年产600万件手机后盖注塑成型工艺的设计说明.docx
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年产600万件手机后盖注塑成型工艺的设计说明
年产600万件手机后盖注塑成型工艺设计
摘要
手机后盖是手机机外壳的重要构成部分，不仅是消费者审美的体现，同时能保护部元件不受损害。
目前主流的成型方法是注塑成型，但生产中存在表面质量不高，后续加工步骤多、工序繁杂等问题，此次毕业设计会对以上问题进行改进优化。
该设计的图纸包括成型设备图、注射模具装配图、成型工艺流程图、物料循环图、车间布局图、全厂布局图、制品图，说明书容包括制品规格的确定、生产配方的优化、确定适当的成型方法和所需的成型设备（注射机、辅助成型）台数、对生产过程进行热量衡算和物料衡算、合理的车间和工厂布局（水路、电路）、最后进行工厂效益的核算。
本次突出设计的模具的流道采用的是热流道设计，流道中的凝料一直处于熔融态，无需凝料脱出，缩短成型周期，提高生产效率，也无需凝料回收加工，同时可以提升制品的表面质量。
关键词：
手机后盖，注塑成型，热流道
TheInjectionMoldingProcessDesignof6MillionMobilePhoneBackCover
ABSTRACT
Themobilephonecoverisoneimportantcomponentpartsofthemobilephoneshell,notonlyembodiestheconsumeraesthetic,butalsoprotecttheinternalcomponentsfromdamage.Thecurrentmainformingmethodisinjectionmolding.Intheproduction,there are many problems,suchas,thesurfacequalityisbadly,thesubsequentprocessingstepsistomuch,theprocessiscomplicated,Thisgraduationdesignwillbeoptimizedontheaboveproblems.Thedesigndrawingsincludemoldingequipmentdrawing,injectionmoldassemblydrawing,moldingprocessflowdiagram,materialcyclediagram,workshoplayout,wholeplantlayoutdrawing.Theinstructionsofincludedeterminingthespecificationsofproduction,theoptimizationofproductionformula,thepropermoldingMethodandequipmentformolding（injectionmoldingmachine,auxiliaryunits）.Beside,I’llcalculatetheheatqualityandmaterialintheprocessoftheproduction,thereasonablelayoutofworkshopandfactory（water,plant,circuit）andthebenefitsoffactory.Finallythedesignoftherunnermoldishotrunner,thecoagulationmaterialinwhichhasbeeninamoltenstate,withouttheextrusion,themoldingcyclewillbeshortenandtheefficiencywillbeimproved.Atthesametime,thereisnoneedtorecycleandprocessthecoagulationmaterial,andthismethodcanimprovethesurfacequalityoftheproducts.
KEYWORDS:
Mobilephonecover，Injectionmolding，Hotrunner
目 录
前 言
自智能手机问世以来，越来越多的我们从来无法想象的功能逐渐的来到我们身边，智能手机已经和我们的生活息息相关，智能手机已然取代了我们身边很多常用的电子设备，改变着我们的生活方式以及周边的行业。
