基于HSCAE的鼠標(biāo)中殼有限元翹曲分析

潘祖聰

（安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院　安徽合肥　231603）

基于HSCAE的鼠標(biāo)中殼有限元翹曲分析

潘祖聰

（安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院安徽合肥231603）

文章采用模具CAE分析技術(shù)解決鼠標(biāo)中殼的翹曲變形問題。利用華塑網(wǎng)格管理器軟件對(duì)鼠標(biāo)3D模型進(jìn)行了有限元模型的創(chuàng)建，建立了符合HSCAE軟件要求的三角形有限元網(wǎng)格；利用HSCAE軟件對(duì)鼠標(biāo)中殼的注塑成型過程進(jìn)行了澆口位置、型腔數(shù)量的確定，進(jìn)行了兩種冷卻水路設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)、對(duì)兩種方案進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)溫度、冷卻時(shí)間、厚向應(yīng)力的分析，預(yù)測(cè)了兩種方案對(duì)產(chǎn)品翹曲變形的影響；再優(yōu)化冷卻水路后，翹曲降低到正常范圍，解決了企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)困難。根據(jù)有限元分析報(bào)告的結(jié)果表明：合理改變冷卻水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以將翹曲變形減到最小。

HScae；注塑成型；模流分析；有限元分析；翹曲分析

某品牌鼠標(biāo)中殼在傳統(tǒng)的注塑成型過程中，發(fā)現(xiàn)有較大的翹曲變形，這給鼠標(biāo)生產(chǎn)企業(yè)帶來了技術(shù)難題。采用模具CAE分析技術(shù)可以在電腦上預(yù)先模擬翹曲變形情況，減少了試模的次數(shù)，使一次試模成功率提高了50%以上，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率,這正是模具生產(chǎn)企業(yè)所需求的[1]。近年來，隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，CAE技術(shù)發(fā)展更為迅猛,其借助于有限元數(shù)值計(jì)算方法，分析注塑模具型腔中塑料的流動(dòng)、保壓和冷卻過程，計(jì)算塑料制品和模具的應(yīng)力分布，預(yù)測(cè)塑料制品的翹曲變形，并由此分析工藝條件、冷卻參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)對(duì)制品質(zhì)量的影響，達(dá)到優(yōu)化制品和模具結(jié)構(gòu)、優(yōu)選成型工藝參數(shù)的目的[2]。應(yīng)用CAE技術(shù)從根本上改變了傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)和模具生產(chǎn)方式，有效的提高了模具設(shè)計(jì)企業(yè)生產(chǎn)效率。本文利用華中科技大學(xué)模具國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的軟件HSCAE對(duì)鼠標(biāo)中殼制品的翹曲變形進(jìn)行了模擬分析，分析制品由于冷卻水路設(shè)置不當(dāng)而造成的翹曲變形，并針對(duì)翹曲變形進(jìn)行水路結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到了較為合理的設(shè)計(jì)方案[3]。

一、鼠標(biāo)有限元模型的創(chuàng)建

該品牌鼠標(biāo)中殼的3D模型是利用PRO/E或UG軟件所設(shè)計(jì)，在進(jìn)行有限元分析之前，需要轉(zhuǎn)換為STL格式后，然后再導(dǎo)入到華塑網(wǎng)格管理器軟件中進(jìn)行網(wǎng)格的三角形劃分，在經(jīng)過網(wǎng)格評(píng)價(jià)和修復(fù)后，導(dǎo)出為HSCAE所識(shí)別的2dm格式。

打開HSCAE軟件后，導(dǎo)入2dm格式的有限元模型，設(shè)置正確的出模方向和動(dòng)定模板等必要參數(shù)后便可以進(jìn)行模擬分析。該品牌三鍵鼠標(biāo)基本形狀如圖1所示。圖2為經(jīng)過修復(fù)處理過后的2dm格式的三角形網(wǎng)格有限元模型。

圖1　鼠標(biāo)中殼3D模型　

圖2　鼠標(biāo)中殼有限元模型

二、模具型腔數(shù)量確定

如圖3所示，由于該制件位于整個(gè)鼠標(biāo)的中間位置，表面為非外觀面，且在外觀最高處有一處凹陷，將此處設(shè)置為最佳澆口位置，其位于制件最高點(diǎn)的凹陷處。澆口從該凹陷區(qū)域澆注后，可使塑料熔體均勻的充填到型腔內(nèi)部各區(qū)域，符合澆注系統(tǒng)平衡進(jìn)膠的規(guī)律，避免了由于澆口位置的不當(dāng)設(shè)置而造成的制品充填不滿等缺陷。如圖4所示，根據(jù)該鼠標(biāo)的生產(chǎn)數(shù)量、注塑機(jī)規(guī)格、產(chǎn)品幾何形狀特征、ABS注塑材料參數(shù)等,可以得出采用一模兩件的模具結(jié)構(gòu)較為適合。

圖3　最佳澆口位置　

圖4　一模兩件機(jī)構(gòu)收縮指數(shù)

