张世阳，陈荣创，高广宇，吴张新

[1.湖北汽车工业学院，新能源汽车关键材料湖北省重点实验室（筹），湖北十堰 442002；2.东风(十堰)林泓汽车配套件有限公司，湖北十堰 442002]

商用车后视镜镜框与外罩相配合，是后视镜组件的主要零件。后视镜镜框是商用车外观件，对塑件表面质量要求较高，在镜框的结构设计中不仅需要考虑装配与强度要求，而且需要满足注塑工艺要求[1]。

针对后视镜镜框，肖金等[2]通过逆向工程获得了后视镜的点云与三维模型，通过Moldflow 模拟了后视镜的注塑过程，得到了优化的注塑工艺参数。黄继战等[3]设计了后视镜外壳一模两件热流道注塑模具，模拟了冷却–填充–保压–翘曲过程。刘斌等[4]通过金属3D打印技术制作了后视镜壳注塑模具的随形冷却水道嵌件，加快了塑件的注塑冷却时间，减小了塑件的翘曲变形量。孙肖霞等[5]设计了汽车内后视镜镜壳顺序开模多分型面模具，实现了塑件的自动脱模。杜婉莹等[6]设计了汽车后视镜外壳模具，为零件的大批量生产提供了指导。此外，程美等[7]采用了热流道与冷流道相结合的技术和二次抽芯机构，完成了汽车后视镜三角座注塑模具设计。孙肖霞等[8]设计了差动组合抽芯的后视镜支架的注塑模具。

笔者针对后视镜镜框塑件结构特点，设计了一套二板式注塑模具，解决了镜框脱模困难的问题，并使用Moldflow 软件对注塑过程进行了模拟。所设计的商用车外视镜镜框注塑模具成功应用于生产实际，取得了较好的效果。

1 镜框注塑模具设计

1.1 镜框结构设计

商用车后视镜镜框作为汽车的外部件，经常承受日照、风吹、雨淋，材料需要耐腐蚀性好，综合成本因素，选择丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料(ABS)材料[9]。根据GB 15084–2013“机动车辆间接视野装置性能和安装要求”，驾驶员需要从镜片中看到车辆后方1.75 m 位置处的成年人，由此确定了镜片曲率为350 mm。在CATIA 软件中建立镜片、眼点与成年人模型，根据光学反射原理确定镜片轮廓[10–11]。镜框、镜壳通过卡扣配合，固定镜片。在UG中对镜框、镜壳进行了结构设计。将镜片边缘偏置、倒圆角，绘制出镜框轮廓。镜框卡槽的设计需要兼顾镜壳侧抽芯机构的位置，使卡扣能顺利成型并取出。卡扣厚度不宜过大否则影响装配，卡扣长度为15 mm，扣键5 mm，角度为30°，卡扣厚度设计为2 mm。为使镜壳卡扣可以顺利滑入卡槽，对内侧框架直壁进行1°的拔模处理。镜框壁厚均匀，设计为3 mm。设计出的镜框如图1 所示，镜框最大外形尺寸为185 mm×255 mm×40 mm。

图1 镜框结构图

1.2 浇注系统设计

对镜框塑料件的注塑工艺性进行初步分析可以发现，该塑料件截面较小而流动距离较远，流长比较大，采用单点浇注时熔料容易过早冷却而导致充不满[12]。因此，采用两点浇注方式。流道设计如图2 所示。主流道形状为圆锥形，小端直径为3 mm，大端直径为5 mm。为了开模时便于脱出浇道的凝料，分流道都设计在分型面上。为了方便加工，将截面形状设计成圆形，分流道直径为8 mm，采用平衡布局放置。浇口采用侧浇口设计，具有截面小、方便加工、便于去除的优点[13]，浇口宽2 mm，厚1 mm，长1 mm。为防止融入塑料的前端冷料进入型腔导致缺陷，Z 形拉料杆冷料穴设置在主流道末端，固定在推杆面板上。塑料件本身不大，采用模具分型面间隙排气[14]。

图2 流道设计

1.3 冷却系统设计

用冷却水对模具进行冷却。冷却水流量(V)按公式(1)计算[15]：

式中：W——每分钟冷却的塑料，每分钟注射2 次，单次注射量为0.061 kg，所以取0.122 kg／min；

Q1——每千克塑料凝固时放出的热量，根据塑料的比热(1 470 J／(kg·℃)、熔体温度降(170℃)相乘得到，取249 900 J／kg；

ρ——水的密度，取1 000 kg／m3；

Cp——水的比热容，取4.2×103J／(kg·℃)；

T1——冷却液出口温度，根据初步分析的结果，取13℃；

T2——冷却液入口温度，取10℃。

根据式(1)计算得到冷却水流量为2.42×10–3m3／min，在型腔和型芯镶件中分别开设水道，冷却水管道直径为8 mm，水路到塑料件表面的距离为16 mm，冷却水道的布置图如图3 所示。

图3 冷却水路

1.4 型腔与型芯设计

从镜框最大截面处分型，同时为确保分型面平滑过渡，型芯分型面与镜片曲率相同。型芯和型腔属于重要工作部件，为降低材料成本，设计成镶拼式结构。型腔和型芯镶块材料选择Cr12MoV，型腔和型芯固定板选择45#钢。将塑料件边界往外延伸得到型芯镶块边界，型芯镶块边界继续往外延伸得到型芯固定板边界。型腔长边尺寸取180 mm，型腔深度取25 mm，镶件侧面壁厚取40 mm，镶件底面壁厚取40 mm。设计的镶拼式型芯如图4 所示。

