汽车热交换系统斜向管口气室模具设计

叶卫文，陈镇森，姜炳春，吴光明

（1.广东科技学院机电工程学院，广东 东莞 523083；2.达兴塑胶模具有限公司，广东 东莞 523000；3.东莞技师学院，广东 东莞 523000）

0 前言

在汽车工业的快速发展和激烈竞争中，汽车已成为大众生活中不可缺少的一部分。随着汽车的数量快速增加，给我们的生活带来便利的同时也产生了环境问题，比如汽车尾气污染。尾气中所含的一氧化碳、二氧化碳等温室气体是造成全球气候变暖的一个重要因素，节能减排、降低尾气排放是低碳时代汽车技术发展的重要方向［1］。

从20世纪90年代开始，汽车热系统的气室也逐渐开始由铝制品开发为聚酰胺/玻璃纤维的塑胶制品，但是由于聚酰胺/玻璃纤维的易变形特性，热系统气室在注射成型后都会发生明显的翘曲变形，热系统气室从注塑机中取出后在完全冷却前需要使用治具装夹后，将产品放在冷水中进行大约10 min左右的矫正才能用于组装，生产效率和品质管控受到比较大的挑战。通过对汽车塑胶功能件斜向管口气室模具的研究，开发出斜向管口气室模具最佳的产品数据，研究设计出一套满足装配需要的管口气室模具制造方案，效果良好。

斜向管口气室有其本身的结构设计方式和要求。首先，由于产品属于功能件，所以材料需要采用PA66/（30%～50%）GF，由于该材料流动性差，在设计斜向管口气室模具时，为减小模具熔接线，要求塑件必须采用单点热流道进行注射生产。其次，塑件的冷却尽可能保证均衡冷却，避免造成塑件在生产过程中因冷却不均衡导致产品不稳定和后期装配使用过程中产生装配应力而发生开裂。为了避免此情况的出现，需要进行斜向管口特征脱模机构的设计，其中，3次滑块机构存在于斜向管口的关键位置。本文重点研究了斜向管口气室的3次滑块机构和预变形技术，提出较为新颖的结构设计思路，可供相关企业参考借鉴。

1 模具成型部件工艺和特点

1.1 现有脱模技术缺点

（1）适用性差。因为产品内部空间狭小，只能设计油缸式的行位，先在滑块内脱模，导致模具尺寸较大，模具制造和维护成本较高。

（2）生产周期长。因为传统的气室模具生产方法是从注塑机中取出产品后，在完全冷却前需要使用治具装夹后，放在冷水中进行大约10 min左右的矫正才能用于组装。

（3）不良品的增加。受到人工放置时间的影响，导致产品治具矫正冷却时间不相同，增加了产品尺寸不稳定性。

（4）综合上述考虑，该产品设计受到制造成本和生产工艺约束，而避免采用PA66/30%GF材料，而选择传统的铝制件，阻碍了塑胶件代替金属制件的轻量化设计进程。

1.2 斜向管口气室参数特征与工艺分析

图1～图2为两种不相同气室产品，模穴为1+1设计，分别为斜向管口气室Q1和循环气室Q2。本文主要研究了斜向管口气室，气室斜管口为37.5°（图3），行位需要沿管口倾斜方向出模，管口口部倒扣量为1.2 mm，导致产品内部可用于设计的空间只有27 mm，增加模具结构设计的难度。

图2 斜向管口气室Q1三维图Fig.2 3D View of oblique tube air chamber Q1

图3 斜向管口气室Q1剖面图Fig.3 Cross-sectional view of the oblique orifice air chamber Q1

该产品分为两个研究方向：（1）模具方面，为了解决产品内部空间狭小和倒扣出模问题，设计了一种新型模具结构，通过3次滑块机构实现模具内部运动脱扣的设计方案。（2）产品方面，结合PA66/30%GF材料的研究，采用产品预变形分析设计，最终产品达到了预期效果，同时解决了该产品生产过程中尺寸不稳定的问题［2］。

1.3 塑件注塑工艺性分析

塑料制件的材质为PA66/30%GF，密度为1.2～1.4 g/cm3。PA66质地轻便，使用温度范围为-30～140 ℃，熔点为290 ℃，在280 ℃左右会软化，其独特性表现在有良好的力学性能、强韧性、耐油性、自我润滑性、摩擦因数小等优点，而其最大的缺点则是吸湿性大而影响尺寸稳定性［3］。其广泛用于制造机械、汽车、化学与电气装置的零件，如齿轮、滚子、滑轮、辊轴、泵体叶轮、风扇叶片、高压密封圈、阀座、垫片、衬套、各种把手、支撑架、电线内层等［4］。该材料拥有代替传统金属的应用前景。

