基于CAE技術下雙色顯示器前殼注射模具的優化設計

高揚 劉秉承

摘要：在當前我國國民生活條件的有效改善下，人們也逐漸開始對消費產品的款式和性能提出了更高的要求。因此雙色注塑成型技術應運而生，其通過利用設置兩個單獨注射裝置的注射機，在噴嘴的作用下使得在模具型腔中可以形成單一塑件。眼下該技術已經在雙色液晶電視機前殼等其他產品制造領域中得到了廣泛使用，而為了能夠進一步實現塑件結構的優化并有效保障其質量水平，本文將選擇以液晶電視機雙色前殼作為主要研究對象，利用CAE技術嘗試對雙色顯示器前殼注射模具的優化設計進行簡要分析研究。

關鍵詞：CAE技術；雙色顯示器前殼；注射模具；優化設計

引言：

CAE技術即計算機輔助工程技術，就是一種通過有機組織各工程環節，實現相關信息的優化集成，使其產生并存在于工程整個生命周期。由于其可以利用計算機在短時間內高效精準地完成對復雜工程以及產品結構力學性能等分析處理，因此經常被用于產品結構性能的優化設計中。本文也將通過利用CAE技術，嘗試對液晶電視雙色顯示器前殼注射模具結構進行優化設計。

一、基于CAE技術下的工藝參數優化設計

（一）正交試驗設計

為了能夠有效實現對雙色顯示器前殼模具結構的優化設計，首先需要對注塑工藝參數進行相應優化。在此過程中，本文將直接選擇使用Moldflow分析軟件中的CAE功能，采用正交試驗的方式達到對注塑工藝參數進行優化的效果。在通常的注塑成型當中，模具與熔體溫度、注射和冷卻時間、保壓時間及其壓力等工藝參數均會在不同程度上影響著注塑成型效果[1]。因此在進行正交試驗設計的過程中，本文將選擇上述工藝參數作為實驗因素。通過充分結合材料推薦工藝圖，將模具與熔體溫度等參數分別設置五水平。在確定實驗當中任意兩個因素各水平搭配均會出現，且出現次數一致，實驗中出現各因素的各個不同水平的次數完全一致下，創建相應的正交實驗表。此次在對雙色顯示器前殼注射模具結構進行優化設計中總共進行了25次不同實驗，每次實驗工藝參數均不一致。如在1號實驗當中，首次注射時的模具表面溫度與熔體溫度分別為50℃和240℃，注射與冷卻時間分別為1s和20s，保壓時間及壓力分別為4s和60MPa。而在第二次注射時的模具表面溫度、熔體溫度等參數與首次注射時的工藝參數均完全一致。

（二）實驗數據處理

在對實驗數據進行處理的過程中，本文則選擇使用了極差分析法，如果用Kji表示對應著m水平下第j列因素的實驗指標總和，則利用其平均值便可以對j因素的最優水平組合進行準確判斷。假設Rj為j列因素對應極差，此時通過求解j列因素最大和最小指標綜合平均值之差即可，其計算公式為：

Rj可以對第j列因素水平在不斷變化下，實驗指標變動幅度進行準確反映。一般情況下，隨著Rj的不斷增加，表示其對應因素將會對實驗指標產生較大影響。而通過對Rj大小進行比較，即可對主要因素以及次要因素進行準確判定[2]。

（三）確定最佳參數

根據結果顯示，在外層縮痕指數方面，保壓時間對雙色塑件品質的影響最大，其次為熔體溫度和保壓壓力、冷卻與注射時間次之，模具溫度的影響最小。而在內層縮痕指數中，同樣為保壓時間對雙色塑件品質的影響最大，其次為熔體溫度和注射時間，模具溫度與保壓壓力次之，冷卻時間的影響最小。而在外層頂出時體積收縮率中，保壓時間對雙色塑件品質的影響最大，其次為熔體溫度和保壓壓力、冷卻與注射時間次之，模具溫度的影響最小。在內層頂出時體積收縮中，保壓時間對雙色塑件品質的影響最大，其次為熔體溫度和注射時間、冷卻時間與保壓壓力次之，模具溫度的影響最小。因此通過在此基礎上確定工藝參數組合，即注射時的模具表面溫度與熔體溫度分別為70℃和240℃，注射與冷卻時間分別為2s和60s，保壓時間及壓力分別為16s和100MPa。使得可以在有效減小外層縮痕指數以及頂出時體積收縮率的同時，內外層最大頂出體積收縮率分布完全相同，以有效幫助實現雙色顯示器前殼注射模具的結構優化。

