安全氣囊撕裂盒的注射模塑

  
　　1 概述　　

　　撕裂盒塑料制品里存放了安全氣囊，是轎車方向盤的安全防護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件。它由撕裂蓋和盒座兩個(gè)注射件裝配而成。它們的塑料材料選擇、相互間的聯(lián)接設(shè)計(jì)及撕裂溝的布置和結(jié)構(gòu)，都要確保在高壓脹大時(shí)撕裂盒開裂，氣囊彈出。制品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求功能和性能可靠。因此，注射模設(shè)計(jì)必須采用熱流道技術(shù)，并進(jìn)行充模流動(dòng)分析，保證注射成型的制品質(zhì)量。

　　2 安全氣囊防護(hù)

　　各國生產(chǎn)的中轎車大多數(shù)都裝有安全氣囊。駕駛員處的安全氣囊是存放在方向盤的襯架內(nèi)，方向盤撕裂盒上標(biāo)有“SRS”或“Airbag”。安全氣囊防護(hù)系統(tǒng)（Supplemental Inflatable Restraint System，SRS）主要由傳感器、微處理器、氣體發(fā)生器和氣囊等部件組成。傳感器和微處理器判斷撞車程度，傳遞及發(fā)送信號(hào)。氣體發(fā)生器根據(jù)信號(hào)產(chǎn)生點(diǎn)火動(dòng)作。點(diǎn)燃固態(tài)燃料并產(chǎn)生氣體向氣囊充氣，使氣囊迅速膨脹，其容量約50至90升不等。氣囊膨脹力脹破撕裂蓋。將撞擊力均勻地分布在駕駛員頭部和胸部。

　　安全氣囊的傳感器必須有足夠的撞擊力才能啟動(dòng)開關(guān)。這個(gè)撞擊力約等于以時(shí)速25～50km碰撞固定物所產(chǎn)生的結(jié)果。當(dāng)汽車高速碰撞時(shí)，傳感器就可檢測到車速突然減速，并將這一信號(hào)迅速傳遞給控制電腦確認(rèn)后，才會(huì)引爆安全氣囊包內(nèi)的電熱點(diǎn)火器，使氣囊發(fā)生迅速膨脹。氣囊還設(shè)有安全閥，當(dāng)充氣過量或內(nèi)壓力超過一定值時(shí)會(huì)自動(dòng)泄放部分氣體，避免將乘客擠壓受傷。還必須在發(fā)生汽車碰撞后的0.01s內(nèi)微處理器工作，0.03s內(nèi)點(diǎn)火裝置啟動(dòng)，0.05s內(nèi)高壓氣體進(jìn)入氣囊，0.08s內(nèi)氣囊向外膨脹，突破撕裂蓋。0.11s內(nèi)氣囊*脹大，貼護(hù)在人體上。這樣，駕車者才會(huì)被氣囊保護(hù)。

　　2.1 安全氣囊盒設(shè)計(jì)

　　見圖1所示，方向盤安全氣囊盒由撕裂蓋和盒座聯(lián)接而成。安全氣囊盒安裝在駕駛員的方向盤中央的支架內(nèi)。高壓氣體進(jìn)入氣囊到*脹大只有0.06s。必須保證安全氣囊盒上的撕裂蓋，被充氣氣囊頂破，并讓其彈出脹大。而盒座不能有破潰。撕裂蓋與盒座的彈性卡夾聯(lián)接必須牢固。在氣囊膨脹時(shí)，不能有撕裂蓋與盒座塑料破碎飛出，導(dǎo)致駕駛員受到意外的傷害。而且，撕裂盒與方向盤的襯架也必須牢固聯(lián)接，不能讓氣囊與撕裂盒一起飛出，擊傷駕駛員。

圖1 方向盤安全氣囊盒

　　盒內(nèi)氣囊高壓膨脹時(shí)，蓋塑件破潰口的形狀取決于撕裂蓋里壁的撕裂溝分布和結(jié)構(gòu)，如圖2所示。撕裂溝總長達(dá)540mm，中央有周角270°的圓周溝槽，又有四條長50mm溝槽徑向輻射分布，還有四段相互不連續(xù)的外周邊溝槽。氣囊充氣沿溝撕裂時(shí)，蓋塑件像花瓣一樣開放，開裂片與蓋連在一起，無破碎的塑料片。

　　為讓氣囊彈出，撕裂蓋壁厚3mm。撕裂溝寬度控制在0.4mm。撕裂溝底壁厚0.5mm，并要求底壁厚在全長上誤差小于±0.05mm。高精度的撕裂厚度才能保證開裂快速反應(yīng)。撕裂溝的斜錐角度控制在32°±2°。

　　2.2 撕裂蓋和盒座的材料

　　撕裂蓋采用聚烯烴系熱塑性彈性體TPO新材料。利用它的彈性模量低、易撕裂，又有良好彈性，當(dāng)氣囊在膨脹的時(shí)候不會(huì)損壞氣囊。撕裂蓋彈性體邵氏硬度D37。23℃下，斷裂伸長率560%;彎曲彈性模量205MPa;剪切強(qiáng)度14MPa。盒座用PA66+40%GF。經(jīng)玻璃纖維增強(qiáng)后的聚酰胺，彈性模量高達(dá)6340～11400MPa，是撕裂蓋材料的幾十倍。剛硬的盒座壁厚平均3.2mm。在高壓充氣時(shí)，確保不會(huì)破碎。

　　2.3 彈性卡夾聯(lián)接

　　如圖1和圖2所示，為適應(yīng)轎車裝配流水線的快裝要求，撕裂蓋與盒座裝配，及撕裂盒與方向盤襯架裝配，均采用懸臂彈性卡夾。利用懸臂柱條的凸起產(chǎn)生的彎曲彈性變形，使一個(gè)塑料件上彈性柱條卡入另一個(gè)塑件的方孔槽內(nèi)。

