手机保护壳模具设计与加工.docx
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手机保护壳模具设计与加工
摘要
注射成型是热塑性塑料成型的主要方法之一，可以一次成型形状复杂的精密塑件。
随着手机市场的兴起人们对手机的追求日趋完美，本次设计针对手机保护壳（诺基亚C3-00），因为是薄壁件（0.5mm），所以在选材时应选择高强度、凝固性较快的材料。
通过对零件结构进行了工艺分析，采用ABS作为塑件的材料。
采用单分型面，根据模具的型腔数目以及最大注塑量、注射压力、锁模力、模具的安装尺寸等因素选择了注射机，选择成型零部件的尺寸；采用扇形浇口；由于型腔侧壁开有耳机孔和按键孔的补片，所以我们在型腔上进行侧抽芯和型芯底部的平行顶出完成脱模，并对模具的材料进行了选择，如此设计出的结构可确保模具工作运行可靠。
对模具结构与注射机的匹配进行了校核。
用UG5.0绘制出模具三维图形，最后利用UG5.0CAM模块对型芯和型腔进行了加工仿真，制定了符合要求的数控加工工艺过程。
关键词：
注塑模、侧抽芯、手机保护壳、ABS、UG5.0
前言
随着我国科技文化技术及国民经济快速发展，模具行业的地位越来越重要，模具技术的发展越来越先进。
模具行业是一个对工作和实践经验要求非常强的专业，它要求我们在学校掌握扎实的理论知识，并要求我们有充分的实践环境。
在大学几年学习中，完成规定的相关课程，需熟练的掌握机械制图、机械设计、材料学、模具制造工艺、塑料成型工艺与模具设计，以及其他一些相关知识，对模具行业的发展、模具技术的应用、模具结构的设计、模具材料的选择、公差配合的选用要有一个比较系统和全面的认识理解。
毕业设计也是大学学习的最后一个环节，也是最重要的一个环节，是对以前所学的基础理论知识及所掌握的技能的综合运用和检验。
本论文以手机保护壳注塑成型工艺分析及模具设计为主线，依据模具的基本组成部分，基础知识和设计技巧相结合，理论与实践相结合，对于手机保护壳模具结构设计中的关键之处以及可能出现的问题和处理方式进行详细剖析。
从模具的加工工艺角度出发，分析并提供便于加工的模具结构形式，使模具设计和加工更加紧密的结合在一起。
毕业设计过程中，遇到很多问题及困难，在指导老师邢老师的悉心指导和帮助下，克服了困难，完成了本次设计。
由于，缺乏相应的实践经验，本次设计的模具不可避免的存在一些问题，敬请各位老师批评指正。
第一章绪论
1.1模具发展的现状
市场研究报告网讯，模具成本持续上升，利润空间进一步压缩，市场占有率持续下滑。
模具材料成本包括钢材、橡胶、五金原材料、物流成本等费用，近几年随着通货膨胀的影响，大幅攀升。
我国农村劳动力的供给格局正由“无限供给”向“有限剩余”转变，16至64岁之间的劳动力增量在2004年到2011年间以每年13.6%的速度减少，并预计将在2015年停止增长，即人口红利逐渐消失。
因而自2010年以来，我国有30余个省份相继上调了最低工资标准，一般模具工人月薪都在2500元以上，一些工厂甚至给到5000元以上。
而据国际劳工组织统计数据显示，印尼工人工资是148美元/月，越南是85美元/月，柬埔寨更是只有61美元，均远低于我国。
用工成本居高不下使我国模具出口的价格优势逐渐丧失，部分欧美客商已开始向印度、越南、孟加拉等较低成本的国家转移订单。
模具企业自主创新能力和品牌意识不足，重复生产中低端产品，在市场竞争中非常被动。
一方面，国内制模具企业业产品同质现象严重，产品缺乏差异化，基本是拿着别人的产品进行模仿、改版，从而导致生产的产品在样式、用料、档次、目标、市场方面基本雷同，而多数又集中于低档模具的生产，从而造成低档产品严重过剩，恶性竞争泛滥。
欧美等国信用评级持续下调导致人民币升值压力继续增大，各大模具企业都不敢贸然接下外贸长单，以免汇率波动带来损失。
