基于顺序推出机构的汽车尾灯后壳注塑模具设计

刘安林，王雷刚

(1. 西安航空职业技术学院 航空材料工程学院，陕西 西安 710089；2. 江苏大学 材料科学与工程学院，江苏 镇江 212013)

0 引 言

汽车灯具在汽车行车途中起着不可或缺的作用[1]。汽车尾灯后壳属于灯具的一部分，起着支撑和固定灯体的作用。为了增强自身的强度与刚度，在后壳上设计了很多加强筋。为了满足装配工艺性，还设计了许多形状各异的卡扣，产品结构较为复杂。这不仅使模具结构变得复杂，也给制造和装配带来了挑战。本文对塑件结构做了充分分析，设计了一套结构紧凑，动作可靠的注塑模具。

1 塑件工艺性分析

图1为某汽车尾灯后壳产品结构，其最大尺寸为196.55 mm×217.53 mm×316.10 mm。塑料原料为ABS，其特点为质坚、性韧、刚性大，可保证塑件优良的力学性能。收缩率为0.50%，平均厚度2 mm。灯具作为光学元件，要求良好的成型质量，以保证达到预期的光学效果；另外，产品配合部位较多，结构复杂，要求精度达到MT3级，需要保证装配完成的整套灯具，内部处于真空状态。因此，产品内壁不允许有飞边、气泡、烧焦、翘曲变形等注塑成型缺陷。

(a) 产品内表面

产品高度落差大，分型面结构较为复杂。塑件上有20余个通孔(其中3个尺寸较大的孔洞为灯泡安装孔)，需要设计成插穿或碰穿结构。塑件内部存在多处网状加强筋和BOSS柱处的三角形加强筋，且P处有深度为40.30 mm的凹坑，此处的成型零部件容易损坏。M、N两处为装配卡扣，最小壁厚1.8 mm，最大深度14.84 mm，此处型芯也容易损坏。塑件底部存在深度为26.09 mm的狭缝，此外塑件还涉及8处倒扣，A、B两处倒扣位于产品内部，在定模侧成型，需要设计定模抽芯机构。C处倒扣位于产品最低处，抽芯方向沿YC方向。D处倒扣位于产品侧面，抽芯方向沿XC方向，此两处抽芯布置影响模具外形尺寸大小。E、F两处倒扣的抽芯方向一致，但与顶出机构相互干涉。G处为φ5.00 mm×1.77 mm的孔，抽芯方向与D处相反。H处倒扣面积较大，脱膜方向与C处相反，抽芯时，包裹着成型I、J两处结构的型芯一起抽芯，会与I、J两处脱模方向相互干涉。塑件结构复杂，侧凹、侧凸和侧孔等结构较多，均需设计侧向分型抽芯机构[2]，且抽芯方向相互干涉，需要合理排布型腔及各个运动机构的位置，保证模具动作平稳。

2 模具结构分析与设计

灯具是汽车上高度对称的产品，左右两产品呈镜像关系，因此采用一模两腔的成型方式。每个产品涉及8处倒扣，一模两腔布局，共需设计16处抽芯机构。模具最大外形尺寸为1 000.00 mm×910.00 mm×852.00 mm，重约5.53 t。产品内表面由定模成型，产品外表面由动模成型。

2.1 模流分析

在进行模具设计之前，采用CAE技术对成型过程进行模拟，可有效提高设计的成功率，缩短模具开发周期。采用Moldflow进行有限元模拟，可以预测充填、保压、收缩、气穴、翘曲和熔接痕等指标[3]。

将经CAD Doctor优化后的模型导入到Moldflow中，进行网格划分并对其进行诊断和修复。浇注系统设计如图2所示，其中主流道为开放式加热流道，分流道为普通冷流道，浇口为潜伏式浇口，开模直接拉断浇口，由顶杆将浇注系统凝料顶出。ABS材料选择Cycolac G121，注塑参数如表1所示。由图3分析结果可知：填充时间为1.315 s，熔体流动平稳，充模均匀，可使浇口两侧型腔同时充满，如图3(a)所示。熔接线主要出现在料流汇合的孔洞位置处，也是容易产生气穴的区域，如图3(b)、 3(c)所示。在进行模具设计时，该区域可采用镶拼结构，便于排气。成型时可适当提高熔体温度，用于改善熔接痕缺陷。产品C处位于填充末端，且该处壁厚较薄，是翘曲发生的主要位置，如图3(d)所示。

