基于筆記本上邊框的Moldflow分析與應用

師中華，胥光申

（西安工程大學 機電工程學院，陜西 西安710048）

0 引 言

傳統注射模設計主要依靠設計人員的直覺和經驗，模具設計加工完后往往需要經過反復地調試與修正才能正式投入生產.為解決上述問題，不僅要重新調整工藝參數，甚至要修改塑料制品和模具，這種生產方式降低了新產品的開發速度.而利用現代CAE技術及Moldflow軟件，在模具加工之前，在計算機上對整個注塑成形進行充填、保壓、冷卻、翹曲、纖維取向、結構應力、收縮以及氣輔成形等流動模擬分析，找出可能出現的缺陷，提高一次試模的成功率，降低了生產成本，縮短了生產周期［1－2］.

筆記本電腦上邊框塑件尺寸約為300mm×200mm，平均厚度約為0.85mm，最大厚度為2.3mm，屬于中型模具.模具的結構較為復雜，四周都有滑塊，底部有倒勾特性，模具需要采用斜頂結構.而且筆記本電腦上邊框屬于日常電子產品，對表面外觀要求較高.其本身又是筆記本電腦的重要部件，有精準的尺寸和定位裝配要求，故要求塑件脫模后不能產生翹曲變形.筆記本電腦上邊框塑件產品對強度也有要求，要滿足人們在各種情況下的使用.本文利用Moldflow對筆記本上邊框注塑件不同方案的澆注系統進行流動模擬分析，預測可能存在的氣穴位置和熔接線位置，確定較好的澆注系統.然后優化分析模具方案的冷卻系統，進而確定模具的最佳設計方案.

1 模型建立與模擬分析

1.1 模型建立

利用UG6.0軟件中的三維建模功能，如草圖繪制、拉伸凸臺、拉伸切除、圓角等，建立筆記本上邊框的三維實體模型，實體模型如圖1所示.從圖1可以看出，將實體模型轉化為IGES格式導入到Moldflow軟件中，選擇雙層面網格，設置全局網格邊長為3mm，點擊立即劃分網格，完成網格劃分后要統計網格劃分的品質，經過修復網格后得到如圖2的結果.

圖1 實體模型

圖2 劃分網格有限元模型

1.2 模擬分析方案

4種不同的模擬分析方案的建立如圖3所示.從圖3可以看出，方案（a）冷流道系統（Ⅰ），其塑料熔體從中間流下來，然后轉到筆記本上邊框的兩長邊中點位置；方案（b）冷流道系統（Ⅱ），澆注方式與之不同，塑料熔體從中間流下來，然后轉到筆記本上邊框的兩短邊中點位置；方案（c）也采用冷流道系統（Ⅲ），澆注方式為塑料熔體從中間流下來，然后轉到筆記本上邊框的四邊中點位置；方案（d）熱流道系統，塑料熔體分別從對角邊的1／3和2／3處流下來，然后分別轉到筆記本上邊框的長、短邊的兩中點位置.

圖3 不同的模擬分析方案

1.3 比較分析結果

1.3.1 充填時間 充填階段是指熔體進入模具型腔開始，直到模具型腔內被熔體充填滿時就完成了充填［3］.該制件不同充填時間分析結果如圖4所示.方案（a）能夠較好的完成熔體充填，充填時間為0.540 6s，根據Moldflow軟件提供的結果查詢功能測量出被模擬塑件上各點結果狀態，用此功能得出筆記本上邊框距澆口最遠端的型腔充填時間差為0.036 7s，約占充填時間的6.79%，充填較為不平衡；方案（b）充填不夠充分，充填時間為0.621 0s，距澆口最遠端的型腔充填時間差為0.049 7s，約占充填時間的8%，充填較為不平衡；方案（c）充填完成較好，充填時間為0.654 1s，距澆口最遠端的型腔充填時間差為0.011 2s，約占充填時間的1.7%，充填較為平衡；方案（d）充填完全，充填時間為0.710 8s，距澆口最遠端的型腔充填時間差為0.008 2s，約占充填時間的0.87%，充填較為平衡.所以方案（c）、方案（d）較好.

1.3.2 氣穴 氣穴是熔體前沿匯聚在注塑件內部或者模腔表面形成的氣泡.在制件表面形成瑕疵，嚴重影響制件的表面質量，甚至影響制件的強度及使用性［4］.嚴格來說，氣穴是無法完全消除的，只能采取各種措施來改善氣穴缺陷，把氣穴缺陷控制在良品范圍之內.Moldflow軟件提供的氣穴結果用線勾表示，在圖中用圈表示.該制件不同氣穴分析結果如圖5所示，方案（a）、方案（b）的氣穴分布數目相對較少；方案（c）、方案（d）的氣穴分布數目相對較多，但都分布在4個角的位置，由于此模具將采用四周滑塊的結構，4個角的位置是滑塊結合處，氣穴容易排出，故對制件的影響不大.

