胡星曄，楊開懷

(福建船政交通職業(yè)學院 機械工程系， 福州 350007)

機頂盒前殼翹曲變形模擬分析及工藝優(yōu)化設(shè)計

胡星曄，楊開懷

(福建船政交通職業(yè)學院 機械工程系， 福州 350007)

翹曲變形在注塑模具生產(chǎn)過程中已經(jīng)成為日益凸顯的問題，對產(chǎn)品精度有著重要的影響。機頂盒作為注塑件產(chǎn)品，其前殼材質(zhì)為塑膠材料(ABS)，裝配后要求無澆口痕跡，表面光滑，結(jié)合處不能刮手，對變形特別是翹曲變形有較高的要求。通過Moldflow軟件對某公司機頂盒前殼進行了翹曲變形模擬分析，確定了翹曲變形產(chǎn)生的原因，分析了影響翹曲變形的關(guān)鍵因素，并通過優(yōu)化工藝參數(shù)和改善冷卻系統(tǒng)，達到了減少翹曲變形的目的，與傳統(tǒng)試驗法相比，可有效縮短生產(chǎn)周期，保證生產(chǎn)質(zhì)量，從而提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

機頂盒前殼； Moldflow； 翹曲變形； 工藝優(yōu)化設(shè)計

數(shù)字視頻變換盒(通常稱作機頂盒或機上盒)是一個連接電視機與外部信號源的設(shè)備。它可以將壓縮的數(shù)字信號轉(zhuǎn)成電視可以接收的模擬信號，并通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，使用戶享受電視、數(shù)據(jù)、語言等全方位的信息服務。

機頂盒外殼分為前殼和后殼兩部分，材質(zhì)為塑膠材料(ABS)，通過注塑成型，裝配后要求無澆口痕跡，表面光滑，結(jié)合處不能刮手，對變形特別是翹曲變形有較高的要求。所謂翹曲，是指制件在成型過程中，塑膠在模具內(nèi)部流動以及保壓時存在不均勻的應力所導致的缺陷[1-2]，翹曲量過大將導致零件尺寸超過誤差允許范圍甚至無法匹配，因此在實際生產(chǎn)中必須特別注重注塑成型工藝和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化。

通過對成型過程的模擬流動建立有限元模型和數(shù)值計算，完全可以得到與實際相似的結(jié)果，從而有效提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品成本。Moldflow是目前工程界常用的一款模擬分析軟件，它是通過有限元方法快速驗證、模擬分析和優(yōu)化塑件工藝參數(shù)、注塑模具和注塑成型流程，從而輔助設(shè)計者快速找出問題并加以解決[3-6]。本文即是利用Moldflow 軟件對某公司生產(chǎn)的機頂盒前殼在填充保壓冷卻過程中出現(xiàn)的翹曲問題進行模擬分析，找出原因并提出解決方案。

1 機頂盒前殼變形模擬分析

1.1 模型網(wǎng)格劃分

利用Pro/E創(chuàng)建該產(chǎn)品模型并轉(zhuǎn)換保存為STP格式后導入Moldflow軟件中，產(chǎn)品模型尺寸為297.7 mm×45.02 mm×23 mm，平均壁厚為2.2 mm，由于該模型為壁薄且均勻的面殼，故采用Moldflow自帶的雙層面網(wǎng)格進行劃分[7-8]，定義網(wǎng)格邊長為2 mm，網(wǎng)格模型如圖1所示，網(wǎng)格劃分參數(shù)如圖2所示。單個產(chǎn)品網(wǎng)格數(shù)量為 50 998個，平均縱橫比為2.23，最小縱橫比為1.16，最大縱橫比為10，網(wǎng)格匹配百分比為92%左右，各項指標均符合Moldflow分析要求的網(wǎng)格標準。

圖1 產(chǎn)品網(wǎng)格模型

圖2 產(chǎn)品模型網(wǎng)格劃分參數(shù)

