基于cadcae技術(shù)的手機(jī)殼體注塑模具設(shè)計

基于cadcae技術(shù)的手機(jī)殼體注塑模具設(shè)計

傳統(tǒng)的注射模具設(shè)計主要依靠設(shè)計師的直覺和經(jīng)驗(yàn)，通過試模型驗(yàn)證設(shè)計的合理性。這通常需要反復(fù)測試和修復(fù)才能正式投入生產(chǎn)。這種生產(chǎn)方式不僅難以保證模具的質(zhì)量,并且模具設(shè)計與制造的周期長、成本高,嚴(yán)重制約了新產(chǎn)品的開發(fā)效率。在現(xiàn)代注塑模具設(shè)計技術(shù)中,CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用徹底克服了這一問題。本文利用功能強(qiáng)大的CAD軟件設(shè)計手機(jī)外殼模型和模具結(jié)構(gòu),利用CAE分析軟件作為一款模擬流動分析軟件,完成模具開發(fā)設(shè)計的這個流程,及時地避免注射成型中可能出現(xiàn)的缺陷,優(yōu)化制件成型的工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)注塑模具的無紙設(shè)計。1手機(jī)外殼的三維設(shè)計1.1手機(jī)外殼的三維實(shí)體模型的制作利用CATIAV5軟件對手機(jī)外殼進(jìn)行實(shí)體造型,設(shè)計的手機(jī)外殼模型如圖1所示。1.2模具結(jié)構(gòu)的確定由于手機(jī)外殼對模具的材料、精度等要求較高,在設(shè)計模具結(jié)構(gòu)時應(yīng)綜合分析各部件之間的結(jié)構(gòu)特征,從而能夠合理地確定模具的結(jié)構(gòu)。對于模架、頂出機(jī)構(gòu)等標(biāo)準(zhǔn)件可以直接從軟件數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出,設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。2卡e分析手機(jī)外殼產(chǎn)品2.1元模型的初始處理2.1.1網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格處理將構(gòu)建好的手機(jī)外殼三維實(shí)體模型,通過CADdoctor對建立的模型進(jìn)行修復(fù)和簡化,最后將手機(jī)外殼的三維模型以.STL的格式導(dǎo)入到MoldflowInsight中進(jìn)行CAE分析。由于制品為薄壁外殼,且厚度均勻,為了保證網(wǎng)格劃分的更合理,提高分析的精確性,故采用表面網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。首先采用默認(rèn)的邊長進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格統(tǒng)計信息顯示聯(lián)通區(qū)域?yàn)?,自由邊為0,相交單元為14,縱橫比范圍為1.168~1093363,匹配率為83.0%等信息。在雙域網(wǎng)格表面模型做翹曲或者冷卻分析時,縱橫比一般推薦范圍為15~50,匹配率不小于85%,計算能夠順利進(jìn)行且結(jié)果精度較高。因此,該模型的匹配率與網(wǎng)格縱橫比不符合要求,需進(jìn)一步調(diào)整。劃分的網(wǎng)格是不允許出現(xiàn)交叉和重疊的,利用“網(wǎng)格處理工具”中的“自動修補(bǔ)”命令,自動搜索并處理模型網(wǎng)格存在的交叉和重疊問題,同時可以改進(jìn)單元的縱橫比。經(jīng)過修復(fù)后相交單元為0,滿足要求。根據(jù)網(wǎng)格系統(tǒng)信息可以判斷,如果提高匹配率,最佳的方法就是修改網(wǎng)格邊長,網(wǎng)格平均邊長越小,網(wǎng)格精度越高,匹配率也越高。這里我們將網(wǎng)格邊長由3.42mm修改為3.00mm,匹配率升至為87.3%,滿足了保壓和翹曲分析要求,且三角網(wǎng)格的縱橫比也得到了明顯的下降,大大減少了網(wǎng)格處理的工作。塑件的網(wǎng)格模型如圖3所示。2.1.2abs+pc合成材料由于手機(jī)外殼在外觀和功能上的需要,制品應(yīng)具有變形量盡可能小,表面不出現(xiàn)收縮和剛性好等特點(diǎn)。這里選用INEOSABS公司生產(chǎn)的牌號為LustranABS5300的ABS+PC合成材料。查看成型工藝條件,模具表面溫度80℃(推薦60~85℃),熔體溫度260℃(推薦220~280℃),定出溫度95℃等。2.1.3確定最優(yōu)澆口位置為了保證塑料熔體在型腔內(nèi)合理的流動和填充,應(yīng)首先確定最佳澆口位置。利用Moldflow軟件提供的GateLocation功能,對制件進(jìn)行澆口位置分析。分析得到的最佳澆口位置結(jié)果如圖4所示。