某手機殼注塑成型質量CAE分析

馬瑞杰 王曉花

摘要：注塑成型是塑料加工的最主要方法之一。在實際生產中，會出現翹曲、短射和氣穴等缺陷，其中通過CAE模擬預測成型質量已成為智能制造領域內研究的熱點。本文以某手機上殼為例，設計工藝參數井進行CAE模擬，并驗證了CAE模擬的可靠性。結果表明，注塑件表面無明顯的熔接痕、氣穴等注塑缺陷，翹曲變形是影響殼體件的主要因素，該模擬結果可作為后續優化的依據。

關鍵詞：注塑成型;CAE模擬;翹曲變形

一、網格劃分

本制件為殼體件，在注塑過程中，最容易出現翹曲變形。通常注塑件網格劃分方法有三種，有中性面網格（Midplane）、四面體網格（3D）以及雙層面網格（Dualplane）劃分。本制件厚度2mm，可采用雙層面網格劃分方法，經過一系列前處理，得到圖1所示的有限元模型，該模型最大、最小縱橫比為分別為6.0和1.16，網格匹配率為87%，滿足翹曲變形分析條件。

二、成型質量分析

模型建立后，對成型質量進行分析，探究可能出現的問題。表1為注塑工藝參數相關設計數據，用該數據進行成形質量分析。

充填時間和塑件厚度以及離澆口位置有關系，越薄充填時間越短，離澆口越遠充填時間越長，從圖2中的充填時間分析結果可知，LCD框附近最后充填，可能會造成型腔壓力不平衡，可能產生翹曲等缺陷;圖3顯示，熔體前沿溫差為4.1℃，較均勻，但四個角與其它地方顏色差別較大，可能引起翹曲變形等缺陷;圖4的熔合線分析結果顯示，多數熔接痕在流動前沿溫度較高處，此處熔接痕會消失或有所改善;圖5中的粉色小點就是氣穴，基本分布在螺絲柱或加強筋頂端，可及時排除，對塑件無多大影響;圖6中入口處冷卻液溫度為溫度22.01℃，出口處為22.44℃，溫差為0.43℃，冷卻液溫差較小，且滿足要求，防止冷卻不均導致的缺陷;圖7中，管壁溫差為2.46℃，可見澆注系統設計較為合理。

圖8為總的翹曲變形分析結果，由圖可知，翹曲變形較嚴重的地方在手機殼上下兩端處，變形量最大值達到0.8629mm，會影響到上下殼的裝配，其它地方翹曲值較小，且基本對稱分布。

三、翹曲變形原因分析

翹曲變形是主要缺陷，因此需對翹曲變形原因進行分析。圖9分析了不同因素引起的翹曲變形在模腔中的分布情況，圖9a）中角效應引起的翹曲變形最大值為0.1668mm，大部分分布在圓孔附近和拐角處;圖9b）中由冷卻不均引起的翹曲變形最大值為0.0138，集中在澆口附近及拐角處，說明冷卻系統的設計較合理;圖9c）是取向效應引起的翹曲值，幾乎為0，這說明該材料纖維取向較均勻;圖9d）中收縮不均導致的翹曲變形最大值為0.7401mm，基本對稱分布，集中在上下兩端。

由以上分析結果可知，該手機殼翹曲變形較大，影響產品最終結果。為減小翹曲變形，可以修改材料、模具，優化工藝參數，綜合考慮，優化工藝參數既簡便又經濟。影響翹曲變形的工藝參數包括熔體溫度、保壓壓力、注射時間、模具溫度和保壓時間等。后續可著重優化工藝參數，以便降低翹曲變形量。

四、數值模擬的可靠性驗證

設計工藝參數時，通過經驗取得熔體溫度、模具溫度、以及保壓壓力等數據，而鎖模力、剪切速率及注射時間是通過計算得到的。需驗證CAE模擬之可靠性，選擇鎖模力、二級分流道的剪切速率以及注射時間等數值模擬值為參考，與相應的設計值進行對比，得出相對誤差，判斷相對誤差大小以驗證數值模擬的可靠性。通常，栢對誤差大小若在5%左右，說明模型可靠。

通過表2可以看出，鎖模力、二級分流道剪切速率及注射時間的模擬值與計算值之間的相對誤差范圍為5%-8%，設計時經驗值的選擇誤差不可避免。表2中相對誤差值較小，則說明本研究數值模擬可靠，可用于后續優化。

五、結論

本文首先對某手機上殼進行工藝設計，并通過CAE分析初步檢驗工藝參數、澆注系統及冷卻系統設計的合理性。除了翹曲變形較為嚴重，其它模擬結果相對較好，滿足設計要求。為驗證CAE模擬的可靠性，將相關設計工藝參數值與模擬值進行誤差分析，誤差在允許范圍內，說明CAE模擬結果可靠。對精度要求較高的制件，需作進一步優化，為考慮成本等因素，可優化工藝參數。