行成型和斜抽芯脱模。

图4 后端口分型设计

3.3 左侧壁局部分型与成型件设计

左侧壁分型设计如图5所示。图5a为左侧壁附加特征，该侧壁位于塑件斜喇叭口部分外壁上的附加特征有1个“A”字筋、1处插槽筋、3个外孔(m，k，j)，位于塑件水平矩形口部分外壁上附加的特征有1个外孔n。3个外孔(m，k，j)和外孔n的脱模方向相同，且“A”字筋、插槽筋也与4个孔脱模方向相同，故而使用1个左侧壁滑块即可满足这些特征的成型与脱模，如图5b所示。为了降低成型件的加工难度，3个外孔(m，k，j)的成型件使用圆柱镶件VI～VIII进行成型。

图5 左侧壁分型设计

3.4 前端口局部分型与成型件设计

前端口的成型件设计相对较为简单，直接使用图5b中所示的水平矩形口内壁滑块进行成型和抽芯脱模。

3.5 底壁成型设计

结合图2b所示，底壁使用底壁成型件进行成型，但是，如图6所示，下底壁上还有一个下斜板特征及其上的斜板孔q子特征。当塑件由顶杆顶出完全脱模时，该处特征会在顶出方向下形成倒扣，此倒扣可以使用斜滑块机构对其进行成型和脱模，但滑块机构的设置使顶杆的布置受限制，塑件无法实现平衡顶出，因而，较为优化的方式是使用下斜板斜顶对其进行成型和顶出脱模。右侧壁上的外孔f也需要使用外孔f斜顶实施侧抽芯脱模。

图6 斜顶成型件

4 模具机构布置及工作原理

4.1 模具机构布置

综合图2～图6，为实现塑件的成型与自动化生产，模具的基本结构应满足以下要求：

①模腔使用单点直接浇口进行浇注。

②顶壁、底壁使用两个成型件完成大部分特征的成型。

③四个侧面需要使用1个右侧壁斜滑块、1个后端口外壁斜滑块、1个左侧壁滑块、1个水平矩形口内壁滑块、1个上斜板斜顶、1个外孔f斜顶及1下斜板斜顶共7个脱模机构进行成型和抽芯脱模。

④塑件的完全脱模使用顶杆进行顶出脱模，7个脱模机构中，除上斜板斜顶位于定模一侧外，其余6个机构皆可设置在动模一侧。因而，模具可优化采用两板模架结构来承载7个脱模机构并保证机构的功能得到实现。但是，要实现上斜板斜顶机构在定模一侧的顶出动作，两板模架定模一侧必须增加一次开模打开。机构两板模具中的布置如图7所示。

图7 机构在模具中的安装

脱模机构设计中，如图7a所示，水平矩形口内壁滑块5使用斜导柱驱动，后端口外壁斜滑块13使用第一油缸12驱动；上斜板斜顶15由紧固安装于定模座板3上的T型驱动块16在开模面P1面打开时驱动实施斜抽芯；下斜板斜顶7、外孔f斜顶8通过推板9进行顶出而实施斜抽芯，下斜板斜顶7、外孔f斜顶8优化使用“万能斜顶”结构形式以缩减对模架的尺寸使用要求；左侧壁滑块19使用简化型斜导柱滑块结构；右侧壁斜滑块20使用第二油缸21实施抽芯驱动，如图7b所示。结合图3，右侧壁斜滑块20与后端口外壁斜滑块13有运动干涉，油缸抽芯时，第二油缸21必须先动作，然后第一油缸12才能动作，模腔闭合时，动作顺序相反。

内壁成型件中，水平矩形口内壁滑块5与斜喇叭口内壁镶件14的配合部位须设置相互定位锥台进行定位，如图7中M部分所示，以保证模具闭合时，两者之间不会产生错位，否则将导致塑件成型失败。

4.2 模具工作原理

模具外形及工作原理示意图如图8所示。图8a为模具的整体外观形状，模具在注塑机上注塑工作时，模架打开以驱动脱模机构顺序工作的原理示意图如图8b所示。首先，模具打开时，由弹簧24推开P1面，以保证T型驱动块16先驱动上斜板斜顶15，P1面打开距离D1由垫环22控制，可做活动调节；其次，模具在P2面处打开，水平矩形口内壁滑块5、左侧壁滑块19由各自对应的斜导柱驱动实施侧抽芯；再次，第二油缸21驱动右侧壁斜滑块20先完成抽芯后，第一油缸12驱动后端口外壁斜滑块13完成抽芯动作；最后，由注塑机顶杆推动推板9顶出，推板9推动其上的斜顶座28，29推动外孔f斜顶8、下斜板斜顶7及顶杆顶出，实现塑件的完全脱模。模具复位时，由复位弹簧31推动推板9先复位，其余动作过程与开模过程相反。模具的打开动作中，定模板4和动模板11的运动导向由带肩导柱25及配套的定模导套26、动模导套27进行导向。

图8 模具外形及工作原理示意图

5 结语

(1)针对出风口塑件的结构形状，采用整体分型和局部分型相结合的办法对塑件模腔进行分型，获得2个主体成型件和7个侧面抽芯成型件，使模具的结构设计得到简化和优化。

(2)模具结构使用1模1腔布局，单点直接浇口浇注，模架使用两板模结构，模具的打开改进为2次开模打开。

(3)脱模机构包括1个定模斜顶机构、2个动模斜顶机构、2个斜导柱驱动滑块机构、2个油缸驱动斜滑块机构。塑件的最终脱模使用顶杆顶出脱模。