无人机相机镜头盖模流分析及注塑模具设计

Mold Flow Analysis and Injection Mold Design of UAV Camera Lens Cover

摘要

为缩短产品开发周期，减少试模次数，以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）材料的无人机（UAV）相机镜头盖为研究对象，基于Moldflow软件对其整个注塑过程进行模流分析，通过镜头盖的填充时间、流动前沿温度、熔接痕及气穴4个方面确定其最优浇口位置，通过冷却液温差和回路管壁温差确定优化冷却系统的可行性；通过质量、最大剪切速率、最大剪切应力3个成型窗口分析得到塑件的最优成型参数；最后通过翘曲变形分析完成参数的验证。基于仿真结果和产品的生产要求，选择符合成型要求的注塑机，并通过对锁模力、最大注射容量及注射压力的校核，证明选择的注塑机完全符合设计要求。最终依据模流分析的结果，设计一套一模两腔的三板模侧抽芯结构注塑模具。结果表明：通过Moldflow软件分析可以有效提高无人机相机镜头盖的设计效率与质量，缩短产品的生产周期，对类似产品的模具设计具有指导作用。

关键词

模流分析 / 模具设计 / 无人机 / 镜头盖

Key words

Mold flow analysis / Mold design / UAV / Lens cover

无人机功能和种类的不断增加对无人机行业各类零部件的设计与制造方法提出更多的要求^[1-2]。传统的模具开发基于工人的生产经验设计模具结构和选择模具参数，需要反复试模和修改参数，致使开发周期延长，设计成本增加^[3-4]。因此，越来越多的设计人员应用CAE分析软件Moldflow进行无人机相关模具的开发设计。杨鸿^[5]利用Moldflow软件对一款产品外观要求较高的无人机上盖塑件进行模流分析，并通过模流分析对其浇注系统和注塑工艺参数进行优化，最终完成产品的注塑模具的设计，有效地降低了产品开发及生产的成本。汤定德等^[6]针对某无人机叶片脱模困难的模具设计难题，运用CAE软件确定其成型方案，通过对两种脱模方案的分析比较后，采用一种简化型两板模具进行产品成型，在保证叶片成型质量的同时有效降低模具制造成本。杨小勇等^[7]采用Moldflow软件对碳酸聚酯(PC)四旋翼无人机上壳的注塑流程进行模流分析，通过对比两种浇口方案的填充时间和翘曲变化等各类参数，得到最优的注塑成型方案。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)是一种强度高、韧性好、易于加工成型且表面光泽度较高的材料，被广泛应用于航空航天、建材、机械等多个领域^[8-10]。采用ABS作为无人机相机镜头盖的成型材料，可以利用其优良的力学性能生产出质量较高的镜头盖，从而保护无人机相机镜头的安全，ABS较高的表面光泽度和易加工性能可以保证镜头盖产品的高质量外观要求和生产效率。

本实验对无人机相机镜头盖进行工艺分析，利用Moldflow软件对零件的浇口位置、冷却系统、成型窗口、翘曲变形进行一系列的模流分析，同时对模流分析的结果进行验证；结合模流分析结果及塑件参数选择型号为MA900/260的注塑机，并对其锁模力等主要参数进行校核；依据各项仿真分析和计算结果，完成镜头盖的注塑模具结构设计。整个设计流程实现了数值模拟软件的协同设计，提高了模具设计的效率和可靠性，减少了试模和修模的次数，大大缩短了产品的设计周期。

1 无人机相机镜头盖工艺分析

无人机相机镜头盖是一种薄壁柱形塑件，图1为其三维模型。外形尺寸为56.0 mm×56.0 mm×8.5 mm，平均壁厚1.5 mm，外形结构比较简单，但两侧皆有一个通孔，因此需要设置侧抽芯机构实现侧向分型。成型材料选用ABS，其密度为1.02~1.05 g/cm³，相比其他塑性材料，该材料具有更好的力学综合性能以及更高的冲击强度和柔韧性。

2 基于Moldflow的模流分析

网格划分是整个模流分析进程的前提，影响后续优化的准确性^[11]。将生成的三维模型导入Moldflow软件中，因为镜头盖零件壁厚相对较薄，且厚度比较均匀，故采用双层面网格划分，并将面网格转成体网格。图2为镜头盖的网格划分。一般要求网格最大纵横比小于20，平均纵横比小于3，通过网格数据统计可知最大纵横比为6.88，最小纵横比1.16，平均纵横比为1.51，符合模流分析的要求^[12]。

