诺基亚7360外壳模具的设计与制造.docx

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诺基亚7360外壳模具的设计与制造

诺基亚7360外壳模具的设计与制造

摘要：

为了用较低的成本和较短的时间，设计出高质量的手机外壳模具，需要采用新型的方法来设计手机外壳（上、下盖）的模具。

采用Pro／Engineer来实现手机的三维设计及模具成型零件设计，分析制件的成型质量和完成分型面的设计，再采用EMX组件来实现模架的装配，并在产品设计及模具装配过程中，辅助以必要的理论计算，将数字化设计与理论计算结合起来，可以大大缩短产品研发周期、模具设计周期，提高产品设计及模具设计的准确性、产品成型质量，降低产品研发、模具设计成本。

运用Moldflow软件对手机外壳的注塑成型进行仿真，获得流动过程中的最大注射压力、注射时间等参数，预测注塑成型质量。

通过浇注系统注塑成型流动模拟结果，得出了浇注系统的最优布局以及合理的工艺参数；同时比较三种不同仿真冷却效果，优化了模具冷却管道设计。

根据以上的分析结果，确定了最佳的注射模结构和成型工艺，成功地避免了塑件注塑成型出现的缺陷，为生产优质塑件提供了强有力的保障

关键词：

模具设计；Pro/E；EMX；Moldflow；优化设计

TheMoldDesignandManufacturingoftheShelloftheMobileTelephone（NOKIA7360）

Abstract:

New-stylemethodswereadoptedtodesignthemoldoftheexternalshellofthemobiletelephone（up-cap,down-cap）inordertogethigh-qualitymoldofmobiletelephonewithlowercostandshortertime.

AdoptedPro/Engineertoimplementthree-dimensionaldesignandmoldvolumedesignofthemobiletelephonereceiver,andanalyzedshapingqualityofpartanddesignedthepartinglinebyPro/Engineer,thenutilizedEMXtoaccomplishtheassemblageofthemoldwiththeassistanceofessentialtheorycalculatemixedwithfiguredesign.Itwouldnotonlyshortenthecycleofproductresearchandmolddesign,improvetheprecisenessandtheproductshapingquality,butalsoreducedthecostoftheresearch.

TheinjectionmoldingofthemobiletelephonereceiverissimulatedbyMoldflowsoftware.Theparameterssuchasthetemperatureattheflowfront,themaximuminjectionpressandtheinjectiontimeetc.areobtained.Thenthequalityofinjectionmoldingispredicted.Byflowingsimulationresultsofinjectionmoldingofthepouringsystems,theoptimizinglayoutofpouringsystemandthereasonabletechnologicparametersareobtained.Bycomparingwiththeimitationofthreecoolingresult,thecoolingpipelinedesignofinjectionmouldisoptimized.Basedontheanalysisresults,thebeststructureoftheinjectionmoldandmoldingtechnicsareconfirmed.Thedisfigurementsininjectionmoldingofthepartareavoidedsuccessfullyandusingthismethodcanpowerfulguaranteethehighqualitypartsoftheproduction.

Keyword：

MouldDesign；Pro/E；EMX；Moldflow；OptimizingDesign

1前言

模具是现代工业的重要工艺装备。

随着工业生产的飞速发展，新产品的不断涌现，对模具的设计与制造速度、加工质量，提出了更高的要求，即要求以最短的周期、最低的成本来完成这一工装准备工作，以加速新产品投产及产品更新换代，提高经济效益及竞争力。

塑料模具工业近20年来发展十分迅速，早在7年前塑料的年产量按体积计算已经超过钢铁和有色金属年产量的总和，塑料制品在汽车、机电、仪表、航天航空等国家支柱产业及与人民日常生活相关的各个领域中得到了广泛的应用。