1.2 工藝參數(shù)條件設(shè)定

該產(chǎn)品模具結(jié)構(gòu)采用三板模，一模一穴設(shè)計，澆口位置和冷卻水道如圖3所示?？紤]到該產(chǎn)品對外觀有要求，為避免由澆口引起的鼓包和刮手，將澆口設(shè)置在產(chǎn)品長度方向的左端(此處外觀為貼銘牌處)。冷卻系統(tǒng)為Moldflow冷卻系統(tǒng)向?qū)?chuàng)建的簡單冷卻系統(tǒng)，采用前后各兩根冷卻管道進行冷卻，分別位于動模和定模外圍30 mm處，水管直徑φ10 mm，前后模冷卻水溫度為25 ℃。

圖3 澆口位置和冷卻系統(tǒng)

其余工藝參數(shù)條件設(shè)定如下：分析序列采用“冷卻+填充+保壓+翹曲”系列。熔體溫度為210 ℃，射保壓冷卻時間總和為30 s，開模時間為5 s。填充控制、速度/壓力控制轉(zhuǎn)換為軟件自動控制，V/P切換設(shè)定當填充體積達到98%后改為壓力控制。保壓控制為填充壓力與時間關(guān)系采用默認值。

1.3 翹曲變形結(jié)果分析

1.3.1 產(chǎn)品沿各方向變形量

由于產(chǎn)品長度方向在設(shè)計模具時會考慮塑膠的自然收縮，基本不存在問題，因此這里主要考察寬度和高度方向的變形。設(shè)定X為長度方向，Y，Z分別為寬度和高度方向。圖4和圖6為模擬產(chǎn)品在保壓冷卻后寬度(Y)和高度(Z)方向的變形量。

圖4 寬度(Y)方向的變形量

圖5 機頂盒前后殼卡扣裝配示意圖

圖6 高度(Z)方向的變形量

由圖4可以看出：寬度(Y)方向最大變形處為產(chǎn)品卡扣位置，在實際生產(chǎn)中主要用于與機頂盒后殼裝配(圖5)，即使變形也可在裝配后被矯正，可不予考慮，因此Y方向最大變形區(qū)域應為附近的黃色和藍色區(qū)域，其疊加后的最大變形量約為0.73 mm，變形過大不符合產(chǎn)品要求。而高度(Z)方向變形量疊加后的最大斷差值為0.18 mm(圖6)，變形量不大，滿足產(chǎn)品裝配要求。因此，就方向而言，應重點考慮寬度(Y)方向?qū)ψ冃温N曲的影響。

1.3.2 產(chǎn)品翹曲變形的主要影響因素

翹曲分析主要是對塑件冷卻成型后可能出現(xiàn)的變形以及形狀尺寸等偏差進行分析，以便對成型過程加以改進[9]。由于零件基本為平板件，深腔殼體特征不明顯，因此不考慮模具熱膨脹和角效應，主要將翹曲變形原因解析為冷卻不均勻、收縮、分子取向3個因素。通過Moldflow軟件的翹曲分析選項可求得這幾個因素對該產(chǎn)品翹曲變形的貢獻度，分析結(jié)果如圖7～10所示。

圖7 分子取向引起的翹曲變形

圖8 收縮不均引起的翹曲變形

圖9 冷卻不均引起的翹曲變形

圖10 3個因素綜合引起的翹曲變形

由圖7可知：由分子取向引起的翹曲變形基本為零，可不予考慮。由圖8可知：由收縮不均引起的翹曲最大值為0.683 6 mm。由圖9可知：扣除卡扣位置，由冷卻不均引起的翹曲最大值為0.2 mm左右。因此，就影響因素而言，收縮不均和冷卻不均是引起該翹曲的主要原因。綜合3個因素引起的總翹曲變形為 0.779 5 mm，如圖10所示。

1.3.3 綜合分析

綜合1.3.1和1.3.2的分析結(jié)果可知：該產(chǎn)品沿寬度(Y)方向翹曲變形最為嚴重，而收縮不均和冷卻不均是引起翹曲的主要原因。因此，下面重點分析收縮和冷卻不均對寬(Y)方向翹曲變形的影響，Moldflow軟件的翹曲分析結(jié)果如圖11，12所示。

圖11 冷卻不均對寬(Y)方向翹曲變形的影響

圖12 收縮不均對寬(Y)方向翹曲變形的影響

由圖可以看出，扣除卡扣位置，由冷卻不均引起的沿寬度(Y)方向疊加后的最大變形量約為0.36 mm，由收縮不均引起的沿寬度(Y)方向最大變形處的變形量為0.35 mm，兩者相加得出由收縮和冷卻不均引起的寬(Y)方向總變形翹曲量約為0.71 mm，這與圖4中分析的寬度(Y)方向的最大變形處的總變形量為0.73 mm相差無異，可以證明產(chǎn)品在寬度(Y)方向的翹曲變形主要是由收縮不均和冷卻不均共同引起的。

