1 引言
由于塑料制品的多样性、复杂性及设计者经验的局限性，很难精确地设计出一套可降低成本、节省时间、提高塑件质量及保证成品合格率的成型工艺方案。传统的塑件开发及其成型模具的设计依靠设计人员的经验进行，从设计到修改再到设计，需要反复迭代，不断优化。若在模具设计过程中运用CAE技术，通过模拟塑件的成型过程能够辅助设计人员设计出精确、高效的模具，从而达到提高模具设计质量、降低模具成本、缩短模具交付工期的目的，节约了时间和成本。现以纯平显示器面板注射模为例，介绍CAE技术在模具设计中的应用。
2 塑件分析
图1所示纯平显示器面板可分为面板(425mm*390mm*25mm)和底座(290mm*200mm*20mm)两部分，外观质量要求表面光滑，光泽好，无明显的成型痕迹和缺陷（如飞边、缩痕），而底座及内表面作为不可见部分，对质量要求没有外观可见部分高。塑件形状复杂，有很多孔和加强筋，容易出现熔接痕、气穴以及冷却不均导致的翘曲变形等缺陷。正确设计浇注系统、冷却系统是该模具设计的难点。
图1 纯平显示器面板
3 CAE分析
3.1分析前处理
将塑件模型通过MDL导入到MPI模块中。纯平显示器面板属薄壁件，在导入模型时采用Fusion网格对模型进行网格划分。为了保证分析结果尽量准确，需对所得网格进行修改、优化。网格统计信息为：三角形单元数92737，最大纵横比9.99，平均纵横比2.24，匹配率为90.6%。
塑件材料选用聚苯乙烯(HIPS)，成型工艺参数为：熔体温度220℃，模具表面温度50℃，其余采用默认值。
3.2填充分析
为了不影响塑件外观质量，采用潜伏式点浇口(浇口直径φ2mm，分流道直径φ8mm)进料。由于塑件体积较大，需填充熔体较多，设计3浇口、4浇口、5浇口3种方案，从中选择最优方案。3种浇注方案如图2所示。
图2 浇注方案
3.2.1填充时间
分析3种方案的填充时间，从图3可以看出，熔体到达型腔各处末端的时间方案一最接近，即填充相对最平衡。
图3 填充时间
3.2.2熔体前沿温度
3种方案的熔体前沿温度如图4所示，前沿温差分别为10.2、17.1、17.9℃，前沿温差较低的对填充最有利，故方案一较优。
图4 熔体前沿温度分布
3.2.3V/P转换点压力分布
图5所示是3种方案的V/P（注射速度/保压压力）转换点压力分布状态图，V/P转换点压力分别为74.67、67.51、80.37MPa，都不太高。方案一压力分布均匀，熔体流动基本平衡；方案二底座大部分区域压力较低，可能造成保压不足而收缩率过大；方案三压力分布普遍较高，底部浇口附近最高，可能造成过保压，出现飞边。综合比较，方案一最合理。
图5 VIP转换点压力分布
3.2.4熔接痕分布
图6所示为3种方案的熔接痕分布，方案一只有3条主熔接痕，所处位置对塑件性能影响不大；方案二有4条主熔接痕，均处于塑件四角对角线上，对塑件力学性能影响较大，底部两角处熔接痕特别长，严重影响塑件承力能力；方案三有5条熔接痕，4条所处位置同方案二一致。分析熔接痕处熔体前沿温度，方案一稍低，只比熔体温度(220℃)低2~3℃，熔接痕处熔体温度可以保证。综合考虑，方案一较佳。
图6 熔接痕分布
通过以上分析结果可知，方案一为最优方案，因此以方案一对塑件进行翘曲变形分析。
3.3冷却、流动、翘曲变形分析
分析塑件达到顶出温度时（未创建冷却水道）所用时间，塑件底座时间较长，原因是底座厚度较面板大，因此底座需加强冷却。考虑模具结构、冷却水道布置及塑件冷却要求，采用5组冷却水道。分别布置于底座上、下面、面板上、下面、面板四周，水道布置如图7所示。基本参数同填充分析一致，注射+保压+冷却时间设为30s，其他参数采用默认设置。
图7 冷却水道布置
冷却分析结果主要从回路水温变化、回路管壁温度、塑件到达顶出温度时间、平均塑件温度、冷却不均等引起的翘曲变形几个方面讨论。图8(a)所示回路水温差2.3℃，水温最高处于底座冷却水道1（见图7），原因为该水道路径较长，底座热量大；图8(b)为回路管壁温度，温差4.61℃，处于5℃以内，较合理。由图8(c)可知，塑件达到顶出温度时间较长，达129.8s，而底座上部仍处于未冷却状态，原因为水道设计不合理，不能实现快速冷却。分析塑件平均温度如图8(d)所示，同样是底座上部区域较高，原因同样是冷却水道设计不合理。由图8(e)可知，塑件冷却不均引起的变形量为0.0064—0.5391mm，而底座尾部变形量达到最大，将会造成塑件向内收缩而引起翘曲变形。
图8 冷却分析
综合以上分析，该水路设置不合理，底座上部水道2离塑件距离远，而该区域恰好处于浇口附近，且存在壁厚较大部分，以上结果均证实该处存在冷却问题；对于底座尾部翘曲变形严重也是由于水道1设置不合理造成的。
基于上述水道设计缺陷，重新设计冷却水道1、2。水道1进出水方向设置于底座另一边；水道2底座上部采用翻水孔，缩短水路至塑件表面距离，冷却的浇口位置距离水道达到最短，改进的冷却水道如图9所示。
图9 改进的冷却水道
对比改进的冷却水道前5组数据，回路水温差降低至1.54℃；管壁温度差同样有所降低；塑件达到顶出温度时间大幅度降低，为78s，对于该类大型塑件，冷却时间可以接受；塑件平均温度分布较均匀；冷却不均引起的翘曲变形量为0.0025-0.2596mm，最大值减半。综合考虑，优化后水道布置合理。
4 模具设计
利用Pro/E软件并综合了Moldflow分析结果，完成了模具设计，模具结构如图10所示。塑件内外皆需侧抽芯，外侧直接采用普通斜导柱抽芯，斜导柱固定于定模侧，滑块及导滑槽安装于动模。考虑侧滑块成型面积大，承受熔体压力大，特设置双楔紧块，防止锁紧力不足而溢料。内侧滑块采用传统布置方式会导致无法实现抽芯或生产塑件时操作不便等问题，因此采用斜导柱、滑块均布置于动模侧。开模时，在弹簧作用下定距分型面打开，定距拉杆控制分型距离完成内抽芯；紧接着主分型面打开。在动模后退的过程中，开模力通过斜导柱作用于侧型芯滑块，侧型芯滑块随动模后退并在导滑槽内向外滑动，直至滑块与塑件完全脱开，侧抽芯动作完成。塑件包在型芯上继续后移，直至注塑机顶杆与模具推板接触，推出机构开始工作，推杆将塑件从型芯上推出。合模时，借助弹簧使推出机构先复位，斜导柱使型芯滑块向内移动，最后完成合模。
图10 模具结构
5 结束语
CAE软件应用于塑件的开发和注射模的优化设计中不仅缩短了塑件的开发周期，而且提高了模具设计的效率。在纯平显示器面板的模具设计中，将Pro/E中的注射模设计模块和Moldflow的CAE分析功能综合使用，避免了模具设计完成后反复试模和修模的过程，提高了模具的开发效率，降低了模具制造成本。
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本文标题：基于CAE的纯平显示器面板注射模设计
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