塑料制品成形的方法虽然很多，但最主要的方法是注塑成形，世界塑料模具市场中塑料成形模具产量中约半数以上是注塑模具。

塑料成型加工及其模具技术是一门不断发展的综合学科，不仅随着高分子材料合成技术的提高、成型设备成型机械的革新、成型工艺的成熟而进步，而且随着计算机技术、数值模拟技术等在塑料成型加工领域的渗透而发展。

注塑成型是塑料中的最普遍采用的方法，其是将热塑性或热固性模塑料先在注射机加热料筒内均匀塑化，然后由柱塞或移动螺杆推挤注射入闭合的模腔内成型。

该方法适用于全部热塑性塑料和部分热固性塑料，制得的塑料制品之大是其它成型方法望尘莫及的。

由于注塑成型加工不仅产量多，而且适用于多种原料，能够成批、连续地生产，并且具有固定的尺寸，可以实现生产自动化、高速化，因此具有极高的经济效益。

注塑成型作为一种重要的成型加工方法，在家电行业、汽车工业、机械工业等都有广泛的应用，且生产的制件具有精度高、复杂度高、一致性高、生产率高和消耗低的特点，有很大的市场需求和良好的发展前景

。

注塑成型有很多的优点：

a.生产效率高；b.所需的劳动力相对较低；c.制品无需修整或只需少量修整，如可以消除飞边,自动切除浇注系统等；d.设计灵活（光洁度、颜色、嵌件、材料），通过共注可成型多于一种以上的材料，可以有效地成型表皮硬而心部发泡的材料，可以成型热固性塑料和纤维增强塑料；e.废料损耗最小，对于热塑性塑料，浇注系统可以再利用；f.可以成型形状复杂的制品，模具的结构、加工模具的刀具起着决定的作用；g.可以得到狭窄的公差，现代微机控制，加上精密的模具和精密的液压系统,可使体积公差达到1微米（但如果没有高水平的操作工人不断地看管则不行）；h.可以充分的利用聚合物独特的属性，如流动性、质轻、透明、耐腐蚀等；

作为注塑成型加工的主要工具之一注塑模具，在质量、精度、制造周期以及注塑成型过程中的生产效率等方面水平高低直接影响产品的质量、产量、成本、及产品的更新换代，同时也决定着企业在市场竞争中的反应能力和速度

。

在这个竞争日益激烈的社会，如何能在这个社会生存下来，就必须不断的学习技术，尤其是现在社会比较热门的技术，基于这个原因以及本人对这方面也有一定的兴趣，所以我选择了模具设计为我的毕业设计课题，学校开过塑料成型模具这门课，在上课的过程中了解到模具的整个设计生产过程，业余时间也看一些相关的书籍，但是因注塑模具比较复杂，所以我只能算是了解点皮毛，我选择了手机外壳的模具设计作为我设计的课题，希望通过这次毕业设计使自己在模具设计方面达到一定的提高，同时也可以培养自己的创新思维，提高自己的机械设计能力。

1.1国内外发展概况及现状

目前，世界模具市场产品供不应求，近几年，世界模具市场总量一直保持在600亿～650亿美元，美国、日本、法国、瑞士等国一年出口的模具约占本国模具总产值的1/3，而我国模具的出口量极少，虽已向香港、东南亚地区出口模具标准件，但其数量极为有限，在目前模具已成为不少行业发展瓶颈的情况下，“十五”期间，模具行业每年必须要有15%左右的增长速度，这一增长速度还必须要与产品结构合理化调整同时实现，只有这样，才能满足国民经济发展的需要。

预计，我国几个主要模具市场的需求情况大致为：

汽车、摩托车行业是最大的模具市场；其次，家电行业对模具的需要量不可小视；第三，电讯行业的发展潜力巨大；建筑行业塑料型材模具增幅将高于模具行业总体发展水平。

模具是工业的基础工艺装备，在电讯、汽车、摩托车、电机、电器、仪器、家电、建材等产品中，80%以上都要依靠模具成形，用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产力和低消耗，是其它加工制造方法所不能比拟的。

