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安全气囊撕裂盒的注射模塑

来源:《现代模具》杂志 时间:2009/12/19 9:16:15

作者:华东理工大学高分子材料系 徐佩弦 上海克朗宁技术设备有限公司 王建华

  1 概述  

  撕裂盒塑料制品里存放了安全气囊,是轿车方向盘的安全防护系统的结构件。它由撕裂盖和盒座两个注射件装配而成。它们的塑料材料选择、相互间的联接设计及撕裂沟的布置和结构,都要确保在高压胀大时撕裂盒开裂,气囊弹出。制品的结构复杂,要求功能和性能可靠。因此,注射模设计必须采用热流道技术,并进行充模流动分析,保证注射成型的制品质量。

  2 安全气囊防护

  各国生产的中高级轿车大多数都装有安全气囊。驾驶员处的安全气囊是存放在方向盘的衬架内,方向盘撕裂盒上标有“SRS”或“Airbag”。安全气囊防护系统(Supplemental Inflatable Restraint System,SRS)主要由传感器、微处理器、气体发生器和气囊等部件组成。传感器和微处理器判断撞车程度,传递及发送信号。气体发生器根据信号产生点火动作。点燃固态燃料并产生气体向气囊充气,使气囊迅速膨胀,其容量约50至90升不等。气囊膨胀力胀破撕裂盖。将撞击力均匀地分布在驾驶员头部和胸部。

  安全气囊的传感器必须有足够的撞击力才能启动开关。这个撞击力约等于以时速25~50km碰撞固定物所产生的结果。当汽车高速碰撞时,传感器就可检测到车速突然减速,并将这一信号迅速传递给控制电脑确认后,才会引爆安全气囊包内的电热点火器,使气囊发生迅速膨胀。气囊还设有安全阀,当充气过量或内压力超过一定值时会自动泄放部分气体,避免将乘客挤压受伤。还必须在发生汽车碰撞后的0.01s内微处理器工作,0.03s内点火装置启动,0.05s内高压气体进入气囊,0.08s内气囊向外膨胀,突破撕裂盖。0.11s内气囊完全胀大,贴护在人体上。这样,驾车者才会被气囊保护。

  2.1 安全气囊盒设计

  见图1所示,方向盘安全气囊盒由撕裂盖和盒座联接而成。安全气囊盒安装在驾驶员的方向盘中央的支架内。高压气体进入气囊到完全胀大只有0.06s。必须保证安全气囊盒上的撕裂盖,被充气气囊顶破,并让其弹出胀大。而盒座不能有破溃。撕裂盖与盒座的弹性卡夹联接必须牢固。在气囊膨胀时,不能有撕裂盖与盒座塑料破碎飞出,导致驾驶员受到意外的伤害。而且,撕裂盒与方向盘的衬架也必须牢固联接,不能让气囊与撕裂盒一起飞出,击伤驾驶员。

图1 方向盘安全气囊盒

  盒内气囊高压膨胀时,盖塑件破溃口的形状取决于撕裂盖里壁的撕裂沟分布和结构,如图2所示。撕裂沟总长达540mm,中央有周角270°的圆周沟槽,又有四条长50mm沟槽径向辐射分布,还有四段相互不连续的外周边沟槽。气囊充气沿沟撕裂时,盖塑件像花瓣一样开放,开裂片与盖连在一起,无破碎的塑料片。

  为让气囊弹出,撕裂盖壁厚3mm。撕裂沟尖端宽度控制在0.4mm。撕裂沟底壁厚0.5mm,并要求底壁厚在全长上误差小于±0.05mm。高精度的撕裂厚度才能保证开裂快速反应。撕裂沟的斜锥角度控制在32°±2°。

  2.2 撕裂盖和盒座的材料

  撕裂盖采用聚烯烃系热塑性弹性体TPO新材料。利用它的弹性模量低、易撕裂,又有良好弹性,当气囊在膨胀的时候不会损坏气囊。撕裂盖弹性体邵氏硬度D37。23℃下,断裂伸长率560%;弯曲弹性模量205MPa;剪切强度14MPa。盒座用PA66+40%GF。经玻璃纤维增强后的聚酰胺,弹性模量高达6340~11400MPa,是撕裂盖材料的几十倍。刚硬的盒座壁厚平均3.2mm。在高压充气时,确保不会破碎。

  2.3 弹性卡夹联接

  如图1和图2所示,为适应轿车装配流水线的快装要求,撕裂盖与盒座装配,及撕裂盒与方向盘衬架装配,均采用悬臂弹性卡夹。利用悬臂柱条的凸起产生的弯曲弹性变形,使一个塑料件上弹性柱条卡入另一个塑件的方孔槽内。

