商用車后視鏡背殼結(jié)構(gòu)設(shè)計與注塑模具設(shè)計

呂鎵均，張世陽，陳榮創(chuàng)，劉賢龍，李兵

(湖北汽車工業(yè)學院，材料科學與工程學院，湖北十堰 442002)

商用車后視鏡可有效減小商用車視野盲區(qū)，后視鏡服役過程中在振動作用下易出現(xiàn)松動。Murukesa‐van等[1]使用ansys軟件對轎車后視鏡幾何形狀進行了氣動壓力分析，分析表明，半球形是最有效的設(shè)計。鄭偉[2]以后視鏡振動影響開車視野為切入點，提出有效改善后視鏡振動情況的方法為提高后視鏡的固有頻率。劉元春[3]對各種后視鏡結(jié)構(gòu)形式進行了振動模態(tài)分析，提出了減輕后視鏡振動的方法。何文濤等[4]對后視鏡進行模態(tài)分析，通過優(yōu)化設(shè)計將后視鏡的最大等效應(yīng)力降低了30.5%，解決了汽車在坑洼路面行駛后視鏡背殼容易松動、鏡片震動劇烈的問題。但是，針對商用車后視鏡，如何從盲區(qū)校核開始進行正向設(shè)計，并解決后視鏡背殼在振動中的松動和強度不足等問題，仍有待進一步研究。

商用車后視鏡背殼是將鏡片固定在汽車上的重要注塑件，其成形質(zhì)量的好壞對汽車安全性至關(guān)重要。張維合等[5]針對汽車后視鏡背殼的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計了熱流道注塑模具，采用斜滑塊、側(cè)向抽芯和網(wǎng)格式冷卻水路，使成型周期降低至30 s，生產(chǎn)效率提高10%。肖金等[6]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成形過程，得到了優(yōu)化的注塑成型工藝參數(shù)。黃繼戰(zhàn)等[7]設(shè)計了后視鏡外殼一模兩件熱流道注塑模具，模擬了產(chǎn)品冷卻-填充-保壓-翹曲過程。孫肖霞等[8]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)了最終產(chǎn)品的自動脫模。杜婉瑩[9]設(shè)計了汽車后視鏡外殼模具，為零件的大批量生產(chǎn)提供了參考。如何設(shè)計出簡單耐用且能可靠工作的商用車后視鏡背殼模具，實現(xiàn)后視鏡背殼的穩(wěn)定可靠生產(chǎn)，是后視鏡背殼生產(chǎn)中面臨的問題。

筆者設(shè)計了后視鏡背殼，根據(jù)后視鏡背殼的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計了注塑模具，解決了商用車后視鏡在振動中強度不足和零件成形困難問題。生產(chǎn)出來的零件成功應(yīng)用于某商用車，實現(xiàn)了批量搭載應(yīng)用。

1 后視鏡背殼結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 背殼結(jié)構(gòu)設(shè)計

先從后視鏡鏡片的結(jié)構(gòu)設(shè)計入手進行后視鏡背殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計。從視野校核、曲率半徑、外輪廓形狀等方面設(shè)計了某商用車后視鏡鏡片和鏡體[10]，鏡體高度為2 216 mm，外伸量123 mm。鏡體由鏡框和背殼配合而成，以鏡框為基準，使鏡框與背殼借助卡扣配合。圖1是設(shè)計的后視鏡背殼零件。設(shè)計了16個側(cè)壁加強筋，在提高強度和剛度的同時改善成型過程中的材料流動[11]。在底面十字交叉加強筋中間設(shè)置支柱，使塑件壁厚更均勻。在背殼與汽車車身連接部分的球槽處設(shè)置隨形加強筋，防止振動時零件強度不足。圖2是后視鏡背殼的工程圖。

圖1 后視鏡背殼軸側(cè)圖

圖2 后視鏡背殼工程圖

1.2 后視鏡力學分析

設(shè)計要求在后視鏡在共振頻率下進行上、下4 h，左、右2 h，前、后2 h的耐振動性能試驗，后視鏡各部件不得有變形、損壞、松動、脫落和鏡片位置改變等現(xiàn)象。為了分析后視鏡裝配體在實際工況下的強度，需要先對后視鏡裝配體進行模態(tài)分析[12]，獲得固有頻率和振型，在模態(tài)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上計算諧響應(yīng)，確定后視鏡容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置，最后進行壽命校核。

后視鏡背殼采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)，泊松比為0.2，彈性模量為2.39×109Pa，密度為1 040 kg/m3。對模型進行6階的求解，得到等效的應(yīng)力云圖，同時記錄下每一階的共振頻率和振型，見表1。

