基于CAE分析的墻壁開關(guān)按鈕設(shè)計(jì)

汪海濤，張 杰，章朝紅

(寧波公牛電器有限公司，浙江 寧波 315318)

0 前言

目前，CAE技術(shù)被廣泛應(yīng)用，CAE軟件中Moldflow由于獨(dú)特的求解技術(shù)和精確的分析結(jié)果，被廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車、材料、通訊、電器等行業(yè)[1]。Moldflow可以幫助工程技術(shù)人員優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本[2]。開關(guān)按鈕既是外觀件，同時(shí)也是產(chǎn)品的功能件，因此對(duì)塑料的成型要求較高。通過數(shù)值仿真分析，可以先期驗(yàn)證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的不足，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

翹曲變形是指制品的形狀在制品脫模后或稍后一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或扭曲現(xiàn)象。典型表現(xiàn)為制品平坦部分有起伏，直邊朝里或朝外彎曲或扭曲[3]。翹曲變形是塑料注塑成型最容易發(fā)生的缺陷，翹曲變形量過大會(huì)造成塑料件尺寸超差，嚴(yán)重會(huì)影響產(chǎn)品裝配[4]。注塑制品翹曲變形的程度是兩股勢(shì)力角逐的結(jié)果，這兩股勢(shì)力：一是制品本身的強(qiáng)度，另一是制品內(nèi)部的應(yīng)力。要減少翹曲變形，優(yōu)化制品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是一方面，減少制品內(nèi)部應(yīng)力是另一方面。當(dāng)然，雙管齊下的效果更佳。內(nèi)部應(yīng)力主要有三個(gè)方面引起：冷卻不均、收縮不均、取向影響。由于模具一側(cè)溫度與另一側(cè)溫度存在差異，造成產(chǎn)品冷卻不均勻。由于產(chǎn)品壁厚差異造成區(qū)域間收縮率差異。平行與垂直流動(dòng)方向材料收縮率存在差異，造成取向影響。

1 注塑成型理論基礎(chǔ)

塑料熔體在注塑模具中的流動(dòng)被認(rèn)為是非牛頓、非穩(wěn)態(tài)、非等溫的瞬態(tài)不可壓縮流動(dòng)與傳熱過程。注塑仿真CAE依據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、傳熱學(xué)及塑料流變學(xué)，建立塑料在模具型腔中的流動(dòng)與轉(zhuǎn)熱數(shù)學(xué)模型。Moldflow中提供三種網(wǎng)格類型對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分:(1)中性面網(wǎng)格,應(yīng)用于薄殼件產(chǎn)品;(2)雙層面網(wǎng)格,應(yīng)用于薄殼件產(chǎn)品，是目前應(yīng)用最廣的網(wǎng)格類型;(3)3D網(wǎng)格，可適用于所有類型產(chǎn)品，包括薄殼件和厚壁件[5]。由于按鈕平均厚度較小，本文采用雙層面網(wǎng)格模型，該模型基于廣義Hele-Shaw流動(dòng)的控制方程(包含連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程、能量方程)[6]。

連續(xù)性方程:

(1)

運(yùn)動(dòng)方程:

(2)

(3)

能量方程:

(4)

2 塑料件模型

本研究塑料件為墻壁開關(guān)按鈕(見圖1)，功能形式采用翹板式，外形尺寸為：85.8 mm×40.7 mm×8.1 mm, 使用的材料為聚碳酸酯(PC),潛伏式澆口，澆注系統(tǒng)采用熱流道系統(tǒng)。采用的成型條件：熔料的溫度300 ℃、模具表面溫度90 ℃、模具制作材料采用P20鋼。為減小塑料件的翹曲變形，人為在塑料件允許的公差范圍內(nèi)調(diào)整塑料件各部分的壁厚[7]。通過模流分析軟件Moldflow進(jìn)行注塑成型模擬，以變形翹曲良最小值為目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

