机顶盒前壳翘曲变形模拟分析及工艺优化设计

胡星晔，杨开怀

(福建船政交通职业学院 机械工程系， 福州 350007)

机顶盒前壳翘曲变形模拟分析及工艺优化设计

胡星晔，杨开怀

(福建船政交通职业学院 机械工程系， 福州 350007)

翘曲变形在注塑模具生产过程中已经成为日益凸显的问题，对产品精度有着重要的影响。机顶盒作为注塑件产品，其前壳材质为塑胶材料(ABS)，装配后要求无浇口痕迹，表面光滑，结合处不能刮手，对变形特别是翘曲变形有较高的要求。通过Moldflow软件对某公司机顶盒前壳进行了翘曲变形模拟分析，确定了翘曲变形产生的原因，分析了影响翘曲变形的关键因素，并通过优化工艺参数和改善冷却系统，达到了减少翘曲变形的目的，与传统试验法相比，可有效缩短生产周期，保证生产质量，从而提高了企业生产效率，节约了生产成本。

机顶盒前壳； Moldflow； 翘曲变形； 工艺优化设计

数字视频变换盒(通常称作机顶盒或机上盒)是一个连接电视机与外部信号源的设备。它可以将压缩的数字信号转成电视可以接收的模拟信号，并通过网络互联，使用户享受电视、数据、语言等全方位的信息服务。

机顶盒外壳分为前壳和后壳两部分，材质为塑胶材料(ABS)，通过注塑成型，装配后要求无浇口痕迹，表面光滑，结合处不能刮手，对变形特别是翘曲变形有较高的要求。所谓翘曲，是指制件在成型过程中，塑胶在模具内部流动以及保压时存在不均匀的应力所导致的缺陷[1-2]，翘曲量过大将导致零件尺寸超过误差允许范围甚至无法匹配，因此在实际生产中必须特别注重注塑成型工艺和冷却系统的设计优化。

通过对成型过程的模拟流动建立有限元模型和数值计算，完全可以得到与实际相似的结果，从而有效提高生产效率，降低产品成本。Moldflow是目前工程界常用的一款模拟分析软件，它是通过有限元方法快速验证、模拟分析和优化塑件工艺参数、注塑模具和注塑成型流程，从而辅助设计者快速找出问题并加以解决[3-6]。本文即是利用Moldflow 软件对某公司生产的机顶盒前壳在填充保压冷却过程中出现的翘曲问题进行模拟分析，找出原因并提出解决方案。

1 机顶盒前壳变形模拟分析

1.1 模型网格划分

利用Pro/E创建该产品模型并转换保存为STP格式后导入Moldflow软件中，产品模型尺寸为297.7 mm×45.02 mm×23 mm，平均壁厚为2.2 mm，由于该模型为壁薄且均匀的面壳，故采用Moldflow自带的双层面网格进行划分[7-8]，定义网格边长为2 mm，网格模型如图1所示，网格划分参数如图2所示。单个产品网格数量为 50 998个，平均纵横比为2.23，最小纵横比为1.16，最大纵横比为10，网格匹配百分比为92%左右，各项指标均符合Moldflow分析要求的网格标准。

图1 产品网格模型

图2 产品模型网格划分参数

1.2 工艺参数条件设定

该产品模具结构采用三板模，一模一穴设计，浇口位置和冷却水道如图3所示。考虑到该产品对外观有要求，为避免由浇口引起的鼓包和刮手，将浇口设置在产品长度方向的左端(此处外观为贴铭牌处)。冷却系统为Moldflow冷却系统向导创建的简单冷却系统，采用前后各两根冷却管道进行冷却，分别位于动模和定模外围30 mm处，水管直径φ10 mm，前后模冷却水温度为25 ℃。

图3 浇口位置和冷却系统

其余工艺参数条件设定如下：分析序列采用“冷却+填充+保压+翘曲”系列。熔体温度为210 ℃，射保压冷却时间总和为30 s，开模时间为5 s。填充控制、速度/压力控制转换为软件自动控制，V/P切换设定当填充体积达到98%后改为压力控制。保压控制为填充压力与时间关系采用默认值。

1.3 翘曲变形结果分析

1.3.1 产品沿各方向变形量

由于产品长度方向在设计模具时会考虑塑胶的自然收缩，基本不存在问题，因此这里主要考察宽度和高度方向的变形。设定X为长度方向，Y，Z分别为宽度和高度方向。图4和图6为模拟产品在保压冷却后宽度(Y)和高度(Z)方向的变形量。

图4 宽度(Y)方向的变形量

图5 机顶盒前后壳卡扣装配示意图

图6 高度(Z)方向的变形量

由图4可以看出：宽度(Y)方向最大变形处为产品卡扣位置，在实际生产中主要用于与机顶盒后壳装配(图5)，即使变形也可在装配后被矫正，可不予考虑，因此Y方向最大变形区域应为附近的黄色和蓝色区域，其叠加后的最大变形量约为0.73 mm，变形过大不符合产品要求。而高度(Z)方向变形量叠加后的最大断差值为0.18 mm(图6)，变形量不大，满足产品装配要求。因此，就方向而言，应重点考虑宽度(Y)方向对变形翘曲的影响。

1.3.2 产品翘曲变形的主要影响因素

翘曲分析主要是对塑件冷却成型后可能出现的变形以及形状尺寸等偏差进行分析，以便对成型过程加以改进[9]。由于零件基本为平板件，深腔壳体特征不明显，因此不考虑模具热膨胀和角效应，主要将翘曲变形原因解析为冷却不均匀、收缩、分子取向3个因素。通过Moldflow软件的翘曲分析选项可求得这几个因素对该产品翘曲变形的贡献度，分析结果如图7～10所示。

