基于CAE技术的笔记本外壳体注塑浇口优化设计

长春师范大学学报
Journal of Changchun Normal University 第39卷第12期Vol.39 No.122020年12月Dec.2020
基丁 CAE 技术的笔记不外壳休注塑浇口优化设计
魏清兰，林明山
(漳州职业技术学院机械工程学院，福建漳州363000)
［摘 要］针对内外表面多处带有侧凹、凸台和卡扣结构的典型复杂薄壳化的笔记本电脑外壳体，在 生产中易存在填充不满、多熔接痕和翘曲等缺陷，运用CAE 模流分析技术，对注塑成型的4浇口、5 浇口和6浇口等三种不同浇注系统方案的填充时间、翘曲变形、熔体流动前沿温度、熔接痕等工艺进 行分析比较,优选出5浇口浇注系统为最佳方案。

结合CAE 分析结果和实际生产经验，对该方案可 能存在的缺陷进行了优化设计，有效地提高了注塑模具设计效率，实现更好品质的产品生产。

［关键词］外壳体;CAE ；注塑;浇注系统;缺陷
［中图分类号］TQ320. 66 ［文献标志码］A ［文章编号］2095 - 7602(2020) 12 - 0024 - 06
浇注系统对塑件性能、外观及成型难易程度等都有很大影响,浇口位置的设定决定了聚合物的流动方向 和流动平衡性。

浇口数量和位置是浇注系统设计的重要环节，设计合理与否对注塑件质量的影响尤为突出。

合理的浇口位置可使产品质量得到显著提高,不合理的浇口位置则造成熔体充填不均,引起过保压、高剪切应 力、很差的熔接线性质和翘曲等一系列缺陷［1］ °通过CAE 模流分析可依设计方案有效地模拟出塑件可能存 在的质量问题，辅助设计者对比优化设计方案，较为准确地选出较佳的浇口数量和位置［2-3］，为整套模具设计 提供依据。

图1所示为某笔记本电脑外壳体，壳体总体尺寸为273. 5 mm X 166 mm X 16. 5 mm,平均壁厚约为
1.2 mm,最小壁厚仅为0.52 mm,塑件的内外表面多处带有侧凹、凸台和卡扣结构，属典型的复杂薄壳塑 件［4-5］，在生产中容易出现充不满、熔接痕和翘曲等缺陷问题，本文以此为例运用CAE 模流分析技术对多种 浇注系统设计方案进行模拟分析比较,从而得出最佳的设计方案。

( a) 外表面结构 ( b) 内表面结构
图1产品结构图
1浇口位置的初步确定
将外壳体CAD 模型文件转化为STL 格式导入Moldflow 模流分析软件中，然后对其进行双面式的网格模 型划分。

Moldflow/MPI 最佳浇口位置预分析对于单点进浇零件可以很好地模拟出浇口的位置，而对于需要采［收稿日期］2020 -04 -29
［基金项目］福建省中青年教师教育科研项目“壳罩件的注塑成型CAE 技术研究”(JA15696)
［作者简介］魏清兰，女，讲师，硕士，从事模具设计与制造研究。

用多点进浇的复杂薄壳塑件，在实际设计中往往根据塑件的特点及浇注系统的设计原则，常采用预先给定几 个进浇口然后再进行最佳浇口位置的预分析，从而获得该塑件浇口位置的设置情况「6］。

笔记本电脑外壳体 常用的塑料材料有ABS/PC 和PC 两种,ABS/PC 塑料具有ABS 的易加工性和PC 的优良抗冲击性和耐热性及 优异的流动性，根据生产实际，选择型号为Cyco1oy C6600 GE 的ABS/PC 作为外壳体的原料。

综合生产经验 及制品的质量要求,初步设置图2(a)所示的浇口于塑件上表面四个角的凸台位置，一是保证塑件在4个方位 均有进料;二是4个凸台为笔记本电脑的支脚，不影响塑件的外观。

