師中華，胥光申

（西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710048）

0 引 言

傳統(tǒng)注射模設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)人員的直覺和經(jīng)驗(yàn)，模具設(shè)計(jì)加工完后往往需要經(jīng)過反復(fù)地調(diào)試與修正才能正式投入生產(chǎn).為解決上述問題，不僅要重新調(diào)整工藝參數(shù)，甚至要修改塑料制品和模具，這種生產(chǎn)方式降低了新產(chǎn)品的開發(fā)速度.而利用現(xiàn)代CAE技術(shù)及Moldflow軟件，在模具加工之前，在計(jì)算機(jī)上對整個(gè)注塑成形進(jìn)行充填、保壓、冷卻、翹曲、纖維取向、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、收縮以及氣輔成形等流動模擬分析，找出可能出現(xiàn)的缺陷，提高一次試模的成功率，降低了生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期［1－2］.

筆記本電腦上邊框塑件尺寸約為300mm×200mm，平均厚度約為0.85mm，最大厚度為2.3mm，屬于中型模具.模具的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，四周都有滑塊，底部有倒勾特性，模具需要采用斜頂結(jié)構(gòu).而且筆記本電腦上邊框?qū)儆谌粘ｋ娮赢a(chǎn)品，對表面外觀要求較高.其本身又是筆記本電腦的重要部件，有精準(zhǔn)的尺寸和定位裝配要求，故要求塑件脫模后不能產(chǎn)生翹曲變形.筆記本電腦上邊框塑件產(chǎn)品對強(qiáng)度也有要求，要滿足人們在各種情況下的使用.本文利用Moldflow對筆記本上邊框注塑件不同方案的澆注系統(tǒng)進(jìn)行流動模擬分析，預(yù)測可能存在的氣穴位置和熔接線位置，確定較好的澆注系統(tǒng).然后優(yōu)化分析模具方案的冷卻系統(tǒng)，進(jìn)而確定模具的最佳設(shè)計(jì)方案.

1 模型建立與模擬分析

1.1 模型建立

利用UG6.0軟件中的三維建模功能，如草圖繪制、拉伸凸臺、拉伸切除、圓角等，建立筆記本上邊框的三維實(shí)體模型，實(shí)體模型如圖1所示.從圖1可以看出，將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為IGES格式導(dǎo)入到Moldflow軟件中，選擇雙層面網(wǎng)格，設(shè)置全局網(wǎng)格邊長為3mm，點(diǎn)擊立即劃分網(wǎng)格，完成網(wǎng)格劃分后要統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格劃分的品質(zhì)，經(jīng)過修復(fù)網(wǎng)格后得到如圖2的結(jié)果.

圖1 實(shí)體模型

圖2 劃分網(wǎng)格有限元模型

1.2 模擬分析方案

4種不同的模擬分析方案的建立如圖3所示.從圖3可以看出，方案（a）冷流道系統(tǒng)（Ⅰ），其塑料熔體從中間流下來，然后轉(zhuǎn)到筆記本上邊框的兩長邊中點(diǎn)位置；方案（b）冷流道系統(tǒng)（Ⅱ），澆注方式與之不同，塑料熔體從中間流下來，然后轉(zhuǎn)到筆記本上邊框的兩短邊中點(diǎn)位置；方案（c）也采用冷流道系統(tǒng)（Ⅲ），澆注方式為塑料熔體從中間流下來，然后轉(zhuǎn)到筆記本上邊框的四邊中點(diǎn)位置；方案（d）熱流道系統(tǒng)，塑料熔體分別從對角邊的1／3和2／3處流下來，然后分別轉(zhuǎn)到筆記本上邊框的長、短邊的兩中點(diǎn)位置.

