CAD/CAE技术在手机保护壳注塑模具设计中的应用

董　坤，余小鲁

安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖，241000



CAD/CAE技术在手机保护壳注塑模具设计中的应用

董坤，余小鲁

安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖，241000

摘要：以手机保护壳为例，研究了不同的浇注系统对产品质量的影响，论证了将合理的方案应用于注塑模具设计的可行性。运用CAE技术的模流分析软件Moldflow，模拟不同浇口位置设计的制品成型过程。通过分析3种方案在充填时间、熔接痕、翘曲变形上对制品质量产生的不同影响，确定方案三作为注塑模具浇注系统最为合理。最后，应用CAD软件UG,完成注塑模的浇注系统设计、侧向抽芯机构设计、斜顶脱模机构设计和注塑模具三维结构设计。整套技术缩短了研发周期，提高了塑件的成型质量和生产率。

关键词：手机保护壳；浇口位置；浇注系统；Moldflow；UG；注射模

在注塑模具设计过程中，浇注系统的设计尤为重要，它直接决定了制品成型结果的好坏，而在浇注系统设计中又以浇口位置的设置最为重要。目前，借助CAE技术针对这个问题可以有效地进行预测和分析[1-3]。Moldflow是目前最成熟的注塑模CAE软件，在借助计算机技术模拟注塑成型全过程中，可以预测制品可能出现的质量缺陷，并分析其产生的原因。通过这项技术可以在模具加工之前获得优化后的制品结构设计、模具设计方案和成型工艺条件，保证高效率的生产，提高市场竞争能力[4-5]。本文先对成型工艺参数进行控制，然后借助Moldflow软件对手机保护壳浇注系统进行设计，合理确定浇注系统方案，并采用UG软件成功地应用到注塑模设计中。

1　塑件成型工艺分析

1.1塑件结构与模型前处理

手机保护壳的三维实体模型如图1所示。塑件是外观件具有装配要求，侧面和背面是外观面，精度要求一般，但不允许有毛边等质量缺陷；塑件整体无拔模角，最大结构尺寸为146 mm×75.25 mm×10 mm，平均壁厚为1 mm，属于薄壁件且最小壁厚为0.756 mm，尺寸公差要求±0.05 mm，以保证与手机实体可进行良好的组配。

手机保护壳的CAD模型由UG软件建立，并转换生成STL文件，然后导入到Moldflow软件中进行模拟分析。针对这种薄壁件可以采用表面网格来对模型进行有限元网格划分，经过检查、修复，使单元纵横比符合流变计算要求，最终网格单元为26300，匹配率为94.2%，符合要求，无自由边、无相交单元等问题。

图1 手机保护壳

1.2材料选择与成型工艺参数设定

手机保护壳所用材料为Mitsubishi Group公司的改性聚碳酸酯(PC)，牌号为GS2010MPH，填充10%的玻璃纤维。聚碳酸酯是一种性能优良的热塑性工程塑料，透明度可达到90%，刚硬且具冲击韧性，并且收缩率很低，一般在0.1%～0.3%之间，弹性模量较高。表1为注塑成型工艺参数。

表1　注塑成型工艺参数

2　浇注系统设计

运用Moldflow软件，对制品的浇口位置进行分析，获取浇口的位置。从图2中可以看出制品的中心位置流动阻力最小，图3所示为最佳浇口位置范围。

考虑到模具设计、制造的经济性，采用一模两腔结构，普通冷流道注射成型。在结合CAE分析报告并参考注塑成型设计准则[6]，设计出3种浇注系统方案,如图4所示。方案一、方案二是根据平衡流动的原则，可以使塑件得到均匀的压实和收缩，避免产生翘曲变形，并降低应力水平，同时也可以避免物料的浪费。而方案三是根据单向流动的原则，可以减少塑件翘曲变形，避免在制品表面留在较大的浇口残留痕迹，降低对制品表面质量的影响。

方案一：塑件间距48 mm，如图4(a)所示。制品表面选择在流动阻力最小的区域，创建单点浇口浇注系统，主流道根据浇注系统及其设计原则[7]，主流道设计成圆锥形，其锥角取2°，直径为4 mm，长度35 mm；分流道截面尺寸，选择内径6 mm梯形截面，倾角为15°；浇口为直径4 mm，锥度10°的点浇口。

图4　浇注系统设计

方案二：考虑到熔体的黏度较大，流动性差的特点，在最佳匹配浇口位置附近区域，选择两个浇口位置创建浇注系统。采取方案一的流道设计，浇口选择匹配性最好的中间两个对称点，如图4(b)所示。

方案三：浇口长度取2 mm，宽度2 mm，厚度0.5 mm；主流道始端直径4.5 mm，锥度2°；采用U型分流道，底部半径6 mm，高度6 mm，如图4(c)、(d)所示。