图2(b)所示的CAE 分析结果表明，在现 有的4个进浇口基础上，图中画圈颜色较深区域的浇注质量还可提高，因此增加图2(c)和图2(d)所示的两 种方案，并就三种方案在塑件成型充填过程各个要素通过CAE 分析进行综合比较，从而确定出最佳浇注系统 设计方案。

(a)方案一：4个浇口(b)方案一流动分析结果
(c)方案二：5个浇口(d)方案三：6个浇口
图2浇口位置方案
2浇口位置对充填结果的比较分析
2. 1 填充时间比较
为了保证制件质量，塑料熔融体必须被确保填充完全，图3所示的三种方案都能将制件充满，方案一的填 充时间为0.876 1 s,方案二的填充时间为0.779 9 s,方案三的填充时间为1.067 0 s o 可见，就填充情况进行比较,方案二所需的填充时间最短，可以减少成型时间，缩短生产周期。

Fill time
0.6571
.4381
0.2190
0.0000
0.8761.=0.8762[s]( a) 方案一Fill time
=0.7800[s]
[s]0.7799 ■
( c) 方案三
( b) 方案二图3填充时间
2.2气穴位置比较
气穴的存在将会造成不完全填充和保压,影响制品成型，并且经常会使困气区域温度升高，造成制件表面
灼伤，影响制件脱模后的质量。

图4所示的方案二气穴出现最少，且气穴生成的位置大部分在模具型腔镶拼 处,可利用镶拼间隙排气，降低了气穴对塑件表面的影响，此方案为最佳。

(a)方案一气穴明显处
(b)方案二图4气穴情况
(c)方案三
2.3熔接痕位置比较
图5所示的三种浇注方案所形成的熔接痕中，方案一虽熔接痕最少,但塑件中间有两条较长的熔接痕且 其位置近乎同一直线，此现象容易使制件对半断裂,方案二的熔接痕相比方案一多一些,但其长度均较短且制 品的主要受力区熔接痕较少,对制件的质量影响较小,显然优于方案一，方案三的熔接痕数多于方案二且较明 显，影响了制件的外观质量，此方案最差°
(a)方案一 (b)方案二 (c)方案三
图5熔接痕
2.4熔体流动前沿温度比较
在塑件的成型过程中要确保熔体流动前沿的温度保持在塑料聚合体所要求的使用范围内。

图6所示的 三种方案中塑料熔体流动前沿的温度范围分别为240. 5°C 〜264.9°C 、181.5°C 〜263. 3°C 、118. 2兀〜263.4兀， 且从图6可知，方案一的温差变化范围小，其变化的区域较方案二、方案三多，而方案二除圆圈点处的温度较 低,其余的温差变化较方案一小,方案三与方案二类似，圆圈处温度较低，但温差变化较方案二大°
(a) 方案一(b) 方案二( c) 方案三
图6熔体前沿温度
2.5缩痕指数比较
缩痕指数给出了制件上产生缩痕的相对可能性，其值越高表明缩痕或缩孔出现的可能性越大。

图7所示 的最大缩痕指数，方案一为2. 177%，方案二为2. 854%，方案三为0. 897%。

从分析结果看，方案三整体色彩 均匀，且缩痕指数值较小，出现缩痕或缩孔的可能性最小。

(a)方案一Sink index =2.854|9«](b)方案二Sink index
(c)方案三
图7制件表面缩痕情况
2.6翘曲变形分析比较
翘曲变形是复杂薄壳塑件主要的制品缺陷之一。

翘曲变形不但影响制品的外观，而且会使出模后塑件的 尺寸超出公差范围,影响产品的装配精度「7]o 由图8所示，方案一制品的最大翘曲变形为0.807 9 mm ；方案 二为0.994 7 mm ；方案三为1. 108 0 mm 。

显然方案一、方案二制品的总体翘曲变形量较小，产生较大翘曲部 分对塑件的装配精度影响较小,方案二虽略大一些但在合理范围内，两个方案均可取。

(a) 方案一 (b) 方案二 (c) 方案三
图8翘曲总体变形量
2.7锁模力大小比较
锁模力是选择注塑成型设备的重要参数之一，注塑所需的锁模力越大，设备的额定参数就越高,规格就越 高。