近年来，随着国产品牌华为、小米、魅族、OPPO、VIVO等的崛起，智能手机无论从价格上还是从质量上来说均的到了消费者的认可[1]。
据统计，至2016为止年全球智能手机总销量超过14.7亿部，智能手机出货量的增加，相应的手机配件市场也是发展迅速。
所以近年来手机配件市场需求量巨大，以上这些特点在手机外壳上体现的尤为明显。
手机后盖做为手机外壳的重要部分，其市场前景更为广阔。
手机后盖属于薄壁、面积较大的制品，目前工业主要成型方法为注塑成型，生产过程中存在生产效率低，表面质量不高，后续加工步骤多、工序繁杂等问题。
这些问题可以通过对原料改进，优化模具结构，进行工艺控制等方法进行改进。
为了满足使用要求，塑料手机后盖所用的塑料为工程塑料，主要为聚碳酸酯（PC）、丙烯晴-丁二烯-苯乙烯（ABS）和聚碳酸酯+丙烯晴-丁二烯-苯乙烯三大类。
PC材料强度高，抗拉伸强度69MPa、抗弯曲强度96MPa、耐高温、长期使用可耐130°C温度环境、透明性好、无毒[2]。
最早国几家手机制造商采用高流动性牌号纯PC材料进行生产，但PC原料配色及表面涂覆不如ABS，稍后主采用PC+ABS材料，PC/ABS是合成材料，是两者的共混产物，兼具PC和ABS的特点并且具有优良的成型加工性能，流动性好，强度较高（抗拉伸强度56MPa，抗弯曲强度86MPa）[3]。
日本的厂家的高端手机后盖主要采用PC+ABS的材料，而对于档次较低的手机外壳直接采用ABS做手机外壳。
但随着高分子学科的发展，PC生产成本的降低，而且人们对手机外观的审美，力学，轻量化的一系列要求的不断提高，PC材质的手机外壳由于使用性能好，虽然表面配色以及涂覆性不如ABS，但是随着共混技术的日渐成熟和手机外壳贴膜技术的发展，还有模具设计、注塑技术等方面的突破，最近几年手机厂家开始不断推出PC材质的手机外壳，2013年主打青春时尚色彩的Ipone5C采用的就是PC材质的手机后盖，这款手机一上市就得到了受到年轻人的追捧，之后国产手机厂家也开始推出手机外壳为PC材质的手机，小米的红米系列手机，就是此类代表。
使得PC材质的手机后盖占有绝对的主导市场，各大手机厂商采用PC材料做手机壳料的比例正在逐渐上升。
第1章制品分析及生产配方设计
1.1制品结构分析和工艺分析
1.1.1制品结构分析
图1-1手机后盖
图1-1为就是本次设计的制品主视图,材质为PC。
因为手机在使用过程会出现磕碰，手机后盖需要有一定的强度，韧性和抗划痕性。
手机后盖上有一定数量的卡扣，需要一定的装配精度才能与手机机身进行准确的配合。
由于制品是手机后盖，塑件表面要求无熔接痕，飞边，毛刺等缺陷外，其表面粗糙度无特殊要求。
制品精度等级要求不高，采用一般精度（5级精度）即可，该制品尺寸未注公差，公差等级查表可选用MT3。
该制品壁厚均匀，形状较为规则，成型要求容易控制为了方便脱模，制件需有一定的脱模斜度。
聚碳酸酯属于硬质塑料，根据表1-1外脱模斜度应取2°30′为宜，在脱模时可采用推板和推杆联合脱模以使其成功脱模。
表1-1单边脱模斜度推荐值
脱模高度/mm
<6
>6~10
>10~18
>18~30
自润滑性塑料
1°45′
1°30′
1°
0°45′
软质塑料
2°
1°45′
1°30′
1°15′
硬质塑料
2°30′
2°15′
2°
1°45′
1.1.2制品工艺及性能分析
1.PC注射成型工艺过程
（1）成型前的准备：
对原材料进行预处理（主要是进行干燥处理）、对料桶进行清洗（防止杂质污染制品）、选用适当的脱模剂。
（2）进行注射、成型，得到制品。
（3）制件的后处理。
2.PC注射成型工艺参数
（1）注射机：
螺杆式
（2）螺杆转速（r/min）：
28
（3）预热和干燥：
温度（°C）110~120时间（h）8~10
（4）密度（g/cm³）:
1.18~1.22
（5）材料收缩率（%）：
0.4~0.6
（6）料筒温度（°C）：
后段210~240中段230~280前段240~285
（7）喷嘴温度（°C）：
240~250
（8）模具温度（°C）：
85~140
（9）注射压力（MPa）：
80~160
（10）成形时间（S）：
注射时间20~90高压时间0~5冷却时间20~120总周期50~220
（11）适应注射机类型：
螺杆、柱塞均可
（12）后处理：
红外线灯、烘箱温度（110°C）时间（h）2~4
3.PC性能分析
