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模具设计经典案例:汽车门板下本体模具的设计
 
 
 
汽车门板下本体是汽车内饰件的重要组成部分,位于汽车车门的内侧,有前后左右之分,根据车系的不同而不同,通常为两门与四门,这些零件统称门板系列。门板有前后左右之分,但前后门板外形与结构在不同的车系设计各有不同,常规门板为整体式门板,也有分体式门板。

  整体式与分体式门板的区别是:整体式门板塑件为一个整体,分体式门板设计时将门板分成上中下三截,这在汽车塑件设计中很常见,本章所介绍的门板模具案例就是分体式门板。本章以汽车左右门板下本体为案例进行分析,介绍一款带二次顶出机构的门板,以及介绍法国佛吉亚模具设计要点与经验,门板下本体零件特征如图1与图2所示:

  图1 汽车门板下本体零件图1

  图2 汽车门板下本体零件图2

  1. 塑件外观要求与结构分析

  图1、图2所示为某品牌汽车门板下本体零件图,材料为PP+EPDM,收缩率一般取1.012,其中EPDM能够提高门板的弹性,模具型腔数为1+1。外表面皮纹,塑件为外观件,表面要求高。

  塑件尺寸为:1042.3*497.5*89.8mm。塑件特点如下:

  1)外观面要求高,塑件外观面需皮纹,塑件外观面不允许有斑点,浇口痕迹,更不允许有收缩凹陷.熔接痕.飞边等缺陷。

  2)塑件为皮纹件,塑件外观面(A面)脱模斜度设计要合理(一般至少设计5度以上)。

  3)塑件外形复杂,曲面光洁度高,塑件内侧面共有12个倒扣。

  2. 模具结构分析

  根据门板下本体塑件的结构特点,模具优先采用热流道注塑模结构,采用10点针阀式顺序阀热流道+冷流道+香蕉式浇口(俗称牛角)进胶。图1所示塑件内侧面共有12个倒扣,均采用斜推块抽芯结构。

  本模具外形尺寸为:1780*1750*1342(mm),总重量约18吨,属于大型注塑模具。详细结构见图3-图9。

  图3 汽车门板下本体注塑模具结构图1

  图4 汽车门板下本体注塑模具结构图2

  图5 汽车门板下本体注塑模具结构图3

  图6 汽车门板下本体注塑模具结构图4

  图7 汽车门板下本体注塑模具结构图5

  图8 汽车门板下本体注塑模具结构图6

  图9 汽车门板下本体注塑模具结构图7

  2.1 成型零件设计

  本模具定动模采用一体式,常用材料为:P20/2738。模具AB板采用四面围边的设计方式,在门板模具设计中,斜推块与推块以及网孔的设计是门板模具的核心结构,斜推块的设计要防止塑件粘斜推块,以及拉伤塑件。对于门板零件一般都有喇叭网孔,因而网孔的设计也是门板模具的难点,本模具网孔采用镶件成型,为了让网孔排气顺利,网孔采用镶件内套镶件的镶拼方式。一般网孔周围需要设计推块顶出,本模具采用二次顶出机构,将网孔镶件安装在推杆上,既解决了网孔排气困难的问题,又解决了网孔顶出困难的问题。网孔镶件材料要求严格,一般为S136或者透气钢。成型零件设计的原则是在保证模具强度和寿命的前提下尺寸做到最小,以降低模具的制造成本和生产成本。汽车门板模具成型零件尺寸可参考表2-1。