注塑时，锁模力会随着型腔的充填而逐渐变化，熔体流动性越好，需要的锁模力也就越小。

同一塑件,设 计不同型腔或浇注系统，充填所需的压力可能不一样,锁模力大小也不同。

从图9所示三种浇注方案的锁模 力分析结果可以得知，方案一成型所需的最大锁模力为3 200 kN(在1.286 s 时)；方案二成型所需的最大锁 模力为2 700 kN(在1.19 s 时)；方案三成型所需的最大锁模力为3 100 kN(在1.272 s 时)，显然方案二的锁 模力最小,说明选用较小规格的成型设备即可，能够相对降低生产成本。

3 000
2 500
2 000
1 500
1 000
500
5.00 7.50
时间人10.00 12.50 15.00°0 2.50 5.00 7.50时间/s 10.00 12.50
( a) 方案一(b)方案二
图9锁模力
3方案优化
综合上述CAE 分析结果并结合实际生产可知,5浇口浇注(方案二)为最佳浇口设计方案。

在上述CAE 分析结果中，方案二在图6中圆圈点处可能产生缺陷,但从图6分析结果看，该缺陷产生可能性很小。

为了提 高注塑模具设计效率,使该可能缺陷尽量较小及避免，在模具结构设计时在该处设计镶件助于排气,减小熔体 流动阻力来减小缺陷存在的可能性，此外也可以通过调整注塑工艺参数等方法加以解决⑻°而对于图7所示 的方案二可能产生的缩痕缺陷，虽可能性也极小,基本不影响产品质量，但为了实际生产中能够生产出品质更 好的产品,可通过保压调节来解决问题[9] °
图10(a)和(b)所示为依据CAE 分析结果及优化设计方案，结合实际设计经验，运用Creo 软件进行设计 而最终制造出的符合生产需求的模具。

图10(c)所示为模具实际生产出来的产品，经检验该样品不存在注塑 缺陷,满足实际生产需求。

(a)定模(圆圈处为浇口位置)(b)动模(c)制品
图10模具与制品
4结论
结合生产经验拟定4浇口、5浇口和6浇口三种浇注系统设计方案,利用Mo1df1ow 软件对各方案注塑成 型过程的填充时间、气穴、熔接痕、熔体流动前沿温度、缩痕指数和翘曲变形等进行综合分析比较，最终优选出 5浇口浇注为最佳设计方案，有效地解决笔记本电脑外壳体的复杂薄壳化塑件在生产中容易存在充不满、熔 接痕和翘曲等缺陷问题，提高模具设计效率，为行业薄壳化塑件的注塑成型提供借鉴。

[参考文献]
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Optimal Design of Injection Gate for Notebook Outer Shell Based on CAE Technology
WEI Qing - 1an , LIN Ming - shan
(Co11ege of Mechanica1 Engineering , Zhangzhou Institute of Techno1ogy , Zhangzhou 363000 , China)
Abstract : In view of interna1 and externa1 surface with 1atera1 concave , convex sets and the retaining structure of typica1 comp1ex she11 notebook computer outer she11, there are many defects such as fi11ing dissatisfaction , mu1ti - we1d mark and warping in the production , by using CAE mo1d f1ow ana1ysis techno1ogy , the fi11ing time , warping deformation , me1t f1ow front temperature , we1d marks and other processes of three different pouring system schemes of injection mo1ding, inc1uding four gates, five gates and six gates, were ana1yzed and compared , and the optima1 scheme was se1ected for the five gates pouring system. Based on CAE ana1ysis resu1ts and actua1 produc ­tion experience, the possib1e defects of the scheme were optimized, effective1y improve the efficiency of the injection mo1d design, better qua1ity products.
Key words : outer she11 ； CAE ； injection ； gating system ； defect。