精选论文|双头螺旋内齿轮精密注塑冷却工艺优化

来源：期刊-工程塑料应用2022年3月 第50卷第3期

作者：胡开元，李虹波，王雷刚

摘要：分析了具有复杂结构的汽车手套箱外盖的结构工艺性，选择聚丙烯(PP)，同时结合Moldex3D软件，采用UG软件对产品进行建模，针对翘曲产生主要原因，设计了传统水路冷却+隔水板冷却的混合冷却方案，冷却效率达到45.41%，是传统冷却水路的8.97%的5.06倍。在保证产品充时填整体剪切应力均匀、型腔和型芯的整体强度及尺寸精度、成型加强筋及转轴支架等复杂结构要求的前提下，优化设计了浇注系统、整体式型芯和型腔、液压斜滑快抽芯机构、模具总装图等，重点进行斜抽芯滑块机构设计。模具采用热流道潜伏式浇口形式，确保产品成型表面质量，且有利于制件和凝料自动分离。经过实际试生产检验，该模具结构运行合理，成型产品性能稳定，满足注塑生产要求。

在国内国际双循环和“碳中和，碳达峰”的大背景下，汽车作为拉动消费的代表之一，产销量牢牢占据全球首位，新能源车消费也是实现双碳目标有力途径之一[1]。手套箱作为汽车必备的饰件，是车辆副驾驶仪表台下方的储物盒[2–3]。无论汽车结构和汽车消费怎么变化，人们对于汽车的收纳空间、表面质量、轻量化以及节能性、舒适性等要求不降反升[4–5]。笔者根据手套箱外盖的结构特点和技术要求进行分析，并结合Moldex3D模流分析软件优化设计了该产品的注塑模具[6–8]。

1产品结构分析

该零件的原型为某新能源车的手套箱外盖，外形结构如图1所示，材料为聚丙烯(PP)API-1609，密度ρ=1g/cm3。由于本产品外表面是皮纹，塑件为外观内饰件，表面要求高。其尺寸为长431mm，宽260mm，高65.5mm。该零件的壁厚变化很大，最大壁厚达到了12.644mm，最小壁厚仅有0.068mm，塑件的体积V1=331.21cm3，并且模型的平面呈曲面分布。

a— 2D 图；b— 3D 图

图 1    手套箱外盖

根据要求，零件的总体变形量不大于 3  mm 或 者应该低于零件各向长度 × 材料收缩率，并且表面 不应有熔接痕、缩痕等外观缺陷出现。塑件结构有 很多表面皮纹及转轴卡座等复杂结构，模具结构较 为复杂。由于手套箱外盖是与手套箱斗进行装配， 需要较高的配合精度，对强度和刚度也有较高的要 求。该零件的壁厚不均匀，制件表面是曲面，为了保 证其性能要求，翘曲变形量的控制至关重要。为保 证成型质量和脱模顺利，笔者将分型面设计在塑件 背面。根据锁模力以及理论注射量选定注塑机为海 天 MA4700 Ⅱ /2950-B 型卧式注塑机 [9– 12]。

2模具结构设计

2．1浇注系统的设计

由于该零件属于内饰件，其表面不能有缩痕外 观缺陷，所以浇口位置不能选在塑件表面。若浇口  选择在四周，在手套箱的左右两侧 ( 短边 ) 和上方 会有浇口痕迹，在手套箱被打开时很容易被看见，影 响美观。因此，浇口位置最好选择在手套箱外盖下 侧可以隐藏不被发现的位置 [13] 。图 2 为浇口位置。 浇口位置只能位于开启扳手背面遮盖隐藏的区域，如图 2a 所示，或者手套箱外盖四周，如图2b 所示。