表1 后視鏡6階共振頻率

后視鏡框架在振動過程中前3階振型的變形趨勢是繞3個軸的旋轉(zhuǎn)，4階模態(tài)是由內(nèi)向外、由上向下的變形趨勢，如圖3a所示。5階模態(tài)是繞Z軸轉(zhuǎn)動的變形趨勢，如圖3b所示。后視鏡背殼變形集中在加強筋少的部位，在后視鏡背殼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，通過改善零件的對稱性和調(diào)整加強筋，使最大等效應(yīng)力與優(yōu)化前相比降低了10.5 %。

圖3 后視鏡的振型圖

分別在鏡體X，Y，Z方向依次施加33 Hz與94 Hz的加速度(45 m/s2)載荷，在X方向上施加33 Hz、45 m/s2加速度時，等效應(yīng)力最大值為0.744 MPa，最大變形為0.029 mm，最大應(yīng)力位置為背殼外側(cè)左右兩邊區(qū)域。在Y方向上施加33 Hz、45 m/s2加速度時，等效應(yīng)力最大值為0.942 MPa，最大變形為0.084 mm，應(yīng)力最大的區(qū)域集中在背殼的中上部分，如圖4a所示。在Z方向上施加33 Hz、45 m/s2加速度時，等效應(yīng)力最大值為0.712 MPa，最大變形為0.125 mm，最大應(yīng)力位置為頂部加強筋上。

圖4 Z方向等效應(yīng)力圖

在X方向上施加94 Hz、45 m/s2加速度時，等效應(yīng)力最大值為31.229 MPa，最大變形1.263 mm。在Y方向上施加94 Hz、45 m/s2加速度時，等效應(yīng)力最大值為5.989 MPa，最大變形0.394 mm，如圖4 b所示。在Z方向上施加94 Hz、45 m/s2加速度時，等效應(yīng)力最大值為1.695 MPa，最大變形為0.243 mm。

根據(jù)文獻[13]中ABS許用應(yīng)力與壽命之間的關(guān)系，得到ABS在31 MPa時壽命為1 800 s。設(shè)計要求在Z方向維持14 400 s不變形，X方向與Y方向維持7 200 s以上。33 Hz下X方向、Y方向、Z方向加載時，X軸最大應(yīng)力為0.744 MPa，設(shè)計要求在此方向壽命應(yīng)大于7 200 s已滿足。Y軸最大應(yīng)力為0.942 MPa，設(shè)計要求在此方向壽命應(yīng)大于7 200 s已滿足。Z軸最大應(yīng)力為0.712 MPa，設(shè)計要求在此方向壽命應(yīng)大于14 400 s已滿足。三個方向上的壽命分析結(jié)果均高于技術(shù)要求。

2 模具設(shè)計與模流分析

2.1 模具成型零件

分型面的選擇首先保證塑件的成型質(zhì)量與精度[14]，其次考慮模具的制造、加工難度，所以分型面選在塑件的最大截面處。成型零件主要由型腔和型芯構(gòu)成。采用鑲嵌式型腔與型芯結(jié)構(gòu)，具有加工方便、精度高以及便于后續(xù)維修的優(yōu)點。型腔和型芯的材料均為P20鋼，設(shè)計的型芯如圖5所示。

圖5 型芯結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2 澆注與冷卻系統(tǒng)設(shè)計

澆注系統(tǒng)由主流道、分流道、澆口和冷料穴組成[15]。為了便于凝料的脫出，主流道采用圓錐形式，其小端直徑為3 mm，大端為4 mm，主流道球面半徑為16 mm。分流道的截面形狀為圓形，直徑為4 mm，長度為10 mm。由于ABS材料流動性較好，采用側(cè)澆口的澆注方式，加快注射速率，減少熔接痕，方便澆口去除。注塑成型生產(chǎn)過程中，模具溫度影響著塑件的收縮、翹曲變形、成型周期以及表面質(zhì)量，所以在定模板中采用4組直通式冷卻水道，在動模板中采用1組循環(huán)式冷卻水道，水道直徑為10 mm。設(shè)計的澆注與冷卻系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 澆注與冷卻系統(tǒng)

2.3 斜頂與脫模系統(tǒng)設(shè)計

由于塑件垂直方向有16個加強筋和卡扣，直接頂出時塑件無法從模具中順利脫開，故設(shè)計了斜頂推出機構(gòu)，如圖7所示。斜頂機構(gòu)主要由6個斜頂、8個頂桿和1個斜頂?shù)鬃M成。斜頂抽芯的距離為7.5 mm，斜頂?shù)暮穸葹?4 mm，有效長度為51 mm。當塑件從模具中脫出之后，通過頂桿推出塑件使其完全分離。頂桿推出機構(gòu)應(yīng)當盡可能使推力均勻，避免頂出變形或者頂傷塑件[16]。復(fù)位采用復(fù)位桿加彈簧復(fù)位的結(jié)構(gòu)形式，頂出后依靠彈簧所產(chǎn)生的回彈力來實現(xiàn)推板、推桿固定板的回位。

