双色显示器前壳注射模具设计

摘 要

　　随着人们生活水平的不断提高及科学技术的不断进步，人们对于消费产品的款式及使用性能的要求越来越高。因此双色注塑成型技术是顺应这一潮流而产生的特殊塑料成型方法，两种材料或不同颜色的材料通过一台注射机上的两个独立注射装置经过喷嘴流入模具型腔内形成单一的塑件。其成型产品具有外观美、结构强度好、品质稳定等特点。广泛应用于家电产品、汽车行业等。双色注塑模具在一次成型的前提下节省嵌件或包胶成型的工序，短周期内自动化生产，从根本上解决了传统包胶模注塑成型外观差、周期长、效率低等缺陷，大大提高了生产效率，节约了成本。

　　目前，作为一种前沿的成型工艺，双色注塑技术在国内正处于起步阶段，运用先进的计算机模拟技术模拟优化也是很少提到，本课题研究内容就是通过运用CAD/CAE 技术优化注塑成型工艺参数和注射模具结构，最终成型出高质量的双色液晶电视机前壳。

　　本课题以液晶电视机双色前壳为例，针对该双色前壳内外包覆的特点，确定选用转盘式双色注塑机成型，根据塑件的结构特点和对塑件外观质量的高要求，本文采用动定模倒装的方式，将顶出机构设置在定模侧，内外两层的浇注系统均采用热流道，并且采用针阀式浇口，这样不但第一次注射不会留有浇口疤痕，不影响第二次注射，而且注塑时流动性好，产品表面光泽。首先借助 Moldflow 软件对塑件浇口进行优化，确定最佳的浇口位置及数量。双色前壳质量的好坏不是但看外层或者内层质量情况，而是取决于两个塑件成型粘合相互作用后的情况，因此运用 MPI 模块的热塑性重叠注塑进行双色成型模拟分析，同时查看两次注射的分析结果，检查塑件有无短射、收缩等潜在缺陷，以及两次注塑成型过程温度上的影响，内外层的最大体积收缩情况等。针对该塑件在热塑性重叠注塑中出现的问题，将模拟分析与正交实验法相结合，选取对塑件影响较大的因素及因素水平，以缩痕指数及顶出时体积收缩率为实验指标，优化注塑工艺参数。采用极差分析法确定影响塑件的主控因素与影响程度，得到最优工艺参数组合，并通过模拟实验进行验证。最后运用 Pro/E 软件对塑件模具整体结构进行三维造型设计。

　　关键词：双色前壳 模流分析 注塑CAE 正交试验 双色注射模

ABSTRACT

　　With the improvement of people's living standard and the continuous progress of science and technology, people for the design of consumer products and use of performance requirements more and more high. Therefore, double color injection is a special method of plastic molding, two kinds of material or different color material by two independent injection unit of an injection molding machine passing through the nozzle into the mod cavity to form a single piece of plastic. Its molding product has beautiful appearance, good structural strength, stable quality, etc. Widely used in home appliances, automobile industry and etc. Under the premise of a molding, double color injection mold save the insert or encapsulation molding process, and short cycle automation production, resolve the defects of poor appearance and longcycle and low efficiency of the traditional overmold injection molding from the fundamental, has greatly increased the production efficiency and save the cost.

　　At present, as a kind of advanced molding process, double color injection molding technology is at the starting stage in China, the use of advanced computer simulation and optimization is rarely mentioned, the content of this paper is through the use of CAD/CAE technology to optimize the parameter of injection molding process and injection mould structure, forming a high quality double color liquid crystal television front shell at the last.

　　LCD TV double color front shell as an example to research, according to the coated structure of a two-component cover, two-component injection molding machine with rotary plane was adopted to molding it. According to the structural characteristics of plastic parts and high requirements of appearance quality, use the way of moving and stationary mode flip, the ejection mechanism will be set against the side of fixed mold. Using hot runner gating system at outer and inner layer, and use the needle valve gate. The first injection not only won't leave gate scar, has no effect on the second injection, and has good fiuidity, the surface of products with giossy. Based on the flow analysis of Moldflow, the gate location was optimized firstly, to determine the best gate number and location. Double color front shell quality not only depends on the outer or inner quality, but depends on the two plastic molding adhesive interaction situation, therefore, using thermoplastic overlapping injection simulation analysis,while viewing the two injection analysis results at the same time, check the plastic parts have no short, shrinkage potential defects, and the temperature impact of the two injection molding process, the maximum volumetric shrinkage of the outer and inner layer. Forthe problems arising from the overlapping parts in thermoplastic injection molding, adopt the method of orthogonal experiment and the simulation analysis，select the influence factors and factor levels, make the sink index and ejection volume shrinkage as the experimental index, optimize the injection molding process parameters. By range analysis method to determine the main controlling factors and influence degree, to get the optimal process parameters, and experimental verification was carried out. Last, design the overall structure of the plastic mold by Pro/E software.

