抱闸是维持自行车安全行驶的核心部件，能够控制行驶的速度和避免事故发生。自行车的抱闸利用杠杆原理和定滑轮原理，通过增大力臂达到省力和改变力的方向，利用较小的力控制自行车速度。自行车抱闸包含金属结构和非金属结构，由于金属材料成本较高、成型冷却时间较长且存在生锈的风险，在一定程度上影响抱闸使用性能，因而大多数自行车的车轮抱闸采用塑料结构[1]。塑料具有成本低，便于加工制造和能够批量化生产等优点，具有不同的颜色，能够在-40~100 ℃的区间范围内正常工作，具有较好的力学性能，在各类山地车、共享单车中应用较多[2]。自行车抱闸一般通过注塑成型加工而成，由于外形不规则，表面细节特征较多，需要对其进行模具设计，以保证塑件能够正确成型。本实验以某型号自行车抱闸为实体，分析其结构特点形式，利用Moldflow软件对其进行模流分析，通过三维建模技术对模具的结构进行详细设计，为其他类似结构零件的模具设计提供参考。1产品结构分析图1为自行车抱闸本体的装配模型及其左、右侧块模型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.019.F001图1自行车抱闸及其左、右侧块模型Fig.1Bicycle brake and its left and right block models为了节省成本和提高生产效率，左、右侧块一般通过注塑成型制备。左侧块的尺寸为29.65 mm×64.91 mm×73.50 mm，右侧块的尺寸为29.65 mm×91.93 mm×58.59 mm，模型表面具有多个中心平面相互垂直的孔、横梁、圆角和倒角等，结构较为复杂。2注塑前处理2.1网格划分为了能够准确模拟注塑成型的过程，需要将塑件进行网格划分[3]。设置网格单元边长为0.6 mm，划分完成后选择“网格修复”功能，优化网格。根据最大球体算法匹配28 936个四面体网格单元，共连接15 481个网格节点。网格纵横比最大为6.15，最小为3.52，平均4.83，匹配百分比为91.4%，相互百分比为92.9%，适合双层面网格分析。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.019.F002图2网格划分结果Fig.2Meshing results2.2浇口位置及浇注系统设计塑料熔体通过浇注系统进入模具型腔，浇口位置的选择与注塑成型的品质有关。图3为利用Moldflow的浇口位置分析功能，分析自行车抱闸左、右侧块浇口位置和流道结果。从图3可以看出，根据选择的浇口位置，主流道长为30 mm，入口直径为3 mm，流道和竖直流道的底部直径均为6 mm，顶部浇口的始端直径为6 mm，末端直径为1.5 mm，长度为1.5 mm。图3浇注系统Fig.3Gating system10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.019.F3a1（a）左侧块浇口位置10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.019.F3a2（b）右侧块浇口位置10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.019.F3a3（c）流道2.3冷却系统设计冷却系统能够使塑件成型过程中模具型腔内温度变化均匀，以保证塑件不会因温度变化过大而造成翘曲变形[4]。冷却管道采用沿塑件对称布置的方式，以保证塑件受热均匀。图4为所得的冷却系统。从图4可以看出，水管直径设定为10 mm，管道中心距离为40 mm，管道与零件的距离为30 mm。冷却介质选择冷却效果良好且成本低的25 ℃纯水，其雷诺数为1 000。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.019.F004图4冷却系统Fig.4Cooling system2.4成型分析为了验证上述的注塑系统是否合适，通过Moldflow模流分析，选择“冷却+填充+保压+翘曲”分析序列，图5为模流分析结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.019.F005图5模流分析结果Fig.5Moldflow analysis results从图5a可以看出，塑件填充完成时间为0.989 0 s，远离浇口的位置填充最慢。塑件填充完毕外观正常，无短射和填充不足的缺陷。从图5b可以看出，塑件的体积收缩率为1.326%，收缩率最大的地方在浇口旁边和两侧，整体的收缩率较小。从图5c可以看出，塑件的翘曲变形量最大为0.606 6 mm，能够满足变形量小于1 mm的要求，对塑件的外观无明显影响。从图5d可以看出，流动前沿温差为0.4 ℃，温差非常小，对塑件变形的影响可忽略。从图5e和图5f可以看出，塑件在成型过程中表面的熔接线和气穴的数量均较少，说明浇口的位置选择合理，对塑件的成型质量影响较少。