基于Moldflow的相機(jī)外殼模具設(shè)計(jì)與優(yōu)化

章華

（無(wú)錫市江南橡塑機(jī)械有限公司，江蘇 無(wú)錫 214251）

基于Moldflow的相機(jī)外殼模具設(shè)計(jì)與優(yōu)化

章華

（無(wú)錫市江南橡塑機(jī)械有限公司，江蘇 無(wú)錫 214251）

利用有限元法分析、判斷相機(jī)外殼結(jié)構(gòu)的可靠性，與此同時(shí)，將靜力學(xué)與顯式動(dòng)力學(xué)的分析結(jié)果作為依據(jù)，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對(duì)于澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本實(shí)驗(yàn)中列舉了三種設(shè)計(jì)方案，利用Moldflow對(duì)其注塑成型過(guò)程進(jìn)行模擬，并對(duì)體積收縮率、縮痕指數(shù)、總體形變、填充時(shí)間以及合模力結(jié)果進(jìn)行分析，通過(guò)一系列CAE的模擬分析，達(dá)到保證產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品周期的目的。

注塑模；Moldflow；有限元；設(shè)計(jì)；優(yōu)化

1 簡(jiǎn)介

在塑料制造行業(yè)，模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)效率起著至關(guān)重要的作用。在大多數(shù)情況下，模具設(shè)計(jì)更注重效率的提高。與傳統(tǒng)的試錯(cuò)方法不同，如今的注塑技術(shù)使用專業(yè)的CAE曲面重構(gòu)，模塑仿真分析和Ansys等有限元模型進(jìn)行分析，通過(guò)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，使得注塑技術(shù)更適于復(fù)雜的、高精度制品的制動(dòng)化生產(chǎn)，縮短生產(chǎn)周期。因此，它已成為一個(gè)重要的塑料成型方法，在滿足成型工藝要求，確保塑料制品的質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本發(fā)揮著重要的作用［1］。

沖擊和振動(dòng)可引起制件功能和物理性能的損害，主要表現(xiàn)是內(nèi)部組件失效或外部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。傳統(tǒng)上，利用模型進(jìn)行跌落方案來(lái)檢測(cè)制件結(jié)構(gòu)的可靠性，以此提供最直接、準(zhǔn)確評(píng)估產(chǎn)品可靠性的方法，但這個(gè)過(guò)程大大增加了資金與時(shí)間的投入。此外，已經(jīng)進(jìn)行過(guò)測(cè)試的模型可能被用于進(jìn)一步的測(cè)試。這可能導(dǎo)致誤差的積累［2］。隨著數(shù)值分析方法的發(fā)展，其中，有限元法已經(jīng)成為通過(guò)模擬在注射過(guò)程中的流動(dòng)和冷卻結(jié)果來(lái)分析結(jié)構(gòu)、調(diào)整結(jié)構(gòu)的重要方法［3］。

在一系列注塑模具仿真分析軟件中，典型的有Moldflow和Ansys，因其具有以下優(yōu)勢(shì)，而得到了廣泛的應(yīng)用。

（1）代替了先前的實(shí)際模具試驗(yàn)，它可以分析和模擬設(shè)計(jì)方案，從而在生產(chǎn)成型之前預(yù)測(cè)、修改潛在缺陷。

（2）仿真軟件可以預(yù)測(cè)、修改在成型過(guò)程中發(fā)生的缺陷，通過(guò)這種方法可以縮減成本、加快產(chǎn)品研發(fā)效率以及保證產(chǎn)品質(zhì)量［4～5］。

本文通過(guò)實(shí)例闡釋有限元法為何是分析外殼強(qiáng)度的有效方法以及如何根據(jù)分析結(jié)果判斷結(jié)構(gòu)的可靠性，同時(shí)，如何在分析、改變工藝參數(shù)，修改澆口位置，改善冷卻系統(tǒng)等一系列模擬基礎(chǔ)上進(jìn)行高效的模具生產(chǎn)，可充分說(shuō)明測(cè)試、分析結(jié)果為模具設(shè)計(jì)提供更加全面的參考。最后，通過(guò)UG對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行構(gòu)造。