　　KEY WORDS: Double color front shell Moldflow analysis Injection molding CAE Orthogonal design Double-injection mold

　　双色注塑成型是一种特殊的塑料注塑成型方法，可称为顺序叠层注塑，主要是为了配合市场发展需求，成型出一些设计精巧、外型美观、具有良好实用性能的产品。在生活中到处可见双色塑料制品，如我们用的牙刷，汽车尾灯灯罩，家用电器等。双色注塑的产品由于是两种颜色或两种颜色两种材料成型而成的，确保两种材料在发生一些物理化学作用后依然具有较好的外观质量，是双色注塑成型的发展的困扰，因此要不断的优化双色注塑成型的工艺参数，设计合理的模具结构。

　　双色注塑技术起源于 Arburg 公司，此公司从 1961 年起开发多色注塑机，当时主要是为了充分提高双色组件的生产效率。主要的方法是插入再封装技术。

　　Arburg 的工程师考虑在同一个注塑周期内使用两套注射装置，这样就能够在一副模具内完成两种材料的注射，这一技术第一次用于全自动生产电话机拔号盘上，先注射第一个塑件后利用一个转动板将一插件插入到第一次成型的塑件内，然后在加入第二个制件，最后通过顶出机构进行脱模。此原理获得了专利而且成为现今双色注塑技术的基础。1963 年在德国 K 展览上出现了第一台多组分注塑机，多组分注塑成型技术最早应用与收银机和打字机的按键上。在 20 世纪 70 年代后有了比较成熟的生产工艺，在国外被广泛应用。

　　随着消费者对注塑制品使用性能及外观质量要求的不断提高，双色注塑技术也得到了长足的发展，新技术、新设备层出不穷。国外的许多公司如 Arburg、Engel、PRESMACorp、MGS Mfg、Ferromatik 等都在积极研发多色注塑设备，其中大多在国内也开设了分公司，为我国注塑设备制造市场添加了竞争新活力。随着国内消费品及工业品市场对多组分制品需求的不断增加，双色注塑技术逐渐成为国内设备制造商、研究院等研究领域的热点和重点，尤其是在汽车消费品及家用电器行业。如汽车零部件企业：江森自控、李尔、延峰伟世通等厂商；家电制造商：创维、海尔等，都在双色注塑技术上进行不断的研究及开发。

　　双色注塑可以进行多物料的生产，以提高产品的美观度及功能性，但是由于双色注塑机成本较昂贵而且模具设计精密、复杂，使得双色注塑机在中国的销售不是很乐观。因此对于要求不高的一些制品厂为了节约成本使用“假双色”工艺即手工装嵌成型或二次成型。双色注塑模具调试方便而且导向精度比较高，制品能够一次成型，节省嵌件或包胶成型的工序，生产周期 12~15s，自动化生产，从根本上解决了传统包胶模注塑成型外观差、周期长的缺陷，大大提高了生产效率，节约了成本。近年来，国内部分塑料制品行业者纷纷转向双色制品的发展。

　　随着双色注塑设备的更新，双色注射机的两个塑化装置位于定模板一侧呈平行状态或者其中一个在模具的一侧，两个呈垂直状态。中国国际塑料橡胶工业展览会上的注塑机呈现了“精密、高效、环保、节能”的发展趋势。

　　双色注塑成型技术随着双色成型设备的不断发展也在不断的更新进步。一些国外厂商通过将基本的成型技术进行“组合”使得双色现有技术得到丰富，如：

　　双色成型加模内组合（IMA）、双色成型加模内贴标（IML）、双色成型加叠层模（Stack Mold）、双色成型加夹层射出等，在一部注塑机上都可以完成。以下简单介绍前三种技术。

　　双色成型加模内组合（IMA）：使用多个注塑管，在被指定作为零部件不同部分的注塑模型内形成两种及两种以上材料的模内组装。此组装操作避免了焊接，省去了一些紧固方法，它不是在模具的外部将各个组件进行组装而是在模具内部将各个单独的部分组合成一个整体。双色成型加模内贴标（IML）：此技术是将印好的商标标签图像印章直接放入塑料铸模机内的铸模区域，通过注塑或吹塑使容器和标签结合在一起从而形成一个完整的包装容器。双色成型加叠层模（Stack Mold）：双色叠成式注塑模具的型腔分布在两个层面上，呈重叠式排列，相当于将两幅模具叠放组合在一起。

　　双色注塑原理：双色制品是由两种不同的塑料原料通过注塑机的两个独立注射装置分别注塑到模腔内成型为单一的注射产品。其常见的模具形式是两个不同的动模型腔对应两个相同的定模型腔，第二次注射成型的制品型腔体积要大于第一次注射成型的制品型腔体积，第一次注射成型后开模，然后利用注射机上的旋转机构带动动模旋转 180°，再合模进行第二种材料的注射。

　　在模具加工前，通过计算机对成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却等情况，预测模具设计和成型条件对制品的影响，发现可能的缺陷、找出缺陷产生的原因并加以改进，为判断模具设计和成型条件是否合理提供科学依据，提高一次试模的成功率、大大缩短开发周期，降低生产成本[3]。但是 CAE在我国模具行业还不普遍，在应用 CAE 进行模具方案设计和分析计算方面，我们才刚刚起步，大多还处于试用阶段。随着仿真分析环节在产品生命周期中地位日益提升，CAE 在越来越多的领域被更多的工程师所应用，CAE 的易用性也成为技术发展的必然趋势，运用 CAE 技术来指导产品设计已经是我国模具产业发展走向高端的一个必要趋势[4]。

