基于CAE 分析的熱水器顯示面板翹曲變形優(yōu)化設(shè)計(jì)

荊彥濤 王羽 曹冠忠 王德君 于金霞

（1.青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)海爾熱水器有限公司，山東青島 266101；2.數(shù)字化家電國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266100）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，塑料在生產(chǎn)和人們的生活中發(fā)揮著重要作用。在塑料的多種成型工藝中，注塑成型是目前應(yīng)用最為廣泛的一種。隨著產(chǎn)品精度的提高，對塑料模具的要求越來越高，僅憑經(jīng)驗(yàn)開發(fā)模具，受到成本以及開發(fā)周期的制約，已不能適應(yīng)當(dāng)前模具開發(fā)的需要。CAE 技術(shù)在提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本方面的優(yōu)勢越來越明顯。

注塑成型CAE 是以計(jì)算機(jī)模擬分析軟件為工具，通過對注塑成型過程的仿真模擬，進(jìn)而對產(chǎn)品、模具設(shè)計(jì)和成型工藝進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)的技術(shù)[1]。本文主要利用CAE 軟件對熱水器顯示面板的前端設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真模擬，預(yù)判產(chǎn)品的裝配問題，進(jìn)而有針對性的提出了優(yōu)化建議，使產(chǎn)品滿足生產(chǎn)要求。

1 產(chǎn)品特點(diǎn)及成型方案

1.1 產(chǎn)品說明

產(chǎn)品為熱水器顯示面板，如圖1 所示。產(chǎn)品尺寸487.6 mm×70 mm×58.4 mm，產(chǎn)品壁厚復(fù)雜，大面為3.5 mm 和2.3 mm 兩種壁厚，側(cè)面壁厚漸變設(shè)計(jì)，最小壁厚為2.0 mm，注塑材料為透明PC。該產(chǎn)品與鈑金外殼裝配使用，裝配方式為插入式，因此對產(chǎn)品的平整度要求較高，需要嚴(yán)格控制其翹曲變形。

圖1 熱水器顯示面板三維模型

1.2 成型方案及澆口位置

成型方案設(shè)計(jì)為一模一腔，采用4 點(diǎn)熱流道轉(zhuǎn)側(cè)澆口，澆口尺寸10 mm×1.2 mm，冷流道尺寸9 mm×7 mm。

CAE 分析使用雙面網(wǎng)格，如圖2 所示。前期分析澆口位置對產(chǎn)品的翹曲變形影響較小，考慮側(cè)澆口后期修剪的便利以及殘料對外觀和裝配的影響，決定將四個進(jìn)膠點(diǎn)放置在產(chǎn)品與鈑金裝配側(cè)的4 個凸包上，如圖3 所示。

圖2 CAE 分析網(wǎng)格模型

圖3 進(jìn)膠點(diǎn)位置

2 產(chǎn)品翹曲變形分析與優(yōu)化

確定澆口方案以后，按照實(shí)際模具中動靜模冷卻水路的走向在仿真軟件中進(jìn)行建模，得到網(wǎng)格模型如圖4 所示，再進(jìn)行冷卻+填充+保壓+翹曲分析。

圖4 包含冷卻水路的網(wǎng)格模型

圖5 為顯示面板Z 方向翹曲變形的分析結(jié)果，紅色區(qū)域代表上翹，藍(lán)色區(qū)域代表下塌，產(chǎn)品整體變形呈現(xiàn)兩端上翹趨勢，產(chǎn)品Z 方向總變形量為4.83 mm +3.18 mm=8.01 mm，變形較大，不滿足理論±1 mm 的裝配要求。

圖5 Z 向翹曲變形分析結(jié)果

初版分析結(jié)果不滿足要求。按照冷卻不均、收縮不均、取向效應(yīng)三個方面的原因?qū)Ξa(chǎn)品的翹曲變形進(jìn)行分離計(jì)算，分析結(jié)果分別如圖6 中的（a）、（b）、（c）所示。

圖6 翹曲變形原因分析

通過對產(chǎn)品Z 方向變形拆解分析可以清楚的看到，冷卻不均和取向效應(yīng)對產(chǎn)品的翹曲變形影響均較小，因收縮不均導(dǎo)致的翹曲變形占了整個翹曲變形的絕大部分，是產(chǎn)品翹曲變形的主要原因。

收縮不均的主要影響因素為產(chǎn)品的壁厚，壁厚的不均勻會導(dǎo)致體積收縮率和產(chǎn)品各個方向的收縮率不均勻，而這正是影響翹曲的主要因素[2]。此產(chǎn)品大面存在兩種壁厚，分別為3.5 mm 和2.3 mm，長度方向兩側(cè)壁壁厚均低于3.0 mm。由于大面3.5 mm 區(qū)域凍結(jié)時間相對側(cè)壁晚，其內(nèi)部的高分子鏈段有更多的時間來進(jìn)行松弛收縮，從而導(dǎo)致了較大的體積收縮，由此產(chǎn)品橫截面方向產(chǎn)生了較大的收縮差異。這種差異會在產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致了產(chǎn)品的翹曲變形[3]。

根據(jù)上述分析，為了減少收縮差異對產(chǎn)品翹曲的影響，確定了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案：將產(chǎn)品大面優(yōu)化成均勻壁厚，如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

產(chǎn)品壁厚優(yōu)化完成后，對優(yōu)化后的產(chǎn)品重新進(jìn)行冷卻+填充+保壓+翹曲分析，翹曲變形分析結(jié)果如圖8 所示，可以看到產(chǎn)品翹曲變形明顯減小，Z 方向總變形量為0.91 mm。

圖8 產(chǎn)品優(yōu)化后的翹曲分析結(jié)果

3 實(shí)際驗(yàn)證

按照優(yōu)化后的產(chǎn)品方案制作模具，如圖9 所示。

圖9 模具3D

實(shí)際試模樣件如圖10 所示，產(chǎn)品試模后Z 方向翹曲較小，裝配驗(yàn)證滿足±1 mm 的要求。

圖10 實(shí)際試模樣件

4 結(jié)論

目前的CAE 軟件能夠模擬注射過程和產(chǎn)品成型的幾乎所有階段，包括從沖模到保壓、冷卻、收縮和翹曲的分析。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行模擬分析，根據(jù)分析結(jié)果可以有針對性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而節(jié)省開發(fā)時間與模具成本。