基于正交試驗和Moldflow的后視鏡外殼注射工藝優化及模具設計

劉 峰，嚴拓業，段小敏

（1.湖北汽車工業學院 材料科學與工程學院，湖北 十堰 442002；2.東風林泓汽車配套件有限公司，湖北 十堰 442002）

0 引言

汽車外飾件注射成型中常見的質量缺陷有冷料、熔接痕、雜質、收縮變形、斑點等，直接影響汽車整體的質量和使用者的視覺感受，高質量的外飾件有利于提升汽車整體質量和市場競爭力[1]。汽車外飾件要求外形美觀、表面各處圓滑過渡，對注射模的精度、原材料的力學性能等要求較高，為了避免出現斑點、斷裂及劃傷等質量缺陷，必須加強控制生產質量[2]。

1 后視鏡外殼工藝分析

汽車后視鏡外殼為汽車外飾件，是后視鏡組件的主要零件，起支撐鏡片和裝飾汽車外觀的作用，其模型如圖1所示。汽車后視鏡外殼不僅具有較強的耐候性，還有比較好的耐高溫性，具有突出的耐熱性和耐候性，外觀要求嚴格，表面不能存在熔接痕、澆口痕跡和氣紋等缺陷，翹曲變形對后視鏡外殼的影響大。

圖1 后視鏡外殼模型

后視鏡外殼外表面為流線形曲面，可以減小空氣的阻力，造型復雜，其他各面多由曲面構成，塑件的轉角處和內部連接處均采用圓角過渡，左右或前后兩側傾斜度大致相同，便于脫模，塑件整體為一個傾斜曲面，內部有3個用于安裝的空心圓柱孔和多條加強筋，塑件同一側面需要考慮設計側抽芯機構和內抽芯的斜楔機構，內部還有1處傾斜的倒扣結構需采用斜推塊脫模[3]。

塑件外形尺寸為215 mm×290 mm×125 mm，平均壁厚為3.2 mm，材料為丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸脂共聚物（ASA），主要工藝參數如表1所示。ASA樹脂具有高強度、良好的堅韌性和抗沖擊特性；與ABS相比，ASA具有很強的耐候性，ASA產品可直接在室外使用，可在陽光下長時間曝曬，不會褪色，也無需噴漆、電鍍等表面保護，且ASA的沖擊強度和伸長率穩定[3]。

表1 注射成型工藝參數

2 Moldflow模流分析與模具設計

2.1 模型前處理

用Moldflow軟件對成型塑件進行網格處理，采用fusion網格。通過網格修復，修改邊長不合適的三角形，刪除多余的面和節點，得到三維有限元網格模型，如圖2所示。三角形個數33 082，節點數16 539，網格縱橫比最大值10.0，最小值1.16，平均1.98，相交單元0，完全重疊單元0，無自由邊、多重邊。網格匹配率91.7%，相互百分比89.5%，有限元網格趨向良好。

圖2 有限元網格模型

2.2 澆注系統優化設計

Moldflow分析得到的澆口匹配性，最佳澆口位置為待成型塑件的上表面，但會影響成型塑件外觀，如圖3所示。因此，根據塑件整體的結構特征，在塑件不需要側抽芯的一側且靠近中點處設置側澆口，不僅可以簡化模具結構，順利進行側抽芯，還可以實現1模2腔生產，提高生產率。

主流道球面半徑SR=20 mm，主流道小端直徑d=10.5 mm；a的錐角設定為2°，表面粗糙度Ra<0.5 μm。主流道和分流道設計了r=3 mm的圓角連接。分流道設計在分型面上，并且采用圓形截面，分流道直徑D=7 mm。選擇側澆口，尺寸取b=3 mm，a=1.5 mm，L=2 mm[4]。選用倒錐形冷料穴，長度取8 mm，斜度取3°[5]。

2.3 冷卻系統設計

由于受到模具推桿孔、型芯孔、側向分型與抽芯機構的限制，設計理想的隨形冷卻系統困難。采用φ12 mm直通式冷卻水道，水道間距為4 mm，冷卻水孔至模架邊緣距離為10 mm[6]，如圖4所示，恒溫25℃，冷卻液最高溫度26.2℃，最低溫度25.01℃，溫度相差較小，效果較好，滿足要求。

3 注射成型Moldflow分析

3.1 正交試驗方案

影響成型塑件翹曲的因素很多，主要分析模具溫度、熔體溫度、注射壓力、保壓壓力、保壓時間等工藝參數對塑件翹曲的影響。為保證成型塑件表面質量，盡可能減小塑件的翹曲變形，采用L16（45）正交表安排試驗方案[7]，如表2所示，其他工藝參數采用Moldflow推薦值。

