呂鎵均，張世陽(yáng)，陳榮創(chuàng)，劉賢龍，李兵

(湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院，材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北十堰 442002)

商用車(chē)后視鏡可有效減小商用車(chē)視野盲區(qū)，后視鏡服役過(guò)程中在振動(dòng)作用下易出現(xiàn)松動(dòng)。Murukesa‐van等[1]使用ansys軟件對(duì)轎車(chē)后視鏡幾何形狀進(jìn)行了氣動(dòng)壓力分析，分析表明，半球形是最有效的設(shè)計(jì)。鄭偉[2]以后視鏡振動(dòng)影響開(kāi)車(chē)視野為切入點(diǎn)，提出有效改善后視鏡振動(dòng)情況的方法為提高后視鏡的固有頻率。劉元春[3]對(duì)各種后視鏡結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了振動(dòng)模態(tài)分析，提出了減輕后視鏡振動(dòng)的方法。何文濤等[4]對(duì)后視鏡進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)將后視鏡的最大等效應(yīng)力降低了30.5%，解決了汽車(chē)在坑洼路面行駛后視鏡背殼容易松動(dòng)、鏡片震動(dòng)劇烈的問(wèn)題。但是，針對(duì)商用車(chē)后視鏡，如何從盲區(qū)校核開(kāi)始進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，并解決后視鏡背殼在振動(dòng)中的松動(dòng)和強(qiáng)度不足等問(wèn)題，仍有待進(jìn)一步研究。

商用車(chē)后視鏡背殼是將鏡片固定在汽車(chē)上的重要注塑件，其成形質(zhì)量的好壞對(duì)汽車(chē)安全性至關(guān)重要。張維合等[5]針對(duì)汽車(chē)后視鏡背殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了熱流道注塑模具，采用斜滑塊、側(cè)向抽芯和網(wǎng)格式冷卻水路，使成型周期降低至30 s，生產(chǎn)效率提高10%。肖金等[6]通過(guò)逆向工程獲得了后視鏡的點(diǎn)云與三維模型，通過(guò)Moldflow模擬了后視鏡的注塑成形過(guò)程，得到了優(yōu)化的注塑成型工藝參數(shù)。黃繼戰(zhàn)等[7]設(shè)計(jì)了后視鏡外殼一模兩件熱流道注塑模具，模擬了產(chǎn)品冷卻-填充-保壓-翹曲過(guò)程。孫肖霞等[8]設(shè)計(jì)了汽車(chē)內(nèi)后視鏡鏡殼順序開(kāi)模多分型面模具，實(shí)現(xiàn)了最終產(chǎn)品的自動(dòng)脫模。杜婉瑩[9]設(shè)計(jì)了汽車(chē)后視鏡外殼模具，為零件的大批量生產(chǎn)提供了參考。如何設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單耐用且能可靠工作的商用車(chē)后視鏡背殼模具，實(shí)現(xiàn)后視鏡背殼的穩(wěn)定可靠生產(chǎn)，是后視鏡背殼生產(chǎn)中面臨的問(wèn)題。

筆者設(shè)計(jì)了后視鏡背殼，根據(jù)后視鏡背殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了注塑模具，解決了商用車(chē)后視鏡在振動(dòng)中強(qiáng)度不足和零件成形困難問(wèn)題。生產(chǎn)出來(lái)的零件成功應(yīng)用于某商用車(chē)，實(shí)現(xiàn)了批量搭載應(yīng)用。

1 后視鏡背殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 背殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

先從后視鏡鏡片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手進(jìn)行后視鏡背殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從視野校核、曲率半徑、外輪廓形狀等方面設(shè)計(jì)了某商用車(chē)后視鏡鏡片和鏡體[10]，鏡體高度為2 216 mm，外伸量123 mm。鏡體由鏡框和背殼配合而成，以鏡框?yàn)榛鶞?zhǔn)，使鏡框與背殼借助卡扣配合。圖1是設(shè)計(jì)的后視鏡背殼零件。設(shè)計(jì)了16個(gè)側(cè)壁加強(qiáng)筋，在提高強(qiáng)度和剛度的同時(shí)改善成型過(guò)程中的材料流動(dòng)[11]。在底面十字交叉加強(qiáng)筋中間設(shè)置支柱，使塑件壁厚更均勻。在背殼與汽車(chē)車(chē)身連接部分的球槽處設(shè)置隨形加強(qiáng)筋，防止振動(dòng)時(shí)零件強(qiáng)度不足。圖2是后視鏡背殼的工程圖。

