不同結構特征參數對顯示器后殼注塑質量的影響分析

汪鑫，劉泓濱，趙達峰

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學機電工程學院）

0 引言

隨著時代的發展，液晶顯示器在日常生活中的用途越來越多，人們對其性能和外觀要求也越來越高。液晶顯示器后殼基本是以塑料制品為主，以其質量輕、耐熱性高、表面光澤好等優點得到廣泛應用[1]。

翹曲變形是注塑件在注塑過程中極易出現的缺陷，對產品質量和使用壽命都有極大的影響。隨著CAE 技術的發展，廣大學者開始應用MoldFlow 軟件來對塑料件的注塑過程進行仿真分析，對工藝參數進行優化。目前大多數對翹曲優化的研究多集中在工藝參數[2-3]；王金榮[4]等對洗衣機波輪蓋的注塑成型過程中的澆口位置及澆注系統、冷卻系統進行設計和優化；楊鴻[5]基于MoldFlow 分析軟件對無人機上蓋塑料產品進行模流分析，優化了注塑工藝參數；厲邵[6]等對3D打印機的儀表罩殼注塑過程中的冷卻系統機型分析優化。

任何一個工藝參數組合都建立在一個好的模型設計基礎上，好的模具設計可以更容易地找到一個合適的工藝參數組合，從而取得良好的翹曲變形表現。成薇[7]等采用局部有限元分析方法，對汽車副儀表板上體變形問題進行研究，局部改變加強筋來抑制變形；朱興建[8]等對汽車內飾件化妝鏡蓋板進行研究，從產品結構、模具角度提出優化方法。

本文以生活中常見的電腦用液晶顯示器后殼作為研究對象，以MoldFlow 軟件作為分析工具，對顯示器后殼進行模擬注塑成型過程，利用控制變量法，保持注射工藝不變，改變模型的結構特征，進行翹曲結果分析。整體分析，為顯示器的實際加工提供理論支持。

1 基于特征的顯示器殼體幾何模型的建立

用SoildWorks 軟件建立的顯示器后殼三維模型，壁厚均勻，包含了按鍵、底座連接口、線連接孔、散熱器等結構特征，如圖1 所示。

圖1 顯示器后殼模型圖Fig.1 Display rear shell model diagram

為研究顯示器尺寸和底座連接孔對注塑顯示器后殼翹曲變形的影響，本文首先建立不同尺寸和底座連接口，但按鍵、線連接口等特征都相同的顯示器后殼模型，具體的顯示器后殼幾何參數如表1 所示。

表 1 不同顯示器尺寸和底座連接口的后殼模型參數Tab.1 Back shell model parameters of different display sizes and base connections

表1中，“5圓形”表示有5個圓形的按鍵；“圓形/方形”代表按鍵和底座連接的形狀為圓形或者四邊形。以表1 為依據，模型參數尺寸為6 種，底座連接口為兩種形狀，其他特征在理想情況下完全一樣，基于此，本文共建立了不同尺寸特征和不同底座連接特征的12 個模型。

2 結構特征對翹曲變形的影響

2.1 工藝參數的設計

注塑成型過程中的工藝參數對注塑件的質量和性能有著很大的影響，為了能使結構特征對注塑件的翹曲變形量有個良好的分析環境，需要先進行一個工藝參數的設計。

2.1.1 正交試驗的設計

將試驗因素確定為模具溫度（A）、熔體溫度（B）、保壓時間（C）、保壓壓力（D）4 因素，此4 因素涉及到塑件成型過程中的溫度、時間、壓力。根據CAE 分析可選的工藝范圍如表2 所示，最終的正交系數確定為因素四水平。

表2 四因素四水平取值表Tab.2 Values of four factors and four levels

2.1.2 試驗結果及分析

對表2 中所描述的四因素四水平進行試驗，共得到16 組試驗數據見表3。

表3 正交試驗結果Tab.3 Orthogonal test results

對試驗結果數據進行極差分析可得表4。表4 即為各因素對翹曲變形量（mm）分析表。由表4 均值Ki 分析可得出最優工藝參數組合為A3B3C1D1，即：模具溫度：75 ℃；熔體溫度：250 ℃；保壓時間：8 s；保壓壓力：120 MPa。