　　在注塑设计中一般使用到的 CAD 软件有 Pro/E，UG 等，在本课题中主要运用 Pro/E 软件，设计出塑件的三维模型，而注塑 CAE 软件有 Moldflow，Ansys 等，在本文中主要使用到的软件是 Moldflow6.1。

　　Pro/Engineer 是三维软件由美国 PTC 开发的，包括了设计到生产的一款机械自动化软件，是新一代产品造型系统，具有单一的数据库功能。PTC 系列软件已经深入到机械及工业设计等各种领域，包括对大型装配体的制造、功能仿真、产品数据管理等。其版本主要有 Pro/E2001，Pro/E3.0，Pro/E4.0，本文使用的是Pro/E4.0。

　　Moldflow 软件可以将整个注塑过程模拟下来，而且能够分析查看在注塑过程中对产品所产生的影响。主要通过 CAE 模拟注塑成型，确定塑件的最佳浇口位置以及浇口数量等，还能够优化注塑工艺参数，具有较强的分析功能。

　　双色显示器前壳注射模具设计:

PMMA 推荐工艺

ABS/PC 推荐工艺

示意图

顶出时体积收缩率

缩痕指数

体积温度

壁上剪切应力

目录

　　1.绪论
　　　　1.1 双色注射成型技术及双色成型设备的发展现状
　　　　　　1.1.1 双色注射技术发展前沿技术
　　　　　　1.1.2 双色注塑原理
　　　　1.2 CAD/CAE 技术的发展现状
　　　　1.3 本课题研究意义及内容
　　　　　　1.3.1 本课题研究的意义
　　　　　　1.3.2 本课题研究的内容
　　2.注塑成型流动数值模拟理论
　　　　2.1 充模过程塑料熔体的粘度模型
　　　　2.2 充模过程的数学模型
　　　　　　2.2.1 粘性非牛顿流体力学基本方程
　　　　　　2.2.2 充模流动过程的假设与简化
　　　　　　2.2.3 薄壁型腔充填流动分析的控制方程
　　　　2.3 充模模拟的数值求解
　　　　　　2.3.1 几何离散
　　　　　　2.3.2 压力场
　　　　　　2.3.3 温度场数值计算
　　　　2.4 本章小结
　　3.基于 CAE 技术的浇注系统设计
　　　　3.1 塑料制件的工艺分析
　　　　3.2 CAE 分析前处理
　　　　　　3.2.1 工程创建与实体模型的导入
　　　　　　3.2.2 网格划分与修复
　　　　3.3 浇口设计方案
　　　　　　3.3.1 分析确定最佳浇口位置
　　　　　　3.3.2 浇口设计方案
　　　　3.4 模流分析确定最佳浇口设计方案
　　　　　　3.4.1 充填时间分析
　　　　　　3.4.2 熔接痕分析
　　　　　　3.4.3 气穴分布
　　　　　　3.4.4 顶出时的体积收缩率
　　　　　　3.4.5 壁上剪切应力
　　　　　　3.4.6 流动前沿处温度分析
　　　　　　3.4.7 翘曲变形分析
　　　　　　3.4.8 模拟结果分析
　　　　3.5 本章小结
　　4.基于 Moldflow-MPI 的双色注射成型分析
　　　　4.1 Moldflow6.1 软件简介
　　　　　　4.1.1 软件功能
　　　　　　4.1.2 Moldflow 功能模块的介绍
　　　　　　4.1.3 MPI 各子模块的功能
　　　　4.2 双色注塑成型分析
　　　　　　4.2.1 双色注射成型分析前处理
　　　　　　4.2.2 双色注射成型分析结果
　　　　4.3 本章小结
　　5.基于 Moldflow 及正交实验的注塑工艺参数的优化
　　　　5.1 正交实验设计
　　　　　　5.1.1 实验目标的确定
　　　　　　5.1.2 实验因素及水平的选择
　　　　　　5.1.3 正交实验设计
　　　　5.2 实验数据处理
　　　　5.3 最佳注塑工艺参数的确定
　　　　　　5.3.1 工艺参数影响性分析
　　　　　　5.3.2 最佳工艺参数的选择
　　　　5.4 最优方案结果验证
　　　　5.5 本章小结
　　6.基于 Pro/E 的双色注塑模具设计
　　　　6.1 模具三维设计概述
　　　　　　6.1.1 Pro/E 软件在模具设计中应用
　　　　　　6.1.2 Pro/ENGINEER 模具设计简介
　　　　6.2 双色液晶显示器前壳的三维模具设计
　　　　　　6.2.1 双色液晶显示器模具组件设计
　　　　　　6.2.2 模架设计
　　　　6.3 模具结构图
　　　　6.4 本章小结
　　7.结论与展望
　　参考文献
　　致谢

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