PC是聚碳酸酯的简称，是一种无定型的热塑性工程塑料，主链由碳酸酯链和苯环连接而成，碳酸酯链的柔性和苯环的刚性使其具有优良的工程性能。
（1）使用性能：
力学性能好，又突出的拉伸强度和冲击强度；耐寒热性好，可在较宽的温度围使用；吸水率低、成型收缩率低、尺寸精度高；具有优良的耐化学腐蚀性能以及以增强易阻燃、无毒、易着色。
（2）成型性能：
PC为无定型塑料，牌号很多，各个牌号基本性能和成型特性各有差异，应按品种确定成型方法及成型条件进行分析;无定型材料的熔体粘度对温度敏感，高温时易水解，制品质量对含湿量很敏感，成型前含水量应小于0.02%，必须充分干燥，要求表面光泽的塑件应要求长时间预热干燥；流动性差，溢边料0.08mm左右；料温对其性能影响较大、料温过高易分解，对要求精度较高的塑件，模温宜取50~60°C，要求光泽及耐热型料宜取60~80°C。
注射压力应比加工聚苯乙烯稍高，一般选用螺杆式注塑机注射机进行生产，温度控制在160~220°C，注射压力100MPa为宜；PC在升温时粘度增高，塑料制品上的脱模斜度取值宜稍大，取1°以上，对收缩率影响极小[4]。
1.2产品配方设计
配方设计的目的是，在原料主要成分的基础上，再不影响原有材料性能的情况下，通过一些助剂添加，来提升所生产制品的性能[5]。
在配方设计中要注意：
（1）满足材料使用的耐久性原则。
（2）充分发挥所添加的跟组分的作用。
（3）根据制品的使用环境以及使用性能，合理的添加助剂。
（4）降低成本。
PC树脂虽然具有优良性能，但纯的PC树脂在成型过程中存在流动性差，制品耐磨性差等缺点。
因此在生产中需采用合适牌号的原料，以满足生产需求。
经查阅资料，德国拜耳公司生产的牌号为PC1837的注塑级聚碳酸酯性能优良，具有高冲击强度、使用温度围广，良好的自由染色性，耐疲劳性佳，耐磨损佳，制品成形收缩率低、尺寸稳定性性好，无臭无味对人体无害，符合安全使用的标准。
第2章注射机型号的选定
随着模具工业的发展，为了满足生产，注射机的规格也变得多种多样。
进行设计前需根据课题任务书的产量计算出能够满足生产所需注塑机的理论规格，然后根据计算结果选择能够满足生产需求的规格的注塑机，最后对其参数进行校核[6]。
2.1制品体积、重量的计算
根据制品图可知，设计制品长度为136mm，宽度为69.5mm，壁厚为1.5mm部两个小长方体的底边长依次为10mm、4mm。
（制品的体积可近似按长方体减去中间两个小的底面为正方形长方体的体积进行计算）
其体积为：
V=136*1.5*69.5-（10*10+4*4）*1.5=9.326cm³
查阅资料可知PC的密度：
1.18~1.22g/cm³，取1.18g/cm³，其质量为：
M=1.18*9.326=11g
2.2型腔数目的确定
每个模具设计之前都必须考虑型腔的数量，可以从注塑机规格、塑件成本、交货期等方面考虑，以确定模具是单型腔还是多型腔并决定型腔的数量。
根据任务书可知，年产量为600万件手机后盖，每模成型周期取60S，成品合格率95%。
整年工作日=全年365天-104个双休日-7天固定假期-30天（歇工、检修）-10（意外故障）=214天（模具拆装所需时间已经包括）
假设为一模一腔，一台注塑机年产量=214*24*3600/60*0.95=308160件
注塑机台数=6000000/308160=19.47台
采用进一法取值，取20台，考虑到生产过程成本的控制，由于本次模具采用热流道设计，这类模具成本较高，若采用一模一腔设计，模具成本较高，因此模具设计采用一模2腔结构，10台注塑机进行生产。
2.3注射机型号的确定
查设计资料可知PC塑料成型时注射压力控制在80~160MPa，手机后盖属于薄壁制品需要较大的注射压力，但不能超过160MPa。
综合以上结果初步选定注射机型号为XZ-ZY-60（卧式）注塑机。
主要技术规格见表2-1：
表2-1注塑机主要参数
理论注射容积（cm³）
60
螺杆直径（mm）
30
注射压力（MPa）
180
注射速率（g/s）
70
塑化能力（g/s）
35
螺杆转速（r/min）
0-200
锁模力（KN）
400
拉杆有效距离（mm）
220*300
开模行程（mm）
250
喷嘴球半径（mm）
SR10
2.4注射机工艺参数校核
2.4.1注射机注射容积的校核
每台注射机都有额定的注射容量，模具中塑件的体积与流道的体积之和不能超过该额定注射量，否则会造成缺料，影响制品质量。
设计主流道体积约为：
V= 3.14×0.632×2.5 = 3.988 2cm³
