汽车保险杠是汽车塑件产品中重要的外观件之一，产品内部结构复杂，装配要求高。汽车后保险杠注塑模具属于大型复杂的注塑模具，无论是设计难点、制作精度要求，还是模具质量尺寸、模具价格，都属于注塑模具行业制造的较高水平[1-2]。关于汽车保险杠模具设计方面，已有研究人员进行相关探究。褚建忠[3]以内分型结构的保险杠注塑模具为研究对象，将分型线置于产品不可视面，明显改善了保险杠产品的外观品质。采用多点顺序阀浇注方案，有效消除了产品外观面的熔接痕。尹红灵等[4]以汽车保险杠模具为研究对象，重点介绍了保险杠模具的内分型技术、热流道顺序阀进浇方案、模具的三级顶出系统以及模具随形冷却水路系统。温煌英等[5]以汽车前保险杠塑件为研究对象，设计了一套热流道成型的复杂抽芯注塑模具。通过采用侧向抽芯机构、斜顶脱模机构和导向定位机构，成功解决了保险杠多方向扣位脱模难的问题。本实验主要针对某款汽车后保险杠塑件结构特性和注塑成型技术要求，设计了一副汽车后保险杠注塑模具，模具设计了开模同步顶出机构，结合大斜顶抽芯机构、大斜顶内拉块脱模机构、大斜顶内小斜顶抽芯拉板脱模机构、小斜顶内滑块机构和大直顶顶出机构和小直顶斜抽芯机构来完成脱模问题。1塑件结构和工艺性分析某汽车后保险杠注塑成型塑件是一个两端有较大曲面弧度，中间还有两个大缺口的半包围U型结构，包括各种方向的大小倒扣和侧扣，分型面落差大，产品的外形的长宽厚尺寸为305 mm×1 880 mm×635 mm，平均壁厚为3.2 mm，质量为1 560 g，属于复杂形状和结构的大型注塑件产品。模具设计的难点包括：（1）产品进胶方式的设计。（2）产品的前模正面和侧面倒扣脱模的问题。（3）产品的后模两侧大的倒扣及周围侧面小的扣位，如：侧扣A、侧扣B、侧扣C、侧扣D的脱模问题。（4）顶出系统的设计。图1为汽车后保险杠塑件的产品结构。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.019.F001图1汽车后保险杠产品结构Fig.1Structure of automobile rear bumper product2浇注系统设计+模流分析2.1浇注系统设计汽车后保险杠属于外观件，对外观面的光洁度要求高，不能有浇口印、缩水痕等注塑缺陷[6]。通过分析产品的形态和结构特点，模具设计了一模两穴的布局，采用热流道为主流道，每个产品设计了7个顺序阀热嘴配合隐蔽的搭底进胶形式。采用每个产品7个顺序阀热流道方式，进胶顺序为G1→G3→G5→G7→G9→G11→G13。通过精准控制每一个进胶点开合时间，精准控制每两个进胶点之间胶料在相同注射压力下的熔接位置，以调节熔接线，保证塑件的成型质量。采用隐蔽的搭底进胶方式，保证产品正面不留浇口痕迹，图2为浇口位置分布设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.019.F002图2浇口位置分布设计Fig.2Gate location design2.2模流分析采用模流分析软件对塑料材料PP特性进行分析，对产品浇口的位置和规格、注射时间、注射压力、锁模力、熔接线等其他参数进行分析。产品所需填充时间为3.60 s，当塑件体积填充为98.0%，v/p压力为48.97 MPa。保压进行时，最大锁模压力为2 983.8 kN。塑件外观面无明显熔接痕，扣位引起熔接痕较短但不可避免，熔接痕产生在塑件非外观面上，符合汽车保险杠外观要求。产品外观面无明显长结合线，产品变形值在成型所需压力的合理范围内[7-8]，图3为模流分析塑件变形值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.019.F003图3模流分析塑件变形值Fig.3Moldflow analysis plastic deformation value3模具结构总体设计3.1大斜顶抽芯机构和大斜顶内拉块脱模机构的设计汽车后保险杠两端的曲面弧形的内部和外部在脱模方向有倒扣，图4为产品两端内部扣位。后模倒扣无法直接通过内滑块抽芯实现脱模，所以使用大斜顶脱模机构。难点在于前模倒扣为外观面，无法做侧分型机构，只能将前模倒扣留在前模型腔内，待开模后再脱出倒扣。为实现前模倒扣顺利脱模，设计了大斜顶内拉块脱模机构，该机构需要与开模同步机构配合，其作用是保证前模倒扣正常脱出和固定产品的相对位置，同时防止产品黏住大斜顶，保证大斜顶上的倒扣顺利脱模[9]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.019.F004图4产品两端内部扣位Fig.4Product internal buckle at both ends图5为大斜顶抽芯机构和大斜顶内拉块脱模机构的设计。工作原理为：模具注塑成型完成开模时，开模同步机构在一次顶针板的带动下大斜顶、大直顶以及二次顶针板向上顶出，拉块A随着大斜顶的运动沿着导轨A的轨迹运动，在顶出过程中拉变形产品脱出前模倒扣并定位产品。同步顶出机构的作用是将产品固定在前模，防止开模时前模型腔倒扣脱伤。