汽车副仪表板骨架位于汽车驾驶室中间的位置，一般用来放置车辆的换挡机构，同时起隔音效果。由于汽车副仪表板骨架整体结构复杂、尺寸大、产品前后高度落差较大、模具分型面创建的难度较高，产品生产时塑料熔体流动距离较长，充填与排气比较困难，易产生熔接痕与气痕等外表缺陷[1]，不同车型的副仪表板骨架结构也不一样，其对应的模具结构也不同。李世杰等[2]以某款SUV的副仪表板为研究对象，通过模态优化分析、异响分析，使副仪表板整体模态达到目标值。洪维等[3]采用顺序阀热流道技术，利用计算机辅助工程技术对某汽车副仪表板本体进行正装的模具结构设计，并在该模具侧向抽芯的大滑块内部设计斜顶机构，通过模具的开模力驱动，结构巧妙、可靠，解决该副仪表板塑件侧向倒扣的抽芯问题。俞卫东[4]利用CAE技术分析汽车副仪表板塑件成型时的气穴与熔接线，采用两点开放式的热流道浇注系统，并在侧向抽芯机构中在大滑块内部巧妙设计小拉块结构，小拉块将塑件两侧面向外拉开产生微变形，脱出塑件两侧倒扣，利用顶出系统推出，对汽车副仪表板的正装模具进行优化设计。利用了基于3D的设计方法，汽车副仪表板模具的设计周期较长，对浇注系统的尺寸也难以掌控，对结构简单、高效的冷却系统也难以设计[5]。本实验利用CAE技术对某款新能源汽车的副仪表板的浇注系统进行了优化分析，对其注塑模具结构进行了倒装优化创新设计。1塑件材料特性及结构分析某款汽车的副仪表板骨架产品所用材料为上海普力特公司生产的牌号为A422-LG20，材料主要成分为聚丙烯和20%的长玻纤填充物(PP+LGF20)，PP+LGF20是一种力学性能良好的汽车塑料结构件的材料[6-7]。图1为汽车的副仪表板骨架的产品结构。从图1可以看出，产品的外形尺寸为1 082 mm×292 mm×312 mm，体积为2 123 cm3，产品侧面与底部厚度为3 mm。产品的侧向六边形通孔较多，在A区域有9处与脱模方向为52°的斜方孔，在产品的侧面的B位置各有两个深度达20 mm的狗窝特征，C处的卡扣有两个侧向通孔，在拐角F处有侧向的局部倒扣特征，给模具设计都带来很大困难。产品D区域的表面有装饰纹，不能出现银丝、虎皮纹、熔接痕等注塑缺陷，更不能出现浇口，顶杆的痕迹；整个塑件不能有飞边、毛刺，孔位与卡扣的位置变形要小，需满足装配要求[8-9]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F001图1产品结构图Fig.1Product structure diagram2塑件的CAE成型分析可缩放矢量图形(SVG)技术优化了传统的热流道模具技术，原理是在浇注系统的浇口位置设计一个单独控制的阀针，通过气缸或油缸的运动控制浇口的开与关，从而实现按设计的顺序控制塑料流动，在中大型模具中应用广泛[10-11]。由于塑件正面的D区域不能出现熔接痕及浇口的痕迹，可以将浇注系统与顶出系统设计在定模侧，从产品的反面进胶。由于产品的尺寸较大，需采用多浇口设计，通过SVG技术控制产品的成型质量，模具整体属于倒装的结构。图2为顺序阀热流道系统。通过计算机辅助工程(CAE)分析软件优化后，其阀针的打开顺序为先开G1，经过1.84 s后，将产品D区域先填满，同时打开G2与G3，填充产品的其他区域。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F002图2顺序阀热流道系统Fig.2Sequence valve hot runner system图3为塑件CAE分析的部分结果。图3CAE分析结果Fig.3CAE analysis results10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F3a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F3a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F3a3从图3a可以看出，产品D区域最先填充，整个产品经过4.461 s后填满。从图3b可以看出，在成型的6.1 s时锁模力达到最大值为992.6 t。从图3c、图3d可以看出，产品D区域无气穴与熔接痕产生，符合要求，气穴与熔接痕主要分布在产品侧面的通孔位置，需作相应的排气设计。从图3e可以看出，产品整体变形不大，局部边角位置最大翘曲变形为4.772 mm。3模具结构设计3.1主要成型零件的设计成型零件的设计一般在保证模具寿命和强度的前提下尺寸尽量小，以降低模具制造成本。图4为采用的动模整体式结构。由于产品的产量较大，模具钢材采用综合性能较好的718H，材料硬度为33-36HRC，在分型面部位均匀地设计了宽5 mm、深0.02 mm的排气槽，并在模具的四角设计了4个虎口结构，起到合模时定位与锁模的作用，产品在流动成型时，使模具能够承受较大的侧向压力，虎口拔模斜度为6°，尺寸为145 mm×145 mm×80 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F004图4动模的设计Fig.4Design of moving mold图5为定模的设计结构。