图2 撕裂盖里壁的撕裂沟分布

  为确保气囊充气时柱条不被拉断,悬臂弹性柱条设计在高强度的盒座上。盒座与撕裂盖之间弹性卡夹联接有13条之多。盖座与方向盘衬架之间,弹性卡夹的联接方孔槽设计在玻纤增强的盒座上。并在两个方孔中放置1mm厚的金属嵌件。为保证给弹性柱条在快装中引导和定位,还设计了定位销,导向的边槽。这使模具结构上既有外滑块侧抽,见图3所示,又有对内孔的滑尺里侧抽,见图4所示。

图3 盒座动模的外侧抽滑快机构

图4 盒座动模的滑尺里侧抽机构

  3 注射模设计

  考虑注塑件有快装要求,尺寸精度高,撕裂盖和盒座都是一模一件的注塑模。这两副模具的成型零件,都用德国1.2738预硬化钢制造。即德国牌号40CrMnNiMo8 6 4,相当于P20+Ni。成型零件表面硬度HRC30~34,以达到使用寿命50万次。撕裂盖又称方向盘的装饰盖。其模具的型腔面皮纹腐蚀后,氮化处理。

  3.1 采用热流道技术

  撕裂盖和盒座两副注射模,都采用单点的热流道喷嘴。撕裂盖的型腔充填体积155cm3,盒座的型腔体积187cm3,流程比都较小。因此按惯例,这两副模具不使用热流道技术。应用热流道喷嘴能减少塑料熔体在流程中的压力损失,有利于注射和保压压力的传递。使冷却固化后塑料制品的密度均匀。这对于提高塑件尺寸精度有益。对撕裂沟底的破裂;悬臂弹性柱条的拉伸强度有利。

  图5上撕裂盖注塑模,采用KLN本公司生产的BS25070单喷嘴。顶针式浇口的直径1.6mm,浇口孔设置在模板上。留下浇口痕迹很小。喷嘴长83mm,节省了不少主流道内TPO塑料凝料。

图5 撕裂盖注塑模的热流道主喷嘴

  图6上盒座注塑模的浇注系统,采用KLN本公司生产的SP25135单喷嘴。此热流道喷嘴有球凹坑与注塑机的喷嘴头贴合。单喷嘴的流道直径6mm,长122mm。单喷嘴用主流道型的大浇口。倒锥的小端浇口直径3mm,长22mm,大端直径6mm,浇口套在喷嘴上。下游为三个冷流道和浇口。流道凝料仅2cm3。采用这种主流道热喷嘴,与冷流道混合的浇注系统,节省了许多流道凝料。热流道和大浇口减小了熔料流程的压力损失。改善了注射和保压压力向型腔内的传递。还避免在注塑件上,由大浇口造成真空泡、缩凹和流动痕等缺陷。

图6 盒座的流动分析的注射压力分布

  3.2 采用计算机模拟的模流分析技术

  盒座的Moldflow分析,热流道喷嘴及其主流道型浇口,连接三个径向的冷流道和侧浇口,见图6所示。热流道保持了塑料处于熔融状态,对型腔的压力传递良好。在1.615s熔体充填完成时,盒座型腔的压力如图6。浇口附近有最高压力23.6MPa。最远料流末端压力11.4~16.3MPa,其它料流末端压力20.3~22.3MPa,压力降都较小。再经保压和冷却后,盒座的材料密度均匀。

  撕裂盖的Moldflow分析,用软件贮有的热塑性塑料弹性体TPO的性能数据运行。图7所示为在0.851s熔体充模结束时,注塑件的温度分布。塑件各处只有2~3℃的温差。因为弹性体的断裂伸长率很大,浇口中料头不容易拉断。客户建议浇口置于撕裂盖的侧壁,利用脱模顶出将浇口剪断。经Moldflow分析,浇口置于中央,型腔内的温度和压力分布均匀。而且型腔中的空气被压缩至分型面和顶杆位置,有利排气,见图8所示。采用喷嘴是有顶针的小浇口,只要浇口区温度恰当,浇口料头拉断顺利。又由于浇口孔设在型腔的模板上,塑件表面留下痕迹很小。也没有肉眼可见的流动痕和起层等不良现象。

图7 撕裂盖的流动分析的温度分布

图8 撕裂盖的流动分析的气囊位置

  参考文献

  1.[德]彼得•翁格尔著.热流道技术.杨卫民、丁玉梅等译.北京:化学工业出版社, 2008.

  2.[瑞典]丹尼尔•弗伦克勒.[波兰]亨里克•扎维斯托夫斯基著.注射模具的热流道.[英国]罗伯特•沃克登英译.徐佩弦译. 北京:化学工业出版社,2005.

  3.单岩、王蓓、王刚编著.Moldfiow模具分析技术基础.北京:清华大学出版社,2004.

  4.王刚、单岩编著.Moldfiow分析实例.北京:清华大学出版社,2005.

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