无人机摄像头镜头盖模具设计案例：基于Moldflow的模流分析与注塑模具设计

无人机摄像头镜头盖模具设计案例：基于Moldflow的模流分析与注塑模具设计

随着无人机技术的快速发展，对无人机零部件的设计和制造提出了更高的要求。本文以无人机摄像头镜头盖为例，详细介绍了如何利用Moldflow软件进行模流分析，并基于分析结果完成注塑模具设计。通过这一案例，展示了现代模具设计中数值模拟技术的应用及其带来的效率提升。

无人机功能和类型的日益增多，对无人机行业各类零部件的设计和制造方法提出了更高的要求。传统的模具开发是根据工人的生产经验来设计模具结构、选择模具参数，需要反复试模、修改参数，导致开发周期较长、设计成本增加。因此越来越多的设计师应用CAE分析软件Moldflow来开发设计机器人相关模具。工程师利用Moldflow软件对一款对产品外观要求较高的无人机上盖塑件进行模流分析，通过模流分析优化浇注系统及注射工艺参数，最终完成该产品注塑模具的设计，有效降低了产品开发和生产成本。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）具有强度高、韧性好、易加工成型、表面光泽度高等特点，广泛应用于航空航天、建材、机械制造等许多领域。ABS可作为无人机相机镜头盖的成型材料，其优异的力学性能可以生产出更高品质的镜头盖，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高品质的外观要求和生产效率。

本次实验对无人机摄像机镜头盖进行工艺分析，利用Moldflow软件对制件的浇口位置、冷却系统、成型窗口、以及翘曲变形等进行一系列的模流分析，同时对模流分析的结果进行验证；结合模流分析的结果和制件的参数选定机型为MA900/260注塑机，并对其锁模力等重要参数进行验证；根据模拟分析计算结果，可采用ABS材质的镜头盖来保护无人机摄像机镜头的安全。根据模拟分析计算结果，完成了镜头盖注塑模具的结构设计。整个设计过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、修模次数，大大缩短了产品设计周期。

无人机相机镜头盖工艺分析

某无人机相机镜头盖为薄壁圆柱形塑件，其三维模型如图1所示，尺寸为56.0mm×56.0mm×8.5mm，平均壁厚为1.5mm。外形结构比较简单，但两侧均有通孔，需设置侧向抽芯机构实现侧向分型。

成型材料为ABS，密度为1.02~1.05g/cm³，与其他塑料材料相比，具有较好的力学性能，且具有较高的冲击强度和柔韧性。

图 1. 镜头盖的 3D 模型

基于Moldflow的Moldflow分析

网格划分是整个Moldflow分析过程的前提，影响后续优化的准确性。将生成的3D模型导入Moldflow软件，由于镜头盖零件壁厚相对较薄，且厚度相对均匀，因此采用双层网格划分，将面网格转化为体网格。图2为镜头盖的网格划分情况。

网格一般要求最大长宽比小于20，平均长宽比小于3。网格数据统计显示，最大长宽比为6.88，最小长宽比为1.16，平均长宽比为1.51，符合模态流分析的要求。

图2. 镜头盖网格划分

由于成型材料选择ABS，因此工艺参数设定为：模具表面温度50℃，熔体温度230℃，开模时间5s，填充控制及注射速度自动控制，填充压力80%，保压时间10s。

由于镜头盖零件尺寸较小，所以1个浇口即可满足注射要求，浇口采用点浇口。在模流分析中，预设了三种浇口位置方案，寻找该零件的最佳浇口位置，分别为在零件中间位置、凸台位置、凸台与外圆之间位置。采用正交试验法最终选定凸台与外圆之间的位置，并在此基础上分析相应的模拟结果。

1. 浇口位置分析

1.1 填充时间

填充时间是塑料熔化并填充整个型腔所需的时间，可用于判断成型件是否存在滞后或短射现象。图 3 显示了镜头盖填充时间的模拟结果，其中蓝色开始填充，红色最后填充。

从图3可以看出，由于镜头盖整体尺寸较小，整个填充过程较短，仅为1.260s，远小于最佳极限填充时间5.0s。没有出现缺料、型腔填充不均匀或模具填充平均等问题。

图三 充填时间模拟结果

1.2 流动前沿温度

流动前沿温度是材料熔体流经节点时的温度状态，是注塑模具的设计标准之一。图4为成型件流动前沿温度分布。镜头盖所选用的ABS材料熔体温度范围为200280℃，流动前沿温度允许温差为±20℃；成型件流动前沿温度范围为217.7230.0℃，最大温差为12.3℃，完全符合标准要求。

图四、塑件流动前沿的温度分布

1.3 熔接痕

当熔融材料的流动前沿分离然后合并时，将出现焊接痕迹，称为熔接痕迹。熔接痕迹会影响塑料部件的强度和产品的外观。

图5为镜头盖零件熔接痕分布情况。从图5可以看出，在镜头盖零件注塑成型过程中，镜头盖内部的熔接痕数量较少且多见于内部区域。这不会直接影响镜头盖零件的实际使用性能，完全满足对镜头盖零件外观质量的较高要求。

图5 镜头盖焊接痕迹分布

1.4 气穴

注塑过程中不可避免地会产生气穴，如果气穴位于分型面内，气体很容易从分型面的缝隙中排出，大大提高塑件的外观质量。

图6为成型品气穴分布情况，从图6可以看出，成型品在注塑过程中产生的气穴较少，且大部分气穴分布在分型面上，少数气穴的气体一般可排出并位于其他部位，气体可利用制品壁厚调整，成型注射时间等消除成型品质的手段效果极佳！

