商用車外視鏡鏡框注塑模具設(shè)計

張世陽，陳榮創(chuàng)，高廣宇，吳張新

[1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院，新能源汽車關(guān)鍵材料湖北省重點實驗室（籌），湖北十堰 442002；2.東風(fēng)(十堰)林泓汽車配套件有限公司，湖北十堰 442002]

商用車后視鏡鏡框與外罩相配合，是后視鏡組件的主要零件。后視鏡鏡框是商用車外觀件，對塑件表面質(zhì)量要求較高，在鏡框的結(jié)構(gòu)設(shè)計中不僅需要考慮裝配與強度要求，而且需要滿足注塑工藝要求[1]。

針對后視鏡鏡框，肖金等[2]通過逆向工程獲得了后視鏡的點云與三維模型，通過Moldflow 模擬了后視鏡的注塑過程，得到了優(yōu)化的注塑工藝參數(shù)。黃繼戰(zhàn)等[3]設(shè)計了后視鏡外殼一模兩件熱流道注塑模具，模擬了冷卻–填充–保壓–翹曲過程。劉斌等[4]通過金屬3D打印技術(shù)制作了后視鏡殼注塑模具的隨形冷卻水道嵌件，加快了塑件的注塑冷卻時間，減小了塑件的翹曲變形量。孫肖霞等[5]設(shè)計了汽車內(nèi)后視鏡鏡殼順序開模多分型面模具，實現(xiàn)了塑件的自動脫模。杜婉瑩等[6]設(shè)計了汽車后視鏡外殼模具，為零件的大批量生產(chǎn)提供了指導(dǎo)。此外，程美等[7]采用了熱流道與冷流道相結(jié)合的技術(shù)和二次抽芯機構(gòu)，完成了汽車后視鏡三角座注塑模具設(shè)計。孫肖霞等[8]設(shè)計了差動組合抽芯的后視鏡支架的注塑模具。

筆者針對后視鏡鏡框塑件結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了一套二板式注塑模具，解決了鏡框脫模困難的問題，并使用Moldflow 軟件對注塑過程進行了模擬。所設(shè)計的商用車外視鏡鏡框注塑模具成功應(yīng)用于生產(chǎn)實際，取得了較好的效果。

1 鏡框注塑模具設(shè)計

1.1 鏡框結(jié)構(gòu)設(shè)計

商用車后視鏡鏡框作為汽車的外部件，經(jīng)常承受日照、風(fēng)吹、雨淋，材料需要耐腐蝕性好，綜合成本因素，選擇丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)材料[9]。根據(jù)GB 15084–2013“機動車輛間接視野裝置性能和安裝要求”，駕駛員需要從鏡片中看到車輛后方1.75 m 位置處的成年人，由此確定了鏡片曲率為350 mm。在CATIA 軟件中建立鏡片、眼點與成年人模型，根據(jù)光學(xué)反射原理確定鏡片輪廓[10–11]。鏡框、鏡殼通過卡扣配合，固定鏡片。在UG中對鏡框、鏡殼進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。將鏡片邊緣偏置、倒圓角，繪制出鏡框輪廓。鏡框卡槽的設(shè)計需要兼顧鏡殼側(cè)抽芯機構(gòu)的位置，使卡扣能順利成型并取出?？酆穸炔灰诉^大否則影響裝配，卡扣長度為15 mm，扣鍵5 mm，角度為30°，卡扣厚度設(shè)計為2 mm。為使鏡殼卡扣可以順利滑入卡槽，對內(nèi)側(cè)框架直壁進行1°的拔模處理。鏡框壁厚均勻，設(shè)計為3 mm。設(shè)計出的鏡框如圖1 所示，鏡框最大外形尺寸為185 mm×255 mm×40 mm。

