基于CAE技术蓝牙耳机的成型工艺分析

1注塑CAE技术简介

CAE技术从字面上理解是计算机辅助工程，是继计算机辅助设计CAD和计算机辅助制造CAM之后迅速发展起来的计算机工程应用的又一重要领域。早期的CAE系统主要用于机械设计中的力学分析，如ANASYS、NASTRAN系统等。20世纪80年代初，机械CAE技术中的有限元法（Finite Element Method，简称FEM）被成功地应用到注射成型过程分析，逐步形成了注射模CAE系统，如美国的C-MOLD、华中科大的HSCAE等。注射模CAE技术是力学、流体、热学、高分子材料、注射成型工艺、注射模设计、有限元分析和计算机等多学科相交叉的新兴学科，是根据塑料加工流变学和传热学的基本理论，建立塑料熔体在模腔中流动、传热的物理、数学模型，利用数值计算理论构造其求解方法，利用计算机图形学技术在屏幕上形象、直观地模拟出实际成型中熔体的动态填充、冷却等过程，定量地给出成型过程中的状态参数（如压力、温度、速度等）。在模具制造之前，在计算机上对模具设计方案进行分析和模拟，预测设计中潜在的缺陷，工程师根据注射模CAE系统的分析结果，结合自身的经验，对产品结构、模具的浇注系统、冷却系统及产品的注射工艺进行优化设计，从而减少试模次数，缩短模具设计、制造周期。因此，近年来注射模CAE技术受到了模具企业的广泛重视。

CAE技术中的有限元法就是利用假想的线(或面)将连续介质的内部和边界分割成有限大小的、有限数目的、离散的单元来研究。这样，就把原来一个连续的整体简化成有限个单元的体系，从而得到真实结构的近似模型。

对于三角形单元的三个节点i、j、k，设经过时间Δt后，节点沿x、y方向的位移为（ui，v i）、（uj，v j）、（uk，vk），三角形内任意一点（x，y）的位移是利用位移函数进行插值的。最简单的位移函数为线性多项式：

将节点i、j、k的坐标和位移带入式（1）中，求得各点的位移l1、l2、l3……。

利用线性位移函数式（2），在相邻单元之间的位移连续条件可自动满足。沿三角形边界的位移可由该边两节点的位移完全确定，故从该边内侧至外侧的位移是连续的。有限元法可采用矩阵形式表达，编制计算机程序并进行计算。由于分析的注塑件均为薄壁零件，故分析结果与实际成型非常接近。

2蓝牙耳机注塑CAE技术成型工艺分析

利用proE完成产品的三维造型以STL格式存储，再moldflow来分析计算。现以一款蓝牙耳机外壳为例说明其应用。

2.1分析前处理

首先，在moldflow中创建一个项目，导入蓝牙耳机的STL文件，打开，选择网格类型及尺寸单位，对零件进行网格划分，系统可以自动生成网格，然后手动修改网格缺陷。当网格匹配率达到90%时可得到可靠的分析结果。

（1）材料选择：本产品所用材料ABS在注塑成型时流动性好、成型收缩小、比热容低、塑化效果好、在模具中凝固快、冷却周期短,广泛用于家用电器的外壳和零部件等。根据产量和零件形状尺寸确定为一模两腔。

（2）浇口设计：浇口是连接流道和型腔之间的一段细短通道，是浇注系统的关键部位，其形状、尺寸、位置和数量对塑料制品的质量影响很大。本产品选用易自动去除的点浇口。一般设计者会根据资料所确定的原则，加上经验定出浇口位置和数量。利用CAE技术分析中Gate Location的分析结果可方便快捷确定浇口位置、数量。

（3）优化注塑工艺参数：影响注塑工艺的因素主要有温度、压力和时间。由于经验的局限性，工程技术人员很难精确地定出最合理的工艺参数、确定最优的工艺方案。借助CAE软件，可确定出最佳注射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间、保压压力和时间、冷却时间等。依照分析任务窗口（Study Tasks）中的顺序，设置分析类型及内容的次序后，进行成型分析。

2.2成型分析

2.2.1充填分析（Fill）

浇口位置初步确定好后,运用充模分析来模拟流动充模是否均匀。将充模模式设置为自动,得到分析结果如图1所示，可以看出,型腔内熔体的流动较均匀,充模较好,容易获得质量好的制品。说明浇口位置的设置是比较合理的。

2.2.2流动分析（FLOW）

注塑成型最重要的是控制塑料熔体的流动方式，以使塑件成型可靠、经济。CAE流动分析能帮助提前预测塑料熔体在模具中的流动情况及其填充可信度分析，这对模具设计是非常有利的。

2.2.3冷却过程的模拟计算（COOL）

通过分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管路的布局和工作条件，从而产生均匀冷却，并由此缩短成型周期，减少产品成型后的内应力。

2.2.4缺陷的预测

（1）翘曲分析：翘曲是由收缩变化过大引起的制件缺陷。原则上，翘曲不仅影响外形美观，严重的还会影响正常使用。从图2看，翘曲变形在允许变形范围内，不会影响塑件的使用性能和外观质量。

（2）气穴：气穴是由于熔体前沿汇聚而在制品内部或模腔表层形成的气泡。气穴的出现有可能导致短射的发生,在制品表面形成瑕疵,甚至可能由于气体压缩产生热量,出现焦痕。从图3气泡位置看,气体在充模时能自行逃逸,不会影响制品的质量。

（3）熔接痕:熔接痕产生于两股低温流头相遇的位置，熔接痕的出现会削弱制品的结构强度,在制品表面产生缺陷,在进行涂漆等后处理时较难处理。从图4中看,熔体流动均匀,成型后没有明显的熔接痕,不会影响塑件的使用性能和外观质量。

按照上述分析后，设计出相应模具，一次试模成功，完成蓝牙耳机批量生产。

3结束语

蓝牙耳机是功能性产品，又具有装饰、美观和个性化要求，为适应消费者个性需要，产品需要不断更新换代，这就要求模具的生产周期短、频、快，由于产品的多样性、复杂性和设计人员经验的局限性，传统的模具设计往往要经过反复试模、修模才能成功，影响了新产品开发周期。利用CAE软件，试模、修模可以在计算机上进行，大大提高了模具设计质量、缩短了模具加工制造周期，取得良好的经济效益。