长期以来，雷电给人类及人类文明造成灾难性打击[1]。由于雷电是自然现象，不能阻止其产生，但可以通过雷电监测进行防护。雷电监测预警是基于地面电场仪和闪电定位网实时对闪电位置进行定位，通过各处测距仪的数据及监测的波形进行闪电定位[2-3]。激光测距仪是雷电监测系统的重要组成部分，由光学元件、电子元件和塑料壳体构成。塑料壳体能够保护内部元器件不受外界干扰，但壳体的表面质量具有明确的标准值，因此需要对壳体模具进行设计。本实验以某型号测距仪的塑料壳体为实例，设计其浇注系统和冷却系统，并进行模流分析，对测距仪的注塑模具进行设计。1产品结构与材料分析1.1结构分析激光测距仪的外壳一般由端盖和壳体两部分构成，图1为测距仪和其壳体的三维模型。壳体的尺寸为42.5 mm×74.72 mm×73.62 mm，塑件平均壁厚3.8 mm，体积39.50 cm3。基于使用情况和环境，塑件成型需要表面较为光滑，无毛刺。从生产和经济角度分析，选择单型腔注塑模具进行加工。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F001图1激光测距仪及外壳主体三维模型Fig.1Three-dimensional model of laser rangefinders and its shell body1.2材料分析塑件成型材料选择Tai-Da公司的牌号为6003的ABS塑料，表1为材料的工艺参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T001表1Tai-Da工艺参数Tab.1Process parameters of Tai-Da工艺参数数值工艺参数数值模具表面温度/℃50熔体温度最小值/℃200熔体温度/℃230绝对最大熔体温度/℃280模具温度最大值/℃80顶出温度/℃88模具温度最小值/℃25最大剪切应力/MPa0.28熔体温度最大值/℃280最大剪切速率/s-1120000ABS塑料具有较高的强度和刚度，较好的抗冲击力、耐磨性、耐疲劳性、绝缘性，尺寸稳定性较好，收缩率较小[4]，广泛用于各类电子设备、零部件和电动工具等领域。2塑件成型工艺分析2.1网格划分本实验中模具的壁厚均匀，因此采用双层面网格[5-6]。在Pro/E中建立激光测距仪外壳的实体模型，对小圆角和倒角进行修整[7]，利用Moldflow CAD Doctor对其进行双层面网格划分[8-9]。图2为网格划分结果，得到10 766个三角形网格，外壳的表面积为287.823 cm2，体积60.464 9 cm3，最大纵横比17.82，最小纵横比1.16，平均纵横比2.10，网格的匹配百分比为90.4%，相互百分比为90.7%。从以上数据可以看出，网格划分具有较高的质量，可保证后续分析的准确性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F002图2网格划分结果Fig.2Meshing results2.2浇注系统设计浇口位置的选择对浇注的质量、速率、型腔内部各处的压力及流动平衡性有影响[10]。图3为浇口分析结果。为保证塑件表面的成型质量，外表面不存在浇口痕迹，且便于塑件从型腔内抽出，设计单浇口的浇注系统[11]，从图3可以看出，最佳浇口位于顶面的中间位置。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F003图3浇口匹配性Fig.3Gate matching采用冷流道系统作为主流道，其入口直径为3 mm，流道长度为215 mm，拔模角设计为3°，流道直径为5 mm。分流道采用普通圆形流道，竖直流道的底部直径5 mm，拔模角3°，顶部浇口初始直径为5 mm，末端直径为1 mm，长度1 mm。图4为流道布置方式及整个浇注系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F004图4浇注系统Fig.4Gating system2.3冷却系统设计在完整的注塑周期中，塑件及模具的冷却时间占据一半以上。冷却不均会影响塑件表面光洁度，产生残余应力，同时，由于模具上下表面温度不均，极有可能导致塑件变形[12]。基于塑件的形状尺寸考虑，为使塑件各处受热均匀，冷却管道对称布置，冷却水管直径设计为10 mm，水管与零件间的距离选择30 mm，零件外的距离为35 mm。2.4成型分析根据上述浇注系统和冷却系统的方案，在MDI中仿真分析影响激光测距仪表面成型质量和结构尺寸的条件。图5为模流分析数据。图5模流分析数据Fig.5Moldflow analysis data10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F5a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F5a210.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F5a310.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F5a4从图5a可以看出，最后完成充填的时间为6.568 s，激光测距仪成型时无半透明区域，表明成型过程顺畅，流动较为平衡，未出现短射和填充不足的问题。从图5b可以看出，在速度/压力状态切换时，所需的最大填充压力为31.27 MPa，并且图中不存在透明部分，表明压力合理。