基于Moldflow的手機殼成形翹曲分析及優化設計*

張洪軍，梁曉雯，崔子怡，黎銳冬

（1.嶺南師范學院機電工程學院，廣東湛江 524048；2.粵西機電產品設計與制造工程技術研究中心，廣東湛江 524048）

0 引言

移動電話（下稱手機）作為當前社會的流行產品，不僅要有良好的性能和質量，而且要保持良好的外觀［1－2］。手機外殼材質的選擇從塑料材質發展到金屬材質，再到現如今鋁合金材質、玻璃材質和為數不多的陶瓷材質，可謂百花齊放，都有各自的特點［3］。但是各種材質在滿足不同用戶需求時都存在著不足。金屬外殼具有亮麗的外觀和超大聲的喇叭，但厚度較重，且手機后殼更易發生變形，容易掉漆。鋁合金材質，密度低，強度大，可塑性較強，但手機殼的厚度比較小，因此會有所減弱，從而造成手機易彎曲，也容易掉漆。使用玻璃材質的手機不易變形，硬度也更大，鏡面設計的手機后殼讓人看起來更加的美觀手感也更加順滑，鏡面玻璃設計的后殼看起來活靈活現，但表面容易出現劃痕，并且和陶瓷外殼一樣，具有加工工藝和天線設計復雜等問題［4－5］。

鑒于目前現狀，有些廠家重新采用塑料材質，仿金屬噴涂工藝，在保證機身輕盈的前提下，具有金屬的色澤［6］。塑料材質本身具有價格低廉的優點，因此目前仍然占據一定的市場份額。為了提高塑料材質的剛度和強度，采用高強度塑料作為手機殼的材料，同時提高注塑工藝，保證良好的外觀要求［7］。

翹曲變形是影響薄壁塑件產品質量的重要因素［8］，本文以某暢銷智能手機后殼為例，采用Moldflow軟件對塑件成形過程中翹曲變形進行了有限元分析，有效提高產品設計質量，縮短產品的開發周期，對企業生產實際具有較好的指導意義。

1 塑件分析

塑件尺寸為124 mm×58 mm ×7 mm （長×寬×高），壁厚為1.2 mm；底部和側邊有按鍵孔。內外表面要求光滑，沒有明顯的熔接痕和較大變形。選擇ABS＋PC材料組合，在增加塑件強度的同時，保持良好的流動性，容易成形。三維模型如圖1所示。

2 塑件模流分析前處理

2.1 模型的網格劃分

將建立的模型導入到Moldflow中，用Moldflow中網格劃分模塊對模型進行網格劃分［9］。手機外殼比較薄，因此選用Midplane（中層面）類型網格，采用三角形網格，總數10 000個，網格疏密感適宜為宜［10］。如圖2所示。

圖1 手機后殼三維模型圖

圖2 網格劃分圖

2.2 網格缺陷的診斷和修復

由于三維軟件的缺陷和格式轉換過程中的問題，可能使生成的網格質量很差，存在重疊、縱橫比較大、連通性差、網格交叉、自由邊較多等缺陷，這些缺陷嚴重影響到實體的完整性和分析的準確性、模擬過程的順利與否以及分析結果的準確性。因此，利用Moldflow中的網格診斷命令合并節點、交換共享邊、補孔等命令進行診斷，查找出網格存在的具體缺陷并修正到最佳狀態。如圖3所示，匹配比大于95%，滿足分析要求。

圖3 網格統計圖

2.3 澆口位置的確定

根據手機殼尺寸及模架的選擇，采用一模兩腔的結構進行分析，并且由于不影響美觀，進澆點不能設置在手機殼外表面，由此根據經驗將澆口設置在側表面，如圖4所示，并檢查其連通性。

圖4 連通性診斷圖

3 翹曲分析

翹曲變形是指塑件的形狀偏離模具型腔的形狀所規定的范圍，是塑件常見的缺陷之一。塑料件設計和生產中遇到最多和最難解決的問題就是翹曲變形。制品產生翹曲變形的主要原因有塑件的結構、塑料材質的性能、生產工藝以及模具結構等。對于薄壁塑件，其更易發生翹曲變形。