三、冷卻方案設(shè)計(jì)

在充模設(shè)計(jì)分析完成之后，需要進(jìn)行冷卻水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)模具結(jié)構(gòu)，有兩種水路設(shè)計(jì)方案可供選擇。

（一）直通式水路。采用直通式水路設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工成本較低、安裝修復(fù)方便，但是模具冷卻不均勻，適用于成型面積較大、型腔較淺的塑料制品。如圖5所示，在動(dòng)定模板各設(shè)計(jì)4條直通式水路，通過對(duì)冷卻過程的模擬分析，可以得到型腔及制品的大致分布情況：穩(wěn)態(tài)溫度達(dá)到83℃左右，溫度較高，平均的模壁溫度達(dá)到50℃左右，溫度分布不均勻，由此將會(huì)產(chǎn)生較大的冷卻應(yīng)力，最終可能會(huì)導(dǎo)致鼠標(biāo)制品發(fā)生較大翹曲變形。如圖7所示，該冷卻方案中冷卻時(shí)間為7秒左右。

圖5　直通式水路

圖6　環(huán)繞式水路

（二）環(huán)繞式水路。如圖6所示，冷卻水路設(shè)計(jì)成環(huán)繞式，冷卻均勻，冷卻效果較好，穩(wěn)態(tài)溫度為77℃左右，比直通式降低了約6℃，冷卻時(shí)間也比直通式水路降低了2秒，模壁溫度為40℃左右，分布均勻。相比直通式水路設(shè)計(jì)，環(huán)繞式水路冷卻效果大為提高。如圖8所示，制件大部分表面冷卻時(shí)間均在5秒左右完成，效率提升較多，說明環(huán)繞式水路設(shè)計(jì)更為適合該模具結(jié)構(gòu)。

圖7　直通式水路冷卻時(shí)間　

圖8　環(huán)繞式水路冷卻時(shí)間

四、翹曲分析

厚向應(yīng)力是制品壁厚方向收縮導(dǎo)致翹曲的主要原因，較小的厚向應(yīng)力可以減少制品的收縮，較大的厚向應(yīng)力區(qū)域很可能會(huì)產(chǎn)生縮水缺陷。厚向應(yīng)力是制品壁厚方向上的應(yīng)力，一般來說，加大保壓壓力、均勻的壁厚設(shè)計(jì)、合理的冷卻水路設(shè)計(jì)是減小收縮、避免制品翹曲等缺陷的主要方法。圖9、10所示的是鼠標(biāo)中殼在直通式和環(huán)繞式水路冷卻之后的厚向應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)果，從圖中比較可以得知，直通式水路的厚向應(yīng)力比環(huán)繞式高了約1Mpa左右。

圖9　直通式水路厚向應(yīng)力場(chǎng)　

圖10　環(huán)繞式水路厚向應(yīng)力場(chǎng)

圖11　直通式水路翹曲結(jié)果　

圖12　環(huán)繞式水路翹曲結(jié)果

如圖11、12所示是鼠標(biāo)中殼制品翹曲預(yù)測(cè)結(jié)果。由圖可知直通式水路使制件的翹曲達(dá)到1.63mm，而優(yōu)化水路之后采用環(huán)繞式水路設(shè)計(jì)，制品翹曲值大大降低僅為優(yōu)化前的一半。翹曲變形結(jié)果顯示了鼠標(biāo)制品開模之后翹曲變形的形狀，變形數(shù)值是鼠標(biāo)制品變形后相對(duì)于原來制品的位移值。在翹曲結(jié)果中同時(shí)采用線框模型顯示制品的原始形狀，方便用戶作出直觀比較。修正翹曲變形缺陷就是要減小冷卻應(yīng)力數(shù)值和改善厚向應(yīng)力分布狀態(tài)，在設(shè)計(jì)過程中，要設(shè)計(jì)合理的冷卻水路，均勻冷卻使應(yīng)力沿著壁厚方向?qū)ΨQ分布[4]。

五、結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)鼠標(biāo)中殼3D模型的導(dǎo)入,使用HSCAE確定了模具澆口位置，通過充模和冷卻模擬過程分析，發(fā)現(xiàn)了存在的翹曲問題，針對(duì)翹曲變形較大的缺陷，優(yōu)化水路設(shè)計(jì)后降低了翹曲變形值。這對(duì)于提高鼠標(biāo)中殼制品的質(zhì)量，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)具有廣泛的意義[5]。

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[責(zé)任編輯鄭麗娟]

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綏化學(xué)院學(xué)報(bào)編輯部

TP391.7

A

2095-0438（2016）11-0151-03

2016-04-17

潘祖聰（1980-），男，安徽合肥人，安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向：模具CAD/CAE/CAM研究。

安徽省高?？蒲幸话沩?xiàng)目“模具設(shè)計(jì)與制造省級(jí)專業(yè)教學(xué)綜合改革試點(diǎn)”（2014zy113）。