基于笔记本上边框的Moldflow分析与应用

2014-07-24师中华胥光申

西安工程大学学报 2014年3期

师中华，胥光申

（西安工程大学机电工程学院，陕西西安710048）

0 引言

传统注射模设计主要依靠设计人员的直觉和经验，模具设计加工完后往往需要经过反复地调试与修正才能正式投入生产.为解决上述问题，不仅要重新调整工艺参数，甚至要修改塑料制品和模具，这种生产方式降低了新产品的开发速度.而利用现代CAE技术及Moldflow软件，在模具加工之前，在计算机上对整个注塑成形进行充填、保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力、收缩以及气辅成形等流动模拟分析，找出可能出现的缺陷，提高一次试模的成功率，降低了生产成本，缩短了生产周期［1－2］.

笔记本电脑上边框塑件尺寸约为300mm×200mm，平均厚度约为0.85mm，最大厚度为2.3mm，属于中型模具.模具的结构较为复杂，四周都有滑块，底部有倒勾特性，模具需要采用斜顶结构.而且笔记本电脑上边框属于日常电子产品，对表面外观要求较高.其本身又是笔记本电脑的重要部件，有精准的尺寸和定位装配要求，故要求塑件脱模后不能产生翘曲变形.笔记本电脑上边框塑件产品对强度也有要求，要满足人们在各种情况下的使用.本文利用Moldflow对笔记本上边框注塑件不同方案的浇注系统进行流动模拟分析，预测可能存在的气穴位置和熔接线位置，确定较好的浇注系统.然后优化分析模具方案的冷却系统，进而确定模具的最佳设计方案.

1 模型建立与模拟分析

1.1 模型建立

利用UG6.0软件中的三维建模功能，如草图绘制、拉伸凸台、拉伸切除、圆角等，建立笔记本上边框的三维实体模型，实体模型如图1所示.从图1可以看出，将实体模型转化为IGES格式导入到Moldflow软件中，选择双层面网格，设置全局网格边长为3mm，点击立即划分网格，完成网格划分后要统计网格划分的品质，经过修复网格后得到如图2的结果.

图1 实体模型

图2 划分网格有限元模型

1.2 模拟分析方案

4种不同的模拟分析方案的建立如图3所示.从图3可以看出，方案（a）冷流道系统（Ⅰ），其塑料熔体从中间流下来，然后转到笔记本上边框的两长边中点位置；方案（b）冷流道系统（Ⅱ），浇注方式与之不同，塑料熔体从中间流下来，然后转到笔记本上边框的两短边中点位置；方案（c）也采用冷流道系统（Ⅲ），浇注方式为塑料熔体从中间流下来，然后转到笔记本上边框的四边中点位置；方案（d）热流道系统，塑料熔体分别从对角边的1／3和2／3处流下来，然后分别转到笔记本上边框的长、短边的两中点位置.

图3 不同的模拟分析方案

1.3 比较分析结果

1.3.1 充填时间充填阶段是指熔体进入模具型腔开始，直到模具型腔内被熔体充填满时就完成了充填［3］.该制件不同充填时间分析结果如图4所示.方案（a）能够较好的完成熔体充填，充填时间为0.540 6s，根据Moldflow软件提供的结果查询功能测量出被模拟塑件上各点结果状态，用此功能得出笔记本上边框距浇口最远端的型腔充填时间差为0.036 7s，约占充填时间的6.79%，充填较为不平衡；方案（b）充填不够充分，充填时间为0.621 0s，距浇口最远端的型腔充填时间差为0.049 7s，约占充填时间的8%，充填较为不平衡；方案（c）充填完成较好，充填时间为0.654 1s，距浇口最远端的型腔充填时间差为0.011 2s，约占充填时间的1.7%，充填较为平衡；方案（d）充填完全，充填时间为0.710 8s，距浇口最远端的型腔充填时间差为0.008 2s，约占充填时间的0.87%，充填较为平衡.所以方案（c）、方案（d）较好.