1.3.3 熔接線 熔接線是產品在注塑成型的過程中由兩股或多股熔融的樹脂流相匯所產生的細線狀缺陷.熔接線的存在極大地削弱了制件的機械強度［5］.該制件不同熔接線分析結果如圖6所示，方案（a）熔接線數目較多，分布廣，長度較短；方案（b）熔接線數目較多，集中在兩長邊中間位置，影響制件的強度.方案（c）、方案（d）熔接線集中在4個角落位置，對制件影響不大.所以方案（a）、（c）、（d）較好.

圖4 不同的充填時間分析結果

圖5 不同氣穴分析結果

1.3.4 翹曲變形 翹曲變形是制件在注塑成型中，應力和收縮不均勻而產生的.脫模不良，冷卻不足，模具設計和工藝參數不佳等也使注塑件發生翹曲變形，它是常見的制件缺陷之一.對如筆記本、掌上電腦、扁薄手機等塑殼制件，翹曲變形程度已作為評定產品質量的重要指標之一，通常在設計階段通過模擬分析預測注塑件可能產生的翹曲原因，以便優化，減少產品的翹曲變形，達到產品設計的精度要求［6－8］.該制件不同翹曲變形分析結果如圖7所示，方案（a）變形在0.263 2mm～4.825mm之間；方案（b）變形在0.181 5mm～4.642mm之間；方案（c）變形在0.353 9mm～4.896mm 之間；方案（d）變形在0.325 7mm～4.786mm之間.由4種方案變形分析結果可以看出，最大變形都發生在4個角落位置，方案（a）、方案（d）變形較小，較均勻.

圖6 不同熔接線分析結果

圖7 不同的翹曲變形分析結果

2 建立優化冷卻系統方案

利用Moldflow對以上4種方案澆注系統進行充填時間、氣穴、熔接線、翹曲變形等分析結果比較，最后確定方案（d）為最佳方案，它充填完全，充填時間較短且充填平衡；氣穴分布位置易于排出，不影響制件表面質量；熔接線較少且在4個角落位置不會影響制件質量；變形小且均勻.

現優化分析方案（d）的冷卻系統，原冷卻系統如圖8所示，上、下模各有6根直徑為10mm的冷卻水流道，熱量主要集中在左上、左下角結構突變處，故決定在此位置各增加2根冷卻水流道，優化后的方案（d′）如圖9所示，上模有10根直徑為10mm的冷卻水流道，下模的冷卻水流道不變.

圖8 原方案（d）冷卻水流道

圖9 優化后方案（d′）冷卻水流道

比較優化后冷卻系統方案的分析結果.由于原方案（d）澆注系統不變，僅優化改變了冷卻系統，故充填時間、氣穴、熔接線基本不變.現將翹曲變形、回路冷卻水溫度的變化情況介紹如下.

如圖10所示，優化后方案（d′）的翹曲變形在0.329 4～4.666mm之間，與原來方案的翹曲變形在0.325 7～4.786mm之間相比，最大翹曲變形絕對值降低了0.12mm，相對值降低了2.57%.翹曲變形的降低得益于優化后的冷卻系統，回路冷卻液溫度變化量較小、較均勻.翹曲變形的降低能夠提高注塑件的質量、機械性能.

如圖11所示，方案（d）回路冷卻液溫度的變化范圍在25.00℃～26.08℃之間.如圖12所示，優化后方案（d′）回路冷卻液溫度的變化范圍在25.00℃～25.17℃之間，最高回路冷卻液溫度值絕對降低了0.91℃，相對值降低了3.62%.優化后方案（d′）回路冷卻液溫度的降低，變化范圍小、較均勻，能夠降低注塑件的翹曲變形，進而提高注塑件的質量、機械性能.

圖10 優化后方案（d′）變形分析結果

圖11 方案（d）回路冷卻液溫度

圖12 優化后方案（d′）回路冷卻液溫度

3 結 論

（1）以筆記本上邊框為例，利用現代CAE技術手段及Moldflow軟件，對不同方案的澆注系統進行流動模擬分析，預測可能存在的氣穴位置和熔接線位置，通過對比分析，來確定較好澆注系統的方案.

（2）優化分析熱流道的冷卻系統，進而確定模具的最佳設計方案，使其模具設計方案充填更為完全、平衡，解決了氣穴對產品表面瑕疵的影響，熔接線對產品強度的影響.

（3）對模具冷卻系統優化后，使其回路冷卻液溫度得到降低，而且變化范圍小、較均勻，能夠降低注塑件的翹曲變形，進而提高注塑件的質量、機械性能.

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