圖1 后視鏡背殼軸側(cè)圖

圖2 后視鏡背殼工程圖

1.2 后視鏡力學(xué)分析

設(shè)計(jì)要求在后視鏡在共振頻率下進(jìn)行上、下4 h，左、右2 h，前、后2 h的耐振動(dòng)性能試驗(yàn)，后視鏡各部件不得有變形、損壞、松動(dòng)、脫落和鏡片位置改變等現(xiàn)象。為了分析后視鏡裝配體在實(shí)際工況下的強(qiáng)度，需要先對(duì)后視鏡裝配體進(jìn)行模態(tài)分析[12]，獲得固有頻率和振型，在模態(tài)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上計(jì)算諧響應(yīng)，確定后視鏡容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置，最后進(jìn)行壽命校核。

后視鏡背殼采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)，泊松比為0.2，彈性模量為2.39×109Pa，密度為1 040 kg/m3。對(duì)模型進(jìn)行6階的求解，得到等效的應(yīng)力云圖，同時(shí)記錄下每一階的共振頻率和振型，見(jiàn)表1。

表1 后視鏡6階共振頻率

后視鏡框架在振動(dòng)過(guò)程中前3階振型的變形趨勢(shì)是繞3個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)，4階模態(tài)是由內(nèi)向外、由上向下的變形趨勢(shì)，如圖3a所示。5階模態(tài)是繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的變形趨勢(shì)，如圖3b所示。后視鏡背殼變形集中在加強(qiáng)筋少的部位，在后視鏡背殼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)改善零件的對(duì)稱(chēng)性和調(diào)整加強(qiáng)筋，使最大等效應(yīng)力與優(yōu)化前相比降低了10.5 %。

圖3 后視鏡的振型圖

分別在鏡體X，Y，Z方向依次施加33 Hz與94 Hz的加速度(45 m/s2)載荷，在X方向上施加33 Hz、45 m/s2加速度時(shí)，等效應(yīng)力最大值為0.744 MPa，最大變形為0.029 mm，最大應(yīng)力位置為背殼外側(cè)左右兩邊區(qū)域。在Y方向上施加33 Hz、45 m/s2加速度時(shí)，等效應(yīng)力最大值為0.942 MPa，最大變形為0.084 mm，應(yīng)力最大的區(qū)域集中在背殼的中上部分，如圖4a所示。在Z方向上施加33 Hz、45 m/s2加速度時(shí)，等效應(yīng)力最大值為0.712 MPa，最大變形為0.125 mm，最大應(yīng)力位置為頂部加強(qiáng)筋上。

圖4 Z方向等效應(yīng)力圖

在X方向上施加94 Hz、45 m/s2加速度時(shí)，等效應(yīng)力最大值為31.229 MPa，最大變形1.263 mm。在Y方向上施加94 Hz、45 m/s2加速度時(shí)，等效應(yīng)力最大值為5.989 MPa，最大變形0.394 mm，如圖4 b所示。在Z方向上施加94 Hz、45 m/s2加速度時(shí)，等效應(yīng)力最大值為1.695 MPa，最大變形為0.243 mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]中ABS許用應(yīng)力與壽命之間的關(guān)系，得到ABS在31 MPa時(shí)壽命為1 800 s。設(shè)計(jì)要求在Z方向維持14 400 s不變形，X方向與Y方向維持7 200 s以上。33 Hz下X方向、Y方向、Z方向加載時(shí)，X軸最大應(yīng)力為0.744 MPa，設(shè)計(jì)要求在此方向壽命應(yīng)大于7 200 s已滿(mǎn)足。Y軸最大應(yīng)力為0.942 MPa，設(shè)計(jì)要求在此方向壽命應(yīng)大于7 200 s已滿(mǎn)足。Z軸最大應(yīng)力為0.712 MPa，設(shè)計(jì)要求在此方向壽命應(yīng)大于14 400 s已滿(mǎn)足。三個(gè)方向上的壽命分析結(jié)果均高于技術(shù)要求。

