基于CAE 技术的手机下盖注塑模具设计优化

        0 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。利用注塑模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。

        1 产品分析

        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。

        2 模流分析(原始方案)

        模具设计原始方案采用三板模，以3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表1 所示的问题。

        2.1 流动不平衡、结合线、包封产生如图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。

        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4 为充填/ 中心温度分布图。图4 中，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。

        2.2 保压效果不良
        图5为中心温度分布情况，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6 为压力分布情况。图6 中，压力分布范围由浇口127MPa 至流动末端已降为0，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。

        2.3 缩水情况产生
        图7 为体积收缩率分布情况。图7 中，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。

        3 模流分析(设计优化)
        针对缩水问题的改善方式有许多，以下建议3个方案提供工程师参考。

        3.1 成型条件变更
        变更成型条件如表2所示。由表2可以看出，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发现，分布范围由47～327℃，大部分塑料温度提升至166℃左右。
        由压力分布图上可以发现，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。
        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。

        3.2 产品设计变更
        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。
        由充填/中心温度分布图，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，大部分塑料温度提升至171℃左右。
        由保压/ 压力的分布图，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看出，体积收缩率分布范围为(-2.45%～3.32%)，膨胀的情况稍增，缩水率则有明显的下降。

        3.3 模具设计变更
        为使达流动平衡，增加一组进浇点，图8 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9 为充填/ 中心温度分布图。由图9 可以看出，平均温度310℃，上方浇口附近提升为305℃的温度，使塑料分布较均匀。
        图10 为保压/ 中心温度分布图。图10 中，大部分塑料温度提升至171℃左右。
        图11 为保压/ 压力分布图。图11 中，压力分布范围在浇口处为1 6 0 M P a ，流动末端提升为57.4MPa，表示压降变小。
        图12为新方案的体积收缩率分布图。图12中，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。

        4 结论

        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。

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