2 模具成型部件结构设计

2.1 分型位置及排气槽

根据该模具型腔与型芯的特点，型芯与型腔均采用嵌入式的整体设计，为了提高模具的寿命，动定模模仁的材料均选择1.2344热作模具钢。因其优异的耐磨性、高强度、高温稳定性和良好的加工性而广泛应用于模具、压铸模、挤压模、塑料模等领域［5］。

为了降低模具的整体成本，动定模模框材料均采用了成本较低的高强度中碳钢S50C。同时为了提高模具的排气效果，防止产品在分型面处发生烧焦等现象，在型腔侧和滑块的分型面上每隔10 mm左右分别设有长宽为3 mm×5 mm深0.03 mm的排气槽，保证熔体在腔体内快速流动时排气顺畅［6］。因为PA66/30%GF在生产的过程中会产生玻纤粉末，容易堵住排气槽，从而导致产品烧焦。因此设计二级排气距离胶位2 mm，并且每个生产班次需要对模具PL面进行清洁保养。

由于汽车都需要安装气室产品，且每款产品都会销往不同的国家，该产品要求达到极冷极热的使用环境，还需要做“老化测试”。因此该产品质量和精度要求非常高，为保证塑件的质量和成型精度，使产品能够顺利脱模，选取塑件截面最大轮廓处作为分型面（图4），而且镶件都设计成面镶，使得生产过程中能够更好地维护保养［7］。

图4 分型面及排气Fig.4 Parting surface and exhaust

2.2 模具整体结构及工作过程

该产品倒扣位置空间狭小，脱模行程较长，不能采用简单结构完成出模［8］。考虑到注塑件的精度和生产效率要求，整体注塑模具结构设计成1模2穴3滑块的设计方案（图5）。

通过3次滑块机构设计实现模具内部3次运动脱扣，同时让管口倒扣位置出模（图6）。当注塑完成后（图7），在前后模开模瞬间，在斜导柱的作用下，小滑块座5先带动管口芯镶件4移动26 mm，完成第一次运动（图8）。此时在斜导柱的继续作用下，大滑块座9带动缩科铲机6和小滑块继续运动15.5 mm，因为大滑块镶件2在限位钉8定在耐磨块1作用下保持不动，所以在缩科铲机的带动下缩科镶件3先下运动9 mm完成倒扣位置的脱扣（通过三角函数计算设计角度30 °，运动距离15.5 mm，即可完成移动9 mm），完成第二次运动（图9）。此时限位钉8已经运动至行位座底面设计的限位处，此时在斜导柱拉动和导向斜面的作用下，限位钉8会往上运动后，解除与耐磨块定位。同时在斜导柱的作用下大滑块座会继续带动小滑块，而且在大滑块座9中行程螺丝10的作用下，带动大滑块镶件2再运动10.5 mm完成第3次运动（图10）。动模移动至注塑机设置好的位置后，通过注塑机拉杆对模具的顶针面板24进行顶出50 mm，机械手会根据设计好的线路取出产品（图11）。

图6 3次滑块机构Fig.6 Three-time slide mechanism

图7 原始合模状态Fig.7 Original closed mould state

图8 第一次运动状态Fig.8 State of the first movement

图9 第二次运动状态Fig.9 State of the second movement

图10 第三次运动状态Fig.10 State of the third movement

图11 气室实物图Fig.11 Physical picture of the air chamber

该模具在实际生产过程中，效率高、空间紧凑、工作安全稳定，塑件成型缺陷较小，有效解决了此类产品出模困难的问题。这是本模具结构设计的一个创新点［9］。

2.3 模具冷却系统的设计

该功能件采用PA66/30%GF，缩水为1.005，塑胶密度为1.2～1.4 g/cm3，产品单重为（73.53+88.61）g，为避免产品卡扣位置出现缺陷，本次设计采用两点整体针阀式热流道设计（图12）。

