基于Moldflow的手機(jī)殼成形翹曲分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)*

張洪軍，梁曉雯，崔子怡，黎銳冬

（1.嶺南師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東湛江 524048；2.粵西機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造工程技術(shù)研究中心，廣東湛江 524048）

0 引言

移動(dòng)電話（下稱手機(jī)）作為當(dāng)前社會(huì)的流行產(chǎn)品，不僅要有良好的性能和質(zhì)量，而且要保持良好的外觀［1－2］。手機(jī)外殼材質(zhì)的選擇從塑料材質(zhì)發(fā)展到金屬材質(zhì)，再到現(xiàn)如今鋁合金材質(zhì)、玻璃材質(zhì)和為數(shù)不多的陶瓷材質(zhì)，可謂百花齊放，都有各自的特點(diǎn)［3］。但是各種材質(zhì)在滿足不同用戶需求時(shí)都存在著不足。金屬外殼具有亮麗的外觀和超大聲的喇叭，但厚度較重，且手機(jī)后殼更易發(fā)生變形，容易掉漆。鋁合金材質(zhì)，密度低，強(qiáng)度大，可塑性較強(qiáng)，但手機(jī)殼的厚度比較小，因此會(huì)有所減弱，從而造成手機(jī)易彎曲，也容易掉漆。使用玻璃材質(zhì)的手機(jī)不易變形，硬度也更大，鏡面設(shè)計(jì)的手機(jī)后殼讓人看起來(lái)更加的美觀手感也更加順滑，鏡面玻璃設(shè)計(jì)的后殼看起來(lái)活靈活現(xiàn)，但表面容易出現(xiàn)劃痕，并且和陶瓷外殼一樣，具有加工工藝和天線設(shè)計(jì)復(fù)雜等問(wèn)題［4－5］。

鑒于目前現(xiàn)狀，有些廠家重新采用塑料材質(zhì)，仿金屬噴涂工藝，在保證機(jī)身輕盈的前提下，具有金屬的色澤［6］。塑料材質(zhì)本身具有價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，因此目前仍然占據(jù)一定的市場(chǎng)份額。為了提高塑料材質(zhì)的剛度和強(qiáng)度，采用高強(qiáng)度塑料作為手機(jī)殼的材料，同時(shí)提高注塑工藝，保證良好的外觀要求［7］。

翹曲變形是影響薄壁塑件產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素［8］，本文以某暢銷智能手機(jī)后殼為例，采用Moldflow軟件對(duì)塑件成形過(guò)程中翹曲變形進(jìn)行了有限元分析，有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際具有較好的指導(dǎo)意義。

1 塑件分析

塑件尺寸為124 mm×58 mm ×7 mm （長(zhǎng)×寬×高），壁厚為1.2 mm；底部和側(cè)邊有按鍵孔。內(nèi)外表面要求光滑，沒(méi)有明顯的熔接痕和較大變形。選擇ABS＋PC材料組合，在增加塑件強(qiáng)度的同時(shí)，保持良好的流動(dòng)性，容易成形。三維模型如圖1所示。

2 塑件模流分析前處理

2.1 模型的網(wǎng)格劃分

將建立的模型導(dǎo)入到Moldflow中，用Moldflow中網(wǎng)格劃分模塊對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分［9］。手機(jī)外殼比較薄，因此選用Midplane（中層面）類型網(wǎng)格，采用三角形網(wǎng)格，總數(shù)10 000個(gè)，網(wǎng)格疏密感適宜為宜［10］。如圖2所示。

圖1 手機(jī)后殼三維模型圖

圖2 網(wǎng)格劃分圖

2.2 網(wǎng)格缺陷的診斷和修復(fù)

由于三維軟件的缺陷和格式轉(zhuǎn)換過(guò)程中的問(wèn)題，可能使生成的網(wǎng)格質(zhì)量很差，存在重疊、縱橫比較大、連通性差、網(wǎng)格交叉、自由邊較多等缺陷，這些缺陷嚴(yán)重影響到實(shí)體的完整性和分析的準(zhǔn)確性、模擬過(guò)程的順利與否以及分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，利用Moldflow中的網(wǎng)格診斷命令合并節(jié)點(diǎn)、交換共享邊、補(bǔ)孔等命令進(jìn)行診斷，查找出網(wǎng)格存在的具體缺陷并修正到最佳狀態(tài)。如圖3所示，匹配比大于95%，滿足分析要求。

圖3 網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)圖

2.3 澆口位置的確定

根據(jù)手機(jī)殼尺寸及模架的選擇，采用一模兩腔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并且由于不影響美觀，進(jìn)澆點(diǎn)不能設(shè)置在手機(jī)殼外表面，由此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將澆口設(shè)置在側(cè)表面，如圖4所示，并檢查其連通性。

圖4 連通性診斷圖

3 翹曲分析

翹曲變形是指塑件的形狀偏離模具型腔的形狀所規(guī)定的范圍，是塑件常見(jiàn)的缺陷之一。塑料件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中遇到最多和最難解決的問(wèn)題就是翹曲變形。制品產(chǎn)生翹曲變形的主要原因有塑件的結(jié)構(gòu)、塑料材質(zhì)的性能、生產(chǎn)工藝以及模具結(jié)構(gòu)等。對(duì)于薄壁塑件，其更易發(fā)生翹曲變形。

