（廣東科技學院，廣東東莞523000）

摘 要：根據新能源汽車的儲物箱蓋板的結構特點，圍繞質量、效率、成本、環保四大維度進行模具結構創新設計。通過隨形加強筋結構優化，將塑件平均壁厚從2.5mm降至2mm，材料節省約15%，滿足了新能源汽車輕量化要求。通過模流分析，確定了“熱流道+普通流道+圓弧形潛伏式澆口”最優組合式澆注系統，保證了成型塑件的外觀質量，實現了全自動化生產，廢料率從5%降至1%。通過采用型腔納米涂層技術、分區隨形水路、閉環溫控系統，模具成型效率和成型精度得到了顯著提升，尺寸精度達到了MT3（GB/T14486—2008），生產周期從35s縮短至26s，冷卻效率提升了25%，模具綜合產能提高了2倍。

關鍵詞：新能源汽車儲物箱蓋板；大型薄壁注塑模具；納米涂層技術；熱流道；斜推桿側抽芯；液壓頂出油缸；分區隨形水路；閉環溫控系統

  新能源汽車儲物箱蓋板是儲物箱的重要零件，位于副駕駛位置的外側，長寬尺寸大，厚度尺寸小，裝配尺寸精度和外觀質量要求高。為了滿足新能源汽車質量、效率、成本、環保四大要求［1］，客戶要求在普通汽車儲物箱蓋板的基礎上進一步降低質量，提高精度，縮短成型周期，并能實現全自動化生產。這就大大增加了成型難度，對模具結構提出了更高的要求。為此筆者對塑件結構做了進一步優化，對模具結構進行創新和優化，成型塑件各項指標均達到設計要求，其成功經驗對大型、薄壁塑件的注塑模具結構設計具有較好的參考價值。

1  塑件結構優化設計及成型工藝分析

  圖1所示為某款新能源汽車儲物箱蓋板零件圖，空間造型優美，分型線較復雜，材料為PP/EPDM?T20，收縮率1.1%。塑件與箱體有裝配要求，裝配尺寸的精度須達到MT3（GB/T14486—2008），塑件外觀面要做蝕紋處理，內表面粗糙度為Ra=0.04~1.25μm。塑件最大長度555.5mm，最大寬度200.4mm，最大高度300.5mm。根據客戶要求，我們對塑件結構進行了隨形加強筋結構優化，將塑件平均壁厚從2.5mm降至2mm，質量從420g降至360g，材料節省約15%，達到了新能源汽車輕量化要求。通過振動和受力測試（20~2000Hz），無結構失效。塑件屬于大型薄壁塑件，存在兩處倒扣S1和S2，熔體填充和脫模都比較困難。塑件外觀面不允許有成型缺陷，如熔接痕、收縮凹陷、斑點、飛邊和澆口痕跡等。

圖1  新能源汽車儲物箱蓋板零件圖

2  模具結構設計

2.1  成型零件設計

  根據汽車儲物箱蓋板尺寸較大，空間造型較復雜，分型面落差較大的結構特點，經綜合考慮及客戶同意，模具定、動模成型零件均采用一體式，即型腔和型芯直接在定模A板和動模B板上加工，模板就是成型零件，訂購模架時須特別注明動模B板和定模A板材料均采用P20模具鋼［2］。相較于鑲拼式結構，一體式結構的結構更緊湊，剛度更好，避免了開框、配框和制造斜楔等繁瑣的工序，而且可以減小模架的尺寸，單套模具成本降低了約18%。

  由于汽車儲物箱蓋板外形為不規則空間曲面，分型線亦為復雜空間曲線。為此筆者采用非對稱變曲率分型面，減少了合模線對美觀的影響，同時降低了制造成本。成型塑件外形落差大，注射成型時型腔側向脹型力較大，為防止模板之間側向位移，模具采用四周錐面定位，定位面錐度為5°,確保精準定位［3］。

  本模型腔采用了納米涂層技術，在型腔表面噴涂類金剛石（DLC）涂層，不但大大降低了熔體流動阻力，也大大降低了脫模阻力，從而可以大大降低注射壓力和鎖模力，模具壽命預計可延長30%。

2.2  澆注系統設計

  為保證儲物箱蓋板的外觀質量，改善熔體填充，模具采用熱流道與普通流道組合形式：塑料熔體由熱流道進入普通流道，再由兩個潛伏式澆口進入型腔，詳見圖2（a）。普通流道采用“U”形截面，潛伏式澆口采用圓弧形結構［3］，具體尺寸見圖2（b）。