  表2-1 汽车门板模具成型零件设计

  2.2 浇注系统设计

  本模具浇注系统采用热流道进胶,采用10点顺序阀热流道+冷流道+香蕉浇口的进胶方式,塑件材料为PP+EPDM。

  由于塑件为PP+EPDM料,料流动性好,在设计流道时流道设计范围广些,但热嘴至塑件边缘的流道长度尽量设计在60mm以内,如果实在不行也尽量控制在100mm以内,避免冷流道过长与避免压力损失大。门板为外观件,表面不允许有熔接痕,注塑成型时必须把熔接痕赶到非外观面或消除熔接痕,这是本模具设计的重点和难点之一。传统的同步多点进浇,虽然能使熔体充满整个型腔,但是由于熔接痕的存在,很难使产品质量达到理想的要求。为此本模具采用了10点顺序阀热流道浇口控制技术,它通过油缸的驱动来控制10个热射嘴的开启和关闭,由此达到了塑件表面无熔接痕的理想效果。门板注塑模热流道浇口位置见图10,图中G1-G10为热嘴位置。本模具为左右镜像件,每腔各5个进浇点。门板模具有网孔的必须在网孔附近设计一浇口,以便于注塑保压。

  图10 10点顺序阀热流道控制系统

  2.3 侧向抽芯机构设计

  侧向抽芯机构是本模具最重要的结构之一。针对塑件内侧的12处倒扣,模具均采用了斜推块的抽芯机构,抽芯方向见图2、图3。门板模具由于斜推块众多,实际生产中经常出现塑件跟着斜推块走的现象发生。造成这种现象的原因有很多,设计时要优先考虑避免这些现象的发生。

  2.4 温度控制系统设计

  汽车门板下本体为汽车最重要的内饰件之一,也是外观要求很高的塑件之一,因此温度控制系统设计的好坏对模具的成型周期与产品成型质量影响很大。冷却水道设计原则之一是距离型腔面要大致相等,以达到模具型腔各处温度大致均衡。本模具的温度控制系统采用了“直通式水管+倾斜式水管+水井”的组合形式(见图11和图12)。这种组合形式是优先采用直通式水管,其次是倾斜式水管,万不得已才采用水井。其优点是塑件冷却均匀,成型周期短,成型质量高,适用于高要求与外观性能要求高的模具。在汽车模具设计中,类似于内外饰件模具如汽车前后保险杠、仪表板、中央通道、格栅、汽车装饰条等内外饰塑件。

  冷却水道排布按以下规律设计:

  1.冷却水方向要与料流方向一致。

  2.定.动模冷却水道优先设计成十字网格形式,冷却回路形成互相交叉形成水路交织网,均匀冷却塑件。

  3.在不能设计成十字交叉式水路时,定.动模水路在互相有缝隙处交互布置。

  4.每一组冷却水尽量只设计四条循环水路,避免水路距离长影响塑件冷却效果。

  5.冷却水路要设计成可与另一组水路进行外部接水管连接的方式,方便后续塑件因变形.收缩等现象的调整。通过水路调整塑件缺陷,在汽车内外饰塑件模具上应用广泛。

  6.各冷却水道间隔距离控制在水道的3.5-5倍直径(一般50-60mm左右),塑件胶位面距离运水的距离一般在15-25mm之间,具体根据模具大小决定。(如仪表板与保险杠模具更需控制在25-28mm之间,中央通道与门板一般控制在20-25 mm之间。因为模具大且孔很长,深孔钻加工容易偏钻嘴,且还可以避免因应力集中引起的模具开裂.漏水现象的发生。)

  7.冷却水道与推杆.斜推杆.镶件之间的距离要保证在8-10mm以上,因为模具大且水道长,容易钻偏。

  8.在汽车模具设计中,热嘴尽量要单独设计一组水路,不能与其它水路串联,以利于热嘴区域的热量散失。

  图11(a)定模冷却系统

  图12(b)动模冷却系统

  本模具定动模温度控制系统为:定动模都设计了12组水路,定动模都是12进12出,模具冷却水路设计做到了与料流方向一致,优先采用:“直通式水管+倾斜式水管+水井”的随塑件形状的设计形式,进出水距离做到了水路长度大致相等,因而使塑件得到了良好的冷却效果与外观质量。本模具网孔镶件单独设计水路,热嘴区域均有水路,因而塑件生产时得到了良好的冷却效果,保证产品质量,缩短了成型周期。

