基于CAE技术下双色显示器前壳注射模具的优化设计

高扬 刘秉承

摘要：在当前我国国民生活条件的有效改善下，人们也逐渐开始对消费产品的款式和性能提出了更高的要求。因此双色注塑成型技术应运而生，其通过利用设置两个单独注射装置的注射机，在喷嘴的作用下使得在模具型腔中可以形成单一塑件。眼下该技术已经在双色液晶电视机前壳等其他产品制造领域中得到了广泛使用，而为了能够进一步实现塑件结构的优化并有效保障其质量水平，本文将选择以液晶电视机双色前壳作为主要研究对象，利用CAE技术尝试对双色显示器前壳注射模具的优化设计进行简要分析研究。

关键词：CAE技术；双色显示器前壳；注射模具；优化设计

引言：

CAE技术即计算机辅助工程技术，就是一种通过有机组织各工程环节，实现相关信息的优化集成，使其产生并存在于工程整个生命周期。由于其可以利用计算机在短时间内高效精准地完成对复杂工程以及产品结构力学性能等分析处理，因此经常被用于产品结构性能的优化设计中。本文也将通过利用CAE技术，尝试对液晶电视双色显示器前壳注射模具结构进行优化设计。

一、基于CAE技术下的工艺参数优化设计

（一）正交试验设计

为了能够有效实现对双色显示器前壳模具结构的优化设计，首先需要对注塑工艺参数进行相应优化。在此过程中，本文将直接选择使用Moldflow分析软件中的CAE功能，采用正交试验的方式达到对注塑工艺参数进行优化的效果。在通常的注塑成型当中，模具与熔体温度、注射和冷却时间、保压时间及其压力等工艺参数均会在不同程度上影响着注塑成型效果[1]。因此在进行正交试验设计的过程中，本文将选择上述工艺参数作为实验因素。通过充分结合材料推荐工艺图，将模具与熔体温度等参数分别设置五水平。在确定实验当中任意两个因素各水平搭配均会出现，且出现次数一致，实验中出现各因素的各个不同水平的次数完全一致下，创建相应的正交实验表。此次在对双色显示器前壳注射模具结构进行优化设计中总共进行了25次不同实验，每次实验工艺参数均不一致。如在1号实验当中，首次注射时的模具表面温度与熔体温度分别为50℃和240℃，注射与冷却时间分别为1s和20s，保压时间及压力分别为4s和60MPa。而在第二次注射时的模具表面温度、熔体温度等参数与首次注射时的工艺参数均完全一致。

（二）实验数据处理

在对实验数据进行处理的过程中，本文则选择使用了极差分析法，如果用Kji表示对应着m水平下第j列因素的实验指标总和，则利用其平均值便可以对j因素的最优水平组合进行准确判断。假设Rj为j列因素对应极差，此时通过求解j列因素最大和最小指标综合平均值之差即可，其计算公式为：

Rj可以对第j列因素水平在不断变化下，实验指标变动幅度进行准确反映。一般情况下，随着Rj的不断增加，表示其对应因素将会对实验指标产生较大影响。而通过对Rj大小进行比较，即可对主要因素以及次要因素进行准确判定[2]。

（三）确定最佳参数

根据结果显示，在外层缩痕指数方面，保压时间对双色塑件品质的影响最大，其次为熔体温度和保压压力、冷却与注射时间次之，模具温度的影响最小。而在内层缩痕指数中，同样为保压时间对双色塑件品质的影响最大，其次为熔体温度和注射时间，模具温度与保压压力次之，冷却时间的影响最小。而在外层顶出时体积收缩率中，保压时间对双色塑件品质的影响最大，其次为熔体温度和保压压力、冷却与注射时间次之，模具温度的影响最小。在内层顶出时体积收缩中，保压时间对双色塑件品质的影响最大，其次为熔体温度和注射时间、冷却时间与保压压力次之，模具温度的影响最小。因此通过在此基础上确定工艺参数组合，即注射时的模具表面温度与熔体温度分别为70℃和240℃，注射与冷却时间分别为2s和60s，保压时间及压力分别为16s和100MPa。使得可以在有效减小外层缩痕指数以及顶出时体积收缩率的同时，内外层最大顶出体积收缩率分布完全相同，以有效帮助实现双色显示器前壳注射模具的结构优化。

