汽车行李架水辅注塑模具设计

蔺福志，舒友祥，高登明，刘黄军

(嘉兴信元精密模具科技有限公司，浙江 嘉兴 314031)

0 引言

目前市场上的汽车行李架分为： ①金属行李架，其缺点是由多个部件组成，需非常复杂的结构设计，且金属件外观的抛光处理费工费时，产品成本高昂；②铝合金挤出型材喷漆+塑料安装脚(喷漆)，缺点是铝合金喷漆后，漆容易脱落，且维修麻烦，成本也较高；③普通注塑成型，全塑料底座+外壳(喷漆)，缺点是设计限制，需要与车顶多点连接，且产品的承重有限，无法作为承重的功能件使用[1-4]。基于以上问题，本文以降低成本、提高品质为导向，提出以PA6+GF50塑胶材料来做行李架，并以水辅模具来注塑成型，避免了市场上各类行李架制作成本高、效率低的问题。水辅注塑模具可以将行李架一体注塑成型，使其集约化设计，大幅度减少零部件，总体零部件成本降低20%以上。生产高度自动化，提高了生产效率，降低了工艺出错概率，利用注塑成型良好的工艺特性，提高了产品的设计想象空间。

1 水辅注塑原理

水辅注塑原理说明： ①将模具型腔快速充填完成；②注水喷头将高压水注入型腔推动胶料前进，与此同时，注塑机螺杆及热咀阀针回退；③持续的高压水将多余熔体推回热咀后，注塑机螺杆停止回退及热咀阀针关闭；④等熔体冷却完成后，注水喷头又将水回抽，抽水完成后注水喷头在抽芯机构的带动下退到指定位置。最后开模并顶出，取出产品。水辅注塑原理如图1所示。

(a) 注胶阶段

(b) 注水

(c) 水保压阶段

(d) 水回流阶段图1 水辅注塑基本原理示意

2 水辅模具的设计

2.1 浇注系统

基于Moldflow软件分析，行李架水辅注塑成型所涉及浇注系统基本信息如下。

材料： PA6+GF50，B3G10SI；产品体积： 859 cm3；型腔数量： 1+1；浇口数量： 1+1；基本壁厚： 17 mm；充填时间： 8.7 s；熔体温度： 280℃；脱模温度： 165℃；模具温度： 80℃；V/P转换： 98.9%。CAE解析： 考虑到零件外观需求、结构特点，水辅成型的原理，水辅注塑残余壁厚的影响[5]，水辅注塑对产品变形及收缩的影响[6]，PA6+GF5材料模拟[7]及变形的分析[8]，该行李架产品采用单点进胶，在产品两端设计一段较长的流道，后续浇口料头通过二次加工去除，此材料可二次回收使用，对成本影响较小[9]。

对于进胶端的料流通道，为在高压注水时将产品中空区域的塑料通过流道退回至热流道系统内，此流道的直径设计如果不到产品总厚度的2/3，会造成流道冷却凝固，无法快速、甚至无法将产品中空部分的塑料退回至热流道系统内，因此建议流道直径做到与产品总厚度一致。对于此段流道的长度也不能设计得过短，因为高压注水既要保证能吹空产品，又必须保证注水不能进入热流道系统内(注水进入热流道系统内会造成下面连续几模产品报废)，且注水设备在同样压力与时间下，吹空到达的位置都不一致，连续50次模拟实验结果表明： 偏差在0～150 mm范围内，故流道长度需设计在250 mm左右。

对于注水端的料流通道，水辅高压注水需通过此流道将产品中空区域的塑料退回至热流道系统内，需要将料流通道内中空的体积与产品中空的体积做到接近一致来实现快速注水的目的，最大程度地降低产品外观缺陷。高压注水进入流道需要一段直身的缓冲区域，否则此段缓冲区域高压注水会击穿流道或产品，无法实现水辅成型，通过验证将流道长度设计为约130 mm(见图2)。

图2 水辅注塑的浇口及注塑填充过程示意

2.2 抽芯结构设计

如图3所示，零件两侧沿开模方向存在呈倒扣状的侧凹特征，为了实现顺利脱模，采用两侧滑块抽芯结构。产品两侧均为外观面，为使两侧滑块段差线在模具配合国产中做到最优，将两侧大滑块设计成前模弹块式样，采用弹簧+T型块方式驱动。因型腔为1+1对称排布，模具中的侧滑块会做相对方向运动，考虑到模具空间的合理利用，模具中间的滑块采取T型槽式的斜向驱动结构，且中间相对运动的滑块共用同一铲基，在保证滑块正常运动行程的前提下，有利于中间间距的合理缩小，减少模具总体宽度，降低模具成本。因注塑零件整条都有侧凹倒扣，所以外侧整条侧面都由大型滑块抽芯实现，本注塑零件的两外侧大滑块长度为1 480 mm，宽度为165 mm，高度为145 mm。为便于钳工装配及提高摩擦面、碰撞面的使用寿命，滑块上表面间段式分布平衡块，滑块外侧斜面间段式设计耐磨块。考虑到大滑块的热量控制需求，在大滑块内部需排布冷却水路。滑块冷却水路为一进一出，因滑块为运动件，进、冷却出水管采用不锈钢加长管接头，便于引出到外围软管转接，且预留滑块运动时的水路管道部件活动空间。