a—开启扳手背面浇口；b—手套箱外盖下侧浇口

图 2    浇口位置

图 3 为剪切应力分布图。将图 3 的两种浇口位 置进行模拟填充分析发现，采用开启扳手背面处进 行浇注会使手套箱外盖的剪切应力分布不均匀，很 容易造成边缘翘曲，致使产品变形不能使用而报废。 采用手套箱外盖下侧浇注，产品的整体剪切应力分 布比较均匀，故浇口位置选择在零件下侧，采用潜伏 式浇口。

a—开启扳手背面浇注； b—手套箱外盖下侧浇注 

图 3  剪切应力分布

由于该塑件尺寸比较大，且只采用一个浇口，在塑件充填时间较长，腔边缘位置极易发生填充不满的情况下，如若采用增大注塑压力来缩短充填时间，易粘模或者溢料产生飞边。综合考虑，采用热流道进行浇注，热流道总体布局如图4所示。

图4热流道总体布局

2．2冷却系统设计

采用Moldex3D软件的智能设计精灵做冷却流道设计的引导，由于零件的表面积较大，且具有两个突出的转轴卡座和斜抽芯等复杂结构，在满足塑件冷却和不发生干涉条件下，为提高模具的冷却效果，在塑件上表面使用传统水路冷却与在塑件下表面使 用隔水板式冷却水路冷却的混合方案 [14]，冷却水路 设计图如图 5 所示。

a—动模传统水路+隔水板式水路；b—整体水路

图5冷却水路设计图

将两种冷却水路方案进行模拟分析，图6为冷却方案对比。

a—冷却效率；b—翘曲变形量；c—冷却至顶出温度所需时间

图6冷却方案对比

将两种的冷却水路方案进行模拟分析，从图6的冷却效率、翘曲变形量、冷却至顶出温度所需时间分析结果对比可以得出，在其它参数都相同的条件下，采用混合方案的冷却效率为45.41%是传统冷却水路的8.97%的5.06倍，并且与传统水路方案对比，采用混合方案塑件冷却至顶出温度的时间为65.7s，翘曲变形量为3.282mm。分析结果证明，采用混合水路冷却可以大幅度提高生产效率和产品质量。

2．3成型零件的设计

手套箱外盖平均厚度仅为3mm左右，型腔较浅且在背面有较多的沉孔及转轴支座等复杂结构。如若采用组合式型腔，在型腔装配过程中不能够很好地保证型腔整体尺寸精度和强度，同时结合塑件大小，采用整体式型腔，其具备的高强度及不易变形的特点能够很好地满足塑件设计要求。整体式型芯和型腔分别如图7，图8所示。

图 7　塑件型芯设计图

图 8    塑件型腔设计图

2．4 排气系统设计

根据PP材料特性表，排气槽深度尺寸取0.01~0.02mm，笔者选取0.02mm，图9为排气槽分布。排气槽宽度是6~20mm，本设计中取值为10  mm，相邻排气槽中心距为 40 ~ 80  mm，本设计 中取值约为 50  mm，如图 9 箭头所示。

图 9    排气槽分布

2．5侧向抽芯机构设计

在手套箱外盖的下方有两个转轴卡座，其结构复杂且含有与开模方向垂直的侧壁盲孔结构，在开模时，会阻碍塑件的推出，无法直接脱模，需设计侧向抽芯机构。由于本塑件侧壁盲孔和搭扣结构较浅，采用斜抽芯滑快机构。为减少成本，精确控制抽芯机构运动，确定选用液压驱动机构。图10为斜滑块抽芯机构设计图。

a—斜抽芯滑块机构； b—外抽芯滑块； c—内抽芯滑块

 图10 斜滑块抽芯机构设计图

图10a 标示的内抽芯滑块机构和外抽芯滑块机构。工作过程是：在液压系统的作用下，首先手套箱外盖动模带动手套箱外盖和整个滑块机构后退，同时带动固定块、斜推杆1和限位板一起后退，当限位板运行与T型导向槽接触时，推动斜推杆2和转轴卡座内侧壁沉孔滑块后退成型沉孔，转轴卡座外侧壁沉孔滑块在斜导柱的作用下，开模成型外侧壁沉孔，在动模推杆的作用下，将手套箱外盖完全顶出[15–16]。