2 工藝優(yōu)化設(shè)計

2.1 成因分析及改善措施

翹曲產(chǎn)生的原因中，收縮不均主要是由塑件厚度變化較大，冷卻系統(tǒng)設(shè)計、成型工藝參數(shù)不合理造成。冷卻不均主要是由型腔表面溫度分布不均，溫度沿厚度方向變化，模具的熱性質(zhì)等造成[10-11]。由于該產(chǎn)品厚度變化不大、冷卻系統(tǒng)也已基本確定，主要側(cè)重從成型工藝參數(shù)和溫差變化方面進行工藝優(yōu)化。

2.1.1 保壓壓力的影響

體積收縮過大會影響產(chǎn)品最終的尺寸和形狀，是塑件產(chǎn)生翹曲的重要因素，對于薄殼件而言，由于壓力影響更明顯，這種情況會更嚴重，可通過增加保壓壓力、分段保壓等措施來減少體積收縮，并使得收縮比較均勻。圖13為該產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)置前的保壓曲線參數(shù)，以注射壓力的80%作為保壓壓力最大值，初始保壓時間為10 s。由前文分析可知：產(chǎn)品澆口遠端局部區(qū)域體積收縮不均較為嚴重，為此對保壓曲線重新進行設(shè)定，結(jié)果如圖14，15所示。由圖可知：優(yōu)化后的保壓壓力在2.73～12.73 s內(nèi)由初始設(shè)定的注射壓力的100 %減為80%，然后在5 s內(nèi)線性減小為零。優(yōu)化后的工藝對壓力衰減時間進行了精確調(diào)整，確保了處于遠端的澆口位置能完全凝固，從而有效減小收縮，防止翹曲變形。

圖13 保壓曲線優(yōu)化設(shè)置前

圖14 保壓曲線優(yōu)化設(shè)置后

圖15 優(yōu)化后的保壓曲線

2.1.2 內(nèi)外側(cè)溫度差的影響

冷卻系統(tǒng)的設(shè)計原則主要有兩個：① 冷卻系統(tǒng)對產(chǎn)品的冷卻要均勻； ② 冷卻系統(tǒng)對產(chǎn)品的冷卻要迅速?？刹捎昧鲝介L的溫水進行冷卻，使溫差控制在5 ℃以內(nèi)，并使流速盡可能高，使冷卻介質(zhì)達到湍流狀態(tài)。

圖16和圖17為該機頂盒產(chǎn)品前殼內(nèi)外側(cè)溫度分布圖。由圖可以看出：在型腔四周已均勻布置冷卻水通道的情況下，零件前后面溫度差異仍在16 ℃左右，進出水溫過大，使模具冷卻不均，導致在寬度方向產(chǎn)品內(nèi)縮?？紤]到產(chǎn)品有一定的深度，要降低內(nèi)外表面的溫差，一般需接隔水板，但這會導致模具成本的增加，因此采用前模走熱水(50 ℃)，即接油溫機進行注塑的方法來降低零件內(nèi)外側(cè)的溫差，從而達到使塑件快速、均衡冷卻的目的,工藝簡單，有效提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

圖16 零件外側(cè)溫度分布(前模端)

圖17 零件內(nèi)側(cè)溫度分布(后模端)

2.2 優(yōu)化結(jié)果模擬

在降低零件內(nèi)外側(cè)溫度差和優(yōu)化保壓曲線后，對該模型重新進行了冷卻-填充-保壓-翹曲分析，得到如圖18所示的翹曲分析結(jié)果。試驗證明，與未優(yōu)化(圖4)相比，經(jīng)工藝參數(shù)優(yōu)化后的產(chǎn)品模型沿寬度(Y)方向的最大變形翹曲量從0.73 mm減小到0.3 mm，變形改善效果明顯，證明了該優(yōu)化方法是有效可行的，可滿足產(chǎn)品實際生產(chǎn)要求。

