基于CAD/CAE的摩托車燈罩熱流道注塑模設(shè)計

周慧蘭，謝文偉

(1.華東交通大學(xué)載運工具與裝備教育部重點實驗室， 南昌 330013； 2.貴州航天精工制造有限公司， 貴州遵義 563125)

摩托車燈罩作為摩托車常用透明外飾件，外觀要求較高，表面不允許有熔接痕、斑點、毛邊等缺陷，而導(dǎo)流梭針尖澆口分噴嘴[1]是應(yīng)用于熱流道注塑模[2]的一種典型噴嘴結(jié)構(gòu)，它能支承流道板，經(jīng)由流道輸送熔融塑料并傳遞壓力，可精確安裝在定模一側(cè)，并通過導(dǎo)流梭將熔體引流到模腔。其澆口溫度容易控制，針尖結(jié)構(gòu)能有效防止熔料拉絲與流涎，在制件表面殘留痕跡小。但其結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理與普通冷流道澆注系統(tǒng)完全不同，需通過計算機(jī)輔助設(shè)計與分析[3-4]工具(CAD/CAE)對塑件注射成型進(jìn)行分析，獲得注塑壓力、鎖模力等工藝參數(shù)，進(jìn)而完成熱流道系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化。

1 塑件結(jié)構(gòu)工藝性分析

塑件為摩托車燈罩，如圖1所示，總體尺寸約為224 mm×64 mm×33 mm，壁厚為2 mm，體積為47.8 cm3。由于分型線為不規(guī)則曲線，導(dǎo)致塑件分型面為不規(guī)則曲面，因此分型設(shè)計具有一定難度。此外，塑件包含定位孔，需要進(jìn)行破孔填充，而側(cè)邊的兩個卡扣特征，需借助斜頂抽芯機(jī)構(gòu)完成外側(cè)抽芯運動[5]。

圖1 摩托車燈罩

摩托車燈罩主要用于車燈安裝和保護(hù)，要求具有良好的透光性、熱穩(wěn)定性以及一定的剛度、強度，因此材料選用聚碳酸酯(PC)，該材料具有較好的透明性、韌性、剛性，并且尺寸穩(wěn)定，容易著色。筆者選用的材料牌號為Makrolon AL 2447，其密度為1.2 g/cm3，熔融溫度為300℃左右，熱變形溫度位于135～143℃，耐紫外線性能好，適合做燈具外罩。

2 塑件CAD/CAE輔助設(shè)計與分析

2.1 塑件CAD分型設(shè)計

摩托車燈罩是照明外飾件，和周邊多個零件具有裝配約束關(guān)系，其分型線和分型面均為空間不規(guī)則特征，屬于異形結(jié)構(gòu)件，需借助UG/Mold Wizard[6]輔助工具完成分型設(shè)計，最終獲得的成型零部件如圖2所示。

圖2 成型零部件

2.2 塑件CAE輔助分析

(1)成型窗口分析。

應(yīng)用Moldflow對塑件進(jìn)行模流分析[7]，根據(jù)質(zhì)量系數(shù)高于0.8 (最高為1)的原則，成型窗口分析質(zhì)量系數(shù)設(shè)置如下：鎖模力、注塑壓力限制因子為0.8，流動前沿溫度下降最大溫差為20℃，溫度上升最大溫差為2℃，在成型質(zhì)量系數(shù)為0.8的條件下，經(jīng)過分析獲得的模具溫度及熔體溫度分別為108.9，329.7℃，符合模具溫度位于70～120℃、熔體溫度位于260～340℃范圍的工藝要求，最終成型窗口分析結(jié)果如圖3所示，其中橫坐標(biāo)為注塑時間，縱坐標(biāo)為質(zhì)量系數(shù)。

圖3 成型窗口分析

(2)充填分析。

應(yīng)用Moldflow進(jìn)行充填分析的目的，是為了獲得較為準(zhǔn)確的充填時間、流動前沿溫度、注塑壓力以及鎖模力等工藝參數(shù)。根據(jù)成型窗口分析獲得的模具溫度為108.9℃，熔體溫度為329.7℃，符合材料推薦的模具溫度位于70～120℃范圍內(nèi)，及熔體溫度位于260～340℃范圍內(nèi)，充填時間約為2.0 s。再依據(jù)圖4所示的注塑時間-注塑壓力曲線可知，塑件最大注塑壓力約為69 MPa，發(fā)生在約1.892 s時刻；而最大鎖模力約為43.29 t，即432.9 kN，發(fā)生在約1.891 s時刻，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 注塑時間-鎖模力曲線

2.3 注塑機(jī)選擇與校核

模具布局為一模兩腔，由于單個塑件體積約為47.8 cm3，因此熔融塑料總體積(V總)為95.6 cm3；根據(jù)注塑機(jī)的公稱注射量(V公)計算公式[見式(1)][8]，再結(jié)合模架的總高度為395 mm，初步選擇型號為SZ-160/100的注塑機(jī)[9]，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 注塑機(jī)主要參數(shù)

模具采用熱流道澆注系統(tǒng)，與傳統(tǒng)冷流道不同的是，其鎖模力和注塑壓力的計算沒有成熟的經(jīng)驗公式可用，必須借助Moldflow輔助分析工具完成。根據(jù)圖4、圖5模流分析結(jié)果可知，塑件成型所需最大的注塑壓力約為69 MPa，小于注塑機(jī)公稱注塑壓力(150 MPa)；而最大鎖模力約為432.9 kN，低于注射機(jī)最大鎖模力1 000 kN；因此所選注塑機(jī)能滿足塑件注塑要求。

3 熱流道注塑模主要結(jié)構(gòu)