3模具工作原理

通过对手套箱外盖模具主要非标准件的设计及标准件的选配，完成如图11所示的模具总装图。

1—动模板；2—垫板；3—推杆；4—动模固定板；5—动模；6—斜抽芯机构；7—定模；8—分流板；9—定模板；10—定位圈；斜导柱11—浇口杯；12，18—热流道板；13—定模水路；14—导套；15—导柱；斜导柱导向块16—动模水路；17—固定螺栓；19—分流道；20—塑件；21—垫块；22—推杆固定板

图11模具总装图

模具开模时，整个动模部分带着制件后退，带动斜抽芯机构6后退，并拉断分型面处定模7、分流道19与动模相交处的潜伏式浇口凝料，然后动模继续后退，在斜抽芯机构6的作用下完成塑件卡座内外沉孔抽芯，同时在顶杆3等顶杆的共同配合下，顶出制件。合模过程中，在导柱15，导套14的推动下，推杆固定板带动推杆一起回复到注塑位置，斜抽芯滑块驱动斜导杆；斜导柱滑块驱动斜导柱回复到合模位置，完成整个模具合模。

４总结

针对某新能源车手套箱外盖的壁厚变化很大，最大壁厚达到了12.644mm，最小壁厚仅有0.068mm且模型的平面呈曲面分布的特点，结合Moldex3D软件进行模流分析，找到最佳浇口位置，避免浇注不足的缺陷；采用热流道注塑并合理设计混合冷却模型，有效降低壁厚不均造成的翘曲变形。

在手套箱外盖表面有皮纹及转轴支座等复杂结构，且在转轴支座两侧有较多的沉孔，采用“液压油缸+滑块”，“斜导柱+滑块”形式，设计了斜抽芯滑块机构完成复杂抽芯动作。

模具结构简单实用，生产环节价值体现较好，具有较好的设计和实用参考价值。

参考文献

[1]何文韬，郝晓莉，陈凤.基于生命周期的新能源汽车碳足迹评价-研究进展与展望[J/OL].东北财经大学学报，[2022-01-19]. 

https://t.cnki.net/kcms/detail?v=5RgRpNOg0W11okHBPfgcp66vTHphpintsYMDhpubaD988feqEMdrPk05dUO0Q1ofc3es1forfbTK_8kmPeCRPr9h8q-SJh6MzN-8CM6DIfWRgKNFfyVqtw==&uniplatform=NZKPT.

He Wentao，Hao Xiaoli，Chen Feng. Carbon footprint evaluation of NEVs based on life cycle:Research progress and prospect[J/OL]. Journal of Dongbei University of Finance and Economics，2021.2021.（2021-11-09）[2022-01-19]. https://t.cnki.net/kcms/detail?v=5RgRpNOg0W11okHBPfgcp66vTHphpintsYMDhpubaD988feqEMdrPk05dUO0Q1ofc3es1forfbTK_8kmPeCRPr9h8q-SJh6MzN-8CM6DIfWRgKNFfyVqtw==&uniplatform=NZKPT

[2]朱瑶洁，盛浩，王建.用车手套箱性能要求综述[J].时代汽车，2018(7):105–107.

Zhu Yaojie，Sheng Hao，Wang Jian. Review of vehicle glove box performance requirements[J]. Auto Time，2018(7):105– 107.

[3]宋云飞，闫美平，郑端，等.HNSAE17291双侧锁止式手套箱动态异响问题研究[C]//第十四届河南省汽车工程科技学术研讨会论 文集 . 濮阳 : 河南省汽车工程学会，2018 ：468-469.