图7 分子取向引起的翘曲变形

图8 收缩不均引起的翘曲变形

图9 冷却不均引起的翘曲变形

图10 3个因素综合引起的翘曲变形

由图7可知：由分子取向引起的翘曲变形基本为零，可不予考虑。由图8可知：由收缩不均引起的翘曲最大值为0.683 6 mm。由图9可知：扣除卡扣位置，由冷却不均引起的翘曲最大值为0.2 mm左右。因此，就影响因素而言，收缩不均和冷却不均是引起该翘曲的主要原因。综合3个因素引起的总翘曲变形为 0.779 5 mm，如图10所示。

1.3.3 综合分析

综合1.3.1和1.3.2的分析结果可知：该产品沿宽度(Y)方向翘曲变形最为严重，而收缩不均和冷却不均是引起翘曲的主要原因。因此，下面重点分析收缩和冷却不均对宽(Y)方向翘曲变形的影响，Moldflow软件的翘曲分析结果如图11，12所示。

图11 冷却不均对宽(Y)方向翘曲变形的影响

图12 收缩不均对宽(Y)方向翘曲变形的影响

由图可以看出，扣除卡扣位置，由冷却不均引起的沿宽度(Y)方向叠加后的最大变形量约为0.36 mm，由收缩不均引起的沿宽度(Y)方向最大变形处的变形量为0.35 mm，两者相加得出由收缩和冷却不均引起的宽(Y)方向总变形翘曲量约为0.71 mm，这与图4中分析的宽度(Y)方向的最大变形处的总变形量为0.73 mm相差无异，可以证明产品在宽度(Y)方向的翘曲变形主要是由收缩不均和冷却不均共同引起的。

2 工艺优化设计

2.1 成因分析及改善措施

翘曲产生的原因中，收缩不均主要是由塑件厚度变化较大，冷却系统设计、成型工艺参数不合理造成。冷却不均主要是由型腔表面温度分布不均，温度沿厚度方向变化，模具的热性质等造成[10-11]。由于该产品厚度变化不大、冷却系统也已基本确定，主要侧重从成型工艺参数和温差变化方面进行工艺优化。

2.1.1 保压压力的影响

体积收缩过大会影响产品最终的尺寸和形状，是塑件产生翘曲的重要因素，对于薄壳件而言，由于压力影响更明显，这种情况会更严重，可通过增加保压压力、分段保压等措施来减少体积收缩，并使得收缩比较均匀。图13为该产品优化设置前的保压曲线参数，以注射压力的80%作为保压压力最大值，初始保压时间为10 s。由前文分析可知：产品浇口远端局部区域体积收缩不均较为严重，为此对保压曲线重新进行设定，结果如图14，15所示。由图可知：优化后的保压压力在2.73～12.73 s内由初始设定的注射压力的100 %减为80%，然后在5 s内线性减小为零。优化后的工艺对压力衰减时间进行了精确调整，确保了处于远端的浇口位置能完全凝固，从而有效减小收缩，防止翘曲变形。

图13 保压曲线优化设置前

图14 保压曲线优化设置后

图15 优化后的保压曲线

2.1.2 内外侧温度差的影响

冷却系统的设计原则主要有两个：① 冷却系统对产品的冷却要均匀； ② 冷却系统对产品的冷却要迅速。可采用流径长的温水进行冷却，使温差控制在5 ℃以内，并使流速尽可能高，使冷却介质达到湍流状态。

图16和图17为该机顶盒产品前壳内外侧温度分布图。由图可以看出：在型腔四周已均匀布置冷却水通道的情况下，零件前后面温度差异仍在16 ℃左右，进出水温过大，使模具冷却不均，导致在宽度方向产品内缩。考虑到产品有一定的深度，要降低内外表面的温差，一般需接隔水板，但这会导致模具成本的增加，因此采用前模走热水(50 ℃)，即接油温机进行注塑的方法来降低零件内外侧的温差，从而达到使塑件快速、均衡冷却的目的,工艺简单，有效提高了生产效率和经济效益。

图16 零件外侧温度分布(前模端)

图17 零件内侧温度分布(后模端)

2.2 优化结果模拟

在降低零件内外侧温度差和优化保压曲线后，对该模型重新进行了冷却-填充-保压-翘曲分析，得到如图18所示的翘曲分析结果。试验证明，与未优化(图4)相比，经工艺参数优化后的产品模型沿宽度(Y)方向的最大变形翘曲量从0.73 mm减小到0.3 mm，变形改善效果明显，证明了该优化方法是有效可行的，可满足产品实际生产要求。

图18 宽度(Y)方向所有因素综合的优化结果

3 结论

分析了影响机顶盒前壳产品翘曲变形的主要因素，并运用 Moldflow 软件进行了数值模拟和优化设计。结果表明:

1) 产品的翘曲变形主要在宽度(Y)方向，由收缩不均和冷却不均共同引起。

2) 通过调整保压压力、保压时间、手工建立冷却管路等方法，对防止制件翘曲有很大作用。

3) 利用Moldflow软件对优化工艺进行模拟得出注塑过程填充流动平衡，冷却效果良好，无明显的注塑缺陷，说明浇注系统、冷却系统设置合理，为实际生产提供了有力的指导。

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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

福建省交通厅重点项目(201210);福建省中青年教师教育科研项目资助;福建船政交通职业学院科技服务团队培育计划资助

胡星晔(1981—)，女，福建福州人，讲师，主要从事模具设计与制造、材料加工成型的教学与研究，E-mail：14456868@qq.com。

胡星晔，杨开怀.机顶盒前壳翘曲变形模拟分析及工艺优化设计[J].重庆理工大学学报(自然科学)，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

(责任编辑何杰玲)