表1 注塑参数

图2 浇注系统

2.2 成型零部件设计

汽车尾灯后壳模具的分型面为复杂的曲面结构。产品较为复杂，由众多曲面和加强筋复合而成，加强筋内部会形成很深的凹坑。加工成型零部件时，很难直接由CNC加工成型，一般还需要辅以EDM加工。采用镶拼式结构，可减小加工难度，方便后续抛光处理[4]。注塑成型时，型腔内部的气体也可以通过镶拼缝隙顺利排出，降低缺陷产生的机率。特殊结构处强度、刚度较低，容易损坏，成型寿命有限。若设计成整体式结构，难以更换，且增加维修成本。因此对于模具局部强度、刚度较低处，采用镶件成型，易于更换，方面维修。可采用力学性能较好的材料成型局部镶件，以提高其使用寿命。

(a) 充填时间

定模采用局部镶拼式结构，塑件大部分由定模板成型，材料为P20；A-A、B-B倒扣处须设计定模滑块。为方便滑块安装，在此处设计成镶拼式结构，材料为718H。动模凹陷深度较大，加工困难，且涉及多处抽芯，采用整体嵌入式结构，流道镶件为738H，其他镶件材料均为P20。成型塑件上圆孔的镶针材料均为硬度高、耐磨性好的SKD61。

2.3 侧抽芯机构设计

左右镜像的两个产品，共有16处倒扣，均由侧向分型抽芯机构成型。抽芯机构设计时，不仅要保证抽芯机构运动合理，避免相互干涉，而且要尽可能地减小模具外形尺寸，使结构紧凑。

A-A和B-B两处倒扣位于产品内部，由定模成型。此时侧向成型部件和侧向驱动部件均位于定模侧，为了使两者之间产生相对运动，完成抽芯动作，设计了二次分型模具结构[5-6]。T槽座6一端与推件板2通过螺钉连接，另一端通过T形槽与侧型芯10连接。开模时，由于弹簧弹力的作用，分型面I先打开，推件板2带动T槽座6沿开模方向移动，通过T形槽将动力传递到侧型芯10并完成抽芯动作。

C、D两处倒扣位于两塑件之间，为减小模具尺寸，将两个塑件上的滑块合并成一个滑块。由于C处倒扣面积较大，抽芯力较大，此处将两滑块合并后仍使用两个斜导柱驱动滑块，完成抽芯动作。D处倒扣面积较小，设计了如图4(c)所示的侧向分型抽芯结构。斜滑块Ⅰ55和斜滑块Ⅱ58由双侧T槽座56驱动，双侧T槽座56通过热流道镶件57与推件板2相连接。开模时，由推件板2提供动力，带动双侧T槽座56沿开模方向移动，通过T形槽使两侧滑块同时抽芯。

H处倒扣抽芯(如图5所示)方向与I、J两处抽芯方向相干涉，抽芯时，I、J两处需先脱模，再抽芯。I、J处脱模机构局部结构如图4(e)所示。采用镶件65成型I、J两孔，由定距螺钉将镶件65、弹簧64和衬套61相连接。合模后，定模板9上的耐磨板直接作用于衬套61，衬套61压缩弹簧64，使镶件65下沉，用于成型小孔。开模时，动模与定模分离，在弹簧64的作用下使衬套61回弹，由滑块镶件Ⅰ62定位，完成I、J两处小孔脱模。I、J处脱模完成后，此抽芯机构位于H处侧型芯内部，由油缸43带动H处滑块抽芯。此处需要严格控制两处抽芯机构的脱模顺序。

图5 H处倒扣抽芯机构

E、F两处倒扣位于产品底部，且脱模方向一致。抽芯时，会与顶出机构相互干涉，需对侧型芯做避空处理。若沿着抽芯方向布置滑块结构，则需要占据很大的模具空间。因此采用复合抽芯机构改变抽芯方向，以减小模具尺寸，如图6所示。G处倒扣为一直径为5.00 mm的小孔，用圆柱形侧型芯成型，但其轴向长度较大，可设计成组合式结构，利于维修和更换。

