随着汽车、家用电器及航空航天等行业的不断发展，大型塑件的应用更加广泛，其外形尺寸较大，结构复杂，成型工艺要求高[1]。为了制备合格的产品及降低生产成本，大型模具的设计尤为重要。大型注塑模具的设计水平决定塑件质量。一般注塑模具设计前需进行CAE分析，辅助确定最佳浇注系统，排除模具潜在的问题以及降低模具制造前的风险等[2-5]。张维合等[6]运用模流分析软件确定大型模具合理浇注系统，设计“油缸+T形块+滑块”的抽芯机构成功解决倒扣多、脱模困难等问题。洪维等[7]设计“油缸+滑块”组合抽芯机构，解决了大型模具长距离抽芯的难题。冯倩等[8]设计“油缸顶出+推杆+斜顶+推块”的组合脱模机构，解决了大型塑件脱模困难问题。目前，关于大型注塑模具设计的文献较少，以往研究侧重于将大面积侧抽芯机构设计在动模一侧，抽芯机构及推出机构都采用液压油缸进行驱动，对于定模大范围机械式抽芯、氮气弹簧驱动推出机构及多点针阀斜顶进胶的方式研究较少。本实验选取典型的汽车尾翼本体大型塑件作为研究对象，设计7点针阀斜顶进胶、大型型腔抽芯机构的注塑模具，为模具设计提供思路。1塑件结构工艺分析图1为汽车尾翼本体的零件图。所用材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)，收缩率取0.45%。零件最大外形尺寸1 317 mm×170 mm×295 mm，主壁厚3.0 mm，局部壁厚3.5~4.5 mm，加强筋处壁厚0.8 mm，长度与宽度方向比例相差较大，属于大型-零件，尺寸精度要求达到MT4级(GB/T 14486—2008)。由于产品两侧对称，只分析一侧结构。产品外侧面T1~T15为装配孔，这些孔的出模角度不统一，部分存在倒扣，若进行整体抽芯，会使抽芯受力面积过大，承受不住注塑压力，合理设计抽芯机构尤为重要。T16~T19为产品内侧倒扣，深度15 mm，高度58 mm，采用常规斜顶抽芯不利于研配与生产。产品外侧有36处加强筋，内侧有不同形状的加强筋，共40处，这些都为产品脱模增加难度。由于产品U形设计，若无法有效冷却，将导致局部区域热积，产品成型受热不均导致产品变形。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.021.F001图1汽车尾翼本体零件图Fig.1The automobile tail wing body parts2塑件的浇注系统设计与模流分析2.1浇注系统设计成型的塑件属于中大型塑件，为保证尾翼本体外观质量，避免出现流动迟滞、短射及熔接线等现象，图2为模具浇注系统。从图2可以看出，热流道+冷流道组合式的浇注系统可以有效改善熔体在型腔内的流动性，节省原材料，满足充模要求，保证了塑件的成型质量[9-11]。表1为顺序阀开启时间。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.021.F002图2模具浇注系统Fig.2Gating system of the injection mold10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.021.T001表1顺序阀开启时间Tab.1Opening time of sequence valve阀针G1G2G3G4G5G6G7开启时间01.41.42.82..83.63.6ss2.2模流分析为了验证浇注系统合理性，用Moldflow软件进行模流分析。图3为有限元分析模型。三角形单元为101 400个，节点数为50 598个，共用边为152 100个，多重边为0，匹配百分比为90.3%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.021.F003图3有限元分析模型Fig.3Finite element analysis model2.2.1熔接线分析熔接线为料流间交汇而未完全熔合所形成，汇合角度越大熔接线越不明显，当角度大于135°形成熔合线，其肉眼不可见，合格塑件要避免外观面和零件受力区域有明显熔接线[12]。图4为汽车尾翼本体充填时熔接线分布。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.021.F004图4汽车尾翼本体充填时熔接线分布Fig.4Welding line distribution of automobile tail wing body filling从图4可以看出，零件外观面无明显熔接线，总体符合外观要求。料流交汇处熔接线无法避免，由于大部分熔接线汇合角度大于120°，熔接线不明显。个别熔接线处设计排气镶件加强排气，淡化熔接线。2.2.2缩痕分析缩痕为塑件表面的局部塌陷，是冷却过程中局部区域收缩过大而产生，合格塑件的缩痕深度应小于此处壁厚的1/5[13]。图5为汽车尾翼本体缩痕分布。