圖1 鏡框結(jié)構(gòu)圖

1.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

對鏡框塑料件的注塑工藝性進行初步分析可以發(fā)現(xiàn)，該塑料件截面較小而流動距離較遠(yuǎn)，流長比較大，采用單點澆注時熔料容易過早冷卻而導(dǎo)致充不滿[12]。因此，采用兩點澆注方式。流道設(shè)計如圖2 所示。主流道形狀為圓錐形，小端直徑為3 mm，大端直徑為5 mm。為了開模時便于脫出澆道的凝料，分流道都設(shè)計在分型面上。為了方便加工，將截面形狀設(shè)計成圓形，分流道直徑為8 mm，采用平衡布局放置。澆口采用側(cè)澆口設(shè)計，具有截面小、方便加工、便于去除的優(yōu)點[13]，澆口寬2 mm，厚1 mm，長1 mm。為防止融入塑料的前端冷料進入型腔導(dǎo)致缺陷，Z 形拉料桿冷料穴設(shè)置在主流道末端，固定在推桿面板上。塑料件本身不大，采用模具分型面間隙排氣[14]。

圖2 流道設(shè)計

1.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

用冷卻水對模具進行冷卻。冷卻水流量(V)按公式(1)計算[15]：

式中：W——每分鐘冷卻的塑料，每分鐘注射2 次，單次注射量為0.061 kg，所以取0.122 kg／min；

Q1——每千克塑料凝固時放出的熱量，根據(jù)塑料的比熱(1 470 J／(kg·℃)、熔體溫度降(170℃)相乘得到，取249 900 J／kg；

ρ——水的密度，取1 000 kg／m3；

Cp——水的比熱容，取4.2×103J／(kg·℃)；

T1——冷卻液出口溫度，根據(jù)初步分析的結(jié)果，取13℃；

T2——冷卻液入口溫度，取10℃。

根據(jù)式(1)計算得到冷卻水流量為2.42×10–3m3／min，在型腔和型芯鑲件中分別開設(shè)水道，冷卻水管道直徑為8 mm，水路到塑料件表面的距離為16 mm，冷卻水道的布置圖如圖3 所示。

圖3 冷卻水路

1.4 型腔與型芯設(shè)計

從鏡框最大截面處分型，同時為確保分型面平滑過渡，型芯分型面與鏡片曲率相同。型芯和型腔屬于重要工作部件，為降低材料成本，設(shè)計成鑲拼式結(jié)構(gòu)。型腔和型芯鑲塊材料選擇Cr12MoV，型腔和型芯固定板選擇45#鋼。將塑料件邊界往外延伸得到型芯鑲塊邊界，型芯鑲塊邊界繼續(xù)往外延伸得到型芯固定板邊界。型腔長邊尺寸取180 mm，型腔深度取25 mm，鑲件側(cè)面壁厚取40 mm，鑲件底面壁厚取40 mm。設(shè)計的鑲拼式型芯如圖4 所示。

圖4 鑲拼式型芯

1.5 斜頂與推出機構(gòu)設(shè)計

塑料件側(cè)面的卡扣會影響正常的脫模，需要在鏡框邊緣處設(shè)置斜頂機構(gòu)。斜頂機構(gòu)主要由斜頂和斜頂座組成，斜頂座是帶有T型槽的滑塊，斜頂座固定在頂桿面板中。斜頂行程應(yīng)大于卡扣的倒扣深度(3 mm)，取斜頂行程為5 mm，斜頂角取3°。斜頂選擇P20 材料并進行淬火處理。采用推桿推出機構(gòu)使塑料件順利脫模。考慮到塑料件邊距較窄，選擇階梯式頂桿[16]，布置10 個頂桿，并利用頂桿固定板固定頂桿。斜頂和推出機構(gòu)如圖5 所示，該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，便于制造。

圖5 斜頂與推出機構(gòu)

1.6 裝配圖與模具工作過程

鏡框模具裝配圖如圖6 所示。注塑完畢后，塑料件保壓、冷卻后開模。首先，動模板在注塑機的作用下拉動模具，使動模和定模沿著分型面分開，初步完成分型。等動模移開一定的距離后，斜頂機構(gòu)開始工作，由于斜頂具有一定的斜度，所以在斜頂頂出塑料件的同時，也會向兩側(cè)運動。當(dāng)推桿固定板碰到頂桿時，塑料件從型腔和型芯中脫出。合模過程中，由復(fù)位桿26 帶動進行復(fù)位。