模具又是“放大器”，用模具生产的最终产品的价值往往是模具自身价值的几十倍或上百倍，目前全世界的模具年产值约有600亿美元，日、美两国的模具工业产值早已超过机床工业产值。

模具生产技术水平的高低不仅是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，而且在很大程度上决定着这个国家的产品质量、效益及新产品开发能力。

但是我国目前的模具开发制造水平比国际先进水平至少相差10年，特别是大型、精密、复杂、长寿命模具的产需矛盾十分突出，已成为严重制约我国制造业发展的瓶颈[2]。

据业内人士预测，未来的模具将会向以下几个方面发展：

．模具日趋大型化。

这主要是由于用模具成型的零件日渐大型化和高生产率要求而发展的一模多腔所致；

．模具的精度将越来越高，多功能复合模具将进一步发展。

随着零件微型及精度要求的提高，目前有些模具的加工精度公差要求在1微米以下；

．随着热流道技术的日渐推广应用，热流道模具在塑料模具中的比重将逐步提高。

由于塑料成型工艺的不断改进与发展，气辅模具及适应高压射成型等工艺的模具将随之发展。

塑料件的精度分为尺寸精度、几何形状精度和外观精度（即光泽、色调等）。

为了确保这些精度，热流道模具和气辅模具已在我国出现，并取得了良好效果，今后必将以较快速度发展；

．模具标准件的应用将日渐广泛。

模具化及模具标准件的应用能极大地影响模具制造周期，使用模具标准件不但能缩短模具制造周期，而且能提高模具质量和降低模具制造成本；

．快速经济模具的前景十分广阔。

21世纪，多品种、少批量的生产方式占工业生产的比例将达75%以上。

一方面是制品使用周期短，另一方面花样变化频繁，要求模具的生产周期越短越好。

开发快速经济模具将越来越引起人们的重视；

．随着以塑代钢、以塑代木的进一步发展，塑料模的比例将不断提高。

同时，由于机械零件的复杂程度的精度的不断提高，对塑料模的要求也将越来越高；

．模具技术含量将不断提高，中、高档模具比例将不断增大，这也是产品结构调整所带来的市场走势。

1.2设计思路及主要解决的问题

总体设计思路：

原始数据收集→绘制品工程图→三维实物模型→模具设计→型腔数控仿真加工。

诺基亚手机壳体制品测绘、对测绘的数值进行分析，并根据制件的特征确定分型面。

注塑机的选择，模具型腔数目的确定，浇注形式的选择，动定模板及各模板的尺寸和厚度的确定，模具的顶出机构以及冷却系统。

诺基亚手机体的测绘主要是手工测量和绘制，采用PRO/E绘制制品的三位实体模型。

1.3预期成果和实际价值

所设计的模具将满足其工作状态的质量要求，使用时安全可靠，易于维修，在注塑成型时有较短的成型周期，成型后有较长的使用寿命，具有合理的模具制造工艺性。

事实上在整个设计过程中，对于软件的应用，模具的设计等方面的学习，使得自己在实践中得到了更进一步的提高。

2总体方案设计

本课题的设计方案：

首先是对塑件进行测绘，塑件为诺基亚7360手机外壳，材料为ABS，用游标卡尺对零件进行测绘。

我们最终所需要加工得到的是制造此零件的模具型腔，而我们所取的塑件是模具生产出来的千千万万个塑件中的一个，由于制造的原因，塑件在出模后不可避免的会产生一定的变形，因此对该零件的测量数值需要进行分析处理。

