基于CAE技術(shù)下雙色顯示器前殼注射模具的優(yōu)化設(shè)計

高揚 劉秉承

摘要：在當(dāng)前我國國民生活條件的有效改善下，人們也逐漸開始對消費產(chǎn)品的款式和性能提出了更高的要求。因此雙色注塑成型技術(shù)應(yīng)運而生，其通過利用設(shè)置兩個單獨注射裝置的注射機，在噴嘴的作用下使得在模具型腔中可以形成單一塑件。眼下該技術(shù)已經(jīng)在雙色液晶電視機前殼等其他產(chǎn)品制造領(lǐng)域中得到了廣泛使用，而為了能夠進一步實現(xiàn)塑件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化并有效保障其質(zhì)量水平，本文將選擇以液晶電視機雙色前殼作為主要研究對象，利用CAE技術(shù)嘗試對雙色顯示器前殼注射模具的優(yōu)化設(shè)計進行簡要分析研究。

關(guān)鍵詞：CAE技術(shù)；雙色顯示器前殼；注射模具；優(yōu)化設(shè)計

引言：

CAE技術(shù)即計算機輔助工程技術(shù)，就是一種通過有機組織各工程環(huán)節(jié)，實現(xiàn)相關(guān)信息的優(yōu)化集成，使其產(chǎn)生并存在于工程整個生命周期。由于其可以利用計算機在短時間內(nèi)高效精準(zhǔn)地完成對復(fù)雜工程以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)力學(xué)性能等分析處理，因此經(jīng)常被用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計中。本文也將通過利用CAE技術(shù)，嘗試對液晶電視雙色顯示器前殼注射模具結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

一、基于CAE技術(shù)下的工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

（一）正交試驗設(shè)計

為了能夠有效實現(xiàn)對雙色顯示器前殼模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，首先需要對注塑工藝參數(shù)進行相應(yīng)優(yōu)化。在此過程中，本文將直接選擇使用Moldflow分析軟件中的CAE功能，采用正交試驗的方式達到對注塑工藝參數(shù)進行優(yōu)化的效果。在通常的注塑成型當(dāng)中，模具與熔體溫度、注射和冷卻時間、保壓時間及其壓力等工藝參數(shù)均會在不同程度上影響著注塑成型效果[1]。因此在進行正交試驗設(shè)計的過程中，本文將選擇上述工藝參數(shù)作為實驗因素。通過充分結(jié)合材料推薦工藝圖，將模具與熔體溫度等參數(shù)分別設(shè)置五水平。在確定實驗當(dāng)中任意兩個因素各水平搭配均會出現(xiàn)，且出現(xiàn)次數(shù)一致，實驗中出現(xiàn)各因素的各個不同水平的次數(shù)完全一致下，創(chuàng)建相應(yīng)的正交實驗表。此次在對雙色顯示器前殼注射模具結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計中總共進行了25次不同實驗，每次實驗工藝參數(shù)均不一致。如在1號實驗當(dāng)中，首次注射時的模具表面溫度與熔體溫度分別為50℃和240℃，注射與冷卻時間分別為1s和20s，保壓時間及壓力分別為4s和60MPa。而在第二次注射時的模具表面溫度、熔體溫度等參數(shù)與首次注射時的工藝參數(shù)均完全一致。

（二）實驗數(shù)據(jù)處理

在對實驗數(shù)據(jù)進行處理的過程中，本文則選擇使用了極差分析法，如果用Kji表示對應(yīng)著m水平下第j列因素的實驗指標(biāo)總和，則利用其平均值便可以對j因素的最優(yōu)水平組合進行準(zhǔn)確判斷。假設(shè)Rj為j列因素對應(yīng)極差，此時通過求解j列因素最大和最小指標(biāo)綜合平均值之差即可，其計算公式為：

Rj可以對第j列因素水平在不斷變化下，實驗指標(biāo)變動幅度進行準(zhǔn)確反映。一般情況下，隨著Rj的不斷增加，表示其對應(yīng)因素將會對實驗指標(biāo)產(chǎn)生較大影響。而通過對Rj大小進行比較，即可對主要因素以及次要因素進行準(zhǔn)確判定[2]。

（三）確定最佳參數(shù)

根據(jù)結(jié)果顯示，在外層縮痕指數(shù)方面，保壓時間對雙色塑件品質(zhì)的影響最大，其次為熔體溫度和保壓壓力、冷卻與注射時間次之，模具溫度的影響最小。而在內(nèi)層縮痕指數(shù)中，同樣為保壓時間對雙色塑件品質(zhì)的影響最大，其次為熔體溫度和注射時間，模具溫度與保壓壓力次之，冷卻時間的影響最小。而在外層頂出時體積收縮率中，保壓時間對雙色塑件品質(zhì)的影響最大，其次為熔體溫度和保壓壓力、冷卻與注射時間次之，模具溫度的影響最小。在內(nèi)層頂出時體積收縮中，保壓時間對雙色塑件品質(zhì)的影響最大，其次為熔體溫度和注射時間、冷卻時間與保壓壓力次之，模具溫度的影響最小。因此通過在此基礎(chǔ)上確定工藝參數(shù)組合，即注射時的模具表面溫度與熔體溫度分別為70℃和240℃，注射與冷卻時間分別為2s和60s，保壓時間及壓力分別為16s和100MPa。使得可以在有效減小外層縮痕指數(shù)以及頂出時體積收縮率的同時，內(nèi)外層最大頂出體積收縮率分布完全相同，以有效幫助實現(xiàn)雙色顯示器前殼注射模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

