基于 CAE 的手机壳体注塑分析和优化设计
40 Die and Mould Technology No.4 2006
文章编号 1001-4934(2006)04-0040-04
基于 CAE 的手机壳体注塑分析和优化设计
张 涛 郭志英
上海交通大学 材料科学与工程学院 上海 200030
摘 要 通过 CAE 模流分析 在产品设计过程中预测可能出现的缺陷 对手机塑料壳体进
行注塑分析和壁厚实验设计 优化了手机壳体的结构强度 提高手机设计的质量和效率
关键词 手机 CAE 优化设计
中图分类号 TG391.7 文献标识码 B
Abstract Probable defect was predicted through CAE-based injection process analysis In
order to improve design quality and efficiency of mobile phone product numerical simulation
was applied for injection molding analysis and DOE technique was adopted for wall thickness
experiment to optimize the structure strength of mobile phone housing
Keywords mobile phone CAE optimization
收稿日期 2006-03-28
作者简介 张 涛 1973 男 工程师
0 引言
在市场经济条件下 产品的质量与成本已成
为企业生存发展的生命线 实践证明 注塑 CAE
技术对加快新产品开发 提高产品质量 降低成
本起着关键作用[1] 手机壳体的结构强度和外观
质量是手机的重要部件 本文主要从两方面来对
手机壳体进行分析和设计优化 1 注塑分析
包括浇口位置优化分析 填充分析和翘曲分
析 2 手机壳体厚度的实验设计优化 DOE
Design of Experiments
1 手机壳体注塑分析
手机壳体结构设计合理性 模具设计合理性
以及成型工艺等因素常常会导致产品研发周期延
长 成本增加 借助计算机辅助工程模拟流动分
析软件Moldflow 在综合分析的基础上对塑料件
几何尺寸和成型工艺进行优化 可以在设计阶段
有效地解决可能出现的质量问题 降低研发成
本 手机壳体注塑分析包括 浇口位置分析优
化 充填分析和翘曲分析
1.1 浇口位置分析优化
选用GE Lexan EXL 1414 PC 作为分析材
料 Pro/E作为建模软件 Moldflow作为模拟分
析软件 分析目标为手机前壳 壳体平均设计壁
厚为 1mm 优化结果如图 1 所示
图 1 最佳浇口位置范围
模 具 技 术 2006.No.4 41
图 2 浇口位置
利用 Moldflow 的最佳浇口优化设计 可看
出最佳浇口位置在 LCD 窗口左右 但是 考虑
壳体结构较复杂而且是薄壁件 根据优化结果
模具设计采用 2 个浇口进胶 进胶位置如图 2 所
示 两浇口设计带来流体温度 注射压力 熔接
痕等方面的改善 提高了塑件质量
1.2 充填分析
采用 Moldflow 默认浇注系统和注塑工艺设
置 对模型进行充填分析 分析结果如下
图3表示流动前沿的温度分布情况 从图中
可以看出流动前沿的温度分布比较均匀 但是在
图中的圆圈标示处 温度较低 浇口位置和大小
还需要进行微调
图 3 流动前沿温度
图 4 熔接痕分布
从充填分析结果可以看出 采用 2 个浇口
后流动是平衡的 没有出现短射等成型问题
同时注射压力 锁模力也较低 降低了制件生
产对注塑机的参数要求 但是 熔接痕分布不
太理想 一些关键部位出现的熔接痕会削弱产
品强度
1.3 翘曲分析
采用 Moldflow 默认浇注系统和注塑工艺设
置 对模型进行翘曲分析 结果如下
图 5 表示了 x 方向的翘曲情况 显示比例为
10 x 向最大翘曲值为 0.16mm 图 6 表示了 y
方向的翘曲情况 显示比例为10 y向最大翘曲
值为 0.2mm 图 7 表示了 z 方向的翘曲情况 显
示比例为 10 z 向最大翘曲值为 0.2mm
从翘曲分析结果可以看出 y 向和 z 向翘曲
较大 这是由于大的 LCD 窗口使料只能沿两条
狭长区域流动造成的
分析流动和翘曲结果 制品设计和模具需要
进行以下几点变更
1 从熔接痕分布图可知 在制品 LCD 窗
口右上角和左下角 存在危险区域 在产品设计
和模具设计时 修改产品局部壁厚并调节浇口位
置 使熔接痕分布于非危险截面 提高产品强度
图 4 表示了熔接痕的分布情况 可以看出
在图中圆圈标示处存在因熔接痕集中分布而使强
度降低的危险截面
图 5 x 方向翘曲 图 6 y 方向翘曲 图 7 z 方向翘曲
42 Die and Mould Technology No.4 2006
和外观质量
2 翘曲分析结果中 y 向和 z 向翘曲较大
在模具设计时 调节冷却系统 使制品均匀收缩
3 增加 LCD 窗口左右壁处的加强筋数量
使熔体在此处的流动加强 这样不仅能使流动前
沿的温度更加均匀 熔接痕分布更加合理 而且
减少因收缩不均匀在 LCD 窗口左右壁处产生的