对模具出口等外向型企业来说，实际有效汇率上升1%，出口/销售额比率下降约0.3%~0.5%，因而单是汇率因素，全年五金、塑胶等原材料成本已平均上涨至少10%~20%。
同时世界上其他国家的本币兑美元也相应在持续升值，和人民币相比，升值的幅度有高有低。
这种双重汇兑损失相比原材料和劳动力成本的上涨，给出口型企业带来的创伤更为严重。
诚信危机损伤中国模具业的健康有序发展。
国际模协秘书长罗百辉表示，在去年以来显现的民营企业债务危机中，中国商人的信用似乎再次降至“冰点”。
而作为中国商人的一分子，中国模具商自然不能独善其身。
去年以来，温州、广
东、福州的部分模具商，因债务危机而“跑路”或自杀导致的企业关闭停产事件共达数百起，严重挫伤了模具企业的信用。
内部资金流量不足导致债务危机，外部贸易方现金结算的要求，对中国模具企业形成“内忧外患”的局面，导致更加严重的资金压力。
企业主动被动违约情况增加，又再次加剧了信用下降，形成了恶性循环，严重干扰到我国模具企业的健康有序发展。
1.2存在问题和主要差距
近年来，人们对各种设备和用品轻量化要求越来越高，这就为塑料制品提供了更为广阔的市场。
塑料制品要发展，必然要求塑料模具随之发展。
汽车、家电、办公用品、工业电器、建筑材料、电子通信等塑料制品主要用户行业近年来都高位运行，发展迅速，塑料模具也快速发展。
近3年平均年增长率为21%，高于模具行业总体发展速度近4个百分点。
有关专家预计，由于我国塑料工业的快速发展，特别是工程塑料的高速发展，今后我国塑料模具的发展速度仍将继续高于模具工业的整体发展速度。
近年内，年增长率将保持15%以上的水平。
同时，由于我国塑料模具价格较低，在国际市场上有较强的竞争力，因此，进一步扩大出口的前景很好。
但专家也指出，虽然我国塑料模具无论是在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都有了很大发展，与国民经济发展需求和世界先进水平相比，差距仍很大。
一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍大量出口。
在总量供不应求的同时，一些低档塑料模具已供过于求，市场竞争激烈；一些技术含量不太高的中档塑料模具也有一些趋向于供过于求。
我国塑料模具行业与其发展需要和国外先进水平相比，主要存在六个方面的问题。
1、发展不平衡，产品总体水平较低虽然有个别企业的部分产品已达到或接近国际水平，但总体来看，模具的精度、型腔表面粗糙度、生产周期、寿命等指标与国外先进水平相比尚有较大差距。
包括生产方式和企业管理在内的总体水平与国外工业发达国家相比尚有10年以上的差距。
2、工艺装备落后，组织协调能力差虽然部分企业经过近几年的技术改造，工艺
装备水平已比较先进，有些三资企业的装备水平也并不落后于国外，但大部分企业工艺装备仍比较落后。
更主要的是我们企业的组织协调能力差，难以整合或调动社会资源为我所用，从而就难以承接比较大的项目。
3、多数企业开发能力弱：
一方面是技术人员比例低、水平不够高，另一方面是科研开发投入少，更重要的是观念落后，对开发不够重视。
模具企业不但要重视模具开发，而且要重视产品开发。
4、管理落后更甚于技术落后，管理落后有时却难以意识到。
国内外模具企业管理上的差距十分明显，管理上的差距所带来的问题往往比技术上的差距更为严重。
同一个企业，设备不变，人员不变，管理一变，立竿见影，这样的例子并不少见。
5、供需矛盾，这是一时还难以解决的，国产塑料模具国内市场满足率只有74.7%，其中大型、精度、长寿命模具满足率还要低，估计不足60%。
同时，工业发达国家的模具正在加速向我国转移，国际采购越来越多，国际市场前景很好。
市场需求旺盛，生产发展一时还难以跟上，供不应求的局面还将持续一段时间。