圖3 不同的模擬分析方案

1.3 比較分析結(jié)果

1.3.1 充填時(shí)間 充填階段是指熔體進(jìn)入模具型腔開始，直到模具型腔內(nèi)被熔體充填滿時(shí)就完成了充填［3］.該制件不同充填時(shí)間分析結(jié)果如圖4所示.方案（a）能夠較好的完成熔體充填，充填時(shí)間為0.540 6s，根據(jù)Moldflow軟件提供的結(jié)果查詢功能測量出被模擬塑件上各點(diǎn)結(jié)果狀態(tài)，用此功能得出筆記本上邊框距澆口最遠(yuǎn)端的型腔充填時(shí)間差為0.036 7s，約占充填時(shí)間的6.79%，充填較為不平衡；方案（b）充填不夠充分，充填時(shí)間為0.621 0s，距澆口最遠(yuǎn)端的型腔充填時(shí)間差為0.049 7s，約占充填時(shí)間的8%，充填較為不平衡；方案（c）充填完成較好，充填時(shí)間為0.654 1s，距澆口最遠(yuǎn)端的型腔充填時(shí)間差為0.011 2s，約占充填時(shí)間的1.7%，充填較為平衡；方案（d）充填完全，充填時(shí)間為0.710 8s，距澆口最遠(yuǎn)端的型腔充填時(shí)間差為0.008 2s，約占充填時(shí)間的0.87%，充填較為平衡.所以方案（c）、方案（d）較好.

1.3.2 氣穴 氣穴是熔體前沿匯聚在注塑件內(nèi)部或者模腔表面形成的氣泡.在制件表面形成瑕疵，嚴(yán)重影響制件的表面質(zhì)量，甚至影響制件的強(qiáng)度及使用性［4］.嚴(yán)格來說，氣穴是無法完全消除的，只能采取各種措施來改善氣穴缺陷，把氣穴缺陷控制在良品范圍之內(nèi).Moldflow軟件提供的氣穴結(jié)果用線勾表示，在圖中用圈表示.該制件不同氣穴分析結(jié)果如圖5所示，方案（a）、方案（b）的氣穴分布數(shù)目相對較少；方案（c）、方案（d）的氣穴分布數(shù)目相對較多，但都分布在4個(gè)角的位置，由于此模具將采用四周滑塊的結(jié)構(gòu)，4個(gè)角的位置是滑塊結(jié)合處，氣穴容易排出，故對制件的影響不大.

1.3.3 熔接線 熔接線是產(chǎn)品在注塑成型的過程中由兩股或多股熔融的樹脂流相匯所產(chǎn)生的細(xì)線狀缺陷.熔接線的存在極大地削弱了制件的機(jī)械強(qiáng)度［5］.該制件不同熔接線分析結(jié)果如圖6所示，方案（a）熔接線數(shù)目較多，分布廣，長度較短；方案（b）熔接線數(shù)目較多，集中在兩長邊中間位置，影響制件的強(qiáng)度.方案（c）、方案（d）熔接線集中在4個(gè)角落位置，對制件影響不大.所以方案（a）、（c）、（d）較好.

圖4 不同的充填時(shí)間分析結(jié)果

圖5 不同氣穴分析結(jié)果

1.3.4 翹曲變形 翹曲變形是制件在注塑成型中，應(yīng)力和收縮不均勻而產(chǎn)生的.脫模不良，冷卻不足，模具設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)不佳等也使注塑件發(fā)生翹曲變形，它是常見的制件缺陷之一.對如筆記本、掌上電腦、扁薄手機(jī)等塑殼制件，翹曲變形程度已作為評定產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，通常在設(shè)計(jì)階段通過模擬分析預(yù)測注塑件可能產(chǎn)生的翹曲原因，以便優(yōu)化，減少產(chǎn)品的翹曲變形，達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的精度要求［6－8］.該制件不同翹曲變形分析結(jié)果如圖7所示，方案（a）變形在0.263 2mm～4.825mm之間；方案（b）變形在0.181 5mm～4.642mm之間；方案（c）變形在0.353 9mm～4.896mm 之間；方案（d）變形在0.325 7mm～4.786mm之間.由4種方案變形分析結(jié)果可以看出，最大變形都發(fā)生在4個(gè)角落位置，方案（a）、方案（d）變形較小，較均勻.

