基于CAD/CAE的摩托车灯罩热流道注塑模设计

周慧兰，谢文伟

(1.华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室， 南昌 330013； 2.贵州航天精工制造有限公司， 贵州遵义 563125)

摩托车灯罩作为摩托车常用透明外饰件，外观要求较高，表面不允许有熔接痕、斑点、毛边等缺陷，而导流梭针尖浇口分喷嘴[1]是应用于热流道注塑模[2]的一种典型喷嘴结构，它能支承流道板，经由流道输送熔融塑料并传递压力，可精确安装在定模一侧，并通过导流梭将熔体引流到模腔。其浇口温度容易控制，针尖结构能有效防止熔料拉丝与流涎，在制件表面残留痕迹小。但其结构和设计原理与普通冷流道浇注系统完全不同，需通过计算机辅助设计与分析[3-4]工具(CAD/CAE)对塑件注射成型进行分析，获得注塑压力、锁模力等工艺参数，进而完成热流道系统关键结构设计及优化。

1 塑件结构工艺性分析

塑件为摩托车灯罩，如图1所示，总体尺寸约为224 mm×64 mm×33 mm，壁厚为2 mm，体积为47.8 cm3。由于分型线为不规则曲线，导致塑件分型面为不规则曲面，因此分型设计具有一定难度。此外，塑件包含定位孔，需要进行破孔填充，而侧边的两个卡扣特征，需借助斜顶抽芯机构完成外侧抽芯运动[5]。

图1 摩托车灯罩

摩托车灯罩主要用于车灯安装和保护，要求具有良好的透光性、热稳定性以及一定的刚度、强度，因此材料选用聚碳酸酯(PC)，该材料具有较好的透明性、韧性、刚性，并且尺寸稳定，容易着色。笔者选用的材料牌号为Makrolon AL 2447，其密度为1.2 g/cm3，熔融温度为300℃左右，热变形温度位于135～143℃，耐紫外线性能好，适合做灯具外罩。

2 塑件CAD/CAE辅助设计与分析

2.1 塑件CAD分型设计

摩托车灯罩是照明外饰件，和周边多个零件具有装配约束关系，其分型线和分型面均为空间不规则特征，属于异形结构件，需借助UG/Mold Wizard[6]辅助工具完成分型设计，最终获得的成型零部件如图2所示。

图2 成型零部件

2.2 塑件CAE辅助分析

(1)成型窗口分析。

应用Moldflow对塑件进行模流分析[7]，根据质量系数高于0.8 (最高为1)的原则，成型窗口分析质量系数设置如下：锁模力、注塑压力限制因子为0.8，流动前沿温度下降最大温差为20℃，温度上升最大温差为2℃，在成型质量系数为0.8的条件下，经过分析获得的模具温度及熔体温度分别为108.9，329.7℃，符合模具温度位于70～120℃、熔体温度位于260～340℃范围的工艺要求，最终成型窗口分析结果如图3所示，其中横坐标为注塑时间，纵坐标为质量系数。

图3 成型窗口分析

(2)充填分析。

应用Moldflow进行充填分析的目的，是为了获得较为准确的充填时间、流动前沿温度、注塑压力以及锁模力等工艺参数。根据成型窗口分析获得的模具温度为108.9℃，熔体温度为329.7℃，符合材料推荐的模具温度位于70～120℃范围内，及熔体温度位于260～340℃范围内，充填时间约为2.0 s。再依据图4所示的注塑时间-注塑压力曲线可知，塑件最大注塑压力约为69 MPa，发生在约1.892 s时刻；而最大锁模力约为43.29 t，即432.9 kN，发生在约1.891 s时刻，分析结果如图5所示。

图5 注塑时间-锁模力曲线

2.3 注塑机选择与校核

模具布局为一模两腔，由于单个塑件体积约为47.8 cm3，因此熔融塑料总体积(V总)为95.6 cm3；根据注塑机的公称注射量(V公)计算公式[见式(1)][8]，再结合模架的总高度为395 mm，初步选择型号为SZ-160/100的注塑机[9]，其主要参数如表1所示。

表1 注塑机主要参数

模具采用热流道浇注系统，与传统冷流道不同的是，其锁模力和注塑压力的计算没有成熟的经验公式可用，必须借助Moldflow辅助分析工具完成。根据图4、图5模流分析结果可知，塑件成型所需最大的注塑压力约为69 MPa，小于注塑机公称注塑压力(150 MPa)；而最大锁模力约为432.9 kN，低于注射机最大锁模力1 000 kN；因此所选注塑机能满足塑件注塑要求。

