B14 应用CAE改善手工具零件质量

一、 前言

一般台湾生产的手工具以外销居多，而欧美地区对于产品的质量要求是相当高的，由于手工具业是一门高获利的行业，于是在这行业中，便有许多同性质的公司在互相竞争，目前竞争的区域已经从台湾逐渐移向大陆，而大陆以降低价格的方法，成为台湾手工具业最可怕的竞争对手。因此如何能够加快研发的脚步，并且在降低生产成本前提下，又能够提升产品的质量，以此为目标，才能有效提升台湾手工具业的竞争力。本文简单的介绍如何应用CAE模流分析，针对手工具零组件的质量进行改善。

分析的零件为手工具机器常见的外盖，由于属于装配件，因此对于变形的量值相当要求，但由于产品通常有强度上的要求，需要加入纤维，而加入纤维的产品会使得变形趋势更难掌握。 

二、案例简介

A. 产品说明：

在本文所提到的外盖，是一模两穴的产品，产品外形为圆柱型，直径约55mm，高度约39mm，产品的主要厚度约3.5mm。

B. 问题焦点：

本产品主要是装配在手工具机器的旋转轴部位，由于会有转轴通过，所以对于盖子内部的真圆度要求较高，且产品又有强度的要求，会加入纤维做强化，因此需考虑到纤维配向对于变形的影响。

一般射出产品会由于结构的不同，体积收缩率的不同导致对象本身变形，可以经由过去的一些经验，加以改善变形，但是加入纤维配向所造成的影响，会使得变形的成因更复杂，而且也不容易厘清影响变形的问题点。

C. 使用材料：

成型材料为PA66_ORGALLOYRS66K15LT

D. 加工条件：

行程时间：1 sec

塑料温度：300 ℃

模具温度：90 ℃

三、应用模流分析

本文利用模流分析软件Moldex3D来分析产品的变形，透过软件提供的分析信息，可以将变形的原因区分出来，针对影响变形最主要的原因进行改善。此次分析分别比较不同浇口大小以及充填时间的影响，原始的设计为充填时间一秒，浇口大小为ψ1mm，B组设计将浇口加大为ψ2mm，透过表一的试验参数，以及分析结果，可以找出影响变形的原因，作为之后设计变更的依据。

分析步骤

1、首先建构原始网格模型：

网格制作上采用混合型网格的型态，此三维的网格模型可以完整的表达原始模型的特征。图1是产品原始设计图，产品是以一模两穴的方式进行生产，因为两穴为相同的产品，考虑分析上的效益，故仅以一穴进行模拟。浇口原始的设计大小为ψ1mm，为了得知位移量的变化我们将量测点放置位置如图2所示，之后可以将点位移的数据输出，可以绘出如图3的位移量分布，对照图4的变形图片可以了解变形的趋势以及量值。

2、模拟分析结果说明

由图4不分析纤维配向的结果，可以发现产品本身的变形是相当平均的，此变形结果可以视为塑料体积等向收缩造成的变形，可以透过增加保压效果来改善变形量；图5显示纤维的配向，纤维排列的不同会造成翘曲变形的不同，红色部分是纤维被配向较高的部份，透过图6与图7的示意图，说明此种纤维的排列方式会造成非等向性的收缩，所以图5红色部分的局部位移量会较低，因此造成产品会有不规则的变形如图8所示，对照图9的纤维排向效应位移，可以得知纤维排向较高的部份会有较低的位移量。图10到图12为B组的变形图片与位移量，比较图13及图14可以发现较大的浇口会有较佳的流动平衡性，由于流动平衡性较佳，而且纤维排向较为平衡，因此中心变形是比较佳的，由表一也可以发现浇口较大的，也会有较低的成形压力。

C组与D组的分析可以参考图15到图20，由于纤维的排列较为松散，使得中心的真圆度较差，由图21与图22也可得知当充填时间较长时，浇口大小对流动平衡的影响就很小。

五、结论

由以上的分析结果可以发现不论加工条件为何，产品的上方与右侧都会因为纤维排向的影响成为变形较大的区域，综合比较下，较大的浇口可以得到较佳的真圆度。由以上的结果可以推论，三点进浇的入浇点设计都会有不平衡的变形，可以改变入浇点的设计进而改善此一情形。

本论文利用CAE模流分析来解析产品的问题，透过CAE的协助，可以预先了解产品问题发生的因素，透过工程师的经验，进一步的做修正，并且在分析上获得验证，经由简易的模流分析，可以有效的降低生产中可能发生的错误，并且提升产品开发的效率。而本文所探讨的手工具零件，过去是综合许多工程人员的经验进行开发，而这些经验并无法进行保存，使得经验的传承不易，而且无法提供数据给其他开发人员参考；藉由CAE的分析数据，可将产品开发中的Know-How保存。本文以手工具的零件进行分析，可以解析造成产品变形的趋势，以及变形的原因，而透过量化的数据，也可以找出较佳的浇口设计以及加工条件。

六、参考文献

1. CAE Molding Conference 2006