姚明鏡，唐 璇，吳維喬，程精濤

(1. 成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614000；2. 核工業(yè)西南物理研究院，四川 成都 610225)

0 引言

注塑產(chǎn)品開發(fā)總體上涵蓋了兩個階段，即設(shè)計研制開發(fā)階段和生產(chǎn)階段。由于材料的注塑和成型過程復(fù)雜，單靠設(shè)計開發(fā)人員的經(jīng)驗很難一次性得到模具加工所需要的精確的加工參數(shù)、制模所需的材料以及最有利于生產(chǎn)加工的工藝方案[1-2]?，F(xiàn)代塑料工業(yè)發(fā)展需要對多種影響因素綜合考慮，快速給出正確的生產(chǎn)加工方法[3]，本文通過Moldflow軟件分析了手機(jī)殼注塑過程不同澆口數(shù)量下的填充時間、壓力分布、熔接線分布、體積收縮率及翹曲變形等情況。

1 注塑件分析

圖1為某型號手機(jī)注塑外殼圖，其尺寸為134 mm×67 mm×8.35 mm，壁厚0.85 mm。該類注塑產(chǎn)品對于精度及外殼表面粗糙度的控制要求相對較高。該制件薄而大，為保證其不會因模溫因素產(chǎn)生翹曲、變形等問題從而影響制件的裝配使用性能，必須均勻冷卻[4]。因為要保證其外殼背面的光潔要求，故澆口位置只能設(shè)計在正面。手機(jī)外殼進(jìn)行注塑成型的主要原材料應(yīng)盡量采用高溫?zé)崴苄圆牧希垡蚁┎牧蠈Νh(huán)境比較敏感，耐老化性相對較差，而ABS材料有極好的沖擊強(qiáng)度，成型加工性能較好，故采用ABS材料作為原材料。

2 成型工藝分析

2.1 網(wǎng)格劃分

使用3D建模軟件UG來建立手機(jī)外殼的3D實體模型如圖1所示。

圖1 手機(jī)外殼網(wǎng)格劃分

將3D模型保存為STP格式并導(dǎo)入Moldflow Insight中。因為手機(jī)外殼壁厚相對較薄，且厚度比較均勻，故采用雙層面網(wǎng)格(fusion)劃分并將面網(wǎng)格轉(zhuǎn)成體網(wǎng)格，網(wǎng)格縱橫比最大為18.71，平均為1.91，符合模流分析的要求[5-6]，如圖2所示。

圖2 手機(jī)外殼網(wǎng)格劃分

2.2 成型工藝設(shè)置

由于選用ABS材料，故將模具的表面溫度設(shè)定為70℃，熔體溫度設(shè)定為260℃，開模時間設(shè)置為5 s，填充控制和注塑速度設(shè)置為自動，填充壓力設(shè)置為80%，保壓時間設(shè)置為10 s。

根據(jù)分析要求，使用Moldflow對所設(shè)計的手機(jī)外殼的最佳最優(yōu)澆口澆水位置及該區(qū)域情況進(jìn)行了分析，以便確定最優(yōu)澆口位置和數(shù)量。圖3為經(jīng)過Moldflow分析得到的澆口位置。

圖3 澆口位置分析

經(jīng)分析可知，在手機(jī)澆口的匹配度為1.00的情況下，手機(jī)外殼的中間位置數(shù)值應(yīng)能達(dá)到0.8以上，而其兩端的位置數(shù)值約為0.25，故手機(jī)外殼的最優(yōu)澆口位置在圖3中的中間區(qū)域。

3 模擬結(jié)果及分析

使用Moldflow對設(shè)置好的手機(jī)澆注方案進(jìn)行了填充、保壓和翹曲等綜合評價，以觀察在不同澆口尺寸和數(shù)量的條件下，各參數(shù)對手機(jī)外殼的整體外觀質(zhì)量及使用性能的影響，從而確定最優(yōu)參數(shù)[7-9]。

3.1 澆口數(shù)量對填充時間的影響

填充時間反映熔體在流動前沿上的擴(kuò)散速度，可以通過云圖來描述和解釋。3組方案模具型腔內(nèi)ABS塑料熔體的流動速度相等，手機(jī)外殼制件的注塑填充平衡[10]。圖4是在3組不同澆口數(shù)量方案下對手機(jī)外殼制件進(jìn)行模流分析后得到的填充時間分析結(jié)果。由圖4可知，單澆口熔體端部進(jìn)行補(bǔ)充型的持續(xù)時間大約為0.730 5 s；雙澆口熔體兩端進(jìn)行充填的持續(xù)時間為0.644 4 s；四澆口熔體的端部進(jìn)行充填的時間為0.681 2 s。

根據(jù)分析所得： 根據(jù)時間選擇雙澆口進(jìn)行填充，有3種方案，在3種方案下手機(jī)外殼的注塑成型基本都能達(dá)到填充平衡狀態(tài)。