二、基于CAE技术下双色显示器前壳注射模具结构优化设计

（一）设计方案

在使用CAE技术对双色显示器前壳注射模具结构进行优化设计的过程中，本文通过直接选择使用Pro/ENEGINEER软件系统自带的Manufacturing/Mold Cavity模块完成结构优化设计工作。在此过程中，首先需要使用Pro/ENEGINEER软件当中的零件Part模块创建双色显示器前壳注射模具优化结构模型，随后通过利用Mold Cavity模块对包括上下模型腔、滑块结构等在内的模具构件进行优化设计，最后依照相关设计标准要求完成模具模架设计即可。

在双色注塑模具结构当中，依照具体的双色注塑成型工艺方式可以将其分为收缩模具型芯式双色注射结构等各种不同的类型。本文则通过以型芯旋转式双色注射结构为例，在以往的结构设计中主要是通过在动模侧放置顶出机构。而本文在开展结构设计优化时则选择利用动模和定模倒装结构，即在模具定模侧处放置顶出机构，由油缸负责提供所需动力顶出塑件。在此过程中，首次注射成型塑件型腔为动模型芯和成型外层定模型芯，一旦成型之后开模通过定模板推动塑件，使之可以与定模型芯相互分离，并继续留在动模型芯位置处。悬挂装盘带动动模型芯与首次成型的半成品进行180°旋转，使之可以同成型内层定模型芯构成二次注射成型塑件型腔[3]。此时在成型后开模，并利用顶出机构顶出位于定模位置处的双色塑件即可。

（二）组件设计

运行Pro/ENEGINEER软件后，新建文件并选中制造与模具型腔选项，在保障未勾选缺省模板之后，選择mns_mfd_mold模板。此时需要专门为模具建立一个文件夹dsjmb并将其保存至D盘中。而后选中菜单栏中的新建文件选项重新建立新文件夹，选中类型选项中的制造模块，并在子类型栏中选中模具型腔模块，将dsj作为其输入名。在将使用缺省模板选项勾除后，于模板栏中选中公制模具设计模板并点击确定案件。此时系统将会自动运行模具设计模块，在菜单管理器中选中模具模型、装配以及参考模型命令，以缺省位置在约束参照当中装配参考模型即可。将收缩率设定为0.005，如果塑件制品总长不足50mm，则模具单边长需要控制在20到25mm之间，此后随着塑件制品总长每增加50mm，模具单边长也需要在此基础上再增加5到10mm。如果塑件制品总宽度不超过50mm，则模具单边宽度同样也需要控制在20到25mm之间，此后随着塑件制品总长每增加50mm，模具单边长也需要在此基础上再增加5到10mm。如果塑件制品总高度不超过50mm，动模和定模高度则分别需要为1.3到2倍的塑件制品总高度以及1.5倍的塑件制品总高度。如果塑件制品总高度在50到100mm之间，则其动模和定模高度分别为塑件制品总高度的2倍和1.5倍。根据此次设计的双色显示器前壳外层尺寸，可知模具工件的长度、宽度和高度分别为450mm、350mm以及60mm。而后依照软件系统中的功能选项，依次完成毛坯工件和分型面的创建、生成型腔与型芯之后自动完成装配即可。

结束语：

本文通过利用带有CAD技术功能的专业软件，在采用正交实验和极差分析法下对塑件的主次影响因素进行相应分析，以此为基础确定了最优工艺参数组合。此后通过直接运用Pro/ENEGINEER软件系统自带的Manufacturing/Mold Cavity模块高效、精准地完成了结构优化设计工作。但由于受到篇幅限制，本文并没有对优化设计方案成效进行相应验证，因此还需要在日后的研究中对此加以改进。

参考文献：

[1]李学峰.塑料模设计及制造[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]匡唐清，阎智，付伟.MP4 播放器双色外壳的注塑模设计[J].中国塑料，2012，26（6）：117-122.

[3]杨勇.基于 Moldflow 的塑料箱注射成型 CAE 分析[J].模具制造，2010（05）：35-37.