3 热流道注塑模主要结构

3.1 整体式导流梭针尖分喷嘴

热流道浇注系统采用整体式导流梭针尖分喷嘴结构，单个塑件的注塑体积(V)为47.8 cm3，而针尖分喷嘴的浇口直径d(cm)是分喷嘴中最重要的参数，其计算公式[10]为：

式中：qi——材料熔料流经浇口的体积流量，cm3/s；

n——材料熔料流动指数；

γ·——材料熔料流经浇口的剪切速率，s-1。

根据单个塑件体积查注塑机螺杆推进注塑充填的时间约为2.3 s，而体积流量等于注塑体积除以充填时间，即：

式中：T充填——注塑机螺杆推进注塑时间。

根据体积流量对浇口选取时的限制，当体积流量小于50 cm3/s时，可采用针尖浇口，模具为整体式导流梭针尖浇口，这种浇口能有效防止熔料流涎及拉丝。选取浇口流动指数n=0.4，γ·在104～105s-1范围内选取，γ·取值5×104s-1，因此根据式(2)计算可知针尖分喷嘴浇口d≈0.2 cm=2 mm。

3.2 流道直径计算

热流道系统主喷嘴采用直接浇口[11]类型，由于模具采用一模两腔布局，所以主喷嘴主流道的体积流量(q总)是分喷嘴流量(qi)的两倍，即q总=2qi=2×20.78=41.56 cm3

计算分喷嘴分流道直径时，其n、γ·和主流道的两个参数相同，由于是一模两腔，体积流量值为主流道的一半，即qi为20.78 cm3/s，其余参数不变，代入式(2)，可得分喷嘴的分流道直径d1为8 mm。模具采用的整体式导流梭针尖分喷嘴及直接浇口主喷嘴的结构如图6所示。

图6 分喷嘴和主喷嘴结构

3.3 斜顶外侧抽芯机构

塑件含两个卡扣，应用Mold Wizard注塑模工具生成斜顶后，通过型芯表面对斜顶多余部分进行修剪，即可获得斜顶的成型结构[12-13]，如图7所示，由于卡扣位于塑件外侧，因此斜顶是向外侧完成抽芯运动。

图7 斜顶外侧抽芯机构

为了确保塑件卡扣从斜顶中顺利脱出，需对斜顶抽芯机构进行抽拔距离与抽拔力计算。抽拔距离是抽芯运动的安全距离(S)，与卡扣在抽芯方向上的长度(S1)有关，即S在S1基础上加2～3 mm[14]，因此模具斜顶外侧抽芯机构抽拔距离取S=5 mm.

根据抽芯机构抽拔力计算公式[8]，可以计算卡扣部分抽拔力大小，即：

式中各参数见表2，参数B为卡扣部位在开模方向垂直面的投影，应用计算机辅助工具可知B=8 mm2，将表2中各参数代入式(4)可得：Q=197.4 N，可见抽拔力很小，几乎不影响塑件卡扣部分的脱出。

表2 抽拔力计算公式及参数

4 模具总体结构及工作过程[15]

模具为一模两腔，采用热流道浇注系统，含斜顶外侧抽芯机构，总体结构如图8所示。模具合模时，模具动模在注塑机合模机构带动下向定模方向运动，导向机构保证其运动精度，在分型面位置合模后，型芯7和型腔31形成塑件模腔，熔融塑料经由主流道喷嘴23的主流道、流道板25的分流道以及喷嘴座12的分流道流入整体式导流梭针尖浇口。当喷嘴座12的分流道压力达到熔融塑料的注塑压力时，熔体由导流梭导流，经过针尖浇口进入模腔完成充填，注塑机再对模具施加锁模力，防止模腔胀开。经过填充、保压、冷却后模具开模，当动模后退到一定位置时，模具推出机构在注塑机顶杆推动下开始工作，推板2和顶杆固定板3将带动顶杆5和斜顶33一起将塑件顶出，塑件卡扣在斜顶外侧抽芯机构作用下从斜顶33中顺利脱出，实现塑件脱模，至此一个工作周期结束。

图8 模具总体结构图

5 结语

(1)利用Moldflow对塑件完成模流分析，获得熔体充填时间、流动前沿温度、注塑压力以及锁模力等成型工艺参数，为模具热流道浇注系统的辅助设计提供了依据。

(2)模具采用一模两腔，应用Mold Wizard对不规则塑件进行复杂分型线和分型面[16]创建，获得型芯、型腔等成型零部件，塑件卡扣采用斜顶外侧抽芯机构脱模，并计算了其抽拔距离及抽拔力。

(3)热流道主喷嘴采用直接浇口，分喷嘴采用整体式导流梭针尖浇口，介绍了主喷嘴流道直径、分喷嘴流道及浇口直径的详细计算方法及喷嘴结构，对其他同类热流道模具的设计有一定的借鉴作用。