图12 浇注系统（热流道）Fig.12 Pouring system （hot runner）

在实际生产过程中，冷却时间占据生产周期比重较大，因此控制模具温度对生产效率和产品质量有较大的影响［10］。由于该产品表面积较大，薄壁较厚，为了得到较好的冷却效果，如图13所示在动模侧设计了3组运水，其中后模的运水直径8 mm和滑块运水直径8 mm的立体循环式水路，由于滑块与塑件的接触面积较大，因此滑块也需要冷却，每个滑块中各设计了1组直径为8 mm的立体循环水路，为了简化连接运水工作，采用软管串联滑块运水为1组。定模型腔侧设计了2条直径为10 mm的立体式循环水路。其中塑件有管口镶件，为了加强重要尺寸位置的冷却，设计了2条直径12 mm的带隔水片的水井，以便带走更多的热量（红色为前模运水、绿色为后模运水、紫色面为滑块运水）。

图13 冷却系统Fig.13 Cooling system

3 产品预变形技术

3.1 预变形设计步骤

由于该产品属于功能件，材料为PA66/30%GF，此材料吸湿性大、易变形。传统的制造工艺无法保证生产出合格的产品［11］。为了解决此问题，团队采用产品预变形技术：（1）首先，产品分析小组通过使用Moldflow，进行模拟分析，再凭着多年的注射成型经验设定参数，分析出产品在注射成型时初步的变形趋势和数据。（2）产品设计小组依据Moldflow的数据（图14）和知识数据库相结合计算出实际变形数据（图15）。根据客户的原始产品计算出实际变形数据后对产品进行数学建模。（3）使用新设计产品图档进行模具设计。（4）模具试模完成后，品质管控小组使用专门开发的夹具固定产品，通过特别编制的3次元测量程式测量产品。（5）通过3次元的测量数据和知识数据库相结合，产品设计小组重新优化产品模型（图16）。（6）模具设计小组依据新的产品图档，重新更改模具结构和重新加工模具。（7）使用新模具注塑出的产品直接符合装配需求，不需要进行治具矫正［12］。

图14 斜向管口气室Q1和循环气室Q2 Moldflow X、Y、Z方向变形数据Fig.14 Moldflow X，Y，Z direction variant data of oblique tube air chamber Q1 and recirculation air chamber Q2

图15 第一次预变形设计数据Fig.15 First pre-variation design data

图16 最终预变形产品图Fig.16 Final pre-variation product diagram

通过Moldflow的数据显示（图14），斜向管口气室Q1和循环气室Q2的X轴变形-0.58～0.3 mm，Y轴变形-0.63～0.66 mm，Z轴变形为-0.45～0.51 mm。

由图15可见，通过模流数据与知识数据库相结合计算出实际变形数据，第一次进行预变形设计：斜向管口气室Q1的X轴变形0～0.5 mm，Y轴变形0～0.1 mm，Z轴变形0.1～0.6 mm。循环气室Q2的X轴变形0～0.4 mm，Y轴变形0～0.1 mm，Z轴变形0.1～0.5 mm。

由图16可见，产品设计小组依据3次元的测量数据+知识数据库相结合计算出最终的数据：斜向管口气室Q1的X轴变形0～0.28 mm，Y轴变形0～0.15 mm，Z轴变形0.1～0.9 mm。循环气室Q2的X轴变形0～0.4 mm，Y轴变形0～0.15 mm，Z轴变形0.3～0.8 mm。

3.2 预变形结果

根据上述的实验内容和验证数据，设计出管口气室的最佳产品数据。从最佳数据中可见，斜向管口气室Q1中间部分有骨位支撑，没有发生变形，而循环气室Q2中间部分没有骨位支撑，变形量相对较大（最大0.4 mm）。因此该产品通过预变形优化设计后，有效解决了产品变形的难题［13］。这是本产品预变形设计的一大亮点。

4 结论

（1）传统的设计方案是在普通的滑块中再设计油缸抽芯，在普通滑块运动前，先进行管口垂直方向的脱模，再与普通滑块一同脱出，导致模具和产品成本上升。而本模具设计采用3次滑块机构存在于斜管口的关键位置，实现模具内部3次运动脱扣。有效减小运行故障概率，大幅降低模具制造成本，提高生产效率。

（2）通过预变形技术提出较为新颖的结构设计思路。通过反复验证后，设计出最佳的气室数学模型，有效解决了气室使用聚酰胺/玻璃纤维易变形的特点。

（3）通过生产验证，模具效果良好。该模具结构设计合理，模具动作流畅、空间结构上更加紧凑、工作安全稳定、塑件成型缺陷较小。经过预变形分析设计，产品尺寸稳定，无须治具矫正即可完成生产，有效节省治具和人员成本，让生产效率得到大幅提高。