Song Yunfei，Yan Meiping，Zheng Duan，et al. Study on dynamic abnormal sound of HNSAE17291 double side lock glove box[C]// Proceedings of the 14th Henan Provincial Automotive Engineering Science and Technology Academic Seminar. Puyang:AES-Henan， 2018 ：468-469.

[4]艾克.面向碳达峰、碳中和目标的汽车产业实施路线图[J].汽车与配件，2021(22):36–39.

Ai Ke. The implementation roadmap of the automotive industry for carbon peak and carbon neutrality goals[J]. Automobile & Parts， 2021(22):36–39.

[5]韩立军，郭院波.汽车轻量化车身先进连接技术的应用与发展[J].金属加工(热加工)，2021(4):1–6.

Han Lijun，Guo Yuanbo. Application and development of advanced connection technology for automobile lightweight body[J]. MW Metal Forming，2021(4):1–6.

[6]陈晖，周细应，李名尧.模具CAD/CAE/CAM技术的应用及其发展趋势[J].铸造技术，2010(11):1454–1456.

Chen Hui，Zhou Xiying，Li Mingyao. Application and development tendency of mould CAD/CAE/CAM technology[J] . FoundryTechnology ，2010(11):1 454– 1 456.

[7]温广宇.CAD/CAE技术在汽车模具中的应用进展[J].塑料科技，2015(9):57–59.

Wen Guangyu . The progress in the application of CAD/CAE technology in automobile die[]]. Plastic Science and Technology， 2015(9):57–59.

[8]陶俊，翟豪瑞，洪学浩.车门内饰板优化分析及模具设计[J].工程塑料应用，2020，48(1):81–85.

Tao Jun，Zhai Haorui，Hong Xuehao. Optimization analysis and mold design of door trim panel[J]. Engineering Plastics Application， 2020，48(1):81–85.

[9]屈华昌.塑料成型工艺及模具设计[M].北京:机械工业出版社，2007.

Qu Huachang P1astic molding process and mold design[M] . Beijing:China Machine Press，2007.

[10]齐晓杰.塑料成型工艺与模具设计[M].北京:机械工业出版社，2012.

Qi Xiaojie . Plastic forming process and mold design[M] . Beijing:China Machine Press，2012.

[11]洪慎章.注塑成型设计数据速查手册[M].北京:化学工业出版社，2014.

Hong Shenzhang. Quick reference manual for injection molding design data[M]. Beijng:Chemical Industry Press，2014.

[12]张维合.注塑模具设计实用教程[M].北京:化学工业出版社，2019.

Zhang Weihe . Injection mould design practical tutorial[M] . Beijing:Chemical Industry Press ，2019.

[13]张维合.汽车手套箱斗大型注塑模设计[J].现代塑料加工应用，2015，27(8):54–57.

Zhang Weihe . Design of large injection mold for car handschuhkasten[J]. Modern Plastics Processing and Applications 2015，27(8):54–57.

[14]胡开元，陈浪.基于随形冷却的大长径比笔套注塑优化[J].现代塑料加工应用，2021，33(5):51–54.

Hu Kaiyuan，Chen Lang . Injection molding optimization of pensleeve with large aspect ratio based on conformal cooling[J]. Modern Plastics Processing and Applications，2021，33(5):51–54.

[15]闵志宇，李豪，柳翊，等.订书机上盖注塑模具设计[J].工程塑料应用，2021，49(1):109–112.

Min Zhiyu，Li Hao，Liu Yi，et al. Design of injection mold for stapler upper cover[] . Engineering Plastics Application，2021， 49(11):109– 112.

[16]王颖，黄卫庭，黄律，等.汽车座椅内外侧盖板复杂抽芯注塑模具设计[J].工程塑料应用，2021，49(9):87–91.

Wang Ying，Huang Weiting，Huang Lyu，et al. Design of injection mould with complex core pulling mechanism for inner and outer cover of automobile seat[J]. Engineering Plastics Application， 2021，49(9):87–91.

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