如对塑件较大尺寸误差的进行修正，对相同形状处所测不同尺寸的取均值进行圆整，然后绘出零件的草图。

测绘好后进行三维造型。

主要采用拉伸、阵列、薄壁等方法造型。

造型结束后进行模具设计。

由于工厂现有的注塑机是固定的，所以考虑到工厂设备、生产批量、经济效益、以及塑件的内部抽芯机构较为复杂和精度等级采用一模两腔。

选择好型腔数后要对注射机的基本技术参数进行校核，以确保能完成指定的工作要求。

接下来对各个系统进行设计，首先是浇注系统，浇注系统分为主流道、分流道、浇口、冷料穴、冷却水道等。

主流道的中心线与注射机喷嘴的中心线在同一条直线上。

由于主流道与高温高压的熔融塑料接触所以外面要加个浇口套。

浇口套要进行淬火处理，这样可以延长模具的使用寿命。

分流道的半径与塑料种类和所需熔融塑料的体积有关，一般直径为6～10mm。

本模具设计取6mm。

主流道与分流道采用圆角过渡，这样可以减小料流转向过渡时的阻力。

分流道的截面宜采用梯形及圆形，表面粗糙度小于1.6um，并要平衡式排列，确保熔融塑料几乎能同时到达每个型腔的进料口。

并且，其分流道的截面积应为各进料口截面积之和，各分流道的表面不必很光，可以使熔融塑料的冷却皮层固定，有利于保温。

分流道与浇口采用圆弧过渡，有利于熔料的流动及填充。

浇口的作用是增加和控制塑料进入型腔的流速并封闭装填在型腔内的塑料，以保证充填实，确保制品质量，选用的潜伏式浇口可随意选择进料位置，浇口的宽度和深度在试模后可加深、加宽便于修正，适用于多型腔中小型各种塑件。

冷料穴的作用是储存因两次注射间隔而产生的冷料头及熔体流动的前锋冷料，以防止冷料进入型腔而影响制件质量。

冷料穴常设计在主流道的末端，即主流道正对面的动模上（卧式或立式注射模），直径稍大于主流道大端直径，以利于冷料的流入。

拉料杆主要是保证浇注系统的凝料从定模浇口套中拉出，留在动模一侧，便于取出。

接着是排气系统的设计。

本模具采用间隙排气，利用分型面的配合间隙自然排气。

下面是推出机构的设计，推出的动力来源有手动推出、机动推出和液压与气动推出机构。

本模具设计采用注射机的开模动作驱动模具上的推出机构，实现塑件的自动脱模。

本模具设计塑件留在动模，要保证塑件推出不变形或损坏，还要保证塑件的良好外观和结构可靠。

模具设计好后进行型腔仿真加工。

2.1手机外壳的测绘与造型

2.1.1手机外壳的测绘

塑件为诺基亚7360手机外壳，材料为ABS，用游标卡尺对零件进行测绘。

我们最终所需要加工得到的是制造此零件的模具型腔，而我们所取的塑件是模具生产出来的千千万万个塑件中的一个，由于制造的原因，塑件在出模后不可避免的会产生一定的变形，因此对该零件的测量数值需要进行分析处理。

如对塑件较大尺寸误差的修正，对相同形状处所测不同尺寸的取均值进行圆整，然后绘出零件的草图。

由于条件限制所以采用多次取断面进行测量的办法。

量具：

游标卡尺（0～300、0.02）,垂直卡尺，曲线测量仪等注意做到以下几点：

．测绘过程中必须把被测物体放在工作平面上；

．采用多次测量求平均值；

．正确地读取数据。

该塑件外形尺寸为106mm×46mm，上盖制品的体积约为5375mm3,质量约为5.645g，下盖制品投影面积约为4035mm3，体积约为4.226g。

根据上述的方法绘制的制品的零件图如下：

（a）手机上盖测绘图

图2-1（b）手机下盖测绘图

2.1.2手机外壳的三维实体造型

零件测绘草图出来以后，应该根据零件的测绘图，对零件进行三维造型。

三维造型选用Pro/E软件，三维造型的所有参数与测绘的数据一致。

首先打开三维软件Pro/E，进入零件设计界面，点击拉伸命令，向两边进行拉伸，接着用旋转，扫描，混合，造型等命令绘制三维图形，由于塑件是手机上下盖所以还要进行薄壁处理。

