基于正交试验和Moldflow的后视镜外壳注射工艺优化及模具设计

刘 峰，严拓业，段小敏

（1.湖北汽车工业学院 材料科学与工程学院，湖北 十堰 442002；2.东风林泓汽车配套件有限公司，湖北 十堰 442002）

0 引言

汽车外饰件注射成型中常见的质量缺陷有冷料、熔接痕、杂质、收缩变形、斑点等，直接影响汽车整体的质量和使用者的视觉感受，高质量的外饰件有利于提升汽车整体质量和市场竞争力[1]。汽车外饰件要求外形美观、表面各处圆滑过渡，对注射模的精度、原材料的力学性能等要求较高，为了避免出现斑点、断裂及划伤等质量缺陷，必须加强控制生产质量[2]。

1 后视镜外壳工艺分析

汽车后视镜外壳为汽车外饰件，是后视镜组件的主要零件，起支撑镜片和装饰汽车外观的作用，其模型如图1所示。汽车后视镜外壳不仅具有较强的耐候性，还有比较好的耐高温性，具有突出的耐热性和耐候性，外观要求严格，表面不能存在熔接痕、浇口痕迹和气纹等缺陷，翘曲变形对后视镜外壳的影响大。

图1 后视镜外壳模型

后视镜外壳外表面为流线形曲面，可以减小空气的阻力，造型复杂，其他各面多由曲面构成，塑件的转角处和内部连接处均采用圆角过渡，左右或前后两侧倾斜度大致相同，便于脱模，塑件整体为一个倾斜曲面，内部有3个用于安装的空心圆柱孔和多条加强筋，塑件同一侧面需要考虑设计侧抽芯机构和内抽芯的斜楔机构，内部还有1处倾斜的倒扣结构需采用斜推块脱模[3]。

塑件外形尺寸为215 mm×290 mm×125 mm，平均壁厚为3.2 mm，材料为丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸脂共聚物（ASA），主要工艺参数如表1所示。ASA树脂具有高强度、良好的坚韧性和抗冲击特性；与ABS相比，ASA具有很强的耐候性，ASA产品可直接在室外使用，可在阳光下长时间曝晒，不会褪色，也无需喷漆、电镀等表面保护，且ASA的冲击强度和伸长率稳定[3]。

表1 注射成型工艺参数

2 Moldflow模流分析与模具设计

2.1 模型前处理

用Moldflow软件对成型塑件进行网格处理，采用fusion网格。通过网格修复，修改边长不合适的三角形，删除多余的面和节点，得到三维有限元网格模型，如图2所示。三角形个数33 082，节点数16 539，网格纵横比最大值10.0，最小值1.16，平均1.98，相交单元0，完全重叠单元0，无自由边、多重边。网格匹配率91.7%，相互百分比89.5%，有限元网格趋向良好。

图2 有限元网格模型

2.2 浇注系统优化设计

Moldflow分析得到的浇口匹配性，最佳浇口位置为待成型塑件的上表面，但会影响成型塑件外观，如图3所示。因此，根据塑件整体的结构特征，在塑件不需要侧抽芯的一侧且靠近中点处设置侧浇口，不仅可以简化模具结构，顺利进行侧抽芯，还可以实现1模2腔生产，提高生产率。

主流道球面半径SR=20 mm，主流道小端直径d=10.5 mm；a的锥角设定为2°，表面粗糙度Ra<0.5 μm。主流道和分流道设计了r=3 mm的圆角连接。分流道设计在分型面上，并且采用圆形截面，分流道直径D=7 mm。选择侧浇口，尺寸取b=3 mm，a=1.5 mm，L=2 mm[4]。选用倒锥形冷料穴，长度取8 mm，斜度取3°[5]。

2.3 冷却系统设计

由于受到模具推杆孔、型芯孔、侧向分型与抽芯机构的限制，设计理想的随形冷却系统困难。采用φ12 mm直通式冷却水道，水道间距为4 mm，冷却水孔至模架边缘距离为10 mm[6]，如图4所示，恒温25℃，冷却液最高温度26.2℃，最低温度25.01℃，温度相差较小，效果较好，满足要求。

3 注射成型Moldflow分析

3.1 正交试验方案

影响成型塑件翘曲的因素很多，主要分析模具温度、熔体温度、注射压力、保压压力、保压时间等工艺参数对塑件翘曲的影响。为保证成型塑件表面质量，尽可能减小塑件的翘曲变形，采用L16（45）正交表安排试验方案[7]，如表2所示，其他工艺参数采用Moldflow推荐值。