由于选用ABS为成型材料，故将工艺参数设置为：模具表面温度50 ℃、熔体温度230 ℃、开模时间5 s、填充控制和注塑速度自动、填充压力80%、保压时间10 s。由于镜头盖零件体积较小，所以1个浇口即可满足注塑要求，浇口采用点浇口。模流分析中，为了找到零件的最佳浇口位置，预设3种浇口位置方案，分别在零件的中间位置、凸台位置、凸台与外圆之间位置。通过正交试验法最终选择为凸台与外圆之间位置，在此基础上分析相应的仿真结果。

2.1 浇口位置分析

2.1.1 填充时间

填充时间是指塑料熔体充满整个型腔所用的时间，可以用于查看塑件有无发生迟滞和短射现象^[13-14]。图3为镜头盖的填充时间模拟结果，蓝色开始填充，红色最后填充。从图3可以看出，由于镜头盖的整体尺寸较小，整个填充过程较短，只用了1.260 s，远小于5.0 s的最佳极限填充时间，且没有短射，型腔填充均匀，充模平均。

2.1.2 流动前沿温度

流动前沿温度为材料熔融体流经节点处的温度状况，是注塑模具的1个设计标准^[15-16]。图4为塑件的流动前沿温度分布。镜头盖所选ABS材料的熔体温度范围为200~280 ℃，其流动前沿温度温差允许值为±20 ℃，而塑件的流动前沿温度范围为217.7~230.0 ℃，最大温差为12.3 ℃，完全符合标准要求。

2.1.3 熔接痕

当材料熔体的1个流动前沿被分离然后再结合到一起时就会出现焊接痕迹，这种痕迹被称为熔接痕，熔接痕会影响塑件强度和产品外观^[17-18]。图5为镜头盖的熔接痕分布。从图5可以看出，在镜头盖零件注塑成型时，镜头盖内熔接线数少，且多见于该区域的内侧，不会直接影响到镜头盖零件的实际使用性能，能够充分满足镜头盖零件的高品质外观要求。

2.1.4 气穴

在制件的注塑成型过程中，不可避免地会产生气穴，若气穴位于分型面上，气体很容易从分型面的间隙排出，可以很大程度地提高塑件的外观质量^[19-20]。图6为塑件的气穴分布。从图6可以看出，塑件在注塑成型的过程中产生的气穴少，且多数气穴都分布在分型面处，气体能够正常排出，而位于其他部位的少数气穴则可通过调整制件壁厚及成型时的注射时间等手段进行消除，成型质量优异。

综合填充时间、流动前沿温度、熔接痕、气穴4个方面的仿真结果可知，浇口位置设置在凸台与外圆之间能够充分满足无人机相机镜头盖塑件的实际使用性能及外观质量要求。

2.2 冷却系统设计与分析

在注塑过程中，冷却系统的作用是将型腔中的熔体冷固，冷却的质量直接影响塑件性能^[21-22]。图7为优化后的冷却系统。采用Moldflow模拟后发现，无冷却系统时塑件达到顶出温度的时间为53.38 s，而从图7可以看出，对默认冷却系统进行优化后，塑件达到顶出温度的时间为38.38 s，减少了15 s，降低了28.1%。

对优化后的冷却系统进行分析发现，回路冷却液最大温度差为0.45 ℃，符合回路冷却液温度差≤2 ℃的要求；回路管壁最大温度差为5.21 ℃，符合回路管壁温度差≤5 ~6 ℃的要求。

2.3 成型窗口分析

成型窗口分析可以获得产品的最优成型工艺参数。图8为镜头盖的成型窗口分析结果。从图8可以看出，在模具温度为58.0 ℃、熔体温度234.9 ℃、注射时间为0.32 s时，镜头盖的成型质量可达到最大值0.940 6；最大剪切速率为410 s^-1，远低于材料许可的12 000 s^-1；最大剪切应力为0.087 8 MPa，远低于材料许可的0.28 MPa。

经过成型分析，可取模具温度为58.0 ℃、熔体温度234.9 ℃、注射时间0.32 s作为无人机相机镜头盖塑件的最优成型工艺参数。

2.4 翘曲变形分析

翘曲变形是制品在注塑过程中最常见的缺陷之一，若变形过大会对产品的使用和安装产生影响，因此必须控制成型制品的翘曲变形量^[23-24]。设置最优成型工艺参数的同时，将冷却时间设置为25 s，保压参数设置为默认，通过“冷却＋填充＋保压＋翘曲分析”序列得到图9的镜头盖的翘曲变形分析结果。