二、基于CAE技術(shù)下雙色顯示器前殼注射模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

（一）設(shè)計方案

在使用CAE技術(shù)對雙色顯示器前殼注射模具結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計的過程中，本文通過直接選擇使用Pro/ENEGINEER軟件系統(tǒng)自帶的Manufacturing/Mold Cavity模塊完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作。在此過程中，首先需要使用Pro/ENEGINEER軟件當(dāng)中的零件Part模塊創(chuàng)建雙色顯示器前殼注射模具優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型，隨后通過利用Mold Cavity模塊對包括上下模型腔、滑塊結(jié)構(gòu)等在內(nèi)的模具構(gòu)件進行優(yōu)化設(shè)計，最后依照相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求完成模具模架設(shè)計即可。

在雙色注塑模具結(jié)構(gòu)當(dāng)中，依照具體的雙色注塑成型工藝方式可以將其分為收縮模具型芯式雙色注射結(jié)構(gòu)等各種不同的類型。本文則通過以型芯旋轉(zhuǎn)式雙色注射結(jié)構(gòu)為例，在以往的結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要是通過在動模側(cè)放置頂出機構(gòu)。而本文在開展結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化時則選擇利用動模和定模倒裝結(jié)構(gòu)，即在模具定模側(cè)處放置頂出機構(gòu)，由油缸負責(zé)提供所需動力頂出塑件。在此過程中，首次注射成型塑件型腔為動模型芯和成型外層定模型芯，一旦成型之后開模通過定模板推動塑件，使之可以與定模型芯相互分離，并繼續(xù)留在動模型芯位置處。懸掛裝盤帶動動模型芯與首次成型的半成品進行180°旋轉(zhuǎn)，使之可以同成型內(nèi)層定模型芯構(gòu)成二次注射成型塑件型腔[3]。此時在成型后開模，并利用頂出機構(gòu)頂出位于定模位置處的雙色塑件即可。

（二）組件設(shè)計

運行Pro/ENEGINEER軟件后，新建文件并選中制造與模具型腔選項，在保障未勾選缺省模板之后，選擇mns_mfd_mold模板。此時需要專門為模具建立一個文件夾dsjmb并將其保存至D盤中。而后選中菜單欄中的新建文件選項重新建立新文件夾，選中類型選項中的制造模塊，并在子類型欄中選中模具型腔模塊，將dsj作為其輸入名。在將使用缺省模板選項勾除后，于模板欄中選中公制模具設(shè)計模板并點擊確定案件。此時系統(tǒng)將會自動運行模具設(shè)計模塊，在菜單管理器中選中模具模型、裝配以及參考模型命令，以缺省位置在約束參照當(dāng)中裝配參考模型即可。將收縮率設(shè)定為0.005，如果塑件制品總長不足50mm，則模具單邊長需要控制在20到25mm之間，此后隨著塑件制品總長每增加50mm，模具單邊長也需要在此基礎(chǔ)上再增加5到10mm。如果塑件制品總寬度不超過50mm，則模具單邊寬度同樣也需要控制在20到25mm之間，此后隨著塑件制品總長每增加50mm，模具單邊長也需要在此基礎(chǔ)上再增加5到10mm。如果塑件制品總高度不超過50mm，動模和定模高度則分別需要為1.3到2倍的塑件制品總高度以及1.5倍的塑件制品總高度。如果塑件制品總高度在50到100mm之間，則其動模和定模高度分別為塑件制品總高度的2倍和1.5倍。根據(jù)此次設(shè)計的雙色顯示器前殼外層尺寸，可知模具工件的長度、寬度和高度分別為450mm、350mm以及60mm。而后依照軟件系統(tǒng)中的功能選項，依次完成毛坯工件和分型面的創(chuàng)建、生成型腔與型芯之后自動完成裝配即可。

結(jié)束語：

本文通過利用帶有CAD技術(shù)功能的專業(yè)軟件，在采用正交實驗和極差分析法下對塑件的主次影響因素進行相應(yīng)分析，以此為基礎(chǔ)確定了最優(yōu)工藝參數(shù)組合。此后通過直接運用Pro/ENEGINEER軟件系統(tǒng)自帶的Manufacturing/Mold Cavity模塊高效、精準(zhǔn)地完成了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作。但由于受到篇幅限制，本文并沒有對優(yōu)化設(shè)計方案成效進行相應(yīng)驗證，因此還需要在日后的研究中對此加以改進。

參考文獻：

[1]李學(xué)峰.塑料模設(shè)計及制造[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[2]匡唐清，閻智，付偉.MP4 播放器雙色外殼的注塑模設(shè)計[J].中國塑料，2012，26（6）：117-122.

[3]楊勇.基于 Moldflow 的塑料箱注射成型 CAE 分析[J].模具制造，2010（05）：35-37.