圖6 模具裝配圖

2 注塑過程模擬

為確保設(shè)計的模具能使塑料件順利成型，也為進一步確定注塑工藝參數(shù)，在Moldflow 軟件中進行了注塑過程的有限元模擬。在Moldflow 中導(dǎo)入塑料件模型，并導(dǎo)入冷卻水路和流道的中線。流道、冷卻水路均采用柱體單元，塑料件采用四面體單元，流道、冷卻水路、塑料件共劃分30 萬個網(wǎng)格，有限元分析模型如圖7 所示。選擇材料庫中能模擬翹曲的Generic ABS 材料進行模擬。設(shè)置熔體溫度為230℃，模具表面溫度為60℃，注射時間為5 s，保壓壓力設(shè)置為最大注塑壓力，保壓和冷卻時間為30 s。

圖7 有限元分析模型

注塑過程的有限元分析結(jié)果如圖8 所示。從圖8a的結(jié)果可以看出，塑料件在注射5.33 s 后可以充滿。從圖8b 可以看出，注射過程中，噴嘴處壓力最大為57.7 MPa，塑料件上的最大壓力為43.3 MPa。進一步觀察分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在13 s 時型腔內(nèi)的熔體冷卻，塑料件壓力減小為0。從圖8c 鎖模力變化曲線可以看出，注射階段鎖模力緩慢上升，在充滿的時刻達到鎖模力峰值368 kN，隨后的保壓過程中，由于熔體逐漸凝固，鎖模力約在13 s 時下降到0。圖8d是冷卻水路的溫度分布圖。從圖8可以看出，冷卻水入口處溫度為10℃，經(jīng)過循環(huán)后，水溫逐漸上升，冷卻水出口處溫度為12.74℃，溫差較小，所以冷卻水的流量和溫度能滿足模具的冷卻需求。以塑料件的4 個角點為參考，由圖8e 可以看出，塑料件最大變形量為1.033 mm 出現(xiàn)在鏡框的邊緣部位。注塑分析結(jié)果表明，針對該塑料件設(shè)計的冷卻水路、流道系統(tǒng)能滿足注塑工藝要求。根據(jù)以上的分析結(jié)果，推薦注塑工藝參數(shù)為注射速率12 cm3／s，熔體溫度230℃，注射時間5 s，保壓時間30 s，鎖模力不小于368 kN，冷卻水溫度10 ℃，冷卻水流量2.4 L／min。

圖8 模擬分析結(jié)果

3 生產(chǎn)過程

批量生產(chǎn)中，采用注塑機型號為XS–ZY–500，注塑機額定注射量500 cm3，鎖模力3 500 kN。模具厚度396 mm，小于注塑機閉合高度450 mm。注塑機開模行程為500 mm，大于最小行程170 mm。后視鏡鏡框的生產(chǎn)照片如圖9 所示。生產(chǎn)的制件無鎖孔、疏松、熔接痕等缺陷，能順利脫模，流道容易去除，制件外觀光潔，翹曲公差在允許范圍內(nèi)。設(shè)計的模具工作狀況良好，模具在推薦的工藝參數(shù)下工作，能較好滿足客戶的后視鏡鏡框的生產(chǎn)需求。

圖9 后視鏡鏡框生產(chǎn)照片

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了后視鏡鏡框、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、型腔與型芯、斜頂與推出機構(gòu)等，并繪制了模具裝配圖。通過對模具結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，模具能連貫完成注射、頂出、復(fù)位等動作，滿足注塑模具的動作要求。

(2)使用Moldflow 軟件模擬了鏡框零件的注塑過程。注塑分析結(jié)果表明，針對該塑料件設(shè)計的冷卻水路、流道系統(tǒng)能滿足注塑工藝要求。推薦的注塑工藝參數(shù)為：注射速率12 cm3／s，熔體溫度230℃，注射時間5 s，保壓時間30 s，鎖模力不小于368 kN，冷卻水溫度10℃，冷卻水流量2.4 L／min。

(3)設(shè)計的模具應(yīng)用于后視鏡的批量生產(chǎn)。結(jié)果表明，生產(chǎn)的塑料件無鎖孔、疏松、熔接痕等缺陷，能順利脫模，流道容易去除，制件外觀光潔，翹曲公差在允許范圍內(nèi)。設(shè)計的模具工作狀況良好，模具在推薦的工藝參數(shù)下工作，能較好滿足客戶的后視鏡鏡框的生產(chǎn)需求。