从图9可以看出，塑件的最大翘曲变形量为0.311 9 mm，变形量小，且变形均匀，相对整个塑件，变形在允许范围内，且不影响产品的装配。

3 注塑机的选择及校核

注塑机的规格主要基于塑件的尺寸来确定，而塑件的加工成型主要是通过注塑机与注塑模具之间的有机配合而实现的，所以注塑机型号的选择十分重要^[25-26]。基于模流分析的结果并综合考虑镜头盖塑件的生产要求及尺寸参数，选择注塑机的型号为MA900/260卧式注塑机，表1为其主要技术参数。

3.1 最大注射容量校核

选择注塑机时，要求最大注射容量不能超过注塑机额定注射容量的80%，注射容量校核计算公式为：

V_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} \le \mathrm{80} \mathrm{\%} \times V_{\mathrm{0}} (1)

式(1)中： V_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为最大注射容量， \mathrm{c} {\mathrm{m}}^{\mathrm{3}}； V_{\mathrm{0}}为注塑机额定注射容量， \mathrm{c} {\mathrm{m}}^{\mathrm{3}}。由模流分析可得，最大注射容量 V_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=17.698 \mathrm{c} {\mathrm{m}}^{\mathrm{3}}＜122.4 \mathrm{c} {\mathrm{m}}^{\mathrm{3}}，满足注射容量要求。

3.2 注射压力校核

注射压力是指注塑成型时柱塞或螺杆施加于熔融体单位面积上的压力，其值应小于注塑机的额定注射压力，注射压力校核公式为：

P \le P_{\mathrm{0}} (2)

式(2)中： P为镜头盖成型时所需的注射压力，MPa； P_{\mathrm{0}}为注塑机的额定注射压力，MPa。由模流分析可得， P= 47.281 7 MPa＜173 MPa，满足注射压力要求。

3.3 锁模力校核

为避免塑件注塑成型时由于受到注射压力的作用而使模具沿分型面胀开，则需要校核注塑机的锁模力，锁模力的校核公式为：

F = P_{\mathrm{m}} A \le F_{\mathrm{0}} (3)

式(3)中： F为锁模力，kN； P_{\mathrm{m}}为型腔内塑料熔体的平均压力，MPa； A为塑件及浇注系统在分型面上的投影面积之和， \mathrm{m} {\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}； F_{\mathrm{0}}为注塑机额定锁模力，kN。由模流分析可得， A=5 141.93 \mathrm{m} {\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}， P_{\mathrm{m}}=30 MPa，则锁模力 F=154.257 9 kN＜900 kN，符合锁模力要求。

4 注塑模具设计

图10为无人机相机镜头盖注塑模具总体结构。工作原理大概如下：首先模架先合模，注塑机向模架里注入ABS材料，材料注满整个型腔后，在冷却系统作用下，零件成型且充分冷却。在之后的脱模行程中，由于设计的模具为三板模侧抽芯结构，在注塑机推杆顶出力下，模具先在7-型芯与8-型腔之间开模，从9-定模固定板中抽出冷流道的同时通过17-拨杆推动19-滑块完成侧抽芯；接着通过23-开模拉杆拉动9-定模固定板和13-脱料板进行开模，从而完成冷流道的推出；然后23-开模拉杆拉住6-动模板和9-定模固定板进行开模；最后再由21-推杆将产品顶出，此时安装在28-复位杆上的27-弹簧会将4-推杆固定板和3-推杆底板复位，至此完成一次完整的镜头盖注塑过程。

5 结论

采用计算机数值模拟技术对无人机相机镜头盖的浇口位置、冷却系统、成型窗口、翘曲变形进行一系列模流分析，通过成型窗口分析确定镜头盖零件的最优成型参数，并通过翘曲变形分析完成验证。基于Moldflow软件对零件的整个注塑成型过程进行模流分析，并对各项数值的仿真结果进行验证，发现所有数据均满足设计要求。基于模流分析的结果并结合镜头盖塑件的生产要求及尺寸参数，选择型号为MA900/260的注塑机，通过锁模力、最大注射容量及注射压力的校核，证明选择的注塑机完全符合设计要求。本研究完成了无人机相机镜头盖的注塑模具设计和原理说明，实现了全周期的计算机辅助，缩短了模具设计周期，降低了模具设计成本。

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基金资助

辽宁省科学技术计划项目(2021-BS-261)