由于定模主要成型产品的非外观面，为了降低整套模具的制造成本，模仁与模框采用了相拼式的设计，模框采用S50C钢材，模仁整体采用718H，在模仁的浇口处由于温度较高，局部镶拼了S136钢材，该种模具钢具有优良的耐蚀性与耐磨性及耐高温的特点，淬硬时尺寸更加稳定[12]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F005图5定模的设计Fig.5Design of fixed mold3.2动定模抽芯机构的设计塑件整体有多处的倒扣，需设计多种抽芯机构的装置，图1中A处9个方孔的成型零件位于模具动模的型腔侧，图6为特征A的抽芯机构。从图6可以看出，成型小镶针沿孔位的脱模方向设计，通过连接板与滑块固定在一起，由于小镶针成型部位的截面面积较小，产品成型时小镶针所需的锁模力也不会很大，滑块与抽块按T形槽成10°的滑动副连接，滑块与油缸中的活塞杆固定，通过两个行程开关将信号与注射机系统相连，控制活塞杆的运动距离，使小镶针的抽芯距离达到8 mm，满足脱模需求。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F006图6特征A的抽芯机构Fig.6Core pulling mechanism of feature A在图1中B处有两处侧向倒扣深度达20 mm的狗窝特征，其抽芯距离至少达到22 mm。常规设计方法是在大滑块的内部设计小斜顶的机构，但由于该抽芯距离较长，会使小斜顶的工作角度变大，容易在工作过程中卡死，造成模具不能正常工作，图7为特征B的抽芯机构。从图7可以看出，抽芯块与小滑块通过T形槽构成滑动副连接，图8为该机构的运动原理。从图8可以看出，滑动副与小滑块运动方向(L2)的角度为25°，由于抽芯块的抽芯距离达到了L3=22 mm，该区域的空间距离有限，为了降低斜导柱的工作长度，斜导柱的工作角度设计为28°，计算其工作长度为L1=123 mm，根据强度计算公式可得斜导柱的工作直径为25 mm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F007图7特征B的抽芯机构Fig.7Core pulling mechanism of feature B10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F008图8抽芯块的运动原理图Fig.8Schematic diagram of core pulling block movement产品侧面有较多的侧孔，加强筋等特征，需设计侧向运动的大滑块零件，由于大滑块与图7中的小滑块不能同时运动，因此不能采用传统的斜导柱抽芯机构，直接靠开模力来驱动大滑块，图9为大滑块+油缸的抽芯机构。从图9可以看出，由于大滑块的长度达到了800 mm，左右两侧的高低落差较大，为保证大滑块运动的平稳性，每个大滑块都通过两个方形油缸来驱动，并在滑块底部安装了两根采用黄铜制造的带自润滑功能的导滑条，通过调整两个行程开关的距离，从而控制大滑块的抽芯距离。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F009图9大滑块+油缸的抽芯机构Fig.9Core pulling mechanism of large slider+oil cylinder该塑件属于大型薄壁塑件，为避免图9中的大滑块抽芯时因塑件包紧力太大，产品侧面粘住大滑块而跟随其移动造成变形。图10为在模具两侧的大滑块内部设计的延时抽芯机构。弹簧在大滑块运动前始终处于压缩的状态，当抽芯方油缸拉动大滑块开始运动的前7 mm时，由于压块跟大滑块固定在一起，所以弹簧一直顶住基座，使成型镶杆不动，顶住产品防止其变形。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F010图10延时抽芯机构Fig.10Delayed core pulling mechanismF区域复杂的倒扣特征位于产品侧面，其脱模结构只能在大滑块内部，图11为F区域的抽芯机构。从图11可以看出，将常规斜导柱侧抽机构进行优化设计，成型方杆沿其脱模方向设计，为了给成型方杆提供更大的锁模力，成型方杆的尾部与滑块的头部成垂直接触，通过T形槽构成滑动副连接，滑块通过斜导柱驱动。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F011图11F区域的抽芯机构Fig.11Core pulling mechanism of feature F图12为成型方杆1的工作原理。