从图5c可以看出，塑件成型时温度最高为220.4 ℃，温度最低为217.2 ℃，温差3.2 ℃，成型过程中温度分布较均匀，使塑件表面不会出现色差问题。从图5d可以看出，塑件体积收缩率最大为4.15%，塑件整个表面体积收缩较为均匀，收缩最大的位置在外部的防滑螺纹处，不影响使用。从图6e可以看出，塑件缩痕指数最大为4.013%，位于外部的防滑螺纹处，对产品质量无影响。从图5f可以看出，塑件的最大翘曲变形量为0.704 2 mm，位于底部的边缘处，由于变形量数值很小，对表面质量影响较小，可以忽略。从图5g可以看出，塑件最大锁模力2.5 t，可以满足注塑成型时锁模力的要求。从以上仿真数据可以得出，冷却系统、浇注系统的设计及采用的工艺参数能够满足塑件成型的需要，可以此参数为准进行模具的设计。图6分型面及分模结构Fig.6Parting surface and parting structure10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F6a1（a）分型面10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F6a2（b）分模结构3模具结构设计3.1分型面设计图6为设计的分型面及分模结构。为方便塑件从模具型腔中取出，通常需要设计分型面。分型面的选择十分关键，直接影响模具结构、模具加工的难度和成本[13]。设计时分型面应遵循以下原则：（1）分型面的位置应选塑件尺寸轮廓最大处，且促进脱模。（2）位置应优先满足塑件尺寸的精度要求。（3）应便于浇注系统和冷却系统的布置，能够满足产品的外观质量要求。（4）能够简化模具的结构，保证模具零件成型时的刚性、便于抽芯和脱模。（5）能够保证塑件的精度要求，如同心度、同轴度。3.2模具结构3.2.1型芯材料及结构图7为激光测距仪塑料外壳的注塑模具结构。从图7可以看出，模具型芯主要由型腔16、定模板4和动模板5组成。由于测距仪壳体的外形结构具有一定的复杂性，并且成型需要一定时间，为防止成型合模面出现损伤和型腔塌边，动模板和定模板选用模具钢NAK80，该材料出厂硬度可达37~43 HRC，硬度均匀，具有良好的镜面加工性和放电加工性，并且抛光性能优异，切削性、韧性和耐磨性较为良好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F007图7激光测距仪塑料外壳的模具结构Fig.7Mould structure of plastic shell of laser rangefinder1-主流道；2-前横架板；3-锁模板；4-定模板；5-动模板；6-动模套板；7-推板；8-模脚；9-定模座板；10-A型导柱；11-推杆；12-B型导柱；13-锁紧螺钉；14-托板；15-支撑块；16-型腔3.2.2推出机构塑件内部壁厚较均匀，整个定模板面积较大，为便于成型后塑件从模具型腔顶出，采用托板14及推杆11结构，四个顶针均匀分布型腔的四周。此方式结构简单、使塑件顶出时受力均匀、推力平稳和不易变形。为便于相对运动，推杆与推杆孔之间采用间隙配合。为确保推杆的力学强度，推杆直径为20 mm，材料选用硬度能够达到50~54 HRC的65Mn弹簧钢，表面粗糙度为Ra=0.8 μm。3.2.3导向及定位机构导向和定位机构的作用是利用导柱和导向孔之间的配合精度，保证动模与定模按照预定方向分开和闭合，防止动模、定模与塑件产品相对偏移。由于测距仪壳体中存在圆柱形，为使塑件具有良好的同轴度和圆柱度，便于模具零件的正确安装和定位，设计A型导柱10和B型导柱12，实现模具在合模运动过程中定位快速和导向准确，且可防止因模具零件磨损而导致的错位。A型导柱直径为18 mm，B型导柱直径为17.5 mm，为保证导柱表面具有较好的耐磨性、足够的弯曲强度，材料采用淬火处理的碳素工具钢T10，硬度可达50~55 HRC。同时为便于导柱的运动灵活，导柱与导向孔的配合精度选择H7/f6或H8/f8，与安装孔接触部分表面粗糙度为Ra=0.8 μm，且导柱顶端采用倒角结构方便安装。3.2.4排气系统排气系统能够将型腔和浇注系统内的气体及时排出，并在开模和脱模时将气体引入，避免塑件和型腔壁产生真空现象。本实验中利用分型面，从料流末端排气，排气槽深度0.5 mm。图8为排气系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F008图8排气系统Fig.8Exhaust system3.3模具工作过程注塑模具在注塑成型时的工作过程为[14]：（1）将模具与注射机装配，注射机开始工作，加热塑料使其变为熔融状态。（2）动模板5在导向机构的定位下，向定模板4方向移动，完成合模动作。（3）注射机螺杆推动塑料熔体由主流道1和流道进入模具型腔16。（4）将型腔16填满后，经过保压、冷却后开模。（5）开模过程中，合模系统拉动动模板5远离定模板4，使模具在分型面处分开，成型后的塑件随动模共同后退。（6）在动模与定模间隔一定距离时，顶出系统将塑件从型腔推出，塑件随浇注系统凝料一起落下。（7）塑件在进行二次加工处理后方可出厂。4结论激光测距仪的塑料壳体保护内部元件并减少外界干扰。以某品牌测距仪为实例，分析其壳体的外形结构和注塑材料。在Moldflow软件中设计合适的浇注系统及冷却系统，分析塑件成型时的充填时间、速度/压力切换时的压力、流动前沿温度、体积收缩率、缩痕指数、翘曲变形量和锁模力对激光测距仪表面成型质量和结构尺寸的影响。结果表明：各个参数均较为合理，并对激光测距仪外壳的注塑模具进行设计，介绍其工作过程，为其他类似模具结构的设计提供思路和参考。