6、体制和人才问题的解决尚待时日，在社会主义市场经济中，竞争性行业，特别是像模具这样依赖于特殊用户，需单件生产的行业，国有和集体所有制原来的体制和经营机制已越来越显得不适应。
人才的数量和素质水平也跟不上行业的快速发展。
虽然各地都在努力解决这两个问题，但要得到较好解决尚待时日。
1.3发展展望
目前，我国经济仍处于高速发展阶段，国际上经济全球化发展趋势日趋明显，
这为我国模具工业高速发展提供了良好的条件和机遇。
一方面，国内模具市场将继续高速发展，另一方面，模具制造也逐渐向我国转移以及跨国集团到我国进行模具采购趋向也十分明显。
因此，放眼未来，国际、国内的模具市场总体发展趋势前景看好，预计中国模具将在良好的市场环境下得到高速发展，我国不但会成为模具大国，而且一定逐步向模具制造强国的行列迈进。
随着国民经济总量和工业产品技术的不断发展，各行各业对模具的需求量越来越大，技术要求也越来越高。
虽然模具种类繁多，但其发展重点应该是既能满足大量需要，又有较高技术
含量，特别是目前国内尚不能自给，需大量进口的模具和能代表发展方向的大型、精密、复杂、长寿命模具。
模具标准件的种类、数量、水平、生产集中度等对整个模具行业的发展有重大影响。
因此，一些重要的模具标准件也必须重点发展，而且其发展速度应快于模具的发展速度，这样才能不断提高我国模具标准化水平，从而提高模具质量，缩短模具生产周期，降低成本。
由于我国的模具产品在国际市场上占有较大的价格优势，因此对于出口前景好的模具产品也应作为重点来发展。
第二章材料与塑件分析
2.1塑件分析
本次设计的产品如图1所示手机保护壳，作为手机保护壳对其精度及表面粗糙度要求不高，因为是薄壳零件且注射过程中冷却较快，在不影响使用的前提下允许存在较少飞边和熔痕工艺痕迹，因为有曲面的存在所以需要一定的配合精度要求。
从整体结构分析：
制品表面积较大、高度不大但是壁薄、零件的曲面复杂，型腔、型芯加工困难因此采用侧抽芯和平衡顶出机构。
从整体工艺性分析：
根据制品外观要求与结构特定要求选择浇口位置在零件内部，制品薄而大要求冷却必须均匀而充分，脱模力合理要求顶出机构顶出均匀。
图1手机保护壳
2.2塑件材料分析
塑料成型原料的选取应从加工性能、力学性能、热性能、物理性能等多方面因素考虑来选取合适的塑料进行生产，本次设计材料的选择是根据材料特性进行
选择的。
根据塑料受热后表现的性能和加入各种辅助料成分的不同可分为热固性材料和热塑性材料，通过比较分析可以看出热固性塑料主要用于压塑、挤塑成型，
而热塑性塑料还适合注塑成型，本次设计为注塑设计，所以采用热塑性塑料。
热塑性塑料还分为很多种，如聚乙稀、聚丙稀、聚氯乙烯、聚苯乙烯和ABS等等，为了选到合适的塑件材料，通过对塑件的分析和查阅有关资料可选择以下材料见表1。
表1注塑塑料聚乙烯
塑料名称
聚乙烯
材料特性
结晶部分多时，塑料硬度高、韧性大、抗拉强度高，但整体尺寸变小，耐冲击强度及断裂强度底。
成型
工艺
特点
聚乙烯制件最显著的特点是收缩率大，这与材料的可结晶性和模具温度有关。
定型后塑件在强的收缩牵引作用下，可令制件变形和翘曲。
注射温度
聚乙烯的注射温度一般在120～310℃之间，温度超过300℃时，收缩率会明显增大。
注射速度及压力
聚乙烯的注射压力一般选择在68.6～137.2Mpa之间。
注射速度不易过快，以保证结晶程度高。
模具温度
聚乙烯的模具温度相对较高，一般调节在75～85℃。
通过对聚乙烯材料的分析，并考虑到制件注塑温度和高的抗拉强度，本设计采用聚乙烯材料。
聚乙烯的技术指标、注射工艺参数具体看表2
表2聚乙烯的注射工艺参数
注射机类型
螺杆式
螺杆转速
30~60r/min
喷嘴形式
直通式喷嘴
喷嘴温度
180~190℃
模具温度
50~70℃
注射压力
60~100Mpa
保压压力
5~10Mpa
冷却时间
5~15s
周期
15~30s
后处理方法
红外线烘箱温度70℃时间0.3~1h
