手机外壳中件塑料模具设计.docx
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手机外壳中件塑料模具设计
前言
塑料是20实际人类的重大发明，它的发明和广泛使用，为人类的物质文明谱写了新的篇章，大大推动了人类社会的进步和繁荣。
随着各种性能优越的各种工程塑料的不断开发，注塑工艺越来越多地用于制造领域成形各种性能要求的制品，，在机电、仪表、化工、汽车和航天航空等领域，塑料已成为金属的良好代用材料并得到了广泛的应用，出现了金属材料塑料化的趋势。
据最近数据统计，在工业发达国家，日本生产塑料模具和生产冲压模的企业各占40%，韩国模具专业，生产塑料模的占43.9%，新加坡全国有460家模具企业，60%生产塑料模。
作为最有效的塑料成型方法之一的注塑成型技术具有一次成型各种结构复杂和尺寸精密的塑料。
成型周期短、生产率高、大批生产时成本低廉、易于实现自动化或自动化生产等特点。
因此，世界塑料模具成型中约占半数以上是注塑模具。
选题背景：
目前，手机的普及速度大大超越了专家的预测与想象。
它已从最初的模拟系统发展到目前的数字系统。
在此期间手机的功能越来越丰富，体积越来越小，造型越来越美观，充分体现了技术与艺术结合。
除了最基本的实用功能外，手机还要考虑美观和舒适，在设计上必须充分考虑使用对象、使用场合、功能要求、人机工效学等因素。
应此，能够快速制造出结构合理、外观漂亮、能吸引大众眼球的手机外壳注塑模具已成为生产厂家关注的焦点。
本次毕业设计题目是“手机壳键盘部分注塑模具设计”，塑件为手机键盘部分外壳。
1.概论
1.1设计前应注意事项
（1）明确制品的几何形状以使用要求。
对于形状复杂的制品，有时除看懂其图样外，还需参考产品模型或样品，考虑塑料的种类及制品的成型收缩率、透明度、尺寸公差、表明粗糙度、允许变形范围等，即充分了解成品的使用要求，因为这不仅是模具设计的主要依据，而且还是减少模具设计者与产品设计者意见分歧的手段。
（2）估算成品的体积和重量及确定成型总体方案。
计算制品重量的目的在于选择设备和确定成型总体方案。
成型总体方案包括确定模具的结构形式，型腔数目，制品成型的自动化程度，采用流道形式（冷流道或热流道），制品的侧向型孔是同时成型还是后续加工侧凹的脱模方式等。
（3）明确注射成型机的型号和规则。
只有确定采用什么型号和规则的注射成型机，在模具设计时才能对模具上与注射机有关的结构和尺寸的数据进行校核。
（4）检查制品的工艺性。
对制品进行成型前的工艺检查，以确认制品的各个细小部分是否符合注射机成型的工艺性条件。
1.2基本程序
模具及其操作必须满足各种要求，其模具设计的最佳方法是综合考虑，系统制定设计方案，模具设计流程图表示了各条件间的相互关系，以及满足主功能的边界条件和附加条件的关系。
1.3注射模设计审核要点
（1）基本结构审核
1）模具的结构和基本参数是否与注射机规格匹配.
2）模具是否具有合模道向机构,机构设计是否合理.
3）分型面选择是否合理,有无产生飞边的可能,指示器能滞留在设有推出脱模机构的动模（或定模）一侧.
4）模腔有布置与浇注系统设计是否合理.浇口是否与塑料原料相适应,浇口位置是否恰当,浇口与流道的几何形状及尺寸是否合适,流动比数值是否合理.
5）成型零部件结构设计是否合理.
6）推出脱模机构与侧向分型或抽芯机构是否合理,安全和可靠.它们之间或它们与其它模具零部件之间有无干涉碰撞的可能,脱模板（推板）是否会与凸模咬合.
7）是否需要排气结构,如是需要,其设置情况是否合理.
8）是否需要温度调节系统,如是需要,其热源和冷却方式是否合理.温控无件随是否足够,精度等级如何,寿命长短如何,加热和冷却介质的循环回路是否合理.
9）支承零部件结构设计是否合理.
10）外形尺寸能否保证安装,紧固方式选择是否合理可靠,安装用的螺栓孔是否与注射动,定模固定板上的螺孔位置一致,压板槽附近的固定板上是否有紧固用的螺孔.
（2）设计图样审核要点
1）装配图.零部件的装配关系是否明确,配合代号标注得是否恰当合理,零件标注是否齐全,与明细表中的序号是否对应,有关的必要说明是否具有明确的标记,整个模具的标准化程度如何.