翘曲量
2 手机壳体厚度的实验设计优化 DOE
Design of Experiments
Moldflow 中的 DOE 提供了两种实验设计方
法 Taguchi和Factorial实验设计 Taguchi方法
通过运行数目较少的一组优化实验 确定出对实
验目标的影响最大的实验参数 Factorial方法运行
的实验数目要大于Taguchi方法中运行的实验 它
用以确定实验参数的最佳实验水平组合[2]
首先使用 Taguchi 方法确定出对实验目标
的影响最大的实验参数 然后使用Factorial方
法确定实验参数的最佳实验水平组合 分别对
填充 Fill 和流动 Flow 进行优化 DOE填
充 Fill 和DOE流动 Flow 的优化目标为确
定手机壳体的最佳壁厚 保证设计的强度和经
济性 提高设计质量 设计变量为注射时间 膨
胀/压缩注射设置 壁厚增量 设计变量的值如
表 1 所示
在图8中 横坐标表示壁厚变化 纵坐标表
示流动前沿温度值 可以看出当壁厚为 1.15mm
左右时流动前沿温度值最高 熔体流动性最好
壁厚大于或小于 1.15mm 时流动前沿的温度值都
低于 1.15mm 左右时流动前沿的温度值
表 1 设计变量值
设计变量
注射时间
膨胀/压缩注射设置
壁厚增量
Taguchi定级方法
流动前沿温度标准权重
剪切应力标准权重
注射压力标准权重
值
自动
自动
增加 40%
基于整个范围
1
1
1
DOE 高级选项
图8 DOE填充 Fill 分析 壁厚对流动前沿温度
图9 DOE流动 Flow 分析 壁厚对体积收缩变量
在图 10 中 横坐标表示壁厚变化 纵坐标
表示收缩指数 可以看出当壁厚为 1.2mm 左右
时收缩指数最大
因为优化目标是确定手机壳体的最佳壁厚
所以设定注射时间和膨胀 / 压缩注射设置为自
动 壁厚增量值为在40%范围内变化 优化的结
果如下所示
在图9中 横坐标表示壁厚变化 纵坐标表
示体积收缩变量 可以看出当壁厚为 1.3mm 左
右时体积收缩变量最小 当壁厚大于或小于
1.3mm左右时 体积收缩变量都增大 这表示当
壁厚为 1.3mm 左右时产品的收缩最均匀
图10 DOE流动 Flow 分析 壁厚对收缩指数
在图11中 横坐标表示壁厚变化 纵坐标表
模 具 技 术 2006.No.4 43
示剪切应力 可以看出当壁厚为 0.95mm 左右时
剪切应力最大 当壁厚大于 0.95mm 后 剪切应
力逐渐减小
最佳效果的实验参数组合
3 结论
针对手机产品的特点 研究了将浇口位置分
析 充填分析 翘曲分析和 DOE 分析优化 实
验设计分析 相结合的优化设计方法 在设计前
期避免将来成型时产品可能出现的缺陷 利用
Moldflow 的 DOE 技术 优化了制件的结构和平
均壁厚 在保证制件性能和功能的前提下 节省
了材料 从而提高了产品设计的质量和效率
参考文献
[1] 李海梅 高 锋 申长雨 注塑中的CAE技术[J] 工程
塑料应用 2004 32 1 59~63
[2] 单 岩 王 蓓 王 刚 Moldflow模具分析技术基础
[M] 北京 清华大学出版社 2004
图11 DOE流动 Flow 分析 壁厚对剪切应力
比值均可按 6 进行工艺设计
镦头用坯料 棒料 的材料规格 fD 的确定
可按下式计算求得
式中 V 镦头后锻坯件的体积 D 2R
r 坯料 L1 部位的小端半径
1.4 镦头工艺试验中对镦头模的改进措施
在R10系列叶片镦头模试模过程中有部分产
品出现镦弯现象 造成镦头后的折迭缺陷 针对
这样缺陷的产品 对其重新进行长径镦粗比的验
证 其比值略大于 6 但往往某些品种的比值小
于 6 较多时 也同样会出现镦头时的镦弯现象
虽然对其中存在的影响因素进行原因分析时 发
现了前面所述的4种影响因素都存在不同程度的
影响 为了不影响R10系列叶片批生产的生产周
期 最有效的镦头工艺改进措施就是改善L1 与D
的镦粗比值 就是在镦头坯料的材料规格不变
的情况下 缩短 L 2 的长度 通过改变 L 1 部位
的圆锥度 a 的度数适当缩小 来增长 L 1 的长
度 这样使得镦头工艺中的镦弯现象有了明显
的改善 确保了后续叶片的镦头制坯顺利进行
2 结论
R10 系列叶片锻造的镦头工艺 虽然在 R10
系列叶片的制坯中取得成功的运用 但目前叶片
锻件的材料利用率仍较偏低 这有待于在首批叶
片批生产完成的基础上进行总结 对镦头制坯工
艺进行进一步的改进 在保证叶片锻件产品质量
的基础上 努力提高叶片锻件的材料利用率
参考文献
[1] 洪深泽 挤压工艺及模具设计[M] 北京 机械工业出
版社 1996
[2] 张志文 叶片锻造[M] 西安 西安交通大学出版社
1987
[3] 中国机械工程学会模锻学会 模锻手册 第1卷 [M]
北京 机械工业出版社 1993
上接第 39 页
由分析优化结果可以看出制件的平均壁厚为
1.25mm 时 流动前沿温度 体积收缩变量 收
缩指数以及剪切应力得到最佳水平 所以制件的
最优壁厚为 1.25mm 同传统的实验方法相比
DOE 不仅节省了时间和精力 而且利用最少的实
验获得覆盖面非常广泛的实验结果 得到了产生
基于 CAE 的手机壳体注塑分析和优化设计.pdf