塑件的壁厚變化、幾何形狀、加強筋布置等因素都能造成塑件翹曲變形。手機殼體壁厚均勻，未布置加強筋，但是塑件高7 mm，具有彎曲的幾何結構，因此對角效應進行了分析；由于本設計中采用了PC＋ABS塑料材質，混合塑料的收縮率差異和纖維取向也是可能引起翹曲變形的重要因素；模具結構設計中的冷卻水路布置以及冷卻時間、保壓壓力等工藝參數也嚴重影響塑件質量，引起翹曲變形。

綜合以上分析，對收縮不均、冷卻不均、取向因素與角效應4個影響因素進行綜合分析，得出最大變形量，同時對單因素引起的翹曲變形進行對比分析，得出本設計中手機殼注塑成型過程中引起翹曲變形的主要影響因素，為模具結構設計和生產工藝參數的確定提供參考。

3.1 所有因素導致的變形

所有因素導致的變形是包含了收縮不均、冷卻不均、取向因素與角效應。如圖5所示（形變量擴大10倍），所有因素導致的變形為0.415 2 mm。滿足塑件質量要求，說明該手機殼塑件結構以及模具結構設計理論，初步設定的工藝參數合理可行。

圖5 所有因素導致的變形

3.2 冷卻不均導致的變形

冷卻水路設計不合理，產品得不到快速冷卻，會在制品脫模時產生10℃以上，容易產生翹曲。本設計中，冷卻管道的直徑d＝10 mm，冷卻水溫度為25℃，回路流動速率為4.234 L／min，入口雷諾數為10 000，冷卻時間為3 s。如圖6所示（形變量擴大10倍），冷卻不均導致的變形為0.036 1 mm，在變形中不是主要因素。說明在Moldflow前期分析中布置的冷卻水路布置合理。

圖6 冷卻不均導致的變形

3.3 收縮不均導致的變形

如果塑件收縮均勻，那么成型件不會發生變形或翹曲，只是實際尺寸小于設計尺寸。收縮不均引起的翹曲被認為是一種塑件表面不符合產品設計的形狀的變形。塑件發生了翹曲也即是內部存在殘余內應力，使在塑件在不同結構位置收縮率不同。

如圖7所示（形變量擴大10倍），收縮不均導致的變形為0.406 0 mm，在變形中起主要因素。分析其原因是由于不同的收縮可以是分子和纖維排列不同、注塑件的溫度不同、填料差異或材料在穿過壁厚的固化過程中壓力不同等因素產生的。由于多種影響因素，要達到均勻的收縮非常困難。本設計中，綜合其他單因素分析的結果，綜合分析收縮不均導致翹曲變形的主要原因，由于熔料料溫偏高、注塑壓力偏高、保壓時間略長，從而引起收縮量大，形變量大。

圖7 收縮不均導致的變形

3.4 取向因素導致的變形

如圖8所示（形變量擴大10倍），取向因素導致的變形為3.638×10－9mm，在變形中不是主要因素。說明選擇的澆口數量、位置和產品的結構設計合理。

圖8 取向因素導致的變形

3.5 角效應導致的變形

如圖9所示（形變量擴大10倍），角效應導致的變形為0.059 7 mm，在變形中不是主要因素。說明在角落處布置的冷卻水路結構合理。

圖9 角效應導致的變形

4 結束語

為減小翹曲變形，可以采取更換塑件材質、修改模具結構，優化工藝參數等措施綜合考慮。本文基于Moldflow軟件，對采用ABS＋PC塑料材質，一模兩腔結構的手機殼注塑過程產生的翹曲變形因素進行了有限元分析。結果表明，在形變量放大10倍的情況下，冷卻不均、收縮不均、取向因素與角效應產生的翹曲變形分別為0.036 1 mm、0.406 0 mm、3.638×10－9mm、0.059 7 mm，收縮不均為主要影響因素，總變形量0.415 2 mm符合設計要求。由此可知，本設計中材料選擇、澆注系統和模具冷卻結構設計合理，并未引起較大的翹曲變形，影響翹曲變形的主要原因為包括熔體溫度、注射壓力、注射時間、保壓壓力和保壓時間等工藝參數的設定。在后續生產中可著重優化工藝參數，以便進一步減小翹曲變形量。仿真結果為企業實際生產提供了參考，對于提高產品質量，縮短產品開發周期，具有較好的指導意義。