圖6 不同熔接線分析結(jié)果

圖7 不同的翹曲變形分析結(jié)果

2 建立優(yōu)化冷卻系統(tǒng)方案

利用Moldflow對以上4種方案澆注系統(tǒng)進(jìn)行充填時(shí)間、氣穴、熔接線、翹曲變形等分析結(jié)果比較，最后確定方案（d）為最佳方案，它充填完全，充填時(shí)間較短且充填平衡；氣穴分布位置易于排出，不影響制件表面質(zhì)量；熔接線較少且在4個(gè)角落位置不會影響制件質(zhì)量；變形小且均勻.

現(xiàn)優(yōu)化分析方案（d）的冷卻系統(tǒng)，原冷卻系統(tǒng)如圖8所示，上、下模各有6根直徑為10mm的冷卻水流道，熱量主要集中在左上、左下角結(jié)構(gòu)突變處，故決定在此位置各增加2根冷卻水流道，優(yōu)化后的方案（d′）如圖9所示，上模有10根直徑為10mm的冷卻水流道，下模的冷卻水流道不變.

圖8 原方案（d）冷卻水流道

圖9 優(yōu)化后方案（d′）冷卻水流道

比較優(yōu)化后冷卻系統(tǒng)方案的分析結(jié)果.由于原方案（d）澆注系統(tǒng)不變，僅優(yōu)化改變了冷卻系統(tǒng)，故充填時(shí)間、氣穴、熔接線基本不變.現(xiàn)將翹曲變形、回路冷卻水溫度的變化情況介紹如下.

如圖10所示，優(yōu)化后方案（d′）的翹曲變形在0.329 4～4.666mm之間，與原來方案的翹曲變形在0.325 7～4.786mm之間相比，最大翹曲變形絕對值降低了0.12mm，相對值降低了2.57%.翹曲變形的降低得益于優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)，回路冷卻液溫度變化量較小、較均勻.翹曲變形的降低能夠提高注塑件的質(zhì)量、機(jī)械性能.

如圖11所示，方案（d）回路冷卻液溫度的變化范圍在25.00℃～26.08℃之間.如圖12所示，優(yōu)化后方案（d′）回路冷卻液溫度的變化范圍在25.00℃～25.17℃之間，最高回路冷卻液溫度值絕對降低了0.91℃，相對值降低了3.62%.優(yōu)化后方案（d′）回路冷卻液溫度的降低，變化范圍小、較均勻，能夠降低注塑件的翹曲變形，進(jìn)而提高注塑件的質(zhì)量、機(jī)械性能.

圖10 優(yōu)化后方案（d′）變形分析結(jié)果

圖11 方案（d）回路冷卻液溫度

圖12 優(yōu)化后方案（d′）回路冷卻液溫度

3 結(jié) 論

（1）以筆記本上邊框?yàn)槔?，利用現(xiàn)代CAE技術(shù)手段及Moldflow軟件，對不同方案的澆注系統(tǒng)進(jìn)行流動模擬分析，預(yù)測可能存在的氣穴位置和熔接線位置，通過對比分析，來確定較好澆注系統(tǒng)的方案.

（2）優(yōu)化分析熱流道的冷卻系統(tǒng)，進(jìn)而確定模具的最佳設(shè)計(jì)方案，使其模具設(shè)計(jì)方案充填更為完全、平衡，解決了氣穴對產(chǎn)品表面瑕疵的影響，熔接線對產(chǎn)品強(qiáng)度的影響.

（3）對模具冷卻系統(tǒng)優(yōu)化后，使其回路冷卻液溫度得到降低，而且變化范圍小、較均勻，能夠降低注塑件的翹曲變形，進(jìn)而提高注塑件的質(zhì)量、機(jī)械性能.

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