Moldflow软件在手机外壳模具设计中的应用

’Moldflow软件在手机外壳模具设计中的应用

        塑料制品从设计到成型是一个十分复杂的过程, 它包括塑料制品设计、模具结构设计、模具加工制造和模塑生产等几个主要方面。它需要产品设计师、模具设计师、模具加工工艺师及熟练操作工人协同努力来完成, 这是一个设计、修改、再设计的反复迭代、不断优化的过程。目前大多数设计人员主要是依据自己的经验进行模具设计。

        但由于塑料制品的多样性、复杂性和设计人员经验的局限性，长期以来，工程技术人员很难精确地设计出一套可以减少成本、节省时间、提高产品质量及合格率的最佳工艺方案。

        目前，CAD/CAM在模具设计与制造中运用比较成熟，而要设计和制造出高质量模具，仅仅依靠CAD/CAM 是不够的，必须运用CAE技术，在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析，依据塑料性能，优化成型工艺参数和制品结构。本文通过介绍CAE分析软件的代表——MoldFlow及其应用实例,阐述了CAE软件在模具设计中的重要作用。

1 塑件工艺性分析
         图1所示为某种手机外壳塑件图，材料为PC/ABS (工程塑料合金)。该塑件表面为不规则曲面，选择从塑件的最大截面处（即塑件底面）分型。正确设计浇注系统、确定合理的注塑成型工艺条件是该模具设计的主要问题。

2 CAE分析
2.1 最佳浇口位置分析
        最佳浇口位置分析如图2所示。最佳浇口位置在塑件中部，与实际相吻合。考虑此塑件产量较大，本设计采用一模两腔布局。在CAE分析过程中，先采用一个型腔进行分析，再进行两个型腔的分析。

根据最佳浇口位置的分析，再考虑手机的外观要求，手机外壳内表面的最佳浇口位置先采用一个浇口进行分析。分析结果：填充时间（0.4380s）、熔体前沿温度(246.4℃)比较合适，但最大注射压力(77.78MPa)过高。

        为了降低最大注射压力，改用目前此类型手机外壳较常用的双点浇口进行分析。通过分析，采用双浇口填充，其填充时间（0.4425s）变化不大，熔体前沿温度(246.8℃)略有上升，但其最大注射压力(54.33MPa)却有了很大的下降，这在实际生产中具有重要意义，大大降低了生产成本。考虑产品外观要求，现采用一模两腔双点浇口的成型方案。

2.2 填充分析
        填充分析主要计算出从注射开始到模腔被填满整个过程中的流动前沿位置。该分析用来预测制件、塑料材料以及相关工艺参数设置下的填充行为。填充分析结果主要用于查看制件的填充行为是否合理，填充是否平衡，能否完成对制件的完全填充等。用户可以根据动态的填充结果来查看填充阶段的熔体流动行为，判断填充流动行为是否合理。

        现取主流道大端直径5mm，锥度为3°，长度为30mm；分流道大端直径4mm，长度为30mm；浇口直径为0.8mm。其填充时间和最大注射压力分析结果如图3所示。

        从图3可以看出，采用一模两腔双点浇口的成型方案，在填充分析时，其填充时间为0.6064s，可以接受。最大注射压力为97.41MPa，基本符合要求。

        图4为填充状态数据表，由图4可以明显地看出，在0.19s左右时注射压力有突变（见图4划线处），这将导致注射机的振动，可能造成注射机损坏。造成压力突变的原因可能是浇口直径和流道直径过小，再改进设计，将主流道大端直径变为7mm，分流道大端直径变为6mm，浇口直径变为1mm，其他尺寸不变。改进设计后的分析结果如图5所示。从新的分析结果可以看到，最大注射压力(79.35MPa)和注射压力的突变有了明显的改善，并且在流道上损失的压力也大大下降了。


2.3 冷却-流动-翘曲分析
        冷却分析用来分析模具补偿损失热传递。冷却分析参数主要包含塑件和模具的温度、冷却时间等。通过冷却分析结果判断制件冷却效果的优劣，根据冷却效果计算出所需的冷却时间，确定成型周期。在获得均匀冷却的基础上优化冷却管道布局，尽量缩短冷却时间，从而缩短单个塑件的成型周期，提高生产率，降低生产成本。