因为该模具采用热流道设计不存在分流道，无需考虑分流道体积，因此模具总共需填充塑件的体积约为：
V= 2 × 9.326+ 3.9882= 22.6402 cm³
22.6402cm³<60cm³,由注塑容量校核，该型号注塑机满足生产使用要求。
2.4.2注射机注射压力的校核
注射压力的校核主要是查验注塑机提供的注射压力是否能满足制品成型时所需的压力。
由设计资料可知PC塑料在成型时压力在80~160MPa之间，XZ-ZY-60型卧式注射机能提供的最大注射压力为180MPa，能够满足PC塑料在成型过程中所需要用的压力，符合生产要求。
2.4.3注射机锁模力的校核
型腔数目是影响注射机锁模力的大小的重要因素，当模具的型腔数量确定之后就可以根据型腔数量对注射机的锁模力进行校核，检验是否满足需要。
在计算模具型腔的压力时可按：
P=kp[7]
P------模腔及流道塑料熔体的平均压力（MPa）
p------注塑机料筒螺杆或柱塞施加个塑料熔体的压力（MPa）
k------损耗系数，在1/3~2/3之间取值
型腔压力P与损耗系数k之间的关系很复杂，不易取值，因此在生产中小型塑料制品时，为了便于计算，模腔压力一般取20~40MPa。
这里取值40MPa。
P值取定之后，根据公式：
F=0.1PA=0.1*40*13.6*6.95*2=380KN
（A为制件与流道在分型面上的投影面积）
320KN<400KN,注射机锁模力合适。
2.4.4注射机开模行程校核
每台注塑机具有一定的开模行程，为了保证制件的顺利取出，取出制件时的开模的离应该小于注射机的最大开模行程。
该模具是两板式结构，且采用的是热流道结构设计，不用考虑流道的脱出，因此凝料的脱出距离为0，因此开模行程的校核距离:
开模行程S≥塑件脱模距离+塑件高度+5~10（mm）
=150+1.5+10=161.5<250，注射压力合适。
2.4.5注射机与模具安装部位相关尺寸的校核
由于注射机的规格不同，模具的安装部位、形状、尺寸均不相同。
在模具设计过程中，要注意与注射机安装部位的尺寸精度进行配合，包括定位环、喷嘴、顶针和六角螺钉的安装位置。
在设计及安装过程中注意以下校核问题：
（1）注塑机喷嘴的球面半径与定位环主流道入口处的半径配合，一般前者稍小于后者1~2mm,保证在注塑过程中减少溢料的产生，以免造成浪费。
（2）在安装过程中保证注射机喷嘴与主流道中心线必须在一条直线上。
（3）在安装过程中，螺钉的使用尽量用标准件，以方便装配减少不必要的麻烦。
第3章模具结构的设计
模具的结构取决于塑件的结构，模具的结构一般包括浇注系统、成型零部件、合模导向机构、侧向分型抽芯结构、脱模机构、排气机构和模温调节系统[8]。
在本次设计中的制品中没有与分型面垂直的孔结构，在模具设计中不用考虑侧向分型结构的设计。
3.1浇注系统的设计
物料经由注射机喷嘴射出经由流道至模腔，这段流道就是浇注系统，它包括主流道、分流道和浇口。
由于本设计采用的热流道熔融物料经由主流道热咀直接充满型腔，无须分流道和冷料井的设计，无流道凝料的产生。
热流道，又称无流道，是近几年来快速发展起来的一种流道设计方法[9]。
在每个注射周期完成后，流道中的物料仍处于熔融状态，下一个周期注射时仍然畅通，缩短了成型周期。
热流道的设计包括热流道分流板和热咀的设计。
本次设计制品为手机后盖，对其外观质量要求较高，在浇口的选择上采用贝斯特公司生产的MV25型针阀咀（见图3-1）该型号的浇口浇注的制品浇口痕迹漂亮，在制品上不留下进浇口残痕，而且在注射过程中物料不会出现流涎和拉丝，适合生产外观质量要求较高的塑件。
图3-1贝斯特热流道MV25型针阀咀
分流板（见图3-2）的设计采用直接进料的热分流板，熔融物料由主流道经由热流道分流板通过热咀直接进入型腔成型，保证制品的质量。
热流道分流板中设计有发热管和感温线，它们与外部热流道温控器相连，以此来控制热流道分流板的温度，保证热咀和流道中的物料时刻处于熔融状态。
图3-2热流道分流板
3.2成型零部件设计
制品的成型是在成型零部件的地方完成的，设计容包括凸模和凹模的设计。
该制品外表面由凹模的成型，制品表面简单，凹模易于设计加工，便采用了整体式结构，而表面有较多数量的卡扣，采用镶嵌式结构，可以减少加工难度。
3.3导向和定位部分的设计
为了避免模具动模、定模在合模时或者来自注射过程中侧压力使模具分型面处发生错位，而损伤到模具的型芯，为了保证准确的合模，因此需要设计导向定位机构。
