馬瑞杰 王曉花

摘要：注塑成型是塑料加工的最主要方法之一。在實(shí)際生產(chǎn)中，會(huì)出現(xiàn)翹曲、短射和氣穴等缺陷，其中通過CAE模擬預(yù)測成型質(zhì)量已成為智能制造領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)。本文以某手機(jī)上殼為例，設(shè)計(jì)工藝參數(shù)井進(jìn)行CAE模擬，并驗(yàn)證了CAE模擬的可靠性。結(jié)果表明，注塑件表面無明顯的熔接痕、氣穴等注塑缺陷，翹曲變形是影響殼體件的主要因素，該模擬結(jié)果可作為后續(xù)優(yōu)化的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：注塑成型;CAE模擬;翹曲變形

一、網(wǎng)格劃分

本制件為殼體件，在注塑過程中，最容易出現(xiàn)翹曲變形。通常注塑件網(wǎng)格劃分方法有三種，有中性面網(wǎng)格（Midplane）、四面體網(wǎng)格（3D）以及雙層面網(wǎng)格（Dualplane）劃分。本制件厚度2mm，可采用雙層面網(wǎng)格劃分方法，經(jīng)過一系列前處理，得到圖1所示的有限元模型，該模型最大、最小縱橫比為分別為6.0和1.16，網(wǎng)格匹配率為87%，滿足翹曲變形分析條件。

二、成型質(zhì)量分析

模型建立后，對(duì)成型質(zhì)量進(jìn)行分析，探究可能出現(xiàn)的問題。表1為注塑工藝參數(shù)相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，用該數(shù)據(jù)進(jìn)行成形質(zhì)量分析。

充填時(shí)間和塑件厚度以及離澆口位置有關(guān)系，越薄充填時(shí)間越短，離澆口越遠(yuǎn)充填時(shí)間越長，從圖2中的充填時(shí)間分析結(jié)果可知，LCD框附近最后充填，可能會(huì)造成型腔壓力不平衡，可能產(chǎn)生翹曲等缺陷;圖3顯示，熔體前沿溫差為4.1℃，較均勻，但四個(gè)角與其它地方顏色差別較大，可能引起翹曲變形等缺陷;圖4的熔合線分析結(jié)果顯示，多數(shù)熔接痕在流動(dòng)前沿溫度較高處，此處熔接痕會(huì)消失或有所改善;圖5中的粉色小點(diǎn)就是氣穴，基本分布在螺絲柱或加強(qiáng)筋頂端，可及時(shí)排除，對(duì)塑件無多大影響;圖6中入口處冷卻液溫度為溫度22.01℃，出口處為22.44℃，溫差為0.43℃，冷卻液溫差較小，且滿足要求，防止冷卻不均導(dǎo)致的缺陷;圖7中，管壁溫差為2.46℃，可見澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為合理。

圖8為總的翹曲變形分析結(jié)果，由圖可知，翹曲變形較嚴(yán)重的地方在手機(jī)殼上下兩端處，變形量最大值達(dá)到0.8629mm，會(huì)影響到上下殼的裝配，其它地方翹曲值較小，且基本對(duì)稱分布。

三、翹曲變形原因分析

翹曲變形是主要缺陷，因此需對(duì)翹曲變形原因進(jìn)行分析。圖9分析了不同因素引起的翹曲變形在模腔中的分布情況，圖9a）中角效應(yīng)引起的翹曲變形最大值為0.1668mm，大部分分布在圓孔附近和拐角處;圖9b）中由冷卻不均引起的翹曲變形最大值為0.0138，集中在澆口附近及拐角處，說明冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較合理;圖9c）是取向效應(yīng)引起的翹曲值，幾乎為0，這說明該材料纖維取向較均勻;圖9d）中收縮不均導(dǎo)致的翹曲變形最大值為0.7401mm，基本對(duì)稱分布，集中在上下兩端。

由以上分析結(jié)果可知，該手機(jī)殼翹曲變形較大，影響產(chǎn)品最終結(jié)果。為減小翹曲變形，可以修改材料、模具，優(yōu)化工藝參數(shù)，綜合考慮，優(yōu)化工藝參數(shù)既簡便又經(jīng)濟(jì)。影響翹曲變形的工藝參數(shù)包括熔體溫度、保壓壓力、注射時(shí)間、模具溫度和保壓時(shí)間等。后續(xù)可著重優(yōu)化工藝參數(shù)，以便降低翹曲變形量。

四、數(shù)值模擬的可靠性驗(yàn)證

設(shè)計(jì)工藝參數(shù)時(shí)，通過經(jīng)驗(yàn)取得熔體溫度、模具溫度、以及保壓壓力等數(shù)據(jù)，而鎖模力、剪切速率及注射時(shí)間是通過計(jì)算得到的。需驗(yàn)證CAE模擬之可靠性，選擇鎖模力、二級(jí)分流道的剪切速率以及注射時(shí)間等數(shù)值模擬值為參考，與相應(yīng)的設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，得出相對(duì)誤差，判斷相對(duì)誤差大小以驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性。通常，栢對(duì)誤差大小若在5%左右，說明模型可靠。

通過表2可以看出，鎖模力、二級(jí)分流道剪切速率及注射時(shí)間的模擬值與計(jì)算值之間的相對(duì)誤差范圍為5%-8%，設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)驗(yàn)值的選擇誤差不可避免。表2中相對(duì)誤差值較小，則說明本研究數(shù)值模擬可靠，可用于后續(xù)優(yōu)化。

五、結(jié)論

本文首先對(duì)某手機(jī)上殼進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，并通過CAE分析初步檢驗(yàn)工藝參數(shù)、澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。除了翹曲變形較為嚴(yán)重，其它模擬結(jié)果相對(duì)較好，滿足設(shè)計(jì)要求。為驗(yàn)證CAE模擬的可靠性，將相關(guān)設(shè)計(jì)工藝參數(shù)值與模擬值進(jìn)行誤差分析，誤差在允許范圍內(nèi)，說明CAE模擬結(jié)果可靠。對(duì)精度要求較高的制件，需作進(jìn)一步優(yōu)化，為考慮成本等因素，可優(yōu)化工藝參數(shù)。