  本模具温度控制系统设计时还做到了以下几点:

  1)水道之间的间距保证在50~60mm之间,冷却水道距型腔面在20~25mm之间。本模具的网孔区域和热嘴区域热量较为集中,因此进行了重点冷却。

  2)考虑到加工问题,本模具的冷却水道与推杆、推块等推件孔保持了至少8mm的距离。

  3)冷却水道长短做到了大致相等,保证了冷却水出入口温差大致相等,从而保证了模温大致均衡。

  4)根据塑件形状,模具采用了大角度的斜孔,虽然钻头有侧滑现象,极易钻偏,但只要钻孔之前铣削一个垂直于斜孔的平台即可解决问题。

  2.5 导向定位系统设计

  在汽车注塑模具设计中,由于模具大,塑件外观要求高,尺寸精度要求也高,因此对模具的导向定位设计非常严格,导向定位系统设计的好坏直接影响成型塑件的精度和模具的寿命。

  本模具在4个角上各设计了1支方导柱,以及4个1 °精定位,详见图3和图4。4支方导柱尺寸如图所示,安装在定模侧,由于塑件开模后留在动模侧,这样就不会影响塑件取出。同时4支方导柱还起到翻模时可作为支撑脚用,方便FIT模,如图13所示。

  导柱的长度必须做到:无滑块的模具导柱要高出定动模最高点30mm,有滑块的模具要在斜导柱插入滑块前20mm插入导套,否则在模具的制造和生产中会带来很大的麻烦,严重时会损坏模具。

  图13 汽车门板下本体模具导向定位系统

  2.6 脱模系统设计

  本模具为“推杆+推管+斜推块+推块+油缸推出”结构,模具在定.动模开模后,依靠推件推出塑件与流道,推件固定板由注塑机通过油缸推动和在4支复位杆的作用下复位。在设计脱模系统时要注意以下几点:

  1)大型模具(长宽方向超过1400mmX700mm)需设计6支复位杆与6支推杆板导柱,所有汽车模具复位杆上要设计一比复位杆大一级的回复块,回复块一般选45#(S50C)氮化处理。推杆板导柱要布置在推出力大的推出元件附近(如油缸.复位杆等)。

  2)所有汽车模具需要设计限位柱,限位柱要优先布置在KO孔上方或附近。推杆要排布在靠近R处的受力位置,布置在包紧力大的位置,推杆设计要大,推杆布置要多些,设计推杆尽量设计成同一规格,不要设计很多种规格,这样可以避免频繁更换钻嘴,节省加工时间与加工成本。本模具由于为了网孔的顺利脱模,采用了两组顶针板,采用了二次顶出结构,两组顶针板采用扣基控制。本模具分两次顶出,第一次顶出25mm,第二次顶出200mm。

  3. 模具工作过程

  熔体通过注塑机喷嘴,经热嘴30进入模具型腔,熔体充满型腔后,经保压、冷却和固化,至足够刚性后,注塑机拉动模具的动模固定板18,模具从分型面PLⅠ处开模。开模500mm后,注塑机油缸推动推件固定板19,推件固定板推动顶杆23,第一次推出25mm,在定距分型器45.46.47的作用下,第一次推出完成。接着油缸继续作用,继续推出200mm,推动所有推件将成型塑件推离动模。塑件取出后,注塑机油缸拉动推件及其固定板复位,接着注塑机推动动模合模,模具开始下一次注射成型。

  4. 模具强度与分型面管位设计

  在模具设计中,根据一个塑件的尺寸大小与结构来设计模具,首先让设计者迷惑的是模具强度是否足够?分型面管位的大小.位置.强度是否合理?又该如何来解决这些问题?在进行模具设计时首先要考虑的是模具强度与模具成本问题。一个有丰富经验的设计师与一般的设计师所设计的模具在模具成本上要节省很多。