3　注塑成型CAE分析结果与比较

3.1充填时间

如图5所示，方案一耗时1.143 s，方案二耗时1.073 s，方案三整个充填过程完成耗时1.537s 。

图5　充填时间

3.2熔接痕

熔接痕是充填过程中两股相向或平行的熔体前沿相遇形成的缺陷，它不仅影响制品的外观质量，而且导致表面裂纹、力学性能下降等[8]。制品上应该避免或减少熔接痕的存在。

由图6中熔接痕分布的位置，可以看出熔接痕多出现在制品型腔的孔周边以及壁厚较厚的位置。方案一中熔接痕共有18处；方案二中共有16处熔接痕，最大两处出现在塑件中心；方案三中大小熔接痕共有14处，最大的两处出现在两个浇口之间的中心附近。

图6　熔接痕分布

3.3翘曲分析

注塑制品翘曲变形是指注塑制品的形状偏离了模具型腔的形状，它是塑料制品常见的缺陷之一。如图7所示，方案一中变形范围为0.000 5 mm～0.352 0 mm；方案二中最大翘曲量为0.293 3 mm；最小翘曲量为0.004 1 mm；方案三中翘曲变化量范围为0.007 3～0.267 6 mm。比较三个方案发现，方案一中塑件整体平面度高，局部出现较大翘曲变形；方案二在方案一的基础上，最大翘曲量有所降低；方案三中发生翘曲的区域相比较于方案一和方案二都有所减少，最大翘曲量最小。

综上所述，方案一和方案二的成型周期相较于方案三缩短了大约26%、30%的时间，但是在熔接痕、翘曲分析中表现不太理想；方案三中设计的浇口是注射模经常采用的浇口形式，其优点是便于加工、便于调整尺寸，以达到最佳的注射效果。最终，确定方案三作为注射模的浇注系统更为合理。

图7　翘曲变形

4　模具结构设计

4.1浇注系统方案与模具结构

将最终确定的浇注系统方案，通过UG软件进行具体设计并应用于注塑模中，如图8、9所示。浇注系统的开口设置在定模板上，而浇口的开口设置在动模板上，方便在塑件注塑成型过程完毕之后顶出。

图8　动模板及浇注系统开口放大图

图9 浇注系统整体图

4.2重要成型零部件

如图10所示，型腔部分采用侧向抽芯进行分型，因滑块长度较长，故采用斜拔块的方式进行侧向抽芯机构的设计。在模具开模中，借助斜拔块作为侧向抽芯的动力，在导滑槽导向下，带动滑块向外侧移动，以实现退出倒勾的目的。

如图11所示，推杆与斜滑块连接成一体，安装在型芯和动模板的斜方孔内，其另一端通过螺钉与滑座固定，推杆可以在推杆固定板限制下于滑座槽内滑动。开模时，推杆在滑座槽内滑动，迫使斜滑块沿导滑槽进行斜向运动，从而完成侧向抽芯动作，并辅助推出制品。

4.3模具装配

最后将零部件进行装配，如图12所示。

图12　模具定模与动模装配图

5　结束语

在对手机保护壳注塑模进行设计之前，运用Moldflow软件对设计出的3种不同浇注系统方案进行了注塑成型过程模拟。在经过冷却、充填、保压、翘曲分析之后，获得了CAE分析结果，并对比3种浇注系统方案在充填时间、熔接痕、翘曲变形上的优劣。结果发现方案一、方案二成型周期更短，但是在熔接痕、翘曲变形分析中表现不太理想；方案三熔接痕数量少且翘曲变形量最小，对比之下更能满足制品要求。因此，将方案三设计的浇注系统应用于注射模设计中更为合理，既提高了一次试模成功率，又节省了浇注时间。

参考文献：

[1]陈海丽.CAE技术在轿车保险杠浇口设计中的应用[J].轻工机械,2011,29(6):8-13

[2]郑兴夏,孟兵,黄军.基于CAE 分析的汽车后门手柄盖注射模设计[J].模具工业,2010,36(10):43-46

[3]宫纪明,李一平.基于CAE 技术的聚氨酯弹性体制品模浇口设计分析[J].宿州学院学报,2014,29(3):82-85

[4]刘玲,王晓晶.基于CAD/CAE的手机后盖注射模具优化设计[J].工程塑料应用,2011,39(12):78-80

[5]孙丽娟,刑东仕,黄专,等.Moldflow在注射模设计中的应用[J].模具工业,2010,36(3):41-45

[6]申长雨.注塑成型模拟及模具优化设计理论与方法[M].北京:科学出版社,2009:5-8

[7]洪慎章.实用注塑模设计与制造[M].北京:机械工业出版社,2010:76-80

[8]张克龙.基于Moldflow减轻或消除汽车储物盒熔接痕的解决方案[J].模具工业,2014,40(7):65-68

(责任编辑：汪材印)

作者简介：董坤(1990-)，江苏淮安人，硕士研究生，主要研究方向：注塑模具CAD/CAE、材料成型装备设计。

基金项目：国家特色专业建设点“机械设计制造及其自动化”(TS10310)。

收稿日期：2015-07-10

中图分类号：TG320.662

文献标识码：A

文章编号：1673-2006(2015)10-0096-04

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2015.10.026