(a) 產(chǎn)品正面

(b) 產(chǎn)品背面

在Creo軟件中創(chuàng)建塑料件實(shí)體并轉(zhuǎn)換為step模型，利用CADdoctor軟件簡化模型，將處理好的模型導(dǎo)入Moldflow軟件中。由于制品厚度尺寸較小，適合雙面網(wǎng)格，圖2顯示的是已經(jīng)劃分網(wǎng)格后的模型，根據(jù)軟件分析精度要求網(wǎng)格縱橫比控制在6以下，匹配率控制在85%以上[8]。

圖2 網(wǎng)格模型

2.1 主壁厚設(shè)計(jì)對(duì)塑料件翹曲變形的影響

塑料件主壁厚的大小取決于產(chǎn)品需要承受的外力、是否作為其他零件的支撐、承接柱位的數(shù)量、伸出部份的多少以及選用的塑膠材料而定。從經(jīng)濟(jì)角度來看，過厚的產(chǎn)品不但增加物料成本，同時(shí)也延長生產(chǎn)周期,增加生產(chǎn)成本。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度來看，過厚的產(chǎn)品增加引致產(chǎn)生凹痕或氣孔等不良缺陷，大大削弱產(chǎn)品的剛性及強(qiáng)度。本研究主壁厚值分別采用：1.5、1.6、1.8、1.9、2.0、2.2、2.5、3.0 mm，其他條件保持不變，分析主壁厚變化對(duì)塑料件翹曲變形的影響。

從分析結(jié)果(見圖3)來看：主壁厚對(duì)翹曲變形的影響呈現(xiàn)拋物線型分布(壁厚值2.0 mm最大)，主壁厚與側(cè)壁及加強(qiáng)筋厚度差異越小，塑料件翹曲變形量也越小。壁厚的增加，一方面會(huì)加強(qiáng)塑料件的剛度，從而提高塑料件抗翹曲變形的能力；另一方面使得冷卻時(shí)間延長，塑料有更長的時(shí)間收縮，翹曲變形會(huì)增大。塑料的的翹曲變形結(jié)果是這兩方面的疊加所致。

圖3 主壁厚度對(duì)翹曲變形影響趨勢(shì)

2.2 側(cè)壁厚度設(shè)計(jì)對(duì)翹曲變形的影響

主壁厚2.0 mm保持不變，考慮到側(cè)壁過厚會(huì)引起零件外觀問題(如縮痕)，分析時(shí)側(cè)壁厚采用三種狀態(tài)：0.9、1.2、1.5 mm，加強(qiáng)筋厚度及高度保持不變，注塑成型參數(shù)保持不變，塑料件翹曲變形分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 側(cè)壁厚度對(duì)翹曲變形影響

從分析結(jié)果(見圖4)來看：側(cè)壁厚度越接近主壁厚，翹曲變形量越小。整體厚度趨近一致，收縮相對(duì)均勻，因此翹曲變形量相對(duì)較小。

2.3 加強(qiáng)筋

塑料相對(duì)于金屬材料彈性模量偏低,因此注塑件所需要的抗彎和抗扭剛度一般通過在注塑件上設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋、折彎、曲面等方法加以解決[9]。如果設(shè)計(jì)用的材料不能滿足所需的剛性，則應(yīng)該選擇彈性模量更大的材料。通常簡單的辦法是在塑料中增加玻璃纖維的含量。但是在壁厚一定的條件下，這種辦法只能使剛度成線性變化。更有效的辦法是進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于慣性矩的增大，零件的剛度就會(huì)增大。大的慣性矩可以通過增加壁厚來實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于熱塑性塑料，這種辦法通常會(huì)引起表面凹痕、空洞、翹曲變形等問題。為了克服壁厚過大引起的問題，設(shè)置加強(qiáng)筋是一種可以減小壁厚又能增加剛性的辦法。在優(yōu)化零件的尺寸時(shí)不僅需要考慮工程問題，同時(shí)還需要考慮生產(chǎn)、外觀等問題。