(b) 产品主体结构截面

(c) 产品浇口截面图3 模具抽芯结构示意

产品的螺钉嵌件在出模方向存在一定角度，螺钉的一半区域为出模倒扣，将倒扣区域采用斜顶方式出模，另一半采用动模镶件，方便加工及后续的调试。

产品两头端部区域为外观可视面，故需将流道伸入产品底部，防止去除料头时损坏产品外边缘，所以产品两端连接流道区域采用滑块方式出模。

注水喷头的端部有凹槽，产品填充时会灌胶进去，形成侧向倒扣，造成顶出拉伤，需将喷头做成滑块式样，使其在开模前退开一定行程脱离倒扣，从而避免顶出拉伤。

2.3 顶出系统设计

一体式行李架产品的顶出系统重点在于顶出平衡，防止出现掉件。本例中注塑零件总成组件为细长状，零件中可排布圆形顶针的位置比较充足，产品底面比较平整，斜顶顶出时有侧向力，易使产品掉件，设计时将两端流道上的顶针做5 mm深凸台定位，防止产品顶出时被斜顶带走，顶出后可以固定产品，防止掉件，且此5 mm凸台不会对机械手取件造成影响。

2.4 冷却系统设计

本例注塑模定模及动模都采用横向沿制品外表面冷却，其优点是冷却均匀、可通过水路调节模温来控制产品变形[10]，如图4所示。

(a) 定模冷却

(b) 动模冷却图4 动模及定模冷却示意

2.5 模具总装结构

如图5所示，水辅注塑过程及模具结构的运动方式如下：

(1) 模具复位。在开模状态下，油缸将顶针板回拉退到位(在导柱、回针的导向下运动)，顶针板上的司筒、顶针等零部件随着回位。

(a) 模具截面示意一

(b) 模具截面示意二图5 模具结构

(2) 放置嵌件。接着将嵌件放入公模入子中。

(3) 闭模。在注塑机合模力的作用下，母模板、滑块、公模板、滑块等部件跟随回到位，在油缸的作用下，将滑块上的铲基往回推，注水喷头在铲基的作用下回位，直到完成模具的合模，此为合模过程。

(4) 注胶。模具型腔在3 s内快速充填完成，同时给水辅外接设备信号。

(5) 注水。水辅设备接收信号后，然后注水喷头将高压水注入型腔，推动胶料前进。与此同时，水辅外接设备又将信号反馈给注塑机及热流道系统，注塑机螺杆及热咀阀针回退，持续的高压水将多余熔体推回热咀后，注塑机螺杆停止回退及热咀阀针关闭；油缸推动滑块前进，在滑块的作用下，滑块又推动司筒针达到指定位置(司筒针的作用是减薄此处的胶料，防止胶料太厚难以冷却，在顶出时没冷却的胶位溢流到模腔中)。

(6) 抽水。等熔体冷却完成后，注水喷头又将水回抽，抽水完成后注水喷头在抽芯机构的带动下回退到指定位置。

(7) 开模。模具在注塑机开模力的作用下，将公母模板分开。同时，滑块等抽芯机构也随着动作，直到完成抽芯。

(8) 顶出。开模到注塑机限定位置后，上、下顶针板在油缸的作用下向上运动，司筒、顶针随着向上顶出，到限位块的限定位置，与此同时，塑胶产品在司筒及顶针的作用下完成顶出，塑胶产品自动掉落，此为开模过程。

(a) 试模样件

(b) 剖切后样件

(c) 涂装后样件图6 实物产品示意

3 结束语

通过Moldflow软件模流分析，对水辅行李架注塑成型的浇口采用单点灌嘴，从一端进胶，通过高压注水使产品形成中空状态，加以辅助熔体保压，使产品的外观达到良好状态，最后将水从产品空腔中抽出，实现行李架一体注塑成型。试模过程中，模具结构合理，所有的动作顺畅，产品涂装后的外观达到了客户的要求。经过批量生产验证，注塑模具所生产的产品外观无缺陷，尺寸符合图纸要求，生产稳定。