  合理的模具设计是:模具强度既合理又不乱费,就地取材,模具强度与成本兼顾,选取最优的设计方案与加工工艺。对于模具强度太强显得乱费,太弱则影响模具使用寿命。本模具分型面管位设计在定动模,定动模四面围边四周做5度斜度,四周做耐磨块,此种四面围边的设计方法在汽车门板与挡泥板等模具上应用广泛。

  图14所示A.B两尺寸的计算方法是:首先从塑件最大边缘加50mm封胶位(在汽车模具设计中,小型模具(5050以内)30mm封胶,中型模具(5050-1010)40mm封胶,大型模具(1010以上)50mm封胶。),再加50-70mm避空位(在汽车模具设计中,只有封胶位配合,其余全部避空,减少FIT模工作量。避空位也是保证模具强度的区域。),然后再加上模胚处分型面承压板的尺寸就是A.B的尺寸,这样就设计出既符合客户模具强度要求又节省成本的模具。C处尺寸不同塑件数值会不一样,最少C处尺寸定模要保证塑件最高胶位面有80mm以上距离,动模由于承受注塑压力大,需相应加厚,最低设计100mm以上。用来保证模具强度。总之, 在日常设计中依据不同的客户与工厂灵活运用,设计出既符合客户需求又节省成本的模具。

  图14汽车门板下本体模具强度参考

  5. 模具排气系统设计

  在汽车模具设计中,排气系统的设计相当重要。如果排气设计不合理,会严重影响塑件的品质。会出现填充不满.困气.脱模不顺等注塑缺陷,严重困气时会烧焦产品。汽车门板属于内饰件,塑件外观要求严格,合理设计排气至为重要,在设计模具排气系统时要注意以下几点:

  1)排气要优先开设在料流末端与塑件转角位置。

  2)靠近镶件或壁厚最薄处,因为这里最容易形成熔接线。

  3)最好开设在分型面上,因为分型面上产生溢料最容易清除。本模具排气开设在定模,见图15所示。

  图15汽车门板下本体定模排气系统设计

  6. 结果与讨论

  本模具采用推杆+推管+斜推块+推块+油缸推出的脱模系统以及“直通式水管+倾斜式水管+水井”的温度控制系统和二次顶出系统。

  对于大型汽车模具冷却系统设计要遵循以下几点:1.三米原则,汽车大型模具的直通式冷却管一般设计在¢15,门板定动模冷却水如果设计成随形(随塑件形状),要设计成两端钻孔,冷却水路总长度不能超过3米,因为超过3米,深孔钻将无法加工,钻嘴长度不够。2.手掌效应。设计大型汽车塑料件模具水路设计,布置水路向一个方向流动,间隔排布有如手掌,水道之间距离控制在50-60mm之间。3.水路流程不能太长,避免模具开模了冷却水还没走出来。

  在汽车模具温度控制系统设计中,主要有以下两种组合形式:

  1)第一种组合形式:直通式水管+倾斜式水管+水井;

  2)第二种组合形式:直通式水管+水井+倾斜式水管。

  此两种形式的区别在于:在倾斜式水管和水井之间,前者是优先采用倾斜式水管,而后者是优先采用水井。此两种组合侧重点不同,因而效果也不同。

  第一种形式的优点是型腔各处冷却均匀,成形周期短,塑件质量高,适用于高要求与外观性能要求高的模具,如汽车前、后保险杠,汽车上、下仪表板本体和汽车左、右门板等内外饰注塑模具。缺点是加工成本高,主要适用于欧美系客户的模具。

  第二种形式的优点是加工成本较低,加工方便快捷。缺点是在模具上过多的设计水井对模具强度造成了一定的影响,型腔冷却效果相对于第一种要差些,在日系与中国本国生产的汽车模具中应用较多。