圖7 斜頂與脫模機構(gòu)

2.4 模具裝配圖與工作原理

商用車后視鏡背殼模具裝配圖如圖8所示。模具的工作過程為：首先熔融的塑料通過注塑機的噴嘴進入塑料模具中，依次經(jīng)過主流道、分流道及澆口，最后進入型腔內(nèi)。經(jīng)過充填、保壓、塑件冷卻，最后成型。成型后進行開模，開模一段距離后停止運動，注塑機的推桿固定板底板4推動固定板5進而推動頂桿26，一邊進行抽芯，一邊將塑件推離模具。取出塑件后，頂出機構(gòu)在復(fù)位桿24與彈簧25的作用下復(fù)位，導(dǎo)套17、導(dǎo)柱18以及推桿固定板5復(fù)位合模，模具準備下一次注塑。

圖8 模具裝配圖

2.5 模流分析

為了確保模具能成形出所需的塑件，利用了Moldflow有限元軟件進行了模流分析。流道和冷卻水道采用柱體單元，塑件采用四面體單元，總共劃分了11 869個網(wǎng)格。設(shè)置熔體溫度240 ℃，模具表面溫度40 ℃，材料采用Generic ABS，充填時間2 s，保壓壓力設(shè)置為最大注射壓力的80%，保壓時間為10 s，冷卻時間20 s。模擬分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 模擬分析結(jié)果

從圖9a可以看出，塑件能夠在2.21 s內(nèi)快速充填完成，沒有進料不足等缺陷，能夠滿足要求。從圖9b可以看出，塑件的流動前沿溫度最低為238 ℃，最高為240 ℃，最大差值為2 ℃，在流動的合理范圍不會發(fā)生滯流現(xiàn)象。從圖9c可以看出，鎖模力的峰值為58 t，在隨后的保壓過程中材料逐漸冷卻凝固，鎖模力也逐漸減小，在15 s時減小到0 t。從圖9d熔接線結(jié)果分析圖可以看出，熔接線主要集中在邊角位置，都比較短，對整體美觀和結(jié)構(gòu)強度影響較小。從圖9e可以看出，進水口和出水口的冷卻溫度相差在3 ℃，溫度變化小，水道設(shè)計滿足要求。圖9f是翹曲變形分布圖，可以看出翹曲變形不大，最大才為1.58 mm，在后視鏡背殼邊緣處，符合質(zhì)量要求。注塑模擬結(jié)果表明，所設(shè)計冷卻系統(tǒng)、流道系統(tǒng)能夠注塑要求[17]。

3 生產(chǎn)應(yīng)用

生產(chǎn)中采用型號為HTF160X2C的國產(chǎn)注塑機進行批量生產(chǎn)，塑件實物如圖10所示。注塑機的鎖模力為1 400 kN，注射量為364 cm3，開模行程為420 mm。通過該注塑機生產(chǎn)出來的后視鏡背殼無縮孔、缺料和熔接痕等缺陷，加強筋、卡扣順利脫模。設(shè)計的注塑模具結(jié)構(gòu)合理可靠，能滿足后視鏡背殼的生產(chǎn)需求。

圖10 后視鏡背殼實物圖

4 結(jié)論

(1) 從后視鏡鏡片的結(jié)構(gòu)設(shè)計入手進行后視鏡背殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計。鏡體由鏡框和背殼配合而成，以鏡框為基準，使鏡框與背殼借助卡扣配合。設(shè)計了16個側(cè)壁加強筋，在提高強度和剛度的同時改善成型過程中的材料流動。在底面十字交叉加強筋中間設(shè)置支柱，使塑件壁厚更均勻。在背殼與汽車車身連接部分的球槽處設(shè)置隨形加強筋，防止振動時零件強度不足。

(2) 模擬了后視鏡背殼在共振頻率和共振頻率的模態(tài)、諧響應(yīng)和疲勞壽命，通過優(yōu)化調(diào)整背殼的結(jié)構(gòu)使零件的壽命分析高于技術(shù)要求。

(3) 模流分析設(shè)置熔體溫度240 ℃，模具表面溫度40 ℃，材料采用Generic ABS，充填時間2 s，保壓壓力設(shè)置為最大注射壓力的80%，保壓時間為10 s，冷卻時間20 s，結(jié)果表明所設(shè)計的冷卻系統(tǒng)、流道系統(tǒng)能夠滿足注塑要求并投入生產(chǎn)應(yīng)用。