图4 镶拼式型芯

1.5 斜顶与推出机构设计

塑料件侧面的卡扣会影响正常的脱模，需要在镜框边缘处设置斜顶机构。斜顶机构主要由斜顶和斜顶座组成，斜顶座是带有T型槽的滑块，斜顶座固定在顶杆面板中。斜顶行程应大于卡扣的倒扣深度(3 mm)，取斜顶行程为5 mm，斜顶角取3°。斜顶选择P20 材料并进行淬火处理。采用推杆推出机构使塑料件顺利脱模。考虑到塑料件边距较窄，选择阶梯式顶杆[16]，布置10 个顶杆，并利用顶杆固定板固定顶杆。斜顶和推出机构如图5 所示，该机构结构简单，便于制造。

图5 斜顶与推出机构

1.6 装配图与模具工作过程

镜框模具装配图如图6 所示。注塑完毕后，塑料件保压、冷却后开模。首先，动模板在注塑机的作用下拉动模具，使动模和定模沿着分型面分开，初步完成分型。等动模移开一定的距离后，斜顶机构开始工作，由于斜顶具有一定的斜度，所以在斜顶顶出塑料件的同时，也会向两侧运动。当推杆固定板碰到顶杆时，塑料件从型腔和型芯中脱出。合模过程中，由复位杆26 带动进行复位。

图6 模具装配图

2 注塑过程模拟

为确保设计的模具能使塑料件顺利成型，也为进一步确定注塑工艺参数，在Moldflow 软件中进行了注塑过程的有限元模拟。在Moldflow 中导入塑料件模型，并导入冷却水路和流道的中线。流道、冷却水路均采用柱体单元，塑料件采用四面体单元，流道、冷却水路、塑料件共划分30 万个网格，有限元分析模型如图7 所示。选择材料库中能模拟翘曲的Generic ABS 材料进行模拟。设置熔体温度为230℃，模具表面温度为60℃，注射时间为5 s，保压压力设置为最大注塑压力，保压和冷却时间为30 s。

图7 有限元分析模型

注塑过程的有限元分析结果如图8 所示。从图8a的结果可以看出，塑料件在注射5.33 s 后可以充满。从图8b 可以看出，注射过程中，喷嘴处压力最大为57.7 MPa，塑料件上的最大压力为43.3 MPa。进一步观察分析结果可以发现，在13 s 时型腔内的熔体冷却，塑料件压力减小为0。从图8c 锁模力变化曲线可以看出，注射阶段锁模力缓慢上升，在充满的时刻达到锁模力峰值368 kN，随后的保压过程中，由于熔体逐渐凝固，锁模力约在13 s 时下降到0。图8d是冷却水路的温度分布图。从图8可以看出，冷却水入口处温度为10℃，经过循环后，水温逐渐上升，冷却水出口处温度为12.74℃，温差较小，所以冷却水的流量和温度能满足模具的冷却需求。以塑料件的4 个角点为参考，由图8e 可以看出，塑料件最大变形量为1.033 mm 出现在镜框的边缘部位。注塑分析结果表明，针对该塑料件设计的冷却水路、流道系统能满足注塑工艺要求。根据以上的分析结果，推荐注塑工艺参数为注射速率12 cm3／s，熔体温度230℃，注射时间5 s，保压时间30 s，锁模力不小于368 kN，冷却水温度10 ℃，冷却水流量2.4 L／min。

图8 模拟分析结果

3 生产过程

批量生产中，采用注塑机型号为XS–ZY–500，注塑机额定注射量500 cm3，锁模力3 500 kN。模具厚度396 mm，小于注塑机闭合高度450 mm。注塑机开模行程为500 mm，大于最小行程170 mm。后视镜镜框的生产照片如图9 所示。生产的制件无锁孔、疏松、熔接痕等缺陷，能顺利脱模，流道容易去除，制件外观光洁，翘曲公差在允许范围内。设计的模具工作状况良好，模具在推荐的工艺参数下工作，能较好满足客户的后视镜镜框的生产需求。

图9 后视镜镜框生产照片

4 结论

(1)设计了后视镜镜框、浇注系统、冷却系统、型腔与型芯、斜顶与推出机构等，并绘制了模具装配图。通过对模具结构分析发现，模具能连贯完成注射、顶出、复位等动作，满足注塑模具的动作要求。

(2)使用Moldflow 软件模拟了镜框零件的注塑过程。注塑分析结果表明，针对该塑料件设计的冷却水路、流道系统能满足注塑工艺要求。推荐的注塑工艺参数为：注射速率12 cm3／s，熔体温度230℃，注射时间5 s，保压时间30 s，锁模力不小于368 kN，冷却水温度10℃，冷却水流量2.4 L／min。

(3)设计的模具应用于后视镜的批量生产。结果表明，生产的塑料件无锁孔、疏松、熔接痕等缺陷，能顺利脱模，流道容易去除，制件外观光洁，翘曲公差在允许范围内。设计的模具工作状况良好，模具在推荐的工艺参数下工作，能较好满足客户的后视镜镜框的生产需求。