塑件的壁厚變化、幾何形狀、加強(qiáng)筋布置等因素都能造成塑件翹曲變形。手機(jī)殼體壁厚均勻，未布置加強(qiáng)筋，但是塑件高7 mm，具有彎曲的幾何結(jié)構(gòu)，因此對(duì)角效應(yīng)進(jìn)行了分析；由于本設(shè)計(jì)中采用了PC＋ABS塑料材質(zhì)，混合塑料的收縮率差異和纖維取向也是可能引起翹曲變形的重要因素；模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的冷卻水路布置以及冷卻時(shí)間、保壓壓力等工藝參數(shù)也嚴(yán)重影響塑件質(zhì)量，引起翹曲變形。

綜合以上分析，對(duì)收縮不均、冷卻不均、取向因素與角效應(yīng)4個(gè)影響因素進(jìn)行綜合分析，得出最大變形量，同時(shí)對(duì)單因素引起的翹曲變形進(jìn)行對(duì)比分析，得出本設(shè)計(jì)中手機(jī)殼注塑成型過(guò)程中引起翹曲變形的主要影響因素，為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝參數(shù)的確定提供參考。

3.1 所有因素導(dǎo)致的變形

所有因素導(dǎo)致的變形是包含了收縮不均、冷卻不均、取向因素與角效應(yīng)。如圖5所示（形變量擴(kuò)大10倍），所有因素導(dǎo)致的變形為0.415 2 mm。滿足塑件質(zhì)量要求，說(shuō)明該手機(jī)殼塑件結(jié)構(gòu)以及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，初步設(shè)定的工藝參數(shù)合理可行。

圖5 所有因素導(dǎo)致的變形

3.2 冷卻不均導(dǎo)致的變形

冷卻水路設(shè)計(jì)不合理，產(chǎn)品得不到快速冷卻，會(huì)在制品脫模時(shí)產(chǎn)生10℃以上，容易產(chǎn)生翹曲。本設(shè)計(jì)中，冷卻管道的直徑d＝10 mm，冷卻水溫度為25℃，回路流動(dòng)速率為4.234 L／min，入口雷諾數(shù)為10 000，冷卻時(shí)間為3 s。如圖6所示（形變量擴(kuò)大10倍），冷卻不均導(dǎo)致的變形為0.036 1 mm，在變形中不是主要因素。說(shuō)明在Moldflow前期分析中布置的冷卻水路布置合理。

圖6 冷卻不均導(dǎo)致的變形

3.3 收縮不均導(dǎo)致的變形

如果塑件收縮均勻，那么成型件不會(huì)發(fā)生變形或翹曲，只是實(shí)際尺寸小于設(shè)計(jì)尺寸。收縮不均引起的翹曲被認(rèn)為是一種塑件表面不符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀的變形。塑件發(fā)生了翹曲也即是內(nèi)部存在殘余內(nèi)應(yīng)力，使在塑件在不同結(jié)構(gòu)位置收縮率不同。

如圖7所示（形變量擴(kuò)大10倍），收縮不均導(dǎo)致的變形為0.406 0 mm，在變形中起主要因素。分析其原因是由于不同的收縮可以是分子和纖維排列不同、注塑件的溫度不同、填料差異或材料在穿過(guò)壁厚的固化過(guò)程中壓力不同等因素產(chǎn)生的。由于多種影響因素，要達(dá)到均勻的收縮非常困難。本設(shè)計(jì)中，綜合其他單因素分析的結(jié)果，綜合分析收縮不均導(dǎo)致翹曲變形的主要原因，由于熔料料溫偏高、注塑壓力偏高、保壓時(shí)間略長(zhǎng)，從而引起收縮量大，形變量大。

圖7 收縮不均導(dǎo)致的變形

3.4 取向因素導(dǎo)致的變形

如圖8所示（形變量擴(kuò)大10倍），取向因素導(dǎo)致的變形為3.638×10－9mm，在變形中不是主要因素。說(shuō)明選擇的澆口數(shù)量、位置和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖8 取向因素導(dǎo)致的變形

3.5 角效應(yīng)導(dǎo)致的變形

如圖9所示（形變量擴(kuò)大10倍），角效應(yīng)導(dǎo)致的變形為0.059 7 mm，在變形中不是主要因素。說(shuō)明在角落處布置的冷卻水路結(jié)構(gòu)合理。

圖9 角效應(yīng)導(dǎo)致的變形

4 結(jié)束語(yǔ)

為減小翹曲變形，可以采取更換塑件材質(zhì)、修改模具結(jié)構(gòu)，優(yōu)化工藝參數(shù)等措施綜合考慮。本文基于Moldflow軟件，對(duì)采用ABS＋PC塑料材質(zhì)，一模兩腔結(jié)構(gòu)的手機(jī)殼注塑過(guò)程產(chǎn)生的翹曲變形因素進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明，在形變量放大10倍的情況下，冷卻不均、收縮不均、取向因素與角效應(yīng)產(chǎn)生的翹曲變形分別為0.036 1 mm、0.406 0 mm、3.638×10－9mm、0.059 7 mm，收縮不均為主要影響因素，總變形量0.415 2 mm符合設(shè)計(jì)要求。由此可知，本設(shè)計(jì)中材料選擇、澆注系統(tǒng)和模具冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，并未引起較大的翹曲變形，影響翹曲變形的主要原因?yàn)榘ㄈ垠w溫度、注射壓力、注射時(shí)間、保壓壓力和保壓時(shí)間等工藝參數(shù)的設(shè)定。在后續(xù)生產(chǎn)中可著重優(yōu)化工藝參數(shù)，以便進(jìn)一步減小翹曲變形量。仿真結(jié)果為企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)提供了參考，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，具有較好的指導(dǎo)意義。