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F012图12成型方杆1的工作原理图Fig.12Working principle diagram of forming square bar 1从图12可以看出，斜导柱的工作角度为10°，工作长度L1=40 mm，滑块的运动距离为L3=8 mm，成型方杆1的运动距离为L2=9 mm，满足该位置的抽芯要求。3.3产品脱模系统的设计图13为模具顶出机构。从图13可以看出，设计“直顶块+斜顶块+万向滑座+顶针+顶管”的方式，包含Φ16 mm的直顶针21根，Φ12mm的直顶针9根，4根Φ8 mm×Φ5 mm的顶管，2根Φ20 mm 的直顶杆+直顶块组合，2根Φ22 mm 的斜顶杆+斜顶块的组合。由于模具采用倒装的结构，开模后产品留在了定模，因此顶出系统的动力不能采用注射机自带的顶杆，而在模具的定模A板上固定两个Φ45 mm×125 mm的油缸（油缸活塞直径为45 mm，最大轴向行程125 mm）作为动力源，再将油缸的活塞杆与顶针板通过压板连接在一起，从而带动整个脱模系统顶出产品。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F013图13顶出机构Fig.13Eject mechanism3.4冷却系统的设计由于该产品形状前后两侧落差较大，模具结构复杂，所以该模具冷却系统的设计采用“直通式管道+水井+隔水片+集水块”的组合形式，图14为冷却系统的设计。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F014图14冷却系统的设计Fig.14Design of cooling system从图14可以看出，在模具零件上有足够空间位置的条件下优先使用直通式的水路，在深腔部位采用隔水片+水井的形式，使塑件冷却更加均匀，质量更好，模塑周期更短。由于在定模仁内部设各种顶出零件及镶块，空间有限，只设计11组直径为15 mm的循环水路。在动模仁内部设计17组直径为15 mm的水路，在深腔位置设计直径为24 mm水井+隔水片的水路，由于塑件两侧的大滑块与高温的熔融塑料接触较多，为防止大滑块长时间工作受热变形而无法工作，在每个滑块内部在不与其他零件有干涉的情况下设计两组直径为15 mm的直通式环形回路，起冷却效果。为了实现快速换模需要，将动定模所有的进水口与出水口分别集中到各自直径为22 mm的集水块中。4模具的装配图与工作原理图15为模具装配图。图15模具装配图Fig.15Mold assembly drawing10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F15a1(a)A-A剖视图10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F15a2(b)B-B剖视图10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F15a3(c)定模10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.02.016.F15a4(d)动模总体尺寸为1 810 mm×1 280 mm×1 308 mm，属于中大型精密薄壁类的汽车注塑模具。模具工作原理为：模具通过定位圈安装固定到注射机上，将热流道系统中的加热线圈接线口与液压换向阀的油路接口与注射机控制系统相连。热流道加热至设置温度后，顺序阀控制G1阀针先打开，注射机料筒的熔融塑料通过G1浇口快速流入模具的腔体。经过1.84 s后，在顺序阀作用下，浇口G2与G3同时打开，塑料熔体迅速充满模具后，经过一段时间保压补缩，所有浇口关闭，产品开始冷却。随着冷却时间结束，模具上抽芯油缸开始工作，通过抽块拉动滑块，使与其连接的小镶针完成抽芯运动。动模底板在注射机的作用下开模，与动模固定的两处斜导柱带动各自的滑块，完成产品的抽芯运动；开模结束后，大滑块两侧的抽芯油缸开始通入液压油工作，带动大滑块完成产品的侧面抽芯，在定模两侧顶出油缸的作用下，顶针板沿着内导柱推动整个顶出机构将产品缓慢顶出，待机械手将塑件取出之后，顶出系统先行复位，然后大滑块复位，模具合模，最后抽芯油缸推动小镶针复位，开启下一次的注塑循环。5结论模具采用3点针阀式热流道直接浇口的浇注系统，由于产品外观质量的要求，将顶出装置设置在定模。模具整体属于倒装式的结构，针对不同的倒扣特征与结构，分别设计了不同的复合抽芯机构，并为了防止产品侧面粘住大滑块，在大滑块内部设计了延时抽芯结构。在顶出系统方面采用了“直顶块+斜顶块+万向滑座+顶针+顶管”的复合顶出装置，保证了产品的顺利脱模。模具冷却系统纵横交错地布置在产品周围，冷却效果良好。模具试模后，产品各方面均符合技术要求，证明该模具结构设计合理，为类似结构的模具设计提供参考。