应用CAE技术优化手机下盖产品及模具设计

潘多拉

1 前言
注射成型过程中，塑料熔体在模具型腔内的流动、传热过程是非常复杂的物理过程。利用注射模CAE 技术可在模具制造之前，对模具设计方案进行分析和模拟来代替实际的试模，预测设计中潜在的缺陷并及时修改。通过CAE 模拟分析，最大限度地预测并修正产品设计、模具设计及制品成型过程中可能出现的不足，取代传统的反复试模、修模等过程，从而降化产品制造成本，缩短产品开发周期，对实际生产具有重要的指导意义。
* t& T3 b: t# ~1 s9 R2 产品分析
# W& |2 c; y: d$ |某手机下盖，采用的材料为PC，几何尺寸为：84mm×43.6mm×9.3mm，平均厚度为1.4mm，最厚处为2.2mm，最薄处仅为0.55mm，产品壁厚分布如图1所示。
( a0 C# K, U: b图1 产品厚度分布3 模流分析原始方案
* S8 Z9 U0 E! ]5 R% K8 W7 ?. `模具设计原始方案采用三板模，以三个直浇口直接进浇，加工成型条件见表1。利用moldflow的MPI软件对充模过程中的流动、保压、冷却和收缩、翘曲进行模拟分析，通过分析可以发现当前方案可能出现如下几个问题。
(1) 流动不平衡、结合线、包封产生。
$ L' C4 U+ D& W, N% O. c% j如图2 所示为流动波前85%图，可以发现浇口径向充填并非均匀流动，在靠近薄壁部位呈现迟滞，有流动不平衡的情况。
/ }  d7 O# J) B; h! a$ G6 }图2 流动波前85%图如图3 所示为流动波前等位线图，可以发现图中有部份等位线过密情形，表示此区流动阻力较大，塑料流动通常往流动阻力小的区域流，最后才回填流动阻力较大的区域，造成流动末端有结合线与包封产生，有时甚至有短射之虑。
图3 流动波前等位线图如图4 所示为充填/中心温度分布图，平均温度在308℃，而上方浇口附近出现255℃的温度，差异过大，末端结合线将非常明显。
图4 充填/中心温度分布图(2) 保压效果不良。
图5 为中心温度分布图，分布范围在42.6℃~322℃之间，大部分塑料温度在130℃左右，都低于塑料本身的不流动温度。表示保压结束瞬间塑料受冷模影响，热传效应明显，塑料迅速降温冻结。
图5 保压分布/中心温度分布图如图6 所示为压力分布图，压力分布范围由浇口127MPa 至流动末端已降为0MPa，压降过大，压力传递不良，无法补充缩水区之塑料，反而使浇口处残留应力增加。
! D( o- o3 ]8 }) [- {2 p" c0 ]图6 保压/压力分布图( 3) 缩水情况产生。
如图7 所示体积收缩率分布图，浇口附近体积收缩率为( - 2.02%) ，表示有膨胀的情况，远离浇口之体积收缩率最大为( 5.86%) ，表示缩水情况的发生，当保压结束瞬间塑料有膨胀与缩水情况同时发生时。
图7 保压/体积收缩率分布图4 模流分析- 设计优化
5 M& q9 L& M- _1 \# K1 u针对缩水问题的改善方式有许多，以下建议3 个方案提供参考。
3 r& W- a2 u6 x! D(1) 成型条件变更。
. `4 S0 t' s, s- B* x# ^9 ?0 U8 L* P变更成型条件如表2，降低保压时间，使浇口保压阶段塑料温度提升，增加保压压力，因保压压力需足够克服浇口阻力进行缩水补偿。
通过分析，可以从中心温度分布图5发现，分布范围由47℃~327℃，大部分塑料温度提升至166℃左右。
0 `% A* N5 j% e由压力分布图6 上可以发现，新方案的压力分布浇口压力为156MPa，流动末端提升为37MPa，表示压降变小。
( f  y; [+ z$ u- l从体积收缩率分布图发现，体积收缩率分布范围由( - 2.57%~3.92%) ，膨涨的情况稍增，缩水率则下降。
  t: u0 d$ n/ ?+ b* R( 2) 产品设计变更。
* ~& K& \3 c0 S( x6 |3 w& H7 P浇口区域过薄，所遭受的流动阻力甚大，因此大的压降会消耗许多射出压力，因此增加进浇处产品壁厚，由0.55mm 改为0.65mm，使熔塑流动阻力降低，采用如表2 的成型条件进行模拟分析。
% Z8 B7 e! @% M% h* n& K( ]- o由充填/中心温度分布图4 所示，平均温度在309℃，上方浇口附近提升为290℃的温度，使塑料分布较均匀。
由保压/中心温度分布图5 所示，大部分塑料温度提升至171℃左右。
  A2 o7 a2 X3 N" r; I6 f  u由保压/压力的分布图6 所示，浇口压力分布范围为159MPa，流动末端提升为48.2MPa，表示压力有效传递。
从分析结果显示的体积收缩率分布图上可以发现体积收缩率分布范围为( - 2.45%~3.32%) ，膨胀的情况稍增，收缩率则有明显的下降。
( 3) 模具设计变更。
6 _/ ?/ P1 H* N8 ?5 i7 f为使达流动平衡，增加一组进浇点，如图8 所示为新方案的浇道配置变更图。通过增加工浇口可以平均分担模穴的充填与保压压力的传递，使塑料温度提升，黏度降低，流动阻力变小。采用如表2 相同的成型条件进行模拟分析。
图8 浇道配置变更图如图9 所示为充填/中心温度分布图，平均温度310℃，上方浇口附近提升为305℃的温度，使塑料分布相当均匀。
7 o# D0 `, M; [9 d3 @3 V% v/ B图9 充填/中心温度分布图如图10 所示为保压/中心温度分布图，大部分塑料温度提升至171℃左右。
+ r* F+ S# k7 O+ I图10 保压/中心温度分布图如图11 所示为保压/压力分布图，压力分布范围在浇口处为160MPa，流动末端提升为57.4MPa，表示压降变小。
图11 保压/压力分布图如图12 所示为新方案的体积收缩率分布图，体积收缩率分布范围由( - 2.42%~3.00%) ，膨胀的情况稍增，缩水率有大幅度的降低。
图12 体积收缩率分布图5 结束语
" [$ n+ L4 `0 C" Y/ S" |) B通过分析对比，可以发现经过多次优化后，通过增加进料点，以相同的流速，使塑料温度均匀分布，压力均匀传递，压降变小，让各浇口有效发挥，使缩水率降低。
模具厂在采用按照新方案进行模具设计与制造，生产的产品一次试模成功。产品基本没有缩水问题，结合线也不明显。在浇口区域局部有过度膨胀情况，因为此区是贴纸的区域，并不影响外观。