总而言之，要正确的绘制出该塑件的造型图必须熟练掌握Pro/E的绘图命令。

最后保存文件。

塑件的三维造型如图：

（a）手机上壳三维造型图

图2-2（b）手机下壳三维造型图

2.2注塑机的选择及有关参数的校核

2.2.1注塑机的选择

每副模具都只有安装在与其相适应的注塑机上进行生产，因此模具设计与所用的注塑机关系十分密切。

在设计模具时，应详细了解注塑机的技术规范，才能设计出合乎要求的模具。

从模具设计角度出发，应仔细了解的技术规范要求有：

注塑机的最大注塑量、最大注塑压力、最大锁模力、最大成型面积、模具最大厚度和最小厚度、最大开模行程、模板安装模具的螺钉孔的位置和尺寸、注塑机喷嘴孔直径和喷嘴球头半径值。

由于型腔数目与所使用的注射机的参数有关，而工厂里的注射机的规格又是确定的，为XS-ZY-125,主要技术参数如下

：

螺杆直径

42mm

最大注射容量125g

注射压力110

锁模力900kN

最大注射面积320

最大模具厚度300mm

最小模具厚度200mm

模板最大距离600mm

模板行程300mm

喷嘴圆弧半径12mm

喷嘴孔径

喷嘴移动距离210mm

定位孔直径

顶出：

两侧孔径

孔距230mm

顶出形式两侧顶杆，机械顶出

由于上盖制品投影面积约为2360mm2,体积约为5376mm3，下盖制品投影面积约为4750mm2，体积约为4035mm3，而且该制品的年产量为5万件，要求塑件精度等级为4级，选用一模两腔，根据型腔数，选用模架规格为355mm×355mm×450mm。

2.2.2注塑机有关参数的校核

根据模具总体设计方案的结构，校验所需注射机的能力。

注塑机的规格及尺寸校核注射机有关工艺参数：

a．注射量的校核：

由测量所得塑件的质量为上盖约5.645g，下盖约6.226g，浇注系统的质量上盖为10g，下盖为10g，则每次注射所需的塑料量为：

上盖：

5.645+10=15.645g

下盖：

6.226+10=16.226g

注射机的最大注射量125g×0.8=100＞32.871g能满足要求。

b．锁模力的校核

当高压塑料熔体充满模具型腔时，会在型腔内产生很大的力，迫使模具沿分型面涨开，这个力等于塑件及浇注系统在分型面上的投影面积之和（A）与型腔内熔体压力（Pq）的乘积。