  在注射成型過程中，圓弧形潛伏式澆口能夠自動切斷，這種模內切澆口系統既保證了成型塑件的外觀質量，又可以實現全自動化生產，廢料率從5%降至1%，提高了新能源汽車的綠色制造技術。

圖2  模具澆注系統

2.3  模流分析

  為了驗證以上澆注系統設計的合理性，筆者應用MolFlow軟件對模具注射成型進行模擬分析，并根據分析結果優化澆口的形狀與位置。圖3~圖7分別是汽車儲物箱蓋板填充分析，填充等高線分析，注射壓力曲線分析，鎖模力曲線分析和熔接痕與困氣分析結果圖。

圖3  熔體填充分析 

圖4  熔體填充等高線分析

圖5  注射壓力曲線分析

圖6  鎖模力曲線分析

圖7  熔接痕與困氣分析

  根據模流分析結果可以得出結論：塑件采用2點順序閥熱流道，從塑件側邊進膠，填充時間為4.6s，塑件填充效果良好，流動平衡，無填充不良和困氣現象，塑

件填充壓力均勻，進膠方案科學合理［4?5］。

2.4  側向抽芯機構設計

  成型塑件有兩個內側倒扣S1和S2，抽芯方向相對，由于空間有限，只能采用斜推桿側向抽芯機構，該抽芯機構由側抽芯27、28，斜推桿31、37，斜推桿滑座32、34和4個導套26、29、33、36組成，詳見圖8。兩個倒扣深度均為4.71mm，加上安全距離，側抽芯距離取8.40mm，根據塑件高度，成型塑件脫模距離取80mm［6］。根據作圖法或三角函數計算法，可得到斜推桿的傾斜角度為6°。

公式  1

  由于兩個斜頂靠的較近，必須保證兩個斜頂在向內側抽芯時不會相撞。從圖8可知，合模時兩個斜頂之間的距離為22.53mm，大于側抽芯向內側橫向移動距離8.40×2=16.80mm，安全。

2.5  溫度控制系統設計

  儲物箱蓋板為大型薄壁塑件，內表面粗糙度小，外表面需進行蝕紋處理，結構包含卡扣、加強筋等，易因冷卻不均導致縮痕、翹曲變形。為此本次模具溫度控制系統采用隨形水路（conformalcooling），冷卻水路貼合蓋板曲面形狀（距離型腔表面20~25mm），主水路水管直徑φ12mm，分支水路φ8mm［7?8］。

  冷卻水路各參數設計：注射成型時，冷卻水流量控制在5~10L/min之間，使冷卻水始終處于湍流狀態（雷諾數>4000），以增強傳熱［7］。水路間距為管徑的3~5倍，交錯排列避免冷卻盲區，詳見圖9。為了提高冷卻效果，防止水路內壁生銹，我們對所有冷卻水路內壁都做了鍍鉻處理，減少了水垢沉積。為實時反饋數據至控制系統，實現閉環控制，模具在注塑生產過程中，還采用了智能化IoT集成監測技術，在鑲件內嵌入溫度傳感器，實時監控模腔填充狀態，結合AI算法動態調整注塑參數，模具溫差控制在±2℃以內，良品率提升至99.5%以上［8］。

圖8斜頂側向抽芯機構設計

圖9  模具溫度控制系統

  對模具溫度的精準控制保證了快速冷卻和均衡冷卻，避免了局部溫差導致變形，成型周期從35s縮短至26s，冷卻效率提升了25%，尺寸精度達到了MT3

（GB/T14486—2008）。

2.6  導向定位系統設計

  汽車儲物箱蓋板注塑模具設計壽命50萬，尺寸大，壽命長，精度高，模具需要承受長時間高頻率的開合模動作，導向定位系統的耐用性和準確性非常重要。

圖10  模具導向定位系統

  汽車儲物箱蓋板注塑模具導柱采用高碳鉻軸承鋼SUJ2，淬火，表面硬度60?62HRC；導套采用銅合金，減少摩擦磨損［9］。導柱直徑通常為模具分型面寬度的1/10~1/8，本模取φ50mm，導柱長度需超出動模閉合高度10~15mm，本模取370mm。導柱數量4支，布置在模具的四個角上，采用法蘭式固定，便于拆卸維護，詳見圖10。導柱端部增設鍵槽或平面，防止旋轉偏移。

