基于DFM的注塑零件設(shè)計與分析

牛文杰

NIU Wen-jie

（中國石油大學(xué)（華東） 機電工程學(xué)院，青島 266555）

0 引言

面向制造的設(shè)計技術(shù)(DFM，Design for Manufacturing)是一種面向產(chǎn)品制造的設(shè)計思想和方法。DFM方法在設(shè)計階段既綜合評估與制造有關(guān)的設(shè)備、工藝等因素，全面評價并及時改進產(chǎn)品的設(shè)計，從而得到可制造的最優(yōu)設(shè)計方案，為一次設(shè)計即能生產(chǎn)制造提供了可能，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時縮短了開發(fā)周期[1]。注塑產(chǎn)品在設(shè)計階段就必須考慮注塑工藝對塑料制件質(zhì)量的影響，所以將DFM技術(shù)引入到注塑產(chǎn)品的設(shè)計過程中對提高模具設(shè)計水平，減少試模修模的成本具有重要意義。

1 設(shè)計流程及體系框架

面向DFM的注塑件設(shè)計需要跨設(shè)計和制造環(huán)節(jié)的開發(fā)平臺的支持，CAD/CAE技術(shù)和集成技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為面向DFM的模具設(shè)計提供了技術(shù)支撐[2,3]。CAD軟件可以實現(xiàn)塑料制件基于尺寸和特征驅(qū)動的三維設(shè)計，方便了零部件的修改。CAE技術(shù)可以幫助工藝人員在產(chǎn)品造型階段對制件注塑工藝的可行性及存在的缺陷進行評估，設(shè)計人員可根據(jù)反饋信息及時修改和完善設(shè)計方案[4]。本文以具有良好數(shù)據(jù)接口的CAD軟件Solidworks和模流分析軟件Moldflow為軟件平臺構(gòu)建了基于DFM的塑料制件設(shè)計流程體系及框架，如圖1所示。

圖1 基于DFM的注塑件設(shè)計流程體系及框架

本文利用上述面向制造的注塑產(chǎn)品設(shè)計流程體系和框架，以某手機前面板制件為例，驗證了DFM方法在提高注塑模設(shè)計質(zhì)量和效率中的重要作用。

2 手機面板CAD模型

本文在solidwors軟件平臺下根據(jù)設(shè)計要求采用“TOP-DOWN”的設(shè)計方法，建立了如圖2所示的手機外殼前面板模型。Solidworks基于特征建模的方法和尺寸驅(qū)動功能為模型的設(shè)計和改進提供了便捷的手段。Solidworks軟件提供了模具設(shè)計工具，利用該工具可以方便的形成型腔、流道并進行分模操作。而且solidworks軟件采用了parosolid內(nèi)核，使其與其他軟件具有良好的接口和數(shù)據(jù)交換性能，在與其它軟件集成時更為方便和可靠。

模型構(gòu)建完成后，利用文件轉(zhuǎn)換接口保存為STL格式作為與模流分析軟件交換的中間文件。

圖2 手機前面板模型

3 注塑工藝分析

將模型中間文件導(dǎo)入Moldflow，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求設(shè)置為一模四腔，建立主澆口、主流道及分流道，采用了點澆口以保證制件的表面質(zhì)量。設(shè)置的流道及冷卻水道形式如圖3所示。

圖3 流道及冷卻水道設(shè)置

為節(jié)約分析時間，網(wǎng)格密度設(shè)為1-2.5倍壁厚，設(shè)置網(wǎng)格邊長2mm。對網(wǎng)格進行檢查與修正后得到的制件網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 制件網(wǎng)格模型

注塑材料選擇選取PC+ABS，注塑機的型號為XS-ZY-125，注塑工藝參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 注塑工藝參數(shù)

3.1 填充分析

填充分析用于檢查注塑過程中填充工藝是否合理，填充是否平衡，是否發(fā)生短射現(xiàn)象等。Moldflow提供了動態(tài)查看填充過程的功能，用戶可以方便的查看熔體隨時間在型腔內(nèi)填充的過程。圖5為充模過程分析結(jié)果，結(jié)果表明制件在0.5978s即完成填充，未發(fā)生短射現(xiàn)象，說明澆注系統(tǒng)的布置和參數(shù)的選擇是合理的。

圖5 填充過程分析

3.2 氣穴及熔接痕分析

由于氣穴和熔接痕對制件的表面質(zhì)量和強度有較大影響，所以在考慮注塑工藝時必須進行氣穴和熔接痕的分析。圖6、圖7分別是氣穴和熔接痕分析的結(jié)果。從分析結(jié)果上看，在前面板的連接部位及壁厚較大的聽筒位置有較多氣穴，而在鍵盤位置和聽筒位置熔接痕較多。氣穴可通過增加保壓壓力和開排氣孔方法消除，熔接痕可通過提高模溫更改澆口位置的方法消除。

圖6 氣穴分析

圖7 熔接痕分析

3.3 翹曲分析

翹曲分析可以評估制件成型后的收縮率和變形量，為冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和制件結(jié)構(gòu)的改進提供參照，翹曲分析結(jié)果如圖6所示。由分析結(jié)果可見，翹曲變形最大為0.5951 mm，發(fā)生在聽筒位置。由制件的結(jié)構(gòu)尺寸可知，翹曲的是由于該處厚度較大，熔體收縮時發(fā)生較大的收縮引起的。注塑壓力提高到170MP，保壓時間延長5s后仍有0.4962mm的收縮，所以需減小該處的壁厚，更改制件結(jié)構(gòu)。

圖8 翹曲分析

圖9 聽筒結(jié)構(gòu)改進

修改后的結(jié)構(gòu)如圖9所示，壁厚減薄至0.65mm，最大翹曲變形降至0.0641mm，取得了較好的效果。

4 結(jié)束語

注塑工藝對塑料產(chǎn)品的注射成型有較大影響，本文將面向制造的設(shè)計方法引入到塑料產(chǎn)品的設(shè)計過程，在設(shè)計階段既考慮產(chǎn)品注塑成型中結(jié)構(gòu)對塑件填充、翹曲以及氣穴、熔接痕的影響，并改進設(shè)計，消除工藝不合理結(jié)構(gòu)對塑件成型的影響，減少了試模、修模的成本，縮短了開發(fā)周期，取得了良好效果。

[1]宋紅文,夏季,劉繼光.基于DFM三維振動強化拋光裝置優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計,2005,22(4):33-35.

[2]王靜.基于CAE分析的塑料框架注塑模設(shè)計[J].塑料科技,2010,38(8):68-71.

[3]劉細(xì)芬,張帆.CAD/CAE技術(shù)在注射模設(shè)計中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用,2009,21(4):55-58.

[4]石從繼,黃海,基于CAD/CAM的電話筒模具設(shè)計與制造[J].制造業(yè)自動化,2010,32(9):95-97.