备注
原材料应预干燥0.5h以上
2.3确定塑件设计批量
该产品为批量生产，故设计的模具要有一定的注塑效率，由于塑件长宽度小，所以采用一模四腔结构，浇口形式采用扇形浇口，采用两点进料，以利于均匀充满型腔。
2.3确定塑件设计批量
该产品为批量生产，故设计的模具要有一定的注塑效率，由于塑件长宽度小，所以采用一模两腔结构，浇口形式采用扇形浇口，采用两点进料，以利于均匀充满型腔。
2.4计算塑件的体积和质量
该产品材料为聚乙烯,查手册或产品说明得知其密度为0.921g.cm-3-3~1.02g.cm-3。
收缩率为0.4%—0.6%。
计算其平均密度为0.94g.cm-3缩率为0.5%。
（1）使用UG6.0软件画出三维实体图，软件能自动计算出所画图形的体积。
当然也可根据形状手动几何计算得到该零件的体积。
通过计算塑件的体积V塑=3.64cm³，可得塑件的质量为M塑=ρV塑=0.94×3.64=3.42该模具为一模四腔所以M=3.42×4=13.68g
式子中ρ塑料密度0.94g/cm³。
（2）浇注系统凝料体积的初步估算。
浇注系统的凝料在设计之前不能确定精确地数值，但是可以根据经验按照塑料
体积的0.2~1倍来估算。
有体育本次设计采用的流道简单并且较短，因此浇注
系统的凝料按塑件体积的0.2倍来估算，故以此注入模具型腔塑料熔体的总体积（既浇注系统的凝料和两个塑件体积之和）为
V总=V塑（1+0.2）×2=3.64×1.2×2cm3=8.74cm3
M浇=8.74×0.94=8.2g
M总=M塑+M浇=16.94g
2.5注塑机的选择
（1）注塑机的概述
注塑机的全称应为塑料成型机。
注射机主要由注射装置、合模装置、液压传动系统、电器控制系统及机架等组成。
如图4.1所示，工作时模具的动、定模分别安装于注射机的移动模板和定模固定板上，由合模机构合模并锁紧，由注射装置加热、塑化、注射、待融料在模具内冷却定型后由合模机构开模，最后由推出机构将塑件推出。
图2注塑机结构
注射机的工作原理：
注塑机的工作原理与打针用的注射器相似，注射成型是一个循环的过程，每一周期主要包括：
定量加料—熔融塑化—施压注射—充模冷却—启模取件。
取出塑件后又再闭模，进行下一个循环。
注塑机根据塑化方式分为柱塞式注塑机和螺杆式注塑机；按机器的传动方式又可分为液压式、机械式和液压—机械（连杆）式；按操作方式分为自动、半自动、手动注塑机。
其特点如表4：
表3
形式
立式
卧式
直角式
容量一般为30～60g
热塑性塑料注射机
固性塑料注射机
容量一般为20～45g
柱塞式30～60g
螺杆式60cm3以上
100～500g
结构特性
注射装置一般为柱塞式、液压机械式锁模机构、顶出系统为机械顶出
注射装置以螺杆为主，液压机械式锁模，顶出系统采用机械、液压或两者兼备
除塑化加热系统外，其他与热塑性塑料用螺杆式注射机相似
注射装置与合模装置的轴线互相成垂直排列，优点介于立卧两种注射机之间
优点
1.拆装方便
2.安装嵌件、活动型芯方便
1.开模后，塑件自动落下便于实现自动化操作
2.塑化能力大、均匀，注射压力大，注射压力损失小，塑件内应力，定向性小，可减小变形，开裂倾向
3.螺杆式可采用不同的螺杆，调节螺杆转数、背压等用来加工不同的塑料及不同要求的塑件
1.开模后，塑件自动落下
2.使用双模，可以减小循环周期，提高生产力
缺点
1.人工取件
2.注射压力损失大，加工高粘度塑料薄壁塑件时要求成型压力高，塑件内应力大，注射速度均匀，塑化不均匀
1.装模麻烦，安放嵌件及活动型芯不便，易发生分解
2.螺杆式加工低粘度塑料，薄壁，形状复杂塑件时易发生回流，螺杆不易清洗，贮料清洗不净，易发生分解
3.柱塞式结构也有立式结构所具有的特性
1.嵌件、活动型芯安放不便，易倾斜落下
2.有柱塞式结构的缺点
适用范围
1.易于加工小，中型及分两次进行双色注射加工的塑件