二、基于CAE技術下雙色顯示器前殼注射模具結構優化設計

（一）設計方案

在使用CAE技術對雙色顯示器前殼注射模具結構進行優化設計的過程中，本文通過直接選擇使用Pro/ENEGINEER軟件系統自帶的Manufacturing/Mold Cavity模塊完成結構優化設計工作。在此過程中，首先需要使用Pro/ENEGINEER軟件當中的零件Part模塊創建雙色顯示器前殼注射模具優化結構模型，隨后通過利用Mold Cavity模塊對包括上下模型腔、滑塊結構等在內的模具構件進行優化設計，最后依照相關設計標準要求完成模具模架設計即可。

在雙色注塑模具結構當中，依照具體的雙色注塑成型工藝方式可以將其分為收縮模具型芯式雙色注射結構等各種不同的類型。本文則通過以型芯旋轉式雙色注射結構為例，在以往的結構設計中主要是通過在動模側放置頂出機構。而本文在開展結構設計優化時則選擇利用動模和定模倒裝結構，即在模具定模側處放置頂出機構，由油缸負責提供所需動力頂出塑件。在此過程中，首次注射成型塑件型腔為動模型芯和成型外層定模型芯，一旦成型之后開模通過定模板推動塑件，使之可以與定模型芯相互分離，并繼續留在動模型芯位置處。懸掛裝盤帶動動模型芯與首次成型的半成品進行180°旋轉，使之可以同成型內層定模型芯構成二次注射成型塑件型腔[3]。此時在成型后開模，并利用頂出機構頂出位于定模位置處的雙色塑件即可。

（二）組件設計

運行Pro/ENEGINEER軟件后，新建文件并選中制造與模具型腔選項，在保障未勾選缺省模板之后，選擇mns_mfd_mold模板。此時需要專門為模具建立一個文件夾dsjmb并將其保存至D盤中。而后選中菜單欄中的新建文件選項重新建立新文件夾，選中類型選項中的制造模塊，并在子類型欄中選中模具型腔模塊，將dsj作為其輸入名。在將使用缺省模板選項勾除后，于模板欄中選中公制模具設計模板并點擊確定案件。此時系統將會自動運行模具設計模塊，在菜單管理器中選中模具模型、裝配以及參考模型命令，以缺省位置在約束參照當中裝配參考模型即可。將收縮率設定為0.005，如果塑件制品總長不足50mm，則模具單邊長需要控制在20到25mm之間，此后隨著塑件制品總長每增加50mm，模具單邊長也需要在此基礎上再增加5到10mm。如果塑件制品總寬度不超過50mm，則模具單邊寬度同樣也需要控制在20到25mm之間，此后隨著塑件制品總長每增加50mm，模具單邊長也需要在此基礎上再增加5到10mm。如果塑件制品總高度不超過50mm，動模和定模高度則分別需要為1.3到2倍的塑件制品總高度以及1.5倍的塑件制品總高度。如果塑件制品總高度在50到100mm之間，則其動模和定模高度分別為塑件制品總高度的2倍和1.5倍。根據此次設計的雙色顯示器前殼外層尺寸，可知模具工件的長度、寬度和高度分別為450mm、350mm以及60mm。而后依照軟件系統中的功能選項，依次完成毛坯工件和分型面的創建、生成型腔與型芯之后自動完成裝配即可。

結束語：

本文通過利用帶有CAD技術功能的專業軟件，在采用正交實驗和極差分析法下對塑件的主次影響因素進行相應分析，以此為基礎確定了最優工藝參數組合。此后通過直接運用Pro/ENEGINEER軟件系統自帶的Manufacturing/Mold Cavity模塊高效、精準地完成了結構優化設計工作。但由于受到篇幅限制，本文并沒有對優化設計方案成效進行相應驗證，因此還需要在日后的研究中對此加以改進。

參考文獻：

[1]李學峰.塑料模設計及制造[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2]匡唐清，閻智，付偉.MP4 播放器雙色外殼的注塑模設計[J].中國塑料，2012，26（6）：117-122.

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