3.1 整體式導(dǎo)流梭針尖分噴嘴

熱流道澆注系統(tǒng)采用整體式導(dǎo)流梭針尖分噴嘴結(jié)構(gòu)，單個塑件的注塑體積(V)為47.8 cm3，而針尖分噴嘴的澆口直徑d(cm)是分噴嘴中最重要的參數(shù)，其計算公式[10]為：

式中：qi——材料熔料流經(jīng)澆口的體積流量，cm3/s；

n——材料熔料流動指數(shù)；

γ·——材料熔料流經(jīng)澆口的剪切速率，s-1。

根據(jù)單個塑件體積查注塑機(jī)螺桿推進(jìn)注塑充填的時間約為2.3 s，而體積流量等于注塑體積除以充填時間，即：

式中：T充填——注塑機(jī)螺桿推進(jìn)注塑時間。

根據(jù)體積流量對澆口選取時的限制，當(dāng)體積流量小于50 cm3/s時，可采用針尖澆口，模具為整體式導(dǎo)流梭針尖澆口，這種澆口能有效防止熔料流涎及拉絲。選取澆口流動指數(shù)n=0.4，γ·在104～105s-1范圍內(nèi)選取，γ·取值5×104s-1，因此根據(jù)式(2)計算可知針尖分噴嘴澆口d≈0.2 cm=2 mm。

3.2 流道直徑計算

熱流道系統(tǒng)主噴嘴采用直接澆口[11]類型，由于模具采用一模兩腔布局，所以主噴嘴主流道的體積流量(q總)是分噴嘴流量(qi)的兩倍，即q總=2qi=2×20.78=41.56 cm3

計算分噴嘴分流道直徑時，其n、γ·和主流道的兩個參數(shù)相同，由于是一模兩腔，體積流量值為主流道的一半，即qi為20.78 cm3/s，其余參數(shù)不變，代入式(2)，可得分噴嘴的分流道直徑d1為8 mm。模具采用的整體式導(dǎo)流梭針尖分噴嘴及直接澆口主噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 分噴嘴和主噴嘴結(jié)構(gòu)

3.3 斜頂外側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)

塑件含兩個卡扣，應(yīng)用Mold Wizard注塑模工具生成斜頂后，通過型芯表面對斜頂多余部分進(jìn)行修剪，即可獲得斜頂?shù)某尚徒Y(jié)構(gòu)[12-13]，如圖7所示，由于卡扣位于塑件外側(cè)，因此斜頂是向外側(cè)完成抽芯運動。

圖7 斜頂外側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)

為了確保塑件卡扣從斜頂中順利脫出，需對斜頂抽芯機(jī)構(gòu)進(jìn)行抽拔距離與抽拔力計算。抽拔距離是抽芯運動的安全距離(S)，與卡扣在抽芯方向上的長度(S1)有關(guān)，即S在S1基礎(chǔ)上加2～3 mm[14]，因此模具斜頂外側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)抽拔距離取S=5 mm.

根據(jù)抽芯機(jī)構(gòu)抽拔力計算公式[8]，可以計算卡扣部分抽拔力大小，即：

式中各參數(shù)見表2，參數(shù)B為卡扣部位在開模方向垂直面的投影，應(yīng)用計算機(jī)輔助工具可知B=8 mm2，將表2中各參數(shù)代入式(4)可得：Q=197.4 N，可見抽拔力很小，幾乎不影響塑件卡扣部分的脫出。

表2 抽拔力計算公式及參數(shù)

4 模具總體結(jié)構(gòu)及工作過程[15]

模具為一模兩腔，采用熱流道澆注系統(tǒng)，含斜頂外側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。模具合模時，模具動模在注塑機(jī)合模機(jī)構(gòu)帶動下向定模方向運動，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)保證其運動精度，在分型面位置合模后，型芯7和型腔31形成塑件模腔，熔融塑料經(jīng)由主流道噴嘴23的主流道、流道板25的分流道以及噴嘴座12的分流道流入整體式導(dǎo)流梭針尖澆口。當(dāng)噴嘴座12的分流道壓力達(dá)到熔融塑料的注塑壓力時，熔體由導(dǎo)流梭導(dǎo)流，經(jīng)過針尖澆口進(jìn)入模腔完成充填，注塑機(jī)再對模具施加鎖模力，防止模腔脹開。經(jīng)過填充、保壓、冷卻后模具開模，當(dāng)動模后退到一定位置時，模具推出機(jī)構(gòu)在注塑機(jī)頂桿推動下開始工作，推板2和頂桿固定板3將帶動頂桿5和斜頂33一起將塑件頂出，塑件卡扣在斜頂外側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)作用下從斜頂33中順利脫出，實現(xiàn)塑件脫模，至此一個工作周期結(jié)束。

圖8 模具總體結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語

(1)利用Moldflow對塑件完成模流分析，獲得熔體充填時間、流動前沿溫度、注塑壓力以及鎖模力等成型工藝參數(shù)，為模具熱流道澆注系統(tǒng)的輔助設(shè)計提供了依據(jù)。

(2)模具采用一模兩腔，應(yīng)用Mold Wizard對不規(guī)則塑件進(jìn)行復(fù)雜分型線和分型面[16]創(chuàng)建，獲得型芯、型腔等成型零部件，塑件卡扣采用斜頂外側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)脫模，并計算了其抽拔距離及抽拔力。

(3)熱流道主噴嘴采用直接澆口，分噴嘴采用整體式導(dǎo)流梭針尖澆口，介紹了主噴嘴流道直徑、分噴嘴流道及澆口直徑的詳細(xì)計算方法及噴嘴結(jié)構(gòu)，對其他同類熱流道模具的設(shè)計有一定的借鑒作用。