2.柱塞式不宜加工流动性差，热敏性、对应力敏感的塑料及大面积，薄壁塑件，宜加工流动性好的中小性塑件
1.螺杆式适应加工各种塑料，小型设备易加工薄壁、精密塑件
2.螺杆式适应于掺和料、有填料，干着色料的直接加工
3.柱塞式也具有立式注射机中柱塞式结构具有的加工特点
1.适用加工小型塑件，并装有侧浇口模具
2.适用加工塑件中心部位不允许有浇口痕迹的平面塑件
（2）注塑机的选择
根据上述计算的塑件总体积V总=V塑（1+0.2）×2=3.64×1.2×2cm3=8.74cm3，依公式（V公=V总/0.8）则有：
V总/0.8=8.74/0.8cm3=10.93cm3
本次设计已计算出塑件的总体积为10.93cm³，总质量为17.65g
根据塑料制品的体积或质量查有关手册选定XS-ZY-125卧式注射机。
表4XS-ZY-125卧式注射机性能参数
注射量（cm³）
125
模具最大厚度（mm）
300
螺杆直径（mm）
42
模具最小厚度（mm）
200
注射压力（MPa）
150
拉杆空间（mm）
260.360
注射行程（mm）
160
模具定位孔径（mm）
Ф150
锁模力（KN）
900
喷嘴孔直径（mm）
Ф4
最大成型面积（cm²）
360
喷嘴球孔径（mm）
12
模板最大行程（mm）
300
2.6注塑机的参数校核
为使注塑成形过程顺利进行，须对以下工艺参数进行校核。
2.6.1最大注塑量校核
我们通过学习知道注塑机的最大注塑量应大于制件的质量或体积（包括流道及浇口凝料和飞边），通常注塑机的实际注塑量最好为注塑机的最大注塑量的80%，所以，本次设计选用注塑机最大注塑量应
0.8V机≥V塑件+V浇
式中：
V机—注塑机的最大注塑量/cm³
V塑—塑件的体积/cm³该产品V塑件=7.28cm³
V浇—浇注系统体积/cm³该产品V浇=8.47cm³
故V机≥（V塑件+V浇）/0.8=（7.28+8.47）/0.8=19.69cm³
在此选择的注塑机注塑量为125cm³，所以满足本次设计的要求。
2.6.2注射压力校核.
所选用的注射机的注射压力必须大于成型塑件所需的注射压力。
成形所需注射压力与塑料品种、塑件的形状及尺寸、注射机类型、喷嘴及模具流道的阻力等因素有关。
根据经验，现在对塑件的流动性和黏度做比较，可知道成形所需注射压力大致如下：
1．塑料熔体流动性好，塑件形状简单，壁厚者所需注射压力一般小于70MPa。
2．塑料熔体粘度较低，塑件形状一般，精度要求一般者，所需注射压力通常选为70~100MPa。
3．塑料熔体具有中等粘度（PS、PE等），塑件形状一般，有一定精度要求者，所需注射压力选为100至140MPa。
4．塑料熔体具有较高粘度（PMMA、PPO、PC、PSF等），塑件壁薄、尺寸大，或壁厚不均匀，尺寸精度要求严格的塑件，所需注射压力约在140至180MPa。
本次的产品设计为手机保护壳的塑件，整体结构为大型薄壁零件，对粘度的要求不高，需要提高注塑压力，所以本次注射机的注射压力为120MPa，应能满足此项要求。
2.6.3锁（合）模力校核
高压塑料熔体充满模腔时，会产生使模具沿分型面分开的胀模力，此胀力等于塑件和流道系统在分型面上的投影面积与型腔压力的乘积。
胀模力必须小于注射机
额定锁模力，常用塑料品种及塑件复杂程度不同，或精度不同，可选用的型腔压力也不同。
型腔压力可根据经验取值，常取型腔压力为20～40Mpa，常用塑料品种及塑件复杂程度不同，或精度不同，我们对锁模力校核，对一些树脂平均压力作简单的比较。
表5型腔内树脂平均压力/Mpa
树脂名称
一般成型
重视表面质量的成型
硬质PVC
30
40
软质PVC
25
35
ABS
30
40
PC
40
55
PP
30
40
根据上表，本塑件的材料为ABS，可选择型腔压力Pc=40Mpa，型腔平均压力Pc=40MPa决定后，可以按下式校核射机的额定锁模力：