圖18 寬度(Y)方向所有因素綜合的優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)論

分析了影響機頂盒前殼產(chǎn)品翹曲變形的主要因素，并運用 Moldflow 軟件進行了數(shù)值模擬和優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明:

1) 產(chǎn)品的翹曲變形主要在寬度(Y)方向，由收縮不均和冷卻不均共同引起。

2) 通過調(diào)整保壓壓力、保壓時間、手工建立冷卻管路等方法，對防止制件翹曲有很大作用。

3) 利用Moldflow軟件對優(yōu)化工藝進行模擬得出注塑過程填充流動平衡，冷卻效果良好，無明顯的注塑缺陷，說明澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)設(shè)置合理，為實際生產(chǎn)提供了有力的指導。

[1] 孫顯俊.復雜幾何體注塑制品翹曲變形模擬仿真[J].南京航空航天大學學報，2015，47(5)：752-759.

[2] HAKMIAN E，SULONG A B.Analysis of warpage and shrinkage properties of injection-molded micro gears polymer composites using numerical simulations assisted by the Taguchi method[J].Materials & Design，2012，42：62-71.

[3] 陳艷霞，陳如香.Moldflow2012完全學習手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社，2012:281-282.

[4] 丁建波，曹江棟.基于 Moldflow的復雜產(chǎn)品注塑成型數(shù)值模擬[J].塑料，2013，42(1):97-100.

[5] SHOEMAKER J.Moldflow設(shè)計指南[M].傅建，姜勇道，趙國平譯.成都：四川大學出版社，2010.

[6] 磨莉，谷林.基于Moldlfow的PP薄壁制品注塑工藝計算機模擬[J].工程塑料應用，2016(4)：75-79.

[7] EDDY B S，KUMAR J S，REDDY V K，PAD— MANABHAN G.Application of soft computing for the prediction of warpage of plastic injection molded parts[J].Engineering Science and Technology Review，2012，2(1)：56-62.

[8] 王東峰.基于 Moldflow 的汽車擾流板模流分析及翹曲優(yōu)化[J].塑料工業(yè)，2014，42(9)：.42-45.

[9] 金鵬，張文建.Moldflow在解決注塑件收縮翹曲中的應用[J].塑料工業(yè)，2012，40(9)：57-59.

[10] LUCYSHYN T，KNAPP G.Determination of the transition temperature at different cooling rates and its influence oil prediction of shrinkage and warpage in injection molding simulation[J].Journal of Applied Polymer Science，2012，123(2)：1162-1168.

[11] 徐征.工藝參數(shù)對平板微小器件注塑翹曲的影響[J].光學精密工程，2013，21(7)：1825-1830.

WarpageSimulationAnalysisandOptimizationofFrontCaseofSet-TopBox

HU Xingye, YANG Kaihuai

(Department of Mechanical Engineering, Fujian Chuanzheng Communications College, Fuzhou 350007, China)

Warpage has increasingly become a prominent problem during the injection molding process, and has an important impact on product accuracy. As an injection molding, the material of the front case of Set-Top Box is ABS，and not sprue marks, smooth surface are required after assembly. There is a higher requirement for deformation，especially for warpage. In this paper, the software Moldflow is used in analyzing the front case of Set-Top Box and investigating the causes of warpage and the key factors affecting warpage. By optimizing the process conditions and improving the cooling system, the warpage is reduced. Compared with the traditional test method, it can effectively reduce production cycle and effectively guarantee the quality of production, thus improves the production efficiency in the molding process and saving the production cost.

the front case of set-top box; Moldflow; warpage; optimization

2017-06-08

福建省交通廳重點項目(201210);福建省中青年教師教育科研項目資助;福建船政交通職業(yè)學院科技服務團隊培育計劃資助

胡星曄(1981—)，女，福建福州人，講師，主要從事模具設(shè)計與制造、材料加工成型的教學與研究，E-mail：14456868@qq.com。

胡星曄，楊開懷.機頂盒前殼翹曲變形模擬分析及工藝優(yōu)化設(shè)計[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(12):99-104.

formatHU Xingye, YANG Kaihuai.Warpage Simulation Analysis and Optimization of Front Case of Set-Top Box[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(12):99-104.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.12.017

TQ320

A

1674-8425(2017)12-0099-06

(責任編輯何杰玲)