(a) 單澆口填充時間

(b) 雙澆口填充時間

(c) 四澆口填充時間

3.2 澆口數(shù)量對壓力分布的影響

手機(jī)外殼在不同澆口數(shù)量下的充型壓力如圖5所示。由圖5可知，單澆口的充型壓力為0～105.9 MPa，主流道中部的壓力很大，澆口位置處的壓力較大，主流道偏小；雙澆口的充型壓力為0～131.8 MPa，流道中部壓力相對比較大，而在雙澆口的澆口位置處的壓力變化不大；四澆口時充模壓力為0～130.2 MPa，在澆道中間區(qū)域的壓力較大。

(a) 單澆口壓力變化

(b) 雙澆口壓力變化

(c) 四澆口壓力變化

由分析可知，使用雙澆口的注塑成型方案在充模時壓力相對較低，此時的壓力和收縮率的變化也相對較小，因此采用雙澆口注塑方案。

3.3 澆口數(shù)量對氣穴分布的影響

圖6為手機(jī)外殼在不同的澆口數(shù)量下進(jìn)行注塑時氣穴分布的模擬結(jié)果。位于手機(jī)塑件分型面的氣穴，氣體能夠正常排出，因此這種情況并沒有直接影響手機(jī)外殼的整體美觀和質(zhì)量[11]。而其他部位的氣穴，則是可以通過調(diào)整或者改變制件壁厚、澆口的位置及成型時的注射時間等手段進(jìn)行消除的。由圖6可知： 雙澆口產(chǎn)生的氣穴相較于單澆口和四澆口都要少一些。

(a) 單澆口時氣穴分布

(b) 雙澆口時氣穴分布

3.4 澆口數(shù)量對熔接線分布的影響

圖7所示為手機(jī)外殼在不同澆口數(shù)量方案下進(jìn)行模流分析所得熔接線分布模擬結(jié)果。使用單個澆口的注塑方案進(jìn)行手機(jī)外殼的注塑成型時，所得制件出現(xiàn)的手機(jī)殼內(nèi)熔接線數(shù)最少，且多見于該區(qū)域的手機(jī)外殼內(nèi)側(cè)，基本上都不會直接影響到手機(jī)外殼的實際使用性能及外表面的質(zhì)量；使用雙澆口注塑方案所得手機(jī)外殼制件，其熔接線的數(shù)量和長度也都較少，而且也都發(fā)生在手機(jī)外殼的內(nèi)部和外表面；使用四澆口注塑方案所制得的手機(jī)外殼制件所出現(xiàn)的熔接線數(shù)量明顯增加，而且熔接線的長度也隨之增加，手機(jī)外殼制件中間部分的熔接線相較于其他區(qū)域特別長，極大地消弱了制件的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，不利于制件的成型質(zhì)量。

(a) 單澆口時熔接線分布

(b) 雙澆口時熔接線分布

(c) 四澆口時熔接線分布

由分析可知，采用單澆口或雙澆口注塑方案生產(chǎn)的手機(jī)外殼，更能充分地滿足人們對于手機(jī)外殼的實際使用性能及外觀品質(zhì)的要求。

3.5 澆口數(shù)量對體積收縮率的影響

當(dāng)塑料熔體在模具型腔中流動時，遇到冷的模壁，型腔內(nèi)的塑料熔體會因為急冷產(chǎn)生一定程度的冷卻收縮，因此一定要進(jìn)行保壓和保溫，用足夠的溫度和壓力來補(bǔ)償因手機(jī)外殼的收縮而出現(xiàn)的空隙。

圖8為一定保壓壓力和保溫時間下，手機(jī)外殼在不同澆口數(shù)量方案下體積收縮率的模擬結(jié)果。由圖8可知在不同澆口數(shù)量下手機(jī)外殼注塑制件的體積收縮率均較小，且過渡平穩(wěn)，收縮分布也較為均勻。

故使用不同澆口數(shù)量的注塑方案，對同一手機(jī)外殼的體積收縮率和收縮程度的影響很小。

(b) 雙澆口時體積收縮率

(c) 四澆口時體積收縮率

3.6 澆口數(shù)量對翹曲變形的影響

翹曲變形主要是由收縮不一致導(dǎo)致的，它將影響到塑件的質(zhì)量和精度[12]。圖9為在不同澆口數(shù)量下所得的手機(jī)外殼翹曲變形的模擬分析結(jié)果。由圖9可知，使用雙澆口注塑方案的手機(jī)外殼在澆注過程中的翹曲變形最小。

(a) 單澆口時翹曲變形

(b) 雙澆口時翹曲變形

(c) 四澆口時翹曲變形

4 結(jié)論

使用Moldflow軟件對手機(jī)外殼在不同澆口數(shù)量方案下的填充時間、壓力分布、氣穴分布、熔接線分布、體積收縮率及翹曲變形等情況進(jìn)行模流分析。通過分析可知： 使用單澆口注塑成型方案的注塑系統(tǒng)并沒有能夠完全滿足手機(jī)外殼的外觀品質(zhì)的要求，而使用四澆口方案的注塑系統(tǒng)所得制件，不能達(dá)到對其力學(xué)特性的要求。故而選擇雙澆口注塑方案，所得手機(jī)外殼制件效果最好。