从图5g可以看出，塑件在充填过程的最大压力在浇口处，最大值为28.63 MPa，从压力的颜色分布可以看出，型腔内各部分的压力基本一致，有利于维持充填的稳定性[5]。通过上述塑件模流分析结果的阐述，本研究所设计的成型系统能够满足要求。3模具结构设计根据模具行业的占有率情况，选择德国HASCO标准模具[6]，基于Creo三维建模软件对模具进行设计。根据自行车抱闸左、右侧块的外形尺寸，选择模架的尺寸为546 mm×546 mm，模具的行程为44 mm，总高度283 mm。3.1分型面设计分型面是分开模具取出制件的界面，包括主分型面和副分型面，分型面能够将型腔镶块分成动模仁和定模仁两部分[7]。分型面的创建方法一般包含拉伸法、填充法、复制法和阴影法。本实验采用填充法和阴影法创建分型面，选择抱闸左、右侧块在横向平面尺寸最大处，选择草绘，制作比模仁尺寸略大的封闭区域，选择填充命令，完成主分型面的创建。为了简化模具的结构，左、右侧块剩下的五个侧孔可通过三个副分型面进行分割。三个副分型面通过绘制孔底部的轮廓，利用填充法完成底部分型面的创建，再次绘制孔特征的底部轮廓，利用拉伸法使侧分型面的长度超过模仁，最后将孔特征的底部分型面和侧分型面合并完成各个副分型面的创建。创建的型面需要采用体积分割命令和型腔镶件命令，将工件分割为动模仁和定模仁两部分，图6为所得的分型面结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.019.F006图6分型面设计Fig.6Parting surface design3.2型芯及型腔设计自行车抱闸壳体具有多个中心平面相互垂直的孔、横梁、圆角和倒角等，结构较复杂，使模具成型取出较困难。塑料熔体在型腔内冷却成型，为防止熔体流出，定模仁与动模仁的材料应具有良好的耐腐蚀性、耐高温性和抛光性，并且能够承受较大的挤压力。选择3Cr2Mo钢作为模仁的材料，热处理后的硬度最高可达42 HRC。动模板和定模板需要承受更大的压力，模板的材料为40Cr，热处理后的硬度可达55 HRC，并且尺寸变化小，能够满足需求[8]。设计时模仁的尺寸略大于塑件的尺寸，以保证能够完全将塑件覆盖。为了使动模仁与定模仁能够精确的合模定位，模仁的四周额外设计虎口，虎口的尺寸为12 mm×8 mm×5 mm，拔模斜度为5°。由于塑件存在两个孔的中心平面与主分型面垂直，为了塑件能够顺利从型腔中取出，设计侧抽芯装置和前抽芯装置，保证孔特征能够顺利成型。图7为分模结构。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.019.F007图7分模结构Fig.7Parting structure3.3导向机构注塑成型的开模与合模过程中，为了使模具的型芯和型腔需要精准的对接，同时减小对型芯与型腔的破坏，需要对模具的导向机构进行设计。导向机构包括导柱、导套和套筒。导向机构除承受轴向力，还承受少量横向载荷，因此其材质需要强度较高。导向机构材料选择SUJ2的JIS高碳铬轴承钢，其加工性较好，可以全硬处理，热处理后硬度可达到58~61 HRC。导向机构的目的是使各模具零件能够在竖直方向配合准确，因此导柱与导套选择间隙配合，配合精度为H8/f8。导柱、导套、套筒的表面粗糙度均设计为Ra=0.8[9]。3.4模具工作过程图8为自行车抱闸左、右侧块的注塑模具三维模型，此模具的工作过程为：10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.019.F008图8模具结构Fig.8Mould structure1-上模座；2-定模板；3-动模板；4-支撑板；5-顶杆固定板；6-顶杆基板；7-下模座；8-导柱；9-导套；10-套筒；11-动模夹紧螺钉；12-定模夹紧螺钉；13-动模顶杆螺钉；14-动模限位螺钉；15-流道；16-定模隔热板；17-型腔镶块；18-型腔；19-浇口（1）合模：合模机构运动，下模座7推动支撑板4，从而推动动模板3向定模板2的移动，达到模具闭合的效果。（2）注射：注射装置执行动作，使喷嘴到达浇口19，熔体顺流道15进入模具型腔18。（3）保压：塑料熔体充满型腔18后，需要对模具进行保压以防止塑料熔体回流。（4）冷却及预塑：堵住浇口19，使塑件在模具内冷却定型，开始塑化。（5）开模：待塑件冷却成型完毕，喷嘴远离模具浇口19，拉动下模座7带动支撑板4，使动模板3远离定模板2，将塑件顶出。（6）清理：将塑件表面的熔渣清理完毕即可出厂。4结论本实验以某自行车抱闸为实例，分析其结构特征，利用模流分析技术，仿真注塑成型的过程。结果表明：设计的注塑系统较合理，能够满足成型需要。利用三维建模技术，对模具的分型面、型芯与型腔结构和导向机构进行设计，并分析模具的工作过程，为其他类似模具的设计提供思路和指导。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.08.019.F009