图6 E、 F处倒扣抽芯机构

2.4 脱模机构设计

汽车尾灯后壳结构复杂，倒扣形状及位置各异，这增加了模具结构的复杂度。有些倒扣需要先抽芯再脱模，因此设计了顺序推出机构。

在注塑机开合模系统的作用下，首先从分型面Ⅰ处开模，滑块10、 55及58完成抽芯。动模随注塑机开合模系统继续运动，以完成分型面Ⅱ的开模动作，并带动滑块完成抽芯。

为使顶出平衡，减小顶出痕迹，在带孔的地方设计成推管顶出机构，推管材料为SKD61[6]。在塑件周边设计成推块推出机构，推块也是成型塑件的一部分，材料为738，经热处理，可达到较高的硬度和耐磨性。推块和其他成型零部件之间需要有一定的配合间隙，保证推块可以灵活运动不卡滞，成型时也不发生溢料。其他部位辅以推杆推出，材料为SKD61。推出机构需要布置均匀，且有足够的强度。

2.5 温度控制系统设计

温度控制系统是注塑成型不可或缺的部分，汽车尾灯后壳由热塑性塑料成型，采用冷却水调节温度(如图7， 8所示)。成型零部件大部分设计成镶拼式结构，冷却水道布置难度较大。各镶件上需要单独布置运水系统，以保证塑件充分冷却，运水过程中需要严格保证水路密封效果，防止渗漏。水路直径φ10.00 mm，间距35 mm。对于难以布置水路的地方设置隔板式水井，直径φ18.00 mm。型芯上成型深孔的部位，需要设置φ6.00 mm×50.00 mm的冷却棒，加强冷却，降低塑件翘曲变形。

图8 动模水路

3 模具工作原理

开模时，注塑机带动动模运动。由于弹簧7的弹力作用，模具首先在分型面Ⅰ处打开。开模达到一定距离，由连接在推件板2和定模板9之间的定距螺钉定位。为了保证开模准确，还设计了二次分型拉钩。当行程开关54与行程开关限位块53相接触时，将信号传递给注塑机控制中心，分型面Ⅰ开模完成。分型面Ⅰ打开的同时，推件板2带动成型A、B和D处倒扣的滑块，完成抽芯。

由于注塑机的作用，动模部分继续运动，此时分型面Ⅱ开始打开，当动模部分达到预设位置时，开模完成。在分型面Ⅱ打开的同时，弹簧64不受定模压力作用而回弹，带动镶件65完成I和J处脱模；成型C、E、F和G处倒扣的侧型芯开始抽芯直至完成。开模完成后，在油缸43的作用下，成型H处倒扣的滑块44开始抽芯。抽芯距离由行程开关控制，当行程开关与限位块相接触时，油缸收到信号，停止运动。

开模、抽芯完成后，在注塑机顶棍的作用下，带动推出部件将产品顶出，由机械手吸盘将塑件取走。在顶出的同时潜伏式浇口与产品分离，浇注系统凝料也随之被推出。注塑机顶棍复位，顶出机构由于受到弹簧弹力作用而复位。当推出机构上的行程开关19和行程开关限位块18接触时，复位完成，注塑机收到推出机构复位完成的信号。

合模时，油缸43收到复位完成的信号并驱动滑块44复位，与滑块连接的信号开关接收到滑块复位信号后，将信号传递给注塑机，由注塑机带动模具合模。因为有弹簧7弹力和二次分型拉钩46的共同作用，分型面Ⅱ先于分型面Ⅰ闭合。分型面Ⅱ闭合的同时，带动二次分型时的滑块复位。分型面Ⅱ闭合后，注塑机继续对动模施加作用力，分型面Ⅰ开始闭合，同时带动一次分型时的滑块复位，为第二次注射做准备。

4 结 论

针对汽车尾灯后壳的复杂结构，设计了一套结构紧凑的具有顺序推出机构的注塑模具。产品倒扣较多且形状各异，采用多种侧向分型抽芯结构，保证抽芯动作平稳运行。利用“冷却管道+隔板式水井+冷却棒”的冷却系统，保证冷却均匀，减少翘曲变形量。模具设计中使用电信号准确控制模具运动，防止运动过程中损坏模具。模具动作可靠，成型的塑件质量良好，可实现自动化生产，提高了生产效率。