2.3.1 加強(qiáng)筋的有無對(duì)翹曲變形的影響

塑料件內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)筋及未設(shè)置加強(qiáng)對(duì)翹曲變形的影響：塑料件內(nèi)部不設(shè)置加強(qiáng)筋，塑料件沿著大平面4個(gè)角翹起(見圖5(a))。設(shè)置加強(qiáng)筋塑料件與未設(shè)置加強(qiáng)筋塑料件翹曲變形趨勢(shì)一致(見圖5(b))，但翹曲變形量更大(見圖6)。說明加強(qiáng)筋的存在明顯加劇了塑料件的翹曲變形。

(a) 無加強(qiáng)筋

(b) 有加強(qiáng)筋

圖6 加強(qiáng)筋對(duì)翹曲變形影響

2.3.2 加強(qiáng)筋厚度設(shè)計(jì)及對(duì)翹曲變形的影響

主壁厚2.0 mm保持不變，側(cè)壁厚度1.2 mm保持不變，加強(qiáng)筋高度維持不變，其厚度分三種狀態(tài)：0.8、1.0、1.2 mm，注塑成型參數(shù)保持不變，分析加強(qiáng)筋厚度變化對(duì)塑料件翹曲變形的影響。

當(dāng)加強(qiáng)筋的厚度小于塑料件的主壁厚時(shí)，其冷卻速度快于主體部分，主體部分有更多的時(shí)間可以收縮，最終兩者收縮差異造成塑料件翹曲變形。從分析結(jié)果(見圖7)來看：加強(qiáng)筋厚度越接近主壁厚，對(duì)翹曲變形影響越小。

圖7 加強(qiáng)筋厚度對(duì)翹曲變影響

2.3.3 加強(qiáng)筋高度設(shè)計(jì)對(duì)塑料件翹曲變形的影響

主壁厚2.0 mm保持不變，側(cè)壁厚度1.2 mm保持不變，加強(qiáng)筋厚度維持不變，加強(qiáng)筋高度分三種狀態(tài)：0.45、0.75、1.25 mm，注塑成型參數(shù)保持不變，分析加強(qiáng)筋高度變化對(duì)塑料件翹曲變形的影響。

從分析結(jié)果(見圖8)來看：加強(qiáng)筋高度在一定范圍內(nèi)變動(dòng)(高度變動(dòng)范圍受限)，不同狀態(tài)下不均勻收縮影響差異很少，對(duì)整體翹曲變形影響較小。

圖8 加強(qiáng)筋高度對(duì)翹曲變形影響

3 結(jié)論

通過CAE模擬分析，驗(yàn)證不同結(jié)構(gòu)代替現(xiàn)場(chǎng)模具注塑試模。改變了主要依靠經(jīng)驗(yàn)與直覺，通過反復(fù)試模、修模來修正產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的傳統(tǒng)方式，避免了設(shè)計(jì)的盲目性，同時(shí)為模具設(shè)計(jì)提供價(jià)值參考。利用這種方法節(jié)省了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。結(jié)合本次研究，得出如下結(jié)論：

(1) 主壁厚對(duì)變形的影響呈現(xiàn)類拋物線型分布，同時(shí)也是影響變形的主要因素，主壁厚與側(cè)壁及加強(qiáng)筋厚度差異越小，塑料件變形量也越小；

(2) 側(cè)壁厚度越接近主壁厚，塑料件的變形越??；

(3) 加強(qiáng)筋的存在可能會(huì)加大塑料件的變形；

(4) 加強(qiáng)筋的厚度越接近主壁厚，塑料件的變形越?。?/p>

(5) 加強(qiáng)筋的高度在一定范圍內(nèi)變動(dòng)對(duì)塑料件的影響較小。