大斜顶杆固定在一次顶针板上，整个顶出过程中只参与一次开模同步顶出和一次顶针板顶出的两次顶出动作。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.019.F005图5大斜顶抽芯和大斜顶内拉块脱模机构Fig.5Large inclined roof core pulling and large inclined roof internal pulling block demoulding mechanism3.2大斜顶内小斜顶抽芯拉板脱模机构和小斜顶内滑块抽芯机构对于该产品侧面的前模倒扣侧扣A的脱模，采用小斜顶抽芯拉板的脱模方式解决。图6为大斜顶内小斜顶抽芯拉板脱模机构和小斜顶内滑块抽芯机构。图6大斜顶内小斜顶抽芯拉板脱模机构和小斜顶内滑块抽芯机构Fig.6Large inclined roof internal small inclined roof core pulling plate demoulding mechanism and small inclined roof inner slider core pulling mechanism10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.019.F6a1(a)产品前模倒扣和侧向扣位图10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.019.F6a2(b)大斜顶内小斜顶拉板脱模机构10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.019.F6a3(c)导轨B运动轨迹10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.019.F6a4(d)小斜顶内滑块抽芯机构其工作原理是大斜顶顶出带动小斜顶（拉块B）在斜拉杆B的作用下沿着导轨B的轨迹运动脱出前模倒扣和侧扣A，小斜顶（拉块B）带动内滑块脱出倒扣B。3.3直顶斜抽芯机构汽车后保险杠的两外围侧面均有多个小扣位，不在一个水平面上，呈弧形不均匀分布，图7为产品扣位。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.019.F007图7产品扣位Fig.7Product buckle为解决产品两外围侧扣C和侧扣D多个小扣位脱模问题，设计采用直顶斜抽芯脱模机构完成脱模，图8为直顶斜抽芯机构。此模具相比传统的整体斜顶的优点包括：（1）占用空间小，装配更简单。（2）加工方便，制作成本低。（3）后期更换维修方便。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.019.F008图8直顶斜抽芯机构Fig.8Straight roof inclined core-pulling mechanism3.4大直顶推出机构图9为大直顶顶出机构。从图9可以看出，将整个后模分成了三部分，两端分别一个大斜顶，中间部分为后模仁（大直顶）。一次同步顶出时，该设计保证产品可以均匀、平衡地顶出并固定在前模，大面积顶出以保证产品的变形量小使产品的形状和尺寸符合要求。二次顶出时后模仁（大直顶）随着大斜顶继续顶出，除了保证产品的顶出平衡外，另一个作用是给大斜顶顶出留出脱模空间，保证后模倒扣正常脱模[10-11]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.019.F009图9大直顶顶出机构Fig.9Large straight roof ejection mechanism3.5同步机构和顶出机构汽车后保险杠的模具前模型腔有倒扣，为保证产品脱模时不被拉伤，设计了开模同步顶出机构。因氮气弹簧和同步顶出大油缸在模具实际生产的过程中出现失效或延时的情况，增设了同步拉钩机构，以保证一次开模同步顶出时保持同步。其组成和工作原理：同步拉钩由拉钩杆、拉钩块、拉钩挡块、销钉转轴、拉钩导轨、拉钩滚子和拉钩滚子轴组成。拉钩导轨上设有轨迹槽，拉钩滚子轴安装在拉钩导轨轨迹槽中，在开合模时顶针板的顶出和复位过程中，拉钩滚子轴沿着拉钩导轨上的轨迹槽运动；拉钩滚子轴上装有拉钩滚子（轴承），保证拉钩滚子轴在运动过程动作的顺畅，不会被卡死；销钉转轴将拉钩杆固定在顶针板上，拉钩杆可沿着销钉转轴转动，拉钩块固定在拉钩杆上与拉钩杆形成一个整体；拉钩挡块固定在A板上，合模状态下，拉钩块钩住拉钩挡块；当开模顶出时，拉钩杆随着顶针板向上运动，在同步顶出段，拉钩块和拉钩挡块始终保持扣紧状态，保证开模同步顶出的百分之百同步；开模顶出继续，拉钩杆在拉钩导轨的作用下向外转动，此时拉钩块脱离拉钩挡块，直到模具完全打开。合模时压回锁死，如此循环。