2.2熔接痕的初步分析檢查分析結(jié)果顯示(圖4所示),在澆口匹配性為1.000的時候,制件的中間位置數(shù)值達(dá)到0.92以上,而制件兩端的數(shù)值僅有0.2左右,所以最佳澆口位置選在中間數(shù)值高的區(qū)域。由于澆口位置及數(shù)量不同,熔體流動的長度、路徑和流動阻力是不相同的,因此根據(jù)制品外觀、技術(shù)和生產(chǎn)方式的要求,針對原制品的成型問題,按照前面分析得出的最佳澆口位置區(qū)域,初步選擇單澆口、雙澆口和四澆口等三種方案進(jìn)行對比分析,其澆口位置如圖5所示。經(jīng)過初步的流動模擬分析,方案一在注射過程中,由于塑料在型腔內(nèi)的流動性不佳,未等流至模穴末端填滿型腔就已經(jīng)冷卻固化從而發(fā)生短射現(xiàn)象。在熔接痕分析結(jié)果中(如圖6所示),方案三出現(xiàn)的熔接痕數(shù)量明顯的減少,但是熔接痕的長度卻增加,尤其是在制件中間部位,熔接痕特別的長,這大大消弱了制件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。由上述分析,選在方案二雙澆口注射。2.3型后生長過程的優(yōu)化翹曲變形是指注塑制品形狀偏離了型腔形狀,從而影響產(chǎn)品的尺寸精度和形狀精度。翹曲分析的目的是預(yù)測產(chǎn)品在成型后的翹曲程度、分析翹曲產(chǎn)生的原因,最后對其進(jìn)行優(yōu)化。引起翹曲變形的三種主要原因:1)流動取向?qū)е率湛s率的差異;2)型腔壓力差異導(dǎo)致沿流動方向收縮的差異;3)不均勻冷卻導(dǎo)致收縮的差異。Moldflow提供了翹曲(Warp)分析功能,能夠分析出各原因引起的變形量,從而為合理設(shè)計工藝條件和冷卻系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。2.3.1冷卻系統(tǒng)修正后的翹曲分析在首次分析時,選用系統(tǒng)默認(rèn)的條件進(jìn)行,其中模具表面溫度為80℃,熔體溫度為260℃,開模時間為5s,注射+保壓+冷卻時間為30s等。為了能夠更準(zhǔn)確的做出翹曲變形預(yù)測,我們選用Cool+Fill+Pack+Wrap分析序列進(jìn)行翹曲分析。由分析結(jié)果我們可以看出,在冷卻系統(tǒng)作用下,制品在填充結(jié)束時制品總體溫度為271.5℃,成型結(jié)束時制品最高溫度為44.17℃,這說明冷卻系統(tǒng)的效果明顯,不需要進(jìn)一步進(jìn)行修正。由于手機(jī)外殼底面需要與其他零件裝配,應(yīng)滿足配合公差及平面度要求,所以我們主要考慮各平面的翹曲變量,是否滿足制品的設(shè)計要求。查看翹曲變形結(jié)果,如圖7所示為比例因子為20時,制品在所有方向上的翹曲結(jié)果云圖,其中所有方向上的翹曲變量為0.323mm,不能滿足對制件精度要求。由圖5我們可以得出引起翹曲變形的主要分量在Y方向上,Y方向上的翹曲變量為0.6925mm。為了能過找出引起翹曲的具體原因,修改工藝條件選項。在設(shè)置工藝條件時,選中“Isolatecauseofwarpage(分離翹曲原因)”,再次進(jìn)行分析,得到各項因素產(chǎn)生的翹曲結(jié)果(如圖8所示)。分析結(jié)果表明,由于選用的材料不含有填充物,所以由分子取向差異引起的翹曲變形量為零如圖8a所示。由冷卻不均勻引起的翹曲變形如圖8b所示,翹曲變形量為0.004mm,這說明冷卻的比較均勻,不需要先對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。由收縮差異引起的翹曲變形如圖8c所示,翹曲變形量為0.3214mm,在Y方向上嚴(yán)重不對稱,這說明收縮差異影響制件翹曲變形的主要因素。綜合上述分析結(jié)果我們可以得出:影響制品翹曲變形的主要因素是收縮不均勻,針對這一原因我們可以通過改變保壓壓力和保壓時間來進(jìn)行優(yōu)化。2.3.2保壓時間和保壓壓力對的影響體積收縮過大主要因?yàn)樵诒弘A段,保壓壓力不夠大引起的,因此應(yīng)對保壓壓力和保壓時間進(jìn)行重新設(shè)定。一般來說,保壓壓力越大,制品體積收縮越小,但會導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力可能越大,從而使翹曲變形越大。保壓時間必須足夠長,以滿足澆口冷凝。為滿足上述條件,選擇兩段保壓的保壓方式,第一階段保壓壓力為90MPa,保壓時間為8s;第二階段保壓壓力為30MPa,保壓時間為4s。重新進(jìn)行分析,結(jié)果如圖9所示。通過云圖我們不難發(fā)現(xiàn),通過改變保壓壓力和保壓時間,制件的翹曲變形明顯的降低。再選中“分離翹曲原因”復(fù)選框,查看優(yōu)化后Y方向上的翹曲變形(如圖10所示),Y方向上的翹曲變量為0.2626mm,降低了38%,滿足產(chǎn)品要求。3模具開發(fā)工藝參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化CAD/CAE一體化技術(shù)的應(yīng)用能夠高效的完成手