因此，注塑机锁模力（F）根据参考文献

中的校核关系式为：

F≥PqA（2-1）

式中F——注塑机的公称锁模力（N）；

A——塑料及浇注系统在分型面上的投影面积之和（m2）；

Pq——型腔内熔体压力（MPa），常取Pq=20～40MPa

而型腔塑料熔体所受的压力简称型腔压力，比注塑料筒内的注塑压力小得多，因料筒内的熔体经过注塑机的喷嘴和模具的浇注系统后，有很大的压力损失，故

Pq=KyP（2-2）

式中Ky——压力损失系数。

它与塑料品种、注塑机类型、喷嘴形式、模具流道阻力、注塑成型工艺参数等因素有关。

一般取Ky=（1/3～2/3），损失影响小的Ky取大值，反之取小值。

螺杆式注塑机的K值较柱塞式为大。

型腔压力的选取也是一个近似的数值。

在实际工程中，ABS的型腔内熔体压力Pq取34.3MPa。

上盖的投影面积为2360下盖的投影面积为4750mm3，因此可以求得式（4-5）右边为247.98KN。

而XS-ZY-125注塑机的锁模力为900KN＞247.98KN。

所以注塑机的锁模力满足要求。

2.3型腔成型尺寸计算

A．塑件精度及其影响因素

模具的成型尺寸是指型腔上直接用来成型塑件部件的尺寸，主要有型腔和型芯的径向尺寸（包括矩形或异形型芯的长和宽），型腔和型芯的深度或高度尺寸、中心距尺寸等。

在设计模具时必须根据制品的尺寸和精度要求来确定成型零件的相应的尺寸和精度等级，给出正确的公差值,根据参考文献

中的计算公式。

δ=δs+δm+δw+δss+δq（2-3）

式中δ——塑件成型总误差；

δs——塑件收缩率波动引起塑件尺寸变化值；

δm——成型零件制造误差；

δw——成型腔使用过程中允许的最大磨损量；

δss——设计模具时由于收缩率选择不准所造成的误差；

δq——可动或固定成型零件配合间隙或安装误差造成的尺寸变化值。

B．按平均收缩率及极限尺寸计算成型尺寸

（a）塑件截面图

图2-3（b）塑件截面图

以下各式中Lmcp——型腔或型芯径向平均尺寸（mm）；

Hmcp——型腔深度或型芯高度平均尺寸（mm）；

Lpcp——塑件径向平均尺寸（mm）；

Hpcp——塑件深度方向平均尺寸（mm）；

ξscp——塑件平均收缩率；

δw——模具最大磨损量（mm）；

δm——成型零件制造误差（mm）；

Lm——型腔或型芯径向名义尺寸（mm）；

Hm——型腔深度或型芯高度名义尺寸（mm）。

a．型腔径向尺寸按平均收缩率法计算：

平均收缩率为0.55%

Lmcp=Lpcp+ξscp.Lpcp+ξ2scp.Lpcp（2-4）

Lpcp=46-（0.4/2）=45.8

ξscp=0.55%

Lmcp=45.8+0.0055×45.8+0.00552×45.8=46.05

模具型腔按IT9级精度制造，其制造偏差δm=0.062mm

得型腔径向名义尺寸Lm=（Lmcp-δm）+δm=45.998+0.062

如按极限尺寸计算：

+δm（2-5）

+0.062=45.97+0.062

校核塑件可能出现的最大尺寸，设模具最大磨损量为0.04mm

（Lm+δm+δw）（1-ξsmin）≤Lp（2-6）

上式左端：

（45.97+0.062+0.04）×（1-0.003）=45.93

45.93＜42.5，满足要求。

故型腔径向尺寸为45.97+0.062mm，比按平均收缩率计算的结果偏小，有更大修模余量。

b．型芯径向尺寸按平均收缩率计算：

Lmcp=Lpcp+ξscp.Lpcp+ξ2scp.Lpcp（2-7）

Lpcp=42-（0.4/2）=41.8

Lmcp=41.8+0.0055×41.8+0.00552×41.8

=42.03

模具型腔按IT9级精度制造，其制造偏差δm=0.062mm

Lm=（Lmcp-δm）-δm=42.03-0.062

如按极限尺寸计算：

-δm（2-8）

-0.062=42.53-0.062

校核塑件可能出现的最小尺寸：

（Lm-δm-δw）（1-ξsmax）≥Lp（2-9）

上式左端：

（42.53-0.062-0.04）×（1-0.008）=42.09

42.09＞42，满足要求。

故型芯径向名义尺寸为42.09-0.062mm，比按平均收缩率计算的结果偏大，便于修模。

c．型腔深度按平均收缩率计算：

Hmcp=Hpcp+ξscp.Hpcp+ξ2scp.Hpcp（2-10）Hpcp=6-（0.16/2）=5.92

Hmcp=5.92+0.0055×5.92+0.00552×5.92

=5.95

型腔深度按IT9级精度制造，其制造偏差为0.036mm

若型腔容易修浅，则

Hm=[Hmcp]+δm=5.95