       流动分析用于预测热塑性高聚物在模具内的流动。流动分析的目的是为了获得最佳保压阶段设置，从而尽可能地降低由保压引起的塑件收缩、翘曲等质量缺陷。翘曲分析是基于前面的冷却分析过程，对塑件成型后可能出现的变形以及形状尺寸等偏差进行分析，便于对成型过程加以改进。

        本文建立了冷却水道，其分析工艺条件采用默认值，即模温55℃、熔体温度245℃、开模时间5s、注射保压冷却时间总和为30s，填充控制、速度/压力控制转换为自动控制，保压控制为填充压力与时间关系采用默认值。先采用上下各两条冷却通道进行分析。

        一般来说，冷却水的进口温度和出口温度的温差不超过2℃。如果温差过大，会使模具的温度分布不均匀，特别是对流动距离很长的大型塑件，随着物料的流动，料温越来越低。通过分析，采用此方案，冷却水的进口温度和出口温度的温差只有0.10℃，完全满足设计要求。冷却管道的温差越小，说明冷却的效果越好。采用此方案，冷却管道的温差只有1.56℃，冷却效果明显。

        当冷却结束以后，塑件最高温度应该低于设定的塑件顶出温度。在过程参数设置中，顶出温度设置为100℃，从采用此方案的分析结果可以看出，其最高温度仅为36.46℃，且跨度仅为7℃左右，完全符合要求。当然，这是在参数设置中，取默认注射保压冷却时间总和为30s时所取得的结果，实际上还可以缩短这个时间，以提高生产效率。该时间可以通过观察冷凝层因子来确定。通过软件的“制件冷凝时间（Frozen layer fraction）”选项，可知其冷凝时间为3.159s。同时可知在4.409s的时候，浇口就已经完全凝固了，也就是说，此时保压可以结束了。在14.85s的时候，塑件已完全凝固，流道余料大部分也已经冷凝。一般来说，当塑件80％冷凝、流道60％冷凝时，就可以开模，将塑件顶出。所以，可以将保压时间设为5s，注射保压冷却时间总和设为15s。

        塑件的翘曲变形一般是由冷却不均匀、收缩、分子取向等因素引起的。通过软件的翘曲分析选项可知，翘曲的最大值为0.334mm。其中由冷却引起的翘曲其最大值仅为0.0109mm，不是发生翘曲的主要原因；由收缩引起的翘曲其最大值为0.3327mm，因此，收缩是引起该翘曲的主要原因。由于选用的材料不含填充物，因此，由分子取向引起的翘曲为零。

         从以上的分析可以看出，熔体前沿温度、冷却水温度差、制件最高温度等都符合要求，要解决的问题就是翘曲问题。这里将通过修改冷却系统和调整成型工艺条件的方法来解决翘曲问题。制件是整个包裹在凸模上的，因此凸模上的热量比凹模上的热量难于传递出去，这将引起冷却不均匀。因此可通过在凸模上增加冷却管道来加强散热。引起收缩的主要原因是保压压力过低，因此可对保压压力的设置进行优化，在工艺条件设置的第二页面中，将Pack/Holding Control选为Pack Pressure vs. Time。保压曲线设置如图6所示,保压5s，恒定压力为注射压力的90％，然后在10s内线性减小为零。

        重新进行冷却-流动-翘曲分析,得到如图7所示的翘曲分析结果。通过增加冷却管道和优化保压曲线，由收缩引起的翘曲明显减小，如图7(b)所示。总体上由收缩引起的翘曲由0.3327降低为0.2734。通过以上分析，可以最终确定成型方案：

（1）浇口类型为双点浇口，由此而采用二次分型的三板式结构；

（2）冷却管道为7条，在凹模上设置3条，凸模上设置4条，管径为10mm，中心距型腔表面15mm；

（3）冷却水温度为常温2 5℃，雷诺数为10 000，流速为5L/min；

（4）模温为55℃、熔体温度为245℃、开模时间5s、注射保压冷却时间总和为15s，填充控制、速度/压力控制转换为自动控制，保压控制为填充压力与时间关系，保持5s，恒定压力为注射压力的90％，然后在10s内线性减小为零。

        将Moldflow分析结果与实际生产中通过试模所得的方案相对比，成型工艺参数大体相同，证实了Moldflow在模具生产中的实用性，它可以减少试模次数，缩短生产周期，从而降低生产成本，提高生产效率。