圖2 撕裂蓋里壁的撕裂溝分布

　　為確保氣囊充氣時(shí)柱條不被拉斷，懸臂彈性柱條設(shè)計(jì)在高強(qiáng)度的盒座上。盒座與撕裂蓋之間彈性卡夾聯(lián)接有13條之多。蓋座與方向盤襯架之間，彈性卡夾的聯(lián)接方孔槽設(shè)計(jì)在玻纖增強(qiáng)的盒座上。并在兩個(gè)方孔中放置1mm厚的金屬嵌件。為保證給彈性柱條在快裝中引導(dǎo)和定位，還設(shè)計(jì)了定位銷，導(dǎo)向的邊槽。這使模具結(jié)構(gòu)上既有外滑塊側(cè)抽，見圖3所示，又有對(duì)內(nèi)孔的滑尺里側(cè)抽，見圖4所示。

圖3 盒座動(dòng)模的外側(cè)抽滑快機(jī)構(gòu)

圖4 盒座動(dòng)模的滑尺里側(cè)抽機(jī)構(gòu)

　　3 注射模設(shè)計(jì)

　　考慮注塑件有快裝要求，尺寸精度高，撕裂蓋和盒座都是一模一件的注塑模。這兩副模具的成型零件，都用德國1.2738預(yù)硬化鋼制造。即德國牌號(hào)40CrMnNiMo8 6 4，相當(dāng)于P20+Ni。成型零件表面硬度HRC30～34，以達(dá)到使用壽命50萬次。撕裂蓋又稱方向盤的裝飾蓋。其模具的型腔面皮紋腐蝕后，氮化處理。

　　3.1 采用熱流道技術(shù)

　　撕裂蓋和盒座兩副注射模，都采用單點(diǎn)的熱流道噴嘴。撕裂蓋的型腔充填體積155cm3，盒座的型腔體積187cm3，流程比都較小。因此按慣例，這兩副模具不使用熱流道技術(shù)。應(yīng)用熱流道噴嘴能減少塑料熔體在流程中的壓力損失，有利于注射和保壓壓力的傳遞。使冷卻固化后塑料制品的密度均勻。這對(duì)于提高塑件尺寸精度有益。對(duì)撕裂溝底的破裂;懸臂彈性柱條的拉伸強(qiáng)度有利。

　　圖5上撕裂蓋注塑模，采用KLN本公司生產(chǎn)的BS25070單噴嘴。頂針式澆口的直徑1.6mm，澆口孔設(shè)置在模板上。留下澆口痕跡很小。噴嘴長83mm，節(jié)省了不少主流道內(nèi)TPO塑料凝料。

圖5 撕裂蓋注塑模的熱流道主噴嘴

　　圖6上盒座注塑模的澆注系統(tǒng)，采用KLN本公司生產(chǎn)的SP25135單噴嘴。此熱流道噴嘴有球凹坑與注塑機(jī)的噴嘴頭貼合。單噴嘴的流道直徑6mm，長122mm。單噴嘴用主流道型的大澆口。倒錐的小端澆口直徑3mm，長22mm，大端直徑6mm，澆口套在噴嘴上。下游為三個(gè)冷流道和澆口。流道凝料僅2cm3。采用這種主流道熱噴嘴，與冷流道混合的澆注系統(tǒng)，節(jié)省了許多流道凝料。熱流道和大澆口減小了熔料流程的壓力損失。改善了注射和保壓壓力向型腔內(nèi)的傳遞。還避免在注塑件上，由大澆口造成真空泡、縮凹和流動(dòng)痕等缺陷。

圖6 盒座的流動(dòng)分析的注射壓力分布

　　3.2 采用計(jì)算機(jī)模擬的模流分析技術(shù)

　　盒座的Moldflow分析，熱流道噴嘴及其主流道型澆口，連接三個(gè)徑向的冷流道和側(cè)澆口，見圖6所示。熱流道保持了塑料處于熔融狀態(tài)，對(duì)型腔的壓力傳遞良好。在1.615s熔體充填完成時(shí)，盒座型腔的壓力如圖6。澆口附近有zui高壓力23.6MPa。zui遠(yuǎn)料流末端壓力11.4～16.3MPa，其它料流末端壓力20.3～22.3MPa，壓力降都較小。再經(jīng)保壓和冷卻后，盒座的材料密度均勻。

　　撕裂蓋的Moldflow分析，用軟件貯有的熱塑性塑料彈性體TPO的性能數(shù)據(jù)運(yùn)行。圖7所示為在0.851s熔體充模結(jié)束時(shí)，注塑件的溫度分布。塑件各處只有2～3℃的溫差。因?yàn)閺椥泽w的斷裂伸長率很大，澆口中料頭不容易拉斷?？蛻艚ㄗh澆口置于撕裂蓋的側(cè)壁，利用脫模頂出將澆口剪斷。經(jīng)Moldflow分析，澆口置于中央，型腔內(nèi)的溫度和壓力分布均勻。而且型腔中的空氣被壓縮至分型面和頂桿位置，有利排氣，見圖8所示。采用噴嘴是有頂針的小澆口，只要澆口區(qū)溫度恰當(dāng)，澆口料頭拉斷順利。又由于澆口孔設(shè)在型腔的模板上，塑件表面留下痕跡很小。也沒有肉眼可見的流動(dòng)痕和起層等不良現(xiàn)象。

圖7 撕裂蓋的流動(dòng)分析的溫度分布

圖8 撕裂蓋的流動(dòng)分析的氣囊位置

　　參考文獻(xiàn)

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