2 模具設(shè)計(jì)與模流分析

2.1 模具成型零件

分型面的選擇首先保證塑件的成型質(zhì)量與精度[14]，其次考慮模具的制造、加工難度，所以分型面選在塑件的最大截面處。成型零件主要由型腔和型芯構(gòu)成。采用鑲嵌式型腔與型芯結(jié)構(gòu)，具有加工方便、精度高以及便于后續(xù)維修的優(yōu)點(diǎn)。型腔和型芯的材料均為P20鋼，設(shè)計(jì)的型芯如圖5所示。

圖5 型芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 澆注與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)由主流道、分流道、澆口和冷料穴組成[15]。為了便于凝料的脫出，主流道采用圓錐形式，其小端直徑為3 mm，大端為4 mm，主流道球面半徑為16 mm。分流道的截面形狀為圓形，直徑為4 mm，長(zhǎng)度為10 mm。由于ABS材料流動(dòng)性較好，采用側(cè)澆口的澆注方式，加快注射速率，減少熔接痕，方便澆口去除。注塑成型生產(chǎn)過(guò)程中，模具溫度影響著塑件的收縮、翹曲變形、成型周期以及表面質(zhì)量，所以在定模板中采用4組直通式冷卻水道，在動(dòng)模板中采用1組循環(huán)式冷卻水道，水道直徑為10 mm。設(shè)計(jì)的澆注與冷卻系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 澆注與冷卻系統(tǒng)

2.3 斜頂與脫模系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于塑件垂直方向有16個(gè)加強(qiáng)筋和卡扣，直接頂出時(shí)塑件無(wú)法從模具中順利脫開(kāi)，故設(shè)計(jì)了斜頂推出機(jī)構(gòu)，如圖7所示。斜頂機(jī)構(gòu)主要由6個(gè)斜頂、8個(gè)頂桿和1個(gè)斜頂?shù)鬃M成。斜頂抽芯的距離為7.5 mm，斜頂?shù)暮穸葹?4 mm，有效長(zhǎng)度為51 mm。當(dāng)塑件從模具中脫出之后，通過(guò)頂桿推出塑件使其完全分離。頂桿推出機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)盡可能使推力均勻，避免頂出變形或者頂傷塑件[16]。復(fù)位采用復(fù)位桿加彈簧復(fù)位的結(jié)構(gòu)形式，頂出后依靠彈簧所產(chǎn)生的回彈力來(lái)實(shí)現(xiàn)推板、推桿固定板的回位。

圖7 斜頂與脫模機(jī)構(gòu)

2.4 模具裝配圖與工作原理

商用車(chē)后視鏡背殼模具裝配圖如圖8所示。模具的工作過(guò)程為：首先熔融的塑料通過(guò)注塑機(jī)的噴嘴進(jìn)入塑料模具中，依次經(jīng)過(guò)主流道、分流道及澆口，最后進(jìn)入型腔內(nèi)。經(jīng)過(guò)充填、保壓、塑件冷卻，最后成型。成型后進(jìn)行開(kāi)模，開(kāi)模一段距離后停止運(yùn)動(dòng)，注塑機(jī)的推桿固定板底板4推動(dòng)固定板5進(jìn)而推動(dòng)頂桿26，一邊進(jìn)行抽芯，一邊將塑件推離模具。取出塑件后，頂出機(jī)構(gòu)在復(fù)位桿24與彈簧25的作用下復(fù)位，導(dǎo)套17、導(dǎo)柱18以及推桿固定板5復(fù)位合模，模具準(zhǔn)備下一次注塑。