式中
——注射机额定锁模力；
塑——塑件在分型面上的总投影面积（mm2）；
浇——流道系统在分型面上的总投影面积（mm2）；
——安全系数，通常取1.1—1.2
本次设计所选注射机T=900KN；
两个塑件在分型面上的投影面积为：
塑=5127.54mm2
流道系统在分型面上的总投影面积为
浇=0.2
塑=102.55mm2；
=
塑+
浇=5127.54+102.55=5230.09mm2
=1.2；
=1.2×40×106×5230.09×10-6
=251044.32N=251.04KN
T=900KN>251.04KN;
故所选注射机满足此项要求。
2.6.4模具安装尺寸的校核
模具厚度（闭合高度）必须满足下式：
式中：
——注射机允许的最小模具厚度（mm）；
——所设计的模具厚度（mm）；
——注射机允许的最大模具厚度（mm）；
=230mm，
=290mm，
=300mm
230<290<300
所选本次选用的注射机满足此项要求。
2.6.5开模行程的校核
注射机的最大开模行程必须大于开模取出塑件所需的开模距离。
本设计所选用的注塑机的最大行程与模具厚度有关，故注塑机的开模行程满足下式:
Smax≥H1+H2+（5～10）mm单分型面
式中：
Smax——注射机最大开模行程，mm
H1——塑件脱模所需顶出距离，mm
H2——塑件脱模所需顶出的距离，mm
本设计的塑件高度H1=5mm，H2=80mm,
所以H1+H2+（5～10）=5+80+10=95mm,
Smax=300mm≥95mm
所选注射机满足此项要求。
通过对以上工艺参数的校核，本次设计所选用的注射机满足要求
第三章选择塑件的分型面
选择分型面时，应考虑到使模具结构简单，分型容易，并且应不影响塑件的外观及使用。
根据手机保护壳的特点及精度要求将分型面设置在最大轮廓上。
图3分型面示意图
第四章标准件的选择
模具的标准化对于生产中提高效率、规范工艺、提高产品互换性、改善生产环节有着很重要的作用。
近年来在模具行业，特别是塑料模具行业，标准件的大量运用使生产更趋于标准化、简单化，对于生产安全和高效起到很重要的作用，还有利于模具的国际交流和组织模具出口，打入国际市场。
4．1标准模架的选取
模架是设计制造塑料注射模的基础部件，其他部件的设计与制造均依赖于它，选择模架要根据制品的尺寸及大小，同时考虑注射机的参数，根据产品尺寸选择LKM_SG尺寸为2030模架。
图4模架的选择
4．2标准紧固件的选用
标准紧固件主要是螺钉。
螺钉是日常生活中最常用的标准件，将螺杆直接旋入被连接件之一的螺孔内，螺钉头部即可将两被连接件紧固，其规格和尺寸均有相应的标准，本设计的塑件模架中主要采用内六角螺钉,包括M5,M6,M8和M10,M14不等，长度根据不同需要选取。
第五章浇注系统的设计
5.1概述
浇注系统是指模具中从注射机喷嘴开始到型腔为止的塑料流动通道，由主流道、分流道、进料浇口和冷料穴组成。
设计浇注系统应注意：
1,浇注系统力求距型腔距离近、一致，并首先进入制品的厚壁部位。
2，其位置力求在分型面上，便于加工并易于快速、均匀、平稳地充满型腔；主流道入口应在模具中心位置。
3，有利于制品的外观，并易于安装、替换、清除。
4，排气良好。
考虑到熔体在充填型腔的过程中熔体堆积的情况及其表观粘度随剪切速率的变化而发生显著的变化，对热塑型塑性流体而言，剪切速率增大时，表观粘度
会降低，本塑件为薄壁件要求填充过程中的流动性要好，跟普通液体相比，ABS又具有很大的可压缩性，当压力增高时，其表观粘度增加，由于塑料在注射模浇注系统中和型腔内的温度、压力和剪切速率是随时变化的，在设计浇注系统时，综合加以考虑，以期在充模以尽可能低的
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