图10为同步拉钩机构结构示意图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.019.F010图10同步拉钩机构结构Fig.10Structure of synchronized hook mechanism3.6模具结构设计汽车后保险杠模具设计为一模两穴的模具结构。前模设计为整体式型腔，在保证模具结构强度的同时有利于减小模具的整体尺寸；后模采用后模仁（大直顶）8和大斜顶22相结合，做成镶拼组合式后模，利于模具结构中的三次顶出设计。在B板10分型面上镶平衡块保证模具受到均匀的注射压力，分别在前模仁（A板）5和B板10的四周位置都设计虎口定位结构，承受注塑时产生的侧向力，同时也保证合模时的装配精度。模具外形的长宽高尺寸为：2 980 mm×1 845 mm×1 750 mm，其质量约为35 600 kg，属于超大型注塑模具[12]。图11为模具总装图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.019.F011图11模具总装图Fig.11Mold assembly drawing注：1-定位法兰；2-面板；3-热流道型腔板；4-热流道分流板；5-前模仁（A板）；6-热咀；7-方形导柱；8-后模仁（大直顶）；9-大直顶顶杆；10-B板；11-方铁；12-底板；13-一次顶针板；14-二次顶针板；15-支撑柱；16-斜抽芯直顶杆；17-集水器；18-斜抽芯T型连接块；19-斜抽芯块；20-小直顶顶杆；21-小直顶；22-大斜顶；23-大斜顶顶杆；24-大斜顶导柱；25-大斜顶座压板；26-大斜顶座；27-拉块A；28-拉杆A；29-导轨A；30-冷却水路；31-热流道线束盒；32-二次顶出大油缸；33-一次顶出大油缸（开模同步）；34-三次顶出小油缸；35-中托司；36-氮气弹簧；37-同步拉钩4模具注塑成型过程图12为小直顶顶出机构。图13为模具顶出过程。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.019.F012图12小直顶顶出机构Fig.12Small straight roof ejection mechanism10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.12.019.F013图13模具顶出过程Fig.13Mold ejection process此套模具一次完整的开合模过程为：当模具完成注射冷却需开模完成顶出取件，在模具开模的一瞬间，一次顶出大油缸（开模同步）33和氮气弹簧36为一次同步顶出的一次顶针板13提供顶出动力，大斜顶顶出机构和大直顶顶出机构随着一次顶针板13主动顶出，直顶斜抽芯机构和小直顶顶出机构随着一次顶针板13的一次开模同步顶出而被动顶出。同步拉钩37保证一次顶针板的同步顶出和开模百分之百同步，大斜顶内拉块脱模机构、小斜顶抽芯拉板脱模机构和小斜顶内滑块抽芯机构在此段同步顶出中保持位置不动，将产品在一次同步顶出段固定在前模仁内，防止开模时产品被拉伤。一次开模同步顶出完成，开模继续进行，同步机构在同步顶出结束后拉钩块在拉钩导轨的作用下沿销钉转轴旋转脱出拉钩挡块，开模加速打开。开模完成后，二次顶出大油缸32推动一次顶针板13实现模具的第二次顶出。在第二次顶出过程中，大斜顶内拉块脱模机构中的拉块A27随着大斜顶22的顶出动作，在拉杆A28的作用下沿着导轨A29的轨迹线运动，产品拉变形后脱出前模型腔倒扣，进行一段距离后再将产品送回原始位置，此状态直到二次顶出结束。小斜顶抽芯拉板脱模机构中小斜顶（拉块B）随着大斜顶22的顶出动作，在斜拉杆B的作用下沿着导轨b的轨迹线运动。脱出前模型腔倒扣，继续脱出后模小扣位，此过程中小斜顶内滑块抽芯机构中的小斜顶（拉块B）与大斜顶22错开的空间逐渐加大，滑块获得行程空间在弹簧的作用下脱出倒扣，脱模完成后小斜顶（拉块B）和滑块保持动作直到二次顶出完全结束。大斜顶22会在二次顶出完成时脱出后模大倒扣。二次顶出完成后，三次顶出小油缸34推动二次顶针板14带动直顶斜抽芯机构和小直顶顶出机构做第三次顶出动作，三次顶出完成后直顶斜抽芯机构脱出所有后模小倒扣，产品从后模仁（大直顶）8中顶出，留在9个小直顶上，等待机械手取件。取件完成后三次顶出小油缸34复位，二次顶出大油缸32复位，同步顶出段一次顶出大油缸33复位和锁模压回氮气弹簧36同步进行，整个开模顶出和合模过程全部完成。5结论（1）采用开模同步顶出机构、大斜顶抽芯机构和大斜顶内拉块抽芯机构组合脱模，保证了前模倒扣的顺利脱出，通过拉板实现产品定位，以达到产品顺利脱出大斜顶且不黏模，同步机构保证开模顶出同步一致。（2）采用顺序阀热流道系统转冷流道成型，有助于塑件的成型，为保证均衡进料，减小注射压力，顺序阀控制模具夹线位置影响外观品质，采用隐蔽的搭底进胶方式。（3）模具采用直顶斜抽芯脱模机构设计脱模，在脱出倒扣的同时优化了模具结构，降低了制作成本，简化了后续生产过程中的维修难度。（4）模具采用三级顶出系统分级无延时顶出，保证了产品各个倒扣的顺利脱出，且不黏模，顶出平衡变形较小，取件容易，达到最初设计要求。