从图5可以看出，塑件整体无明显缩痕，局部表面有轻微缩水现象，但缩痕深度均小于0.015 mm，可通过产品连接处壁厚减胶优化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.021.F005图5汽车尾翼本体缩痕分布Fig.5Shrink mark distribution of automobile tail wing body2.2.3总变形量分析翘曲变形是指塑件的形状与模具型腔的形状不同，对于大型塑件要满足最大翘曲变形量不超过5 mm的装配与生产要求[14]。通过CAE分析可知，塑件X方向最大变形量为3.0 mm，Y方向最大变形量为3.3 mm，Z方向最大变形量为2.2 mm。图6为汽车尾翼本体总变形量分布。从图6可以看出，最大变形量约为4.045 mm，塑件整体无明显翘曲，符合相关设计要求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.021.F006图6汽车尾翼本体总变形量分布Fig.6Total deformation distribution of automobile tail wing body3模具结构设计3.1成型零件和排气系统设计尾翼本体模具的定、动模都采用整体结构，定模A板材料为718H预硬模具钢，硬度为33~37；动模B板所用材料为P20预硬模具钢，硬度为30~33。为了满足产品表面质量要求，型芯与型腔粗糙度均需达到一定标准。在动模B板上设计23块承压板，方便模具制造、维修以及合模时压力均匀分布，提高模具使用寿命[15]。汽车尾翼注塑成型时若不能及时排出型腔内气体，产品表面会出现流痕、气纹、接缝或局部飞边等缺陷；在壁厚的位置易出现气泡，导致产品强度下降；困气严重的位置也会出现烧焦现象，这些都影响产品表面质量及强度。图7为汽车尾翼本体模具排气系统。从图7可以看出，本模具主要通过分型面上的排气槽进行排气，所有排气槽设在定模A板上，由一级排气槽、二级排气槽与三级排气槽组成。排气槽总数量有55处，一级排气槽宽度10 mm，深度0.02 mm；二级和三级排气槽宽度10 mm，深度0.5 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.021.F007图7汽车尾翼本体模具排气系统Fig.7Exhaust system of the injection mold of automobile tail wing body3.2侧向抽芯机构设计由于塑件外侧与内侧面均存在大量加强筋、卡扣、侧孔等特征，需要设计相应的侧抽机构。侧向抽芯机构是本模具设计的核心结构。塑件外侧面的36处加强筋和30处孔位出模角度不统一，产生大面积倒扣，需要设计定模抽芯机构。这些定模抽芯机构大部分是运用斜导柱或液压油缸驱动大滑块，完成抽芯。这些驱动方式的缺点是定模结构设计复杂、驱动耗时，使模具成本增加。为解决这一问题，经反复论证和试验，设计定模机械式抽芯机构，由于塑件结构对称，只需分析一侧抽芯机构。图8为外侧面装配孔处机械式抽芯机构。从图8可以看出，固定块1锁付在框板上，固定块2锁付在前模A板上，T形块和大滑块螺钉紧固共同锁付在固定块2上。当第一个分型面打开，前模A板中固定块2带动大滑块在固定块1中T形槽运动。当定距分型机构在开模方向运动42 mm，大滑块侧向运动35 mm，完成抽芯动作。由于此处滑块整体尺寸较大，需要具有良好的排气，在大滑块上设一级排气槽和二级排气槽，其中一级排气槽深为0.03 mm，宽为8 mm，二级排气槽深为0.05 mm，宽为10 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.021.F008图8外侧装配孔处机械式抽芯机构Fig.8Mechanical core pulling mechanism at outer assembly hole图9为塑件外侧面末端机械式抽芯机构。T形块锁在前模A板，拉钩锁在后模B板，氮气弹簧、导向杆、承压板和挡块锁在滑块上。当第二个分型面打开时，在开模力和氮气弹簧产生的弹力作用下，B板带动拉钩往开模方向运动，挡块将力传递到大滑块，导向杆和T形块为滑块导向，完成侧向抽芯动作。导向杆上设油槽，润滑效果更好；承压板为黄铜石墨材料，运动时可以自润滑。为了防止填充时塑件末端困气，在滑块上开设8条深0.025 mm，宽8 mm的排气槽。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.021.F009图9塑件末端机械式抽芯机构Fig.9Mechanical core pulling mechanism at the end of plastic part尾翼本体内侧面有T1~T11，共11处倒扣特征，这些特征的出模均用“斜顶杆+顶块”的侧抽芯机构。图10为内侧抽芯机构。本模具斜顶杆最大长度约为600 mm，解决斜顶杆太长导致的研配与生产不稳定是一大难题。在顶块上设计倒“八”形状凸台可有效解决这一难题，顶出稳定可靠，为同类模具设计提供有益借鉴。另外，为了顶出时润滑更充分，所有斜顶杆上均开设油槽。