表2 水平因素表

3.2 结果分析

正交试验结果如表3所示。根据正交试验设计，共16组模拟试验，对16组数据进行因素水平极差和方差分析，如表4、表5所示。

表3 正交试验结果

表4 极差分析

表5 方差分析

3.3 工艺参数优化组合分析

通过极差和方差分析可知：①影响翘曲的主要因素为注射压力和保压时间；②最佳方案选择为A1B2C4D2E4，即模具温度50℃、熔体温度210℃、注射压力150 MPa、保压压力85 MPa、保压时间40 s。对该组合进行分析验证，分析结果如图5所示，塑件最大翘曲量为1.090 mm，改善明显。

图5 最佳参数组合的翘曲变形

4 模具设计

4.1 分型面与型腔板及型芯设计

为便于脱模，设计塑件内表面为脱模方向，塑件底面设计为分型面，分型面为斜面，如图6所示。根据Moldflow分析结果，采取1模2腔的模具结构[8]。塑件外表面整体在型腔板内成型[9]，型腔板采用整体嵌入式腔体，如图7所示；塑件内表面主体在型芯上成型，型芯采用组合式[10]，由主型芯、外侧抽芯型芯1、内侧抽芯型芯2和内侧抽芯型芯3组成，如图8所示。型芯1成型塑件的侧孔1，型芯2成型塑件的侧孔2，型芯3成型塑件的内部倒扣区域。

图6 分型面设计

图7 型腔板

图8 型 芯

4.2 侧向分型与抽芯机构设计

（1）外侧抽芯机构。由于塑件侧面存在侧孔1，在脱模时会影响塑件的正常脱模，需要设计侧向抽芯机构。采用斜导柱侧向抽芯机构，滑块一般安装在动模，斜导柱安装在定模，侧型芯设计为整体式，如图9所示。斜导柱倾斜角度取15°，侧抽芯距离S0=37 mm，斜导柱工作长度L=170 mm。

图9 斜导柱侧向抽芯结构

（2）内侧抽芯机构。塑件内部存在倒扣区域和向外侧突出的侧孔2区域，需要设计内侧抽芯机构，采用斜推杆内抽芯机构，与推出机构同步斜推出塑件[11]，如图10所示。斜推杆倾斜角a=5°，斜推杆1行程S1=10 mm，斜推杆2行程S2=12 mm。

图10 斜推杆抽芯机构

4.3 模架和注塑机的选择

查找GB/T 12556-2006标准表，根据确定的各板厚度和所需的模架类型[12]，选择C6080-180×200×150模架。根据最大注射量M=1 491.627 g，选用XSZY2000螺杆式注塑机，经校核，符合要求。

4.4 排气系统和脱模机构

塑件体积小，属于小型注射件，利用在分型面处及塑件内部型芯和侧抽芯间隙进行排气即可。脱模机构采用推杆推出，选用A型推杆，推杆数量n=18，推杆直径d=8 mm。

5 模具工作原理

模具结构如图11所示，推杆分布如图12所示。合模时在导柱26的导向定位下，动模和定模闭合。型腔由定模板23与固定在动模板7上的主型芯31、型芯18、30和侧型芯滑块16组成，并由注塑机合模系统提供的锁模力锁紧。之后开始注射，塑料熔体经定模上的浇注系统进入型腔，待熔体充满型腔经过保压、补缩和冷却定型后开模。开模时，注塑机合模系统带动动模后退，模具从分型面打开，塑件包在主型芯31上随动模一起后退。同时，开模力通过斜导柱8作用于侧型芯滑块16上，迫使滑块13带动侧型芯滑块16在动模板槽内向左右滑动，直至斜导柱全部脱离滑块，即完成抽芯动作。随后，注塑机顶出装置通过推板2使推杆34和斜推杆33、型芯30向前运动，由于斜孔的作用，型芯30同时向内侧移动，从而在推杆34推出塑件的同时斜滑块完成内侧抽芯。塑件及浇注系统凝料一起从模具中落下，至此完成一次注射过程。合模时，推出机构靠复位杆6复位，楔紧块14锁紧滑块，并准备下一次注射。

图11 模具结构

图12 推杆分布

6 结束语

基于汽车后视镜外壳的三维模型，借助Mold⁃flow软件进行型腔布局、浇注系统和冷却系统的优化设计。采用正交试验方法，探索模具温度、熔体温度、注射压力、保压压力、保压时间等工艺参数对成型塑件翘曲变形的影响。结果表明，影响翘曲的主要因素为注射压力和保压时间，最优工艺参数为模具温度50℃、熔体温度210℃、注射压力150 MPa、保压压力85 MPa、保压时间40 s。针对汽车后视镜外壳的结构特点，设计了斜导柱侧抽芯机构和斜推杆抽芯机构，利用UG软件完成模具结构设计，提高设计效率和模具的可靠性，对同类塑件的模具设计有一定的参考价值。