  对于汽车塑件,自然随形设计的冷却水道对塑件的冷却,模具的寿命都有好处,要求严格的欧美模具甚至不允许或尽量少采用冷却水井和密封圈等。因为水井直径较大,数量太多会影响模具强度,进而减短模具寿命。密封圈容易老化失效,因而在设计上必须尽量减少使用。

  下面重点讨论一下本模具的二次顶出系统以及佛吉亚模具的设计特点。

  本模具网孔采用镶件成型,是为了让网孔排气顺利,网孔采用镶件内套镶件的镶拼方式。一般网孔周围需要设计推块顶出,用来顶出喇叭孔的筋骨。本模具采用二次顶出机构,将网孔镶件安装在推杆上,这样设计既解决了网孔排气困难的问题,又解决了网孔顶出困难的风险。网孔镶件材料要求严格,一般为S136或者透气钢。透气钢有很好的透气性能,但材料价格昂贵,只有高附加值的模具才采用。喇叭网孔需要有很好的排气,因而使用其它材料做网孔镶件,必须在网孔镶件内设计镶件或者镶针排气。在考虑排气的同时,也要兼顾喇叭网孔的顶出,为此本模具设计了二次顶出机构。

  门板模具由于斜推块众多,实际生产中经常出现塑件跟着斜推块走的现象发生。造成这种现象的原因有很多,具体设计时应注意以下几点。

  1)检查塑件扣位沿斜推块运动方向塑件扣位脱模斜度是否足够?在不影响塑件装配的前提下,扣位脱模斜度应尽量加大,一般方孔与胶位做到7度以上拔模。

  2)在有粘斜推块风险的塑件区域,预先设计定位柱,如在斜推块附近区域设计塑料定位柱。

  3)在粘斜推块附近区域设计一推块,也可以避免粘斜推块的现象发生。

  佛吉亚是全球顶尖的汽车零部件供应商,总部位于法国。与美国江森,伟世通,麦格纳,德国博世,日本电装同为世界500强企业。佛吉亚的模具遍布全球,在汽车模具设计中会经常遇到。佛吉亚的模具本身有很多特点,本文对本模具中一些佛吉亚的做法进行简要介绍。如图3、图4所示,佛吉亚模具需要在上下码模板四个角落倒斜角,在地侧上下码模板上镶8块尼龙材料的镶块,这样设计的目的是为了保护注塑机格林柱在模具起吊到注塑机上不被模具撞到。

  格林柱的保护:如果码模时,模具与格林柱有干涉风险,在不影响码模的情况下,模具四个角可以切掉一部分,如果模具外围与格林柱的间距最小为50mm,保护板的位置和数量按以下原则设计,如图16所示。

  图16佛吉亚汽车模具码模系统设计1

  磁力码模系统:

  磁力:MAG码模

  定动模都用两个定位销固定在注塑机上

  码模方式:定动模都用磁力码模系统

  图17佛吉亚汽车模具码模系统设计2

  码模系统设计:

  码模系统设计:模具的码模板是用来定位和码模.码模板的最小尺寸按照左表设计如果模具的一边尺寸比上述最小尺寸宽,码模板必须向外延伸来保护模具:

  侧边:1 0 0 mm (操作侧和非操作侧)

  底部:1 5 0 mm

  顶部:最小超出其他部件2 0 mm (油缸,接头,水嘴,水管等)

  码模系统设计原则:任何情况下,模具零部件都不允许超出码模板。如果模具尺寸规格比上表小的话,那么面底板必须扩大到表中的尺寸规格。如果与注塑机的格林柱存在干涉的话,局部可以减小。

  例如:模具1600T=>MAG4=>码模板最小尺寸1590*1420

  模具A0   B0尺寸=1800*1000

  注塑机格林柱间距1800*1400

  模具面底板的尺寸需要调整为:

  H=1800+100+100=2000mm>1590mm

  V=1000+150+20=1170mm<1420mm=>V=1420mm=>与注塑机格林住有干涉风险(1420比1400大)=>在1590mm宽度方向外部,V向大小局部需要减小到1300mm。