2 方法

利用Pro/E構(gòu)造相機(jī)外殼的幾何外形，之后將模型導(dǎo)入Ansys進(jìn)行一系列的分析，之后在利用Moldflow分析注塑成型過(guò)程。分析過(guò)程包含三個(gè)主要步驟［6］。幾何模型導(dǎo)入的材料被定義為ABS和PA6的共混改性塑料。在此基礎(chǔ)上劃分網(wǎng)格。接下來(lái)施加載荷，同時(shí)設(shè)置約束。最后，檢查結(jié)果來(lái)分析是否正確。

相機(jī)外殼的幾何形狀如圖1所示，幾何尺寸為1 467 mm×1 070 mm×597 mm（L×W×H），重 量 是0.76 kg。圖2顯式了靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析的初始設(shè)置，施加于相機(jī)外殼的力為500N，外殼的底部固定并添加重力場(chǎng)。圖3顯式了顯式動(dòng)力學(xué)分析的初始設(shè)置。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置其著地速度為3.904 m/s，其他條件與靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析相同，根據(jù)實(shí)際情況可知，外殼落地之后經(jīng)多次反彈后靜止。在這個(gè)過(guò)程中，首次反彈的速度最大，應(yīng)力、應(yīng)變最大值也出現(xiàn)在這個(gè)過(guò)程中。因此，將第一個(gè)反彈凹陷的問(wèn)題作為本研究過(guò)程。

圖1 相機(jī)外殼

圖2 靜力學(xué)分析的初始設(shè)置

圖3 動(dòng)力學(xué)的初始設(shè)置

模型外形、澆口位置、工藝參數(shù)以及材料類型都會(huì)影響填充效果。如圖4提出來(lái)的三個(gè)方案，通過(guò)對(duì)比，模擬最優(yōu)化的注塑工藝數(shù)據(jù)以達(dá)到最佳生產(chǎn)效率。方案1中采用單點(diǎn)注射的方法，方案2改用兩點(diǎn)同時(shí)澆注，方案3中改變了熔融材料類型。

表1列出注射過(guò)程中工藝參數(shù)。

圖4 方案示意圖

表1 三個(gè)方案的工藝參數(shù)

圖5 模具設(shè)計(jì)過(guò)程

3 結(jié)果與討論

3.1 靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析

圖6（a）顯式的是靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。可知，最大變形量為0.48 mm，主要分布在中間孔的周邊，在相機(jī)殼內(nèi)部進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之時(shí)，需要在其周邊添加支承結(jié)構(gòu)。

如圖6（b）最大的應(yīng)力變形為0.002 98，屬于小變形，模擬了在外殼表面靜置一大約為50 kg的重物，而結(jié)構(gòu)不發(fā)生損壞。

如圖6（c）所示，最大的應(yīng)力是13.038 MPa，而ABS的屈服強(qiáng)度為40 MPa［7］。因此，相機(jī)外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

圖6 靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

3.2 顯式動(dòng)力學(xué)分析

由于外殼的質(zhì)量介于0.45 kg與9.54 kg之間，根據(jù)最新的國(guó)家跌落標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定它從30"的高度跌落［8］，據(jù)此我們可以推算出著地時(shí)它的速度為3.904 m/s。最終模擬結(jié)果顯式最大變形主要分布在外殼的周邊，大小為10.303 mm，如圖7（a）所示，主要因?yàn)闅さ耐獗谑艿經(jīng)_擊，導(dǎo)致X、Y、Z三個(gè)方向上產(chǎn)生較大的變形。

從表7（b）和7（c）可知，最大的應(yīng)變和應(yīng)力分別為0.003 03和12.257 MPa。應(yīng)力密集區(qū)域出現(xiàn)在兩圓弧的連接處。通過(guò)受靜力載荷以及跌落模擬可知，該外殼結(jié)構(gòu)合理，完全滿足日常生活的要求。