  汽車儲物箱蓋板注塑模具采用錐面精定位結構，以輔助導柱導套，用于模具生產過程中高精度對位。定位面錐度取10°,接觸面積需85%。為了提高模具壽命，便于維修，錐面上共設計了12塊耐磨塊。導柱與導套按H7/f7間隙配合，保證潤滑和熱膨脹空間［10］。

2.7脫模系統設計

  為防止汽車儲物箱蓋板脫模時頂白變形，模具采用了“推桿+斜推桿+液壓頂出油缸”組合頂出方案。頂針12根，直徑φ8mm，均勻分布，2組斜頂，處理側扣脫模。頂出行程80mm，頂出速度0.5m/s，頂出力約8t［11］。脫模系統由兩個液壓油缸25驅動頂出和復位，平穩且可靠，無頂白或變形。汽車儲物箱蓋板注塑模具屬于大型模具，為保證推件安全運行，推桿板導柱和復位桿均設計了6支。定模A板與復位桿接觸的位置還設計了一塊直徑為φ40mm的硬塊，硬塊材料為S50C模具鋼，表面氮化處理［12］。

2.8模具排氣系統設計

  在汽車儲物箱蓋板注塑模具型腔內有大量空氣，在注射成型過程中，這些氣體必須及時排出，同時在開模過程中，外面的空氣又必須及時進入型腔，防止型腔出現真空而造成脫模困難。儲物箱蓋板注塑模具主要通過分型面上的排氣槽排氣，見圖11。同時筆者還在頂針側壁開槽（深度0.02~0.03mm）排氣，效果很好。PP料流動性好，一級排氣槽深度不能大于0.04mm，太深容易產生飛邊，二級排氣槽深度可取0.5~0.8mm。排氣槽寬度取10mm，排氣槽間距30mm，確保氣體快速排出［13］。高效、可靠的排氣系統有效消除了熔接痕和填充不良等成型缺陷。

圖11  模具排氣系統設計

3  模具裝配圖及工作過程

3.1  模具裝配圖

  綜上所述，模具采用熱流道澆注系統，塑件內側兩個倒扣采用斜推桿（又稱斜頂）側向抽芯機構。模具外形尺寸為：長1100mm，款730mm，高840mm，總質量約3t，屬于大型注塑模具。詳細結構見圖12。

圖 12  汽車儲物箱蓋板注塑模具結構圖

3.2  模具工作原理

（1）合模：模具的動模和定模在注塑機驅動下閉合，形成密閉型腔。（2）注射充填：熔融的聚丙烯塑料由熱流道澆注系統進入模具分型面之間的普通分流道，最后由圓弧形潛伏式澆口進入模具型腔。（3）保壓與冷卻：保壓階段持續施加壓力，補償材料收縮；冷卻系統（水路）通過循環冷卻水快速降溫，使塑料固化定型。（4）開模、頂出及抽芯：在注塑機驅動下動模后移，模具打開，開模距離達到400mm后，液壓油缸25推動推件固定板19，同時推動所有推出零件將成型塑件推離動模。在推出過程中，斜推桿31和35分別推動側向抽芯28和27向內側向抽芯。（5）取件與復位：推件推出行程80mm，由限位桿38控制。接著機械手取出產品，液壓油缸25推動脫模系統和斜頂復位，模具進入下一次注射成型。

4  結論

（1）通過隨形加強筋結構優化設計，將塑件平均壁厚從2.5mm降至2mm，材料節省約15%，滿足了新能源汽車輕量化要求。

（2）通過模流分析優化，模具確定了“熱流道+普通流道+圓弧形潛伏式”最優組合式澆注系統，既保證了成型塑件的外觀質量，又實現了全自動化生產，廢料率從5%降至1%，提高了新能源汽車的綠色制造技術。

（3）通過采用型腔納米涂層技術、分區隨形水路及閉環溫控系統，模具成型效率和成型質量得到了顯著提升，尺寸精度達到了MT3（GB/T14486—2008），生產周期從35s縮短至26s，冷卻效率提升了25%，提高了新能源汽車的快速成型和精密成型技術。

（4）本模圍繞質量、效率、成本、環保四大維度進行創新設計，結構先進合理，單套模具成本降低18%，綜合產能提高了2倍。試模一次成功，成型塑件通過震動和受力測試，各項指標均達到設計要求。

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