表4 極差分析表Tab.4 Range analysis table

2.2 控制變量試驗的設計

目前研究顯示關于翹曲變形量影響最直接的是注塑過程中的工藝參數，但由于工藝參數中的溫度參數在實際加工中很難做到最理想的狀態，因此本文對注塑件的結構特征進行研究。基于此，設計了控制變量實驗。在控制變量實驗中，設定工藝參數均為上述最優的工藝參數組合，即：模具溫度：75 ℃；熔體溫度：250 ℃；保壓時間：8 s；保壓壓力：120 MPa。

對尺寸和底座連接口不同的顯示器后殼進行翹曲分析，得到翹曲變形量結果統計見表5。

表5 最大翹曲變量統計表Tab.5 Statistics of the maximum warpage variables

2.3 實驗數據的處理與分析

2.3.1 數據的圖形處理

將表5 最大翹曲變形量數據用origin9.1 軟件繪制出相應的尺寸和底座連接口特征與最大翹曲變形量之間的關系曲線如圖2 所示。

結合表5 和圖2 可知，當顯示器后殼其它結構特征相同時，在顯示器后殼尺寸由45.72 cm 增加到63.5cm 這個區間，底座連接處形狀為圓形和方形的兩個變化曲線都較為相似且有規律，都是隨著外殼尺寸的加大，先減小后增加,最后趨于平緩。分析底座連接口形狀為方形和圓形的兩條曲線，發現在尺寸較小的時候，圓形連接口所導致的最大翹曲變形量比方形小，且尺寸偏大之后兩者產生的最大翹曲變形量差不多。

圖2 兩因素引起的最大翹曲變形量曲線圖Fig.2 Curve of maximum warpage deformation caused by two factors

2.3.2 數學模型的構建

最小二乘法，即最小平方法，通過最小化誤差的平方和來求解實驗數據的最吻合函數表達式，是科研中常見的一種數學優化方法[9-10]。

利用MATLAB 中的polyfit 函數來對表5 中的數據進行最小二乘法擬合，從圖2 中得到后殼模型結構特征與翹曲變形量之間的數據曲線的特點，在擬合過程中本文采用分段式擬合的方法來提高擬合效果。先對底座連接口形狀為圓形的后殼模型，尺寸從48.26 cm 到53.34 cm 的數據進行擬合，將相關數據代入到擬合公式中得到表6。

表6 圓形底座連接口尺寸的翹曲數據Tab.6 Warpage data for round base size

本文根據polyfit 函數的借用格式，在命令窗口中輸入相關程序后得出多項式系數矩陣A1（A1為輸出值）：

最終擬合的二次多項式為

同理可得圓形底座連接口的模型尺寸從55.88 cm（22 英寸）到60.96 cm（24 英寸）的擬合函數為

整合分段函數得到底座連接口為圓形的顯示器后殼翹曲變形量隨尺寸從48.26 cm（19 英寸）到60.96 cm（24 英寸）區間的函數表達式為

同理得到底座連接口為方形的顯示器后殼最大翹曲變形量隨尺寸從從48.26 cm（19 英寸）到60.96 cm（24 英寸）區間的函數表達式為

從式（3）、式（4）得出，當顯示器后殼尺寸大于53.34 cm（21 英寸）時，不同連接口形狀的模具的翹曲表現差不多。

3 結論

（1）針對液晶顯示器后殼對質量和性能的要求，結合MoldFlow 軟件以及控制變量實驗法，得到顯示器后殼的尺寸和底座連接口對其翹曲變形量有不同程度的影響。

（2）結合數據曲線圖以及函數分析得，在最大翹曲變形量不影響產品功能的情況下，顯示器后殼尺寸小于53.34 cm（21 英寸）時，底座連接口為圓形時比方形時模具翹曲表現更好；尺寸大于53.34 cm（21 英寸）時，兩者的最大翹曲變形量差不多。