基于DFM的注塑零件设计与分析

牛文杰

NIU Wen-jie

（中国石油大学（华东） 机电工程学院，青岛 266555）

0 引言

面向制造的设计技术(DFM，Design for Manufacturing)是一种面向产品制造的设计思想和方法。DFM方法在设计阶段既综合评估与制造有关的设备、工艺等因素，全面评价并及时改进产品的设计，从而得到可制造的最优设计方案，为一次设计即能生产制造提供了可能，在提高产品质量的同时缩短了开发周期[1]。注塑产品在设计阶段就必须考虑注塑工艺对塑料制件质量的影响，所以将DFM技术引入到注塑产品的设计过程中对提高模具设计水平，减少试模修模的成本具有重要意义。

1 设计流程及体系框架

面向DFM的注塑件设计需要跨设计和制造环节的开发平台的支持，CAD/CAE技术和集成技术的发展和应用为面向DFM的模具设计提供了技术支撑[2,3]。CAD软件可以实现塑料制件基于尺寸和特征驱动的三维设计，方便了零部件的修改。CAE技术可以帮助工艺人员在产品造型阶段对制件注塑工艺的可行性及存在的缺陷进行评估，设计人员可根据反馈信息及时修改和完善设计方案[4]。本文以具有良好数据接口的CAD软件Solidworks和模流分析软件Moldflow为软件平台构建了基于DFM的塑料制件设计流程体系及框架，如图1所示。

图1 基于DFM的注塑件设计流程体系及框架

本文利用上述面向制造的注塑产品设计流程体系和框架，以某手机前面板制件为例，验证了DFM方法在提高注塑模设计质量和效率中的重要作用。

2 手机面板CAD模型

本文在solidwors软件平台下根据设计要求采用“TOP-DOWN”的设计方法，建立了如图2所示的手机外壳前面板模型。Solidworks基于特征建模的方法和尺寸驱动功能为模型的设计和改进提供了便捷的手段。Solidworks软件提供了模具设计工具，利用该工具可以方便的形成型腔、流道并进行分模操作。而且solidworks软件采用了parosolid内核，使其与其他软件具有良好的接口和数据交换性能，在与其它软件集成时更为方便和可靠。

模型构建完成后，利用文件转换接口保存为STL格式作为与模流分析软件交换的中间文件。

图2 手机前面板模型

3 注塑工艺分析

将模型中间文件导入Moldflow，根据生产工艺要求设置为一模四腔，建立主浇口、主流道及分流道，采用了点浇口以保证制件的表面质量。设置的流道及冷却水道形式如图3所示。

图3 流道及冷却水道设置

为节约分析时间，网格密度设为1-2.5倍壁厚，设置网格边长2mm。对网格进行检查与修正后得到的制件网格模型如图4所示。

图4 制件网格模型

注塑材料选择选取PC+ABS，注塑机的型号为XS-ZY-125，注塑工艺参数设置如表1所示。

表1 注塑工艺参数

3.1 填充分析

填充分析用于检查注塑过程中填充工艺是否合理，填充是否平衡，是否发生短射现象等。Moldflow提供了动态查看填充过程的功能，用户可以方便的查看熔体随时间在型腔内填充的过程。图5为充模过程分析结果，结果表明制件在0.5978s即完成填充，未发生短射现象，说明浇注系统的布置和参数的选择是合理的。

图5 填充过程分析

3.2 气穴及熔接痕分析

由于气穴和熔接痕对制件的表面质量和强度有较大影响，所以在考虑注塑工艺时必须进行气穴和熔接痕的分析。图6、图7分别是气穴和熔接痕分析的结果。从分析结果上看，在前面板的连接部位及壁厚较大的听筒位置有较多气穴，而在键盘位置和听筒位置熔接痕较多。气穴可通过增加保压压力和开排气孔方法消除，熔接痕可通过提高模温更改浇口位置的方法消除。

图6 气穴分析

图7 熔接痕分析

3.3 翘曲分析

翘曲分析可以评估制件成型后的收缩率和变形量，为冷却系统的设计和制件结构的改进提供参照，翘曲分析结果如图6所示。由分析结果可见，翘曲变形最大为0.5951 mm，发生在听筒位置。由制件的结构尺寸可知，翘曲的是由于该处厚度较大，熔体收缩时发生较大的收缩引起的。注塑压力提高到170MP，保压时间延长5s后仍有0.4962mm的收缩，所以需减小该处的壁厚，更改制件结构。

图8 翘曲分析

图9 听筒结构改进

修改后的结构如图9所示，壁厚减薄至0.65mm，最大翘曲变形降至0.0641mm，取得了较好的效果。

4 结束语

注塑工艺对塑料产品的注射成型有较大影响，本文将面向制造的设计方法引入到塑料产品的设计过程，在设计阶段既考虑产品注塑成型中结构对塑件填充、翘曲以及气穴、熔接痕的影响，并改进设计，消除工艺不合理结构对塑件成型的影响，减少了试模、修模的成本，缩短了开发周期，取得了良好效果。

[1]宋红文,夏季,刘继光.基于DFM三维振动强化抛光装置优化设计[J].机械设计,2005,22(4):33-35.

[2]王静.基于CAE分析的塑料框架注塑模设计[J].塑料科技,2010,38(8):68-71.

[3]刘细芬,张帆.CAD/CAE技术在注射模设计中的应用[J].现代塑料加工应用,2009,21(4):55-58.

[4]石从继,黄海,基于CAD/CAM的电话筒模具设计与制造[J].制造业自动化,2010,32(9):95-97.