圖7 顯式動(dòng)力學(xué)結(jié)果

3.3 體積收縮率

通過(guò)方案1與方案2的對(duì)比可知，方案1中的體積收縮率大于方案2，有可能是由于兩點(diǎn)同時(shí)注射的壓力大于單點(diǎn)注射壓力。方案2中的體積發(fā)生收縮的地方分布更加均勻。與前兩個(gè)方案相比，方案3中的體積收縮率從13.22%降至11.18%，如圖8所示，方案3得到了最小彎曲變形。

圖8 體積收縮率

3.4 縮痕指數(shù)

圖9 縮痕指數(shù)

如圖9所示，三個(gè)方案中縮痕指數(shù)最大值分別為0.507 5%，0.739 4%，0.097 0%，縮痕指數(shù)表示縮水凹陷相對(duì)于產(chǎn)品厚度的嚴(yán)重程度，方案三通過(guò)改善流動(dòng)性，將縮水凹陷降至較低值。

3.5 填充時(shí)間

圖10顯式了三個(gè)方案所對(duì)應(yīng)的填充時(shí)間。由于流道不同，導(dǎo)致填充時(shí)間相較于方案1增加了0.246 s，方案3中，通過(guò)改變材料，增加材料的流動(dòng)性，將填充時(shí)間降至1.356 s。

3.6 總變形

圖11表示最大變形量的分析結(jié)果，三個(gè)方案分別為1.589 mm，1.508 mm和0.469 7 mm。比較方案一與方案二可知兩點(diǎn)注射可使制品成型過(guò)程中收縮分布更加均勻，減小了翹曲變形，而方案三則表明了通過(guò)改變材料的流動(dòng)性能，達(dá)到更好的填充效果。

3.7 鎖模力

圖12為鎖模力的分析結(jié)果。如圖所示，方案三中的鎖模力為66.499 t，與方案一、二基本保持不變，三個(gè)對(duì)比方案對(duì)于注射機(jī)的選擇并非產(chǎn)生影響，所以，選擇100 t的成型機(jī)是完全滿足要求的。

圖10 填充時(shí)間

圖12 鎖模力分析結(jié)果

4 結(jié)論

靜態(tài)結(jié)構(gòu)和顯式動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果表明,相機(jī)外殼的結(jié)構(gòu)是可靠的。通過(guò)Moldflow模擬三個(gè)成型過(guò)程，并對(duì)體積收縮、縮痕指數(shù)、充填時(shí)間、總變形和鎖模力進(jìn)行對(duì)比?；诜抡娼Y(jié)果設(shè)計(jì)注塑模具。結(jié)果表明,模塑仿真分析與有限元方法相結(jié)合不僅可以縮短工期,而且保證成型質(zhì)量。

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[8] GB/T 2423.8-1995,Electrical and Electronic Products Environmental Test Part 2：Test Method Test Ed：Free Fall[S]. (R-03)

Abstrac：The camera shell is analyzed by using Finite Element Method (FEM) to judge reliability of the structure. Static structural and explicit dynamics analysis are conducted. The results provide valuable reference for the structural optimization design. Three schemes for injection mold are developed. Injection molding process of the shell is simulated by applying Moldfl ow. The volumetric shrinkage, shrink mark index, total deformation, fi ll time and clamping force are analyzed. The results show that combining Moldfl ow with FEM method can not only shorten the construction period, but also ensure the molding quality.

Moldfl ow based design and optimization of camera shell mold

Moldfl ow based design and optimization of camera shell mold

Zhang Hua
(Wuxi Jiangnan Rubber & Plastic Machinery Co., Ltd., Wuxi 214251, Jiangsu, China)

injection molding; Moldfl ow; fi nite element; design; optimization

TQ330.43

1009-797X（2016）04-0035-06

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.04.015

2016-01-04