圖8 模具裝配圖

2.5 模流分析

為了確保模具能成形出所需的塑件，利用了Moldflow有限元軟件進(jìn)行了模流分析。流道和冷卻水道采用柱體單元，塑件采用四面體單元，總共劃分了11 869個(gè)網(wǎng)格。設(shè)置熔體溫度240 ℃，模具表面溫度40 ℃，材料采用Generic ABS，充填時(shí)間2 s，保壓壓力設(shè)置為最大注射壓力的80%，保壓時(shí)間為10 s，冷卻時(shí)間20 s。模擬分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 模擬分析結(jié)果

從圖9a可以看出，塑件能夠在2.21 s內(nèi)快速充填完成，沒(méi)有進(jìn)料不足等缺陷，能夠滿(mǎn)足要求。從圖9b可以看出，塑件的流動(dòng)前沿溫度最低為238 ℃，最高為240 ℃，最大差值為2 ℃，在流動(dòng)的合理范圍不會(huì)發(fā)生滯流現(xiàn)象。從圖9c可以看出，鎖模力的峰值為58 t，在隨后的保壓過(guò)程中材料逐漸冷卻凝固，鎖模力也逐漸減小，在15 s時(shí)減小到0 t。從圖9d熔接線(xiàn)結(jié)果分析圖可以看出，熔接線(xiàn)主要集中在邊角位置，都比較短，對(duì)整體美觀和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小。從圖9e可以看出，進(jìn)水口和出水口的冷卻溫度相差在3 ℃，溫度變化小，水道設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。圖9f是翹曲變形分布圖，可以看出翹曲變形不大，最大才為1.58 mm，在后視鏡背殼邊緣處，符合質(zhì)量要求。注塑模擬結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)、流道系統(tǒng)能夠注塑要求[17]。

3 生產(chǎn)應(yīng)用

生產(chǎn)中采用型號(hào)為HTF160X2C的國(guó)產(chǎn)注塑機(jī)進(jìn)行批量生產(chǎn)，塑件實(shí)物如圖10所示。注塑機(jī)的鎖模力為1 400 kN，注射量為364 cm3，開(kāi)模行程為420 mm。通過(guò)該注塑機(jī)生產(chǎn)出來(lái)的后視鏡背殼無(wú)縮孔、缺料和熔接痕等缺陷，加強(qiáng)筋、卡扣順利脫模。設(shè)計(jì)的注塑模具結(jié)構(gòu)合理可靠，能滿(mǎn)足后視鏡背殼的生產(chǎn)需求。

圖10 后視鏡背殼實(shí)物圖

4 結(jié)論

(1) 從后視鏡鏡片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手進(jìn)行后視鏡背殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鏡體由鏡框和背殼配合而成，以鏡框?yàn)榛鶞?zhǔn)，使鏡框與背殼借助卡扣配合。設(shè)計(jì)了16個(gè)側(cè)壁加強(qiáng)筋，在提高強(qiáng)度和剛度的同時(shí)改善成型過(guò)程中的材料流動(dòng)。在底面十字交叉加強(qiáng)筋中間設(shè)置支柱，使塑件壁厚更均勻。在背殼與汽車(chē)車(chē)身連接部分的球槽處設(shè)置隨形加強(qiáng)筋，防止振動(dòng)時(shí)零件強(qiáng)度不足。

(2) 模擬了后視鏡背殼在共振頻率和共振頻率的模態(tài)、諧響應(yīng)和疲勞壽命，通過(guò)優(yōu)化調(diào)整背殼的結(jié)構(gòu)使零件的壽命分析高于技術(shù)要求。

(3) 模流分析設(shè)置熔體溫度240 ℃，模具表面溫度40 ℃，材料采用Generic ABS，充填時(shí)間2 s，保壓壓力設(shè)置為最大注射壓力的80%，保壓時(shí)間為10 s，冷卻時(shí)間20 s，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)、流道系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足注塑要求并投入生產(chǎn)應(yīng)用。