模拟结果包括综合填充时间、流动前沿温度、熔接痕、气穴等，浇口位置在凸耳与外圆之间，完全可以满足无人机相机镜头盖塑件实际使用性能及外观质量要求。

2. 冷却系统设计与分析

在注塑过程中，冷却系统使型腔内的熔体固化，冷却质量直接影响塑件的使用性能。

图7为优化后的冷却系统，使用Moldflow模拟后发现，没有冷却系统的情况下，塑件达到顶出温度的时间为53.38s，而图7显示，优化默认冷却系统后，塑件达到顶出温度的时间为38.38s，减少了15s，缩短了28.1%。

图六、塑件气穴分布
图 7. 优化的冷却系统

对优化后的冷却系统分析可知:回路冷却液最大温差为0.45℃,符合回路冷却液温差≤2℃的要求;回路管壁最大温差为5.21℃,符合回路管壁温差≤5~6℃的要求。

3. 成型窗口分析

成型窗口分析可以确定产品的最佳成型工艺参数。图8显示了镜头盖的成型窗口分析结果。

图8显示，当模具温度为0.9406℃、熔体温度为58.0℃、注射时间为234.9s时，镜头盖成型质量可达到最大值0.32；最大剪切速率为410s-1，远低于材料允许的12,000s-1，最大剪切应力为0.0878MPa，远低于材料允许的0.28MPa。

经过成型分析得出无人机相机镜头盖的最佳成型工艺参数为模具温度58.0℃、熔体温度234.9℃、注射时间0.32s。

图八、成型窗口分析结果

4 船首变形分析

翘曲变形是注塑成型中最常见的缺陷之一，如果变形过大，将会影响制品的使用和安装，因此必须控制成型制品的翘曲变形。

同时设定最优成型工艺参数，冷却时间设置为25s，保压参数设置为默认，经过“冷却+填充+保压+翘曲分析”的顺序得到图9的镜头盖翘曲变形分析结果。

从图9可以看出，塑件翘曲变形量最大为0.3119mm，相对于整个塑件而言，变形量较小且均匀，在允许范围内，不会对产品的装配造成影响。

图九 翘曲变形分析结果

注塑机的选择与校核

注塑机的规格主要是根据塑件的尺寸来确定的，而塑件的加工主要又是通过注塑机与注塑模具的有机配合进行的，因此注塑机型号的选择至关重要。

根据模流分析结果并仔细考虑镜头盖塑件的生产要求及尺寸参数，选择注塑机型号为MA900/260卧式注塑机，表1为其主要技术参数。

表1 MA900/260注塑机技术参数

1. 最大注射容量检查

在选择注塑机时，要求最大注射容量不大于注塑机额定注射容量的80％，注射容量验算公式为：

最大输出功率≤80%×V0（1）

式（1）中：Vmax为最大注射容量，cm3；V0为注塑机额定注射容量，cm3。

从模具流动分析得知，最大注射容量Vmax=17.698cm3<122.4cm3即可满足注射容量要求。

2. 注射压力检查

注射压力是指注射成型时柱塞或螺杆对熔体单位面积所施加的压力。其值应小于注塑机的额定注射压力，注射压力的标定公式为：

P≤P0（2）

式（2）中：P为镜头盖成型所需的注射压力，MPa；P0为注塑机的额定注射压力，MPa。

从模流分析可知，P=47.2817 MPa<173 MPa满足注射压力的要求。

3. 模具锁模力校准

为了避免注塑成型的塑件因注射压力的作用而使模具沿分型面膨胀，必须校核注塑机的锁模力。锁模力的校核公式为：

F=PmA≤F0（3）

式中（3）中：F为锁模力，kN；Pm为型腔内塑料熔体的平均压力，MPa；A为成型零件在成型面上与浇注系统表面的投影面积之和，mm2；F0为注塑机的额定锁模力，kN。

从模流分析可知，A=5mm141.93，Pm=2MPa，则锁模力F=30kN<154.257kN，符合锁模力要求。

注塑模具设计

图10为无人机相机镜头盖注塑模具整体结构，其工作原理为：首先模框闭合，注塑机将ABS材料注射到模框内，材料注入型腔后，在冷却系统作用下，制件成型并充分冷却。

在随后的脱模行程中，由于模具设计为侧向抽芯的三板模，在注塑机推杆的顶出力作用下，模具首先在7芯与8腔之间打开，冷流道从9板板抽出，同时通过17肘杆推动19滑块，完成侧向抽芯；

接下来通过9开模拉拽器拉动13定模固定板和23脱料板，完成开模，从而完成冷流道的推出；然后23开模拉拽器拉动6动模板和9定模固定板，完成开模；

最后由21推杆将产品推出，此时27复位杆上安装的28弹簧使4推杆固定板与3推杆底板复位，完成镜头盖注塑过程。

图10 模具整体结构

结语

利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、翘曲变形等进行了一系列的模流分析，通过成型窗口的分析确定了镜头盖零件的最佳成型参数，通过翘曲变形的研究完成了验证。

Moldflow软件对整个注塑过程进行分析，验证各个数值的模拟结果，发现所有数据都满足设计要求。

根据模流分析结果，结合镜头盖生产要求及尺寸参数，选定MA900/260型号注塑机，通过锁模力、最大注射量、注射压力的标定，证明所选注塑机完全满足设计要求。

本研究完成了无人机相机镜头盖注塑模具设计及原理描述，实现了全周期计算机辅助设计，缩短了模具设计周期，降低了模具设计成本。