本次设计的模具精度要求不高，因此在设计上采用简单合模导向机构即可满足生产要求，在动模底板上设置导柱，定模边设置导向孔，总共有四个，分布在型芯四周，合模时导柱与导向孔先配合从而使模具准确合模。
3.4脱模机构的设计
脱模时要同时考虑到制品的脱出和系统凝料的脱出，该设计采用热流道设计，没有流道凝料产生，因此只需考虑方便的脱出制品即可。
对脱模机构的设计一般要求结构尽量简单，能可靠的运行、不能对制件造成损坏、尽量让塑件停留在动模，以方便脱出。
手机后盖属于薄壁，投影面积（分型面投影）大类型制品，若只采用顶杆脱模，由于顶杆截面较小，与制品接触的承力面积小，强脱时易产生应力发白现象，严重时会顶破制件，造成制品报废，为便于脱模，因此在设计中采用顶板与顶杆联合脱模的形式脱模[10]。
3.5排气机构的设计
模具的设计时应设计排气结构，模具排气不良时，型腔中会有空气，在熔体的作用下残留空气会产生反作用力，反抗充模过程，空气残存量很少时，会渗入塑件部形成气泡，形成缺陷塑件，因此在模具设计中一定不能忽视排气机构的设计[11]。
本次设计中的模具设计精度为一般精度，不需要特别设计排气机构，利用模具的配合间隙和分型面排气即可。
3.6模温调节系统的设计
模温调节是注射成型周期的重要因素[12]。
本次设计中的模温调节系统包括两部分一个是制品的冷却，另一个加热系统的设计。
在成型过程中保证模具的温度（本设计模具温度需控制在85~140°C），同时保证热流道中的物料时刻保持熔融状态。
制品的冷却采用冷却水路，为了提高冷却的效率，在制品和热咀周围均匀的设置2个冷却水道，热咀周围的冷却水运行可以有效地防止拉丝现象。
3.7注射模具模架的选择
在实际生产中，为了方便模具的日常养护和维修，尽可能选用国家标准模架，而且注塑机对所用模具的最大板和最小板的厚度均有限制。
根据图3-3，模架选择A3型。
A板厚度为32mmB板厚度为40mmC板厚度为100mm
模架总高度为262mm
图3-3模架类型
3.8注射模具材料的选择
根据表3-1可知，本次设计的制品截面小，表面精度要求一般，模具所用钢材采用国标45号钢即可。
表3-1模具钢材选用表
类别/牌号
中国
美国
日本
瑞典
德国
用途
塑料模具钢
B30
2738
用于制造生产批量小，模具载面积不大，尺寸精度以及表面粗糙度要求不高的塑料成型的模具或模架。
B20
50
1050
S50C
C50
45
1045
S48C
C45
45
1045
S45C
C45
B610SM1
40Cr
G51400
SCr440
高级镜面模具钢
3-4Cr13
420
S-136
2083
制造PVC的腐蚀材料较强的塑料模具。
透明塑胶以及抛光性要求较高的塑料模具。
3Cr2Mo
P20
40CrMo74
模具精度高，适合大型复杂模具
P4410
P20tNi
PDS5S
718
2738
第4章注塑工艺过程及过程控制
4.1工艺过程
4.1.1成型前的准备过程
1.为了保证塑件质量，进行生产之前，要对PC粒料进行干燥，含水量低于0.02%之后才能进行生产[13]。
生产常采用普通烘箱干燥法对原料进行干燥。
干燥后的物料需用密闭容器保存，以防吸收空气中的水蒸气。
2.清洗料筒，可用该次生产用的PC树脂进行挤出，清除上次生产中残留的废料，防止制品中出现杂质。
3.在模具腔涂覆适量脱模剂（一般为硬脂酸锌），有助于制品的顺利脱出。
4.1.2注射过程
表4-1注塑过程工艺参数控制
成型温度/°C
285~305
注射压力/MPa
80~160
喷嘴温度/°C
260~310
模温/°C
85~140
该过程是成型工艺的重要组成部分。
粒状PC物料在注射机料筒熔融、塑化，之后熔融物料由注射机喷嘴射出，经由主流道、热咀充满型腔，然后保压、冷却、脱出制品。
生产时各项标准应严格按照表4-1的工艺参数进行设定，安全生产[14]。
4.1.3后处理
从模具脱出的塑件性能与正常使用的制品性能是有一定差距的，刚脱出的制品只是具有一定的形状和硬度，且部存在一定的应力，为提升其性能，满足使用要求需要对塑件进行热处理[15]。
温度一般控制在在125~135°C，处理2~4h,一般情况下，制品的壁厚越厚，后处理的时间越长。
由图4-1可知，对PC材质的手机后盖进行热处理时，温度可选择为130°C，时间控制在1.5~2h。
图4-1热处理时间对
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