1.3.2 气穴气穴是熔体前沿汇聚在注塑件内部或者模腔表面形成的气泡.在制件表面形成瑕疵，严重影响制件的表面质量，甚至影响制件的强度及使用性［4］.严格来说，气穴是无法完全消除的，只能采取各种措施来改善气穴缺陷，把气穴缺陷控制在良品范围之内.Moldflow软件提供的气穴结果用线勾表示，在图中用圈表示.该制件不同气穴分析结果如图5所示，方案（a）、方案（b）的气穴分布数目相对较少；方案（c）、方案（d）的气穴分布数目相对较多，但都分布在4个角的位置，由于此模具将采用四周滑块的结构，4个角的位置是滑块结合处，气穴容易排出，故对制件的影响不大.

1.3.3 熔接线熔接线是产品在注塑成型的过程中由两股或多股熔融的树脂流相汇所产生的细线状缺陷.熔接线的存在极大地削弱了制件的机械强度［5］.该制件不同熔接线分析结果如图6所示，方案（a）熔接线数目较多，分布广，长度较短；方案（b）熔接线数目较多，集中在两长边中间位置，影响制件的强度.方案（c）、方案（d）熔接线集中在4个角落位置，对制件影响不大.所以方案（a）、（c）、（d）较好.

图4 不同的充填时间分析结果

图5 不同气穴分析结果

1.3.4 翘曲变形翘曲变形是制件在注塑成型中，应力和收缩不均匀而产生的.脱模不良，冷却不足，模具设计和工艺参数不佳等也使注塑件发生翘曲变形，它是常见的制件缺陷之一.对如笔记本、掌上电脑、扁薄手机等塑壳制件，翘曲变形程度已作为评定产品质量的重要指标之一，通常在设计阶段通过模拟分析预测注塑件可能产生的翘曲原因，以便优化，减少产品的翘曲变形，达到产品设计的精度要求［6－8］.该制件不同翘曲变形分析结果如图7所示，方案（a）变形在0.263 2mm～4.825mm之间；方案（b）变形在0.181 5mm～4.642mm之间；方案（c）变形在0.353 9mm～4.896mm 之间；方案（d）变形在0.325 7mm～4.786mm之间.由4种方案变形分析结果可以看出，最大变形都发生在4个角落位置，方案（a）、方案（d）变形较小，较均匀.

图6 不同熔接线分析结果

图7 不同的翘曲变形分析结果

2 建立优化冷却系统方案

利用Moldflow对以上4种方案浇注系统进行充填时间、气穴、熔接线、翘曲变形等分析结果比较，最后确定方案（d）为最佳方案，它充填完全，充填时间较短且充填平衡；气穴分布位置易于排出，不影响制件表面质量；熔接线较少且在4个角落位置不会影响制件质量；变形小且均匀.

现优化分析方案（d）的冷却系统，原冷却系统如图8所示，上、下模各有6根直径为10mm的冷却水流道，热量主要集中在左上、左下角结构突变处，故决定在此位置各增加2根冷却水流道，优化后的方案（d′）如图9所示，上模有10根直径为10mm的冷却水流道，下模的冷却水流道不变.

图8 原方案（d）冷却水流道

图9 优化后方案（d′）冷却水流道

比较优化后冷却系统方案的分析结果.由于原方案（d）浇注系统不变，仅优化改变了冷却系统，故充填时间、气穴、熔接线基本不变.现将翘曲变形、回路冷却水温度的变化情况介绍如下.

如图10所示，优化后方案（d′）的翘曲变形在0.329 4～4.666mm之间，与原来方案的翘曲变形在0.325 7～4.786mm之间相比，最大翘曲变形绝对值降低了0.12mm，相对值降低了2.57%.翘曲变形的降低得益于优化后的冷却系统，回路冷却液温度变化量较小、较均匀.翘曲变形的降低能够提高注塑件的质量、机械性能.

如图11所示，方案（d）回路冷却液温度的变化范围在25.00℃～26.08℃之间.如图12所示，优化后方案（d′）回路冷却液温度的变化范围在25.00℃～25.17℃之间，最高回路冷却液温度值绝对降低了0.91℃，相对值降低了3.62%.优化后方案（d′）回路冷却液温度的降低，变化范围小、较均匀，能够降低注塑件的翘曲变形，进而提高注塑件的质量、机械性能.