表2 水平因素表

3.2 結果分析

正交試驗結果如表3所示。根據正交試驗設計，共16組模擬試驗，對16組數據進行因素水平極差和方差分析，如表4、表5所示。

表3 正交試驗結果

表4 極差分析

表5 方差分析

3.3 工藝參數優化組合分析

通過極差和方差分析可知：①影響翹曲的主要因素為注射壓力和保壓時間；②最佳方案選擇為A1B2C4D2E4，即模具溫度50℃、熔體溫度210℃、注射壓力150 MPa、保壓壓力85 MPa、保壓時間40 s。對該組合進行分析驗證，分析結果如圖5所示，塑件最大翹曲量為1.090 mm，改善明顯。

圖5 最佳參數組合的翹曲變形

4 模具設計

4.1 分型面與型腔板及型芯設計

為便于脫模，設計塑件內表面為脫模方向，塑件底面設計為分型面，分型面為斜面，如圖6所示。根據Moldflow分析結果，采取1模2腔的模具結構[8]。塑件外表面整體在型腔板內成型[9]，型腔板采用整體嵌入式腔體，如圖7所示；塑件內表面主體在型芯上成型，型芯采用組合式[10]，由主型芯、外側抽芯型芯1、內側抽芯型芯2和內側抽芯型芯3組成，如圖8所示。型芯1成型塑件的側孔1，型芯2成型塑件的側孔2，型芯3成型塑件的內部倒扣區域。

圖6 分型面設計

圖7 型腔板

圖8 型 芯

4.2 側向分型與抽芯機構設計

（1）外側抽芯機構。由于塑件側面存在側孔1，在脫模時會影響塑件的正常脫模，需要設計側向抽芯機構。采用斜導柱側向抽芯機構，滑塊一般安裝在動模，斜導柱安裝在定模，側型芯設計為整體式，如圖9所示。斜導柱傾斜角度取15°，側抽芯距離S0=37 mm，斜導柱工作長度L=170 mm。

圖9 斜導柱側向抽芯結構

（2）內側抽芯機構。塑件內部存在倒扣區域和向外側突出的側孔2區域，需要設計內側抽芯機構，采用斜推桿內抽芯機構，與推出機構同步斜推出塑件[11]，如圖10所示。斜推桿傾斜角a=5°，斜推桿1行程S1=10 mm，斜推桿2行程S2=12 mm。

圖10 斜推桿抽芯機構

4.3 模架和注塑機的選擇

查找GB/T 12556-2006標準表，根據確定的各板厚度和所需的模架類型[12]，選擇C6080-180×200×150模架。根據最大注射量M=1 491.627 g，選用XSZY2000螺桿式注塑機，經校核，符合要求。

4.4 排氣系統和脫模機構

塑件體積小，屬于小型注射件，利用在分型面處及塑件內部型芯和側抽芯間隙進行排氣即可。脫模機構采用推桿推出，選用A型推桿，推桿數量n=18，推桿直徑d=8 mm。

5 模具工作原理

模具結構如圖11所示，推桿分布如圖12所示。合模時在導柱26的導向定位下，動模和定模閉合。型腔由定模板23與固定在動模板7上的主型芯31、型芯18、30和側型芯滑塊16組成，并由注塑機合模系統提供的鎖模力鎖緊。之后開始注射，塑料熔體經定模上的澆注系統進入型腔，待熔體充滿型腔經過保壓、補縮和冷卻定型后開模。開模時，注塑機合模系統帶動動模后退，模具從分型面打開，塑件包在主型芯31上隨動模一起后退。同時，開模力通過斜導柱8作用于側型芯滑塊16上，迫使滑塊13帶動側型芯滑塊16在動模板槽內向左右滑動，直至斜導柱全部脫離滑塊，即完成抽芯動作。隨后，注塑機頂出裝置通過推板2使推桿34和斜推桿33、型芯30向前運動，由于斜孔的作用，型芯30同時向內側移動，從而在推桿34推出塑件的同時斜滑塊完成內側抽芯。塑件及澆注系統凝料一起從模具中落下，至此完成一次注射過程。合模時，推出機構靠復位桿6復位，楔緊塊14鎖緊滑塊，并準備下一次注射。

圖11 模具結構

圖12 推桿分布

6 結束語

基于汽車后視鏡外殼的三維模型，借助Mold?flow軟件進行型腔布局、澆注系統和冷卻系統的優化設計。采用正交試驗方法，探索模具溫度、熔體溫度、注射壓力、保壓壓力、保壓時間等工藝參數對成型塑件翹曲變形的影響。結果表明，影響翹曲的主要因素為注射壓力和保壓時間，最優工藝參數為模具溫度50℃、熔體溫度210℃、注射壓力150 MPa、保壓壓力85 MPa、保壓時間40 s。針對汽車后視鏡外殼的結構特點，設計了斜導柱側抽芯機構和斜推桿抽芯機構，利用UG軟件完成模具結構設計，提高設計效率和模具的可靠性，對同類塑件的模具設計有一定的參考價值。