0 引言
手机外壳结构复杂、生产批量大，适合选用注塑模具生产。在塑料模具注塑成型过程中，塑料熔体在模具型腔内的流动与传热是一个非常复杂的物理过程。手机壳内侧有一些不利于开模的沿着侧向和横向的细小结构，使得手机壳注塑模具的注射成型过程更加复杂。按照传统的模具设计方法，只能凭借经验设计模具，并经过多次试模，不合理的结构还需反复进行修改和调整，这一过程缺乏科学的理论指导，导致模具生产周期长，成本高且质量难保证。
注塑模具有限元分析软件Moldflow可以直接导入三维设计软件UG创建的模具实体模型，通过对其进行网格划分和缺陷分析，并按设计要求在Moldflow软件中创建浇注系统和冷却系统，然后进行注射、保压、冷却、翘曲分析等注塑仿真试验。通过对各个试验环节结果进行分析，得出优化的注塑工艺参数，并对模具结构进行优化，避免模具设计制造过程中反复试、修模和进行参数调整，提高了一次性试模成功的概率，极大地节约人力、物力，缩短了产品生产和开发的周期，降低了制作成本，提高了制品的质量和生产率。
1 创建手机壳实体模型
应用三维设计UG软件，创建手机壳模型如图1所示。为了避免三维模型创建过程以及导入过程产生的丢失面、面的间隙过大等缺陷，以IGS或STL接收格式将手机壳模型导入注塑模具有限元分析Moldflow软件，同时使用Mlodflow辅助修复软件Moldflow CAD Doctor进行修复，使之更接近现实。
图1 手机壳模型
2 手机壳模具模流仿真分析
2.1 划分网格
有限元分析之前都需要划分网格，准确的网格划分决定了分析结果的准确性。网格越细越接近现实，当然要考虑计算机配置，不合理的网格划分可能要花费多倍的时间。根据产品的厚度为1mm，采用三角形单元初步划分网格为1.5mm，效果不太理想，进一步划分为1mm，网格统计的结果很好，自由边为0，交叉边为0，匹配率高达94%，不需要进一步细化网格，只需对边角处最大纵横比（>15%）的网格进行局部修改，修改后网格模型如图2所示。
图2 网格模型
2.2 选定注塑工艺条件和参数
手机壳是整个手机的支承骨架，对电子元器件起固定、承载和限位的作用，壳体塑件材料选（tai-da 6003）ABS。又因为手机壳体积小，表面不可以有浇口痕迹，所以选择点浇口对称式进浇方式，模具为三板模，小水口，考虑到效率一模可以做反向两腔，选择最大锁模力180kN、最大注射压力280MPa的注塑机。
机壳模因为精度要求高，选用镶块型，因此水路只能选用环绕型（如图3所示）。选择水为冷却介质，水温选择常温25℃，冷却水雷诺数为6000。
图3 浇道和水路
根据手机壳模具材料选择表面温度为50℃，熔体温度设定230℃，顶出温度设定88℃。要求顶出时塑件冷却完成，流道不必完全冷却，而流道刚好是最后冷却完成的，所以顶出时冻结百分比设成80%。根据选定注塑机螺杆直径40mm，冷流道的体积2.3141cm3，产品的体积9.7471cm3，塑料的固体密度1.0541g/cm3，熔体密度0.94933g/cm3，可以计算出注塑机的总行程10.65725268mm。考虑到注塑时分塑件和凝料（废料）两端所处螺杆在不同位置的速度是不同的（如图4、图5所示），确保塑料充满型腔且没有其他填充缺陷。
图4 螺杆速度与位置设定
图5 填充压力与时间的控制
3 模流仿真结果分析
1）填充结果分析。填充时间是0.2594s，在同类机壳模中速度较快，从图的颜色可以看到塑料的流动情况，从浅到深色，问题常常出现在深红色的位置（如图6所示）。
图6 填充时间
2）最大剪切速率结果分析如图7所示。局部最大的剪切速率是0.25MPa（Taida ABS材料允许的最大剪切速率是0.28MPa），填充后的2.169s时模型和流道应力都接近0，效果理想。同时还应结合冷却分析、速度切换时的压力、壁上的剪切应力等综合分析。
图7 剪切速率
3）体积收缩率结果分析如图8所示。体积收缩率最大处在两端和扣位，为0.6%（材料的收缩率是0.5%），变形量很小，两端可以依靠弹性变形和扣位结构拉回变形。此外还应考虑其会否影响外观，内部结构会不会影响装配等。
图8 体积收缩率
4）熔接痕结果分析如图9所示。熔接痕有两处位置，一处在内部的骨位不影响外观，另一处在枕位处，位于边缘且细小，很难分辨出来，可以忽略。
5）气穴结果分析如图10所示。气穴产生在塑件的边缘和中间的孔处，这是所期望的结果，因为孔处已经做成镶件，这样不仅易于加工，还解决了此处困气的问题。塑胶边缘的情况也类似，因为要保证加工精度把整个手机型芯做成模仁，所以不存在困气的问题，只是要求加工时特别注意ABS材料的溢边值是0.05mm。
图9 熔接痕
图10 气穴图
6）保压分析如图11所示。保压时的压力和时间影响产品的光泽度和是否产生缩痕和气痕。图中填充结束时的压力为83.34MPa，塑件质量符合要求。
图11 填充结束时的压力
5 手机壳模具结构设计
通过以上仿真过程分析，发现浇注和冷却系统、注塑工艺参数不当是实际生产过程中产生质量问题的主要影响因素，这些因素优化好后，便可以应用UG软件的Moldwizard模块进行模具结构设计。
首先调入手机壳产品模型，确定拔模方向、收缩率、分型面等，接着设计镶块、型芯、滑块、斜顶、模架及其标准零部件，进行型腔布置、浇注系统、冷却系统、模具零部件清单设计，最终完成手机壳模具实体设计如图12所示。
图12 手机壳模具实体
6 结语