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.021.F010图10塑件内侧抽芯机构Fig.10Mechanical inner core pulling mechanism of plastic part3.3导向定位系统设计尾翼本体属于大型精密注塑模具，在模具工作过程中必须要有精准的导向定位系统。为此模具布置4支Φ79×800 mm圆导柱导向；考虑尾翼本体注塑完成时取出方便，导柱安装在前模侧。在四周设计了6组0°精定位块。由于尾翼本体外形呈U型，模具分型面有一定的高度差，为了生产过程中受力均衡，模具平稳运行，在型腔四周设计了防止侧滑的止口定位结构。图11为导向定位系统。为了前模A板与框板之间先于前模A板与后模B板打开，设计了4套定距分型装置，当此装置在开模方向运动42 mm时，第二分型面开始打开。在模具二次分型时，只靠导柱撑型腔容易咬死，所以为防止型腔下坠，在地侧、操作侧和反操作侧均设计承重块。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.021.F011图11模具导向定位系统立体图Fig.11Stereogram of the mold guiding and positioning system3.4脱模系统设计尾翼本体外侧与内侧面均有大量加强筋，所需脱模力较大。为避免产品产生顶白顶裂现象，设计合理的脱模系统尤为重要。本模具设计“顶杆+顶管+直顶块+斜顶块+流道钩针”组合脱模机构。图12为脱模系统立体图。为提高顶出效率，将4个氮气弹簧通过KO孔固定于推件底板，当动、定模打开后，注射机顶辊推动氮气弹簧，带动推件固定板上的系列顶出装置完成塑件的脱模；完成后有氮气弹簧驱动推件固定板和推件底板复位，在6根复位杆的作用精确返回原位。与液压油缸的方式相比，采用“顶辊+氮气弹簧”驱动和复位推件机构的方式，顶出复位时间降低约35%，更加节约时间，缩短成型周期，提高生产效率。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.021.F012图12模具脱模系统立体Fig.12Stereogram of mold demoulding system3.5温度控制系统设计尾翼本体结构较复杂，长度和宽度方向尺寸相差较大，产品脱模后容易发生变形，需设计合理的温控系统保证塑件成型质量和成型周期。为保证模具冷却均匀，温度均衡。图13为本模具设计的直通式水管、倾斜式水管和隔片式水井组成的类似“随形水路”的冷却系统。定模4个大滑块和热射咀区域均有独立的冷却回路。各冷却水管之间距离保持在45~60 mm，模具冷却水流向和熔料流向保持一致。设计的温控系统较合理，冷却充分均匀，温度均衡；采用先进的顺序阀热流道浇注系统，使成型产品尺寸及外观质量均达到设计要求，成型周期控制在30 s以内，与同类型模具相比下降10%，产品尺寸精度达到MT4(GB/T 14486—2008)，尾翼本体最大变形量由5.2 mm降至4 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.021.F013图13模具冷却系统Fig.13Mold cooling system4模具工作过程图14为汽车尾翼本体装配图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.11.021.F014图14汽车尾翼本体注塑模具结构Fig.14Injection mold structure of automobile tail wing body从图14可以看出，采用7点顺序阀控制的斜顶成型进胶方案，模具总体尺寸为1 800 mm×1 170 mm×1 316 mm。工作过程如下：熔料从一级热嘴2进入热流道板3，在顺序电磁阀控制下打开二级热嘴阀针，按照G1➝G2/G3➝G4/G5➝G6/G7次序填充型腔。待熔料填充型腔完毕，经保压补缩、冷却固化后，在注射机开模力和氮气弹簧6共同驱动下，模具开始缓慢打开。在定距拉杆34控制下，模具先从第Ⅰ分型面打开，开模距离达42 mm，塑件外侧装配孔大范围机械抽芯动作完成。动模继续后退，第Ⅱ分型面打开，塑件外侧末端机械抽芯完成，内侧11处斜顶块与产品倒扣脱离。开模距离达140 mm时，注射机顶辊推动顶针垫板21和顶针板22，带动全部顶杆、斜推杆及流道钩针，将塑件及流道凝料顶出，机械手抓取塑件，完成脱模。氮气弹簧25带动顶针板22和顶针垫板21先行复位，注射机带动动模合模，各机构恢复到开模前状态，模具开始下次注塑成型。5结论模具采用一模一腔的布局，运用7点针阀热流道浇口斜顶成型进胶的浇注系统。针对塑件外侧倒扣多、抽芯面积大及脱模困难的难题，设计了“拉钩+导向杆+氮气弹簧+滑块”和“T形块+固定镶块+滑块”的定模机械式抽芯机构，模具结构更紧凑。为了节省顶出复位时间，采用“顶辊+氮气弹簧”组合方式驱动和复位顶出机构，安全可靠。塑件存在大量倒扣及加强筋，所需脱模力较大，为避免塑件产生顶白顶裂现象，模具设计了“顶杆+顶管+直顶块+斜顶块+流道钩针”组合脱模机构。采用“直通式水管+隔片式水井”组成的类似“随形水路”的冷却系统，成型周期缩短约10%。