2）零件图.零件号,名称,加工数量是否有明确切的标注,尺寸公差和形位公差标注是否合理齐合.成型零件容易磨损是部位是否预留了修磨量.哪些零件具有超高精度要求,这种要求是否合理.各个零件的材料选择是否恰当,热处理要求和表面粗糙度要求是否合理.
3）制图方法.制图方法是否正确,是否合乎有关规范标准（包括工厂企业的规范标准）.图面的表达的几何图形和技术内容是否容易理解.
（3）模具设计质量审核要点
1）设计模具时,是否正确地考虑了塑料原材料的工艺特性,成型性能,以及注射机类型可对成型质量产生的影响.对成型过程中可能产生的缺陷是否在模具设计时采取了相应的预防措施.
2）是否考虑了制品对模具导向精度的要求,导向结果设计得是否合理.
3）成型零部件的工作尺寸计算是否合理,能否保证制品的精度,其本身是否具有足够的强度和刚度.
4）支撑部件能否保证模具具有足够的整体强度和刚度.
5）设计模具时是否考虑了试模和修模要求.
（4）装拆及搬运条件审核要点有无便于装拆时有的橇槽,装拆孔和牵引螺钉,对基是否作出了标记.有无供搬运用的吊环或起重螺栓孔,对其是否也作出了标记.
模具设计流程图如下:
1.塑件的成形工艺性分析
1.1塑件材料的选择及其结构分析
（1）塑件（手机外壳）模型图：
图1-1塑件图
（2）塑件材料的选择：
选用ABS（即丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物）。
（3）色调：
黑色。
（4）生产批量：
大批量。
（5）塑件的结构与工艺性分析：
①结构分析
塑件为手机外壳的下半部分，应有一定的结构强度，由于中间有手机的按键，后面有与电池后盖联接的螺纹孔，所以应保证它有一定的装配精度；由于该塑件为手机外壳，因此对表面粗糙度要求不高。
②工艺性分析
精度等级：
采用5级低精度
脱模斜度：
塑件外表面40´－1°20´塑件内表面30´－1°（脱模斜度不包括在塑件的公差范围内，塑件外形以型腔大端为准，塑件内形以型芯小端为准。
）
1.2ABS的注射成型工艺
1.2.1注射成型工艺过程
（1）预烘干--→装入料斗--→预塑化--→注射装置准备注射--→注射--→保压--→冷却--→脱模--→塑件送下工序
（2）清理模具、涂脱模剂--→合模--→注射
1.2.2ABS的注射成型工艺参数
（1）注射机：
螺杆式
（2）螺杆转速（r/min）：
30——60（选30）
（3）预热和干燥：
温度（°C）80——85
时间（h）2——3
（4）密度（g/cm³）:
1.02——1.05
（5）材料收缩率（℅）：
0.3——0.8
（6）料筒温度（°C）：
后段150——157
中段165——180
前段180——200
（7）喷嘴温度（°C）：
170——180
（8）模具温度（°C）：
50——80
（9）注射压力（MPa）：
70——100
（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：
方法红外线灯、烘箱
温度（°C）70
时间（h）2——4
1.3ABS性能分析
1.3.1使用性能：
（1）综合性能良好，冲击韧度、力学强度较高，且要低温下也不迅速下降。
（2）耐磨性、耐寒性、耐水性、耐化学性和电气性能良好。
（3）水、无机盐、碱、酸对ABS几乎无影响。
（4）尺寸稳定，易于成型和机械加工，与372有机玻璃的熔接性良好，经过调色可配成任何颜色，且可作双色成型塑件，且表面可镀铬。
1.3.2成型性能：
（1）无定型塑料，其品种很多，各品种的机电性能及成型特性也各有差异，应按品种确定成型方法及成型条件。
（2）吸湿性强，含水量应小于0.3％，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。
（3）流动性中等，溢边料0.04mm左右（流动性比聚苯乙烯、AS差，但比聚碳酸酯、聚氯乙烯好）。
（4）比聚苯乙烯加工困难，宜取高料温、模温（对耐热、高抗冲击和中抗冲击型树脂，料温更宜取高）。
料温对物性影响较大、料温过高易分解（分解温度为250°C左右比聚苯乙烯易分解），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，一般用柱塞式注塑机时料温为180——230°C，注射压力为100——140MPa，螺杆式注塑机则取160——220°C，70——100MPa为宜。
（5）易产生熔接痕，模具设计时应注意尽量减小浇注系统对斜流的阻力，模具设计时要注意浇注系统，选择好进料口位置、形式。
摧出力过大或机械加工时塑件表面呈“白色”痕迹（但在热水中加热可消失）。
（6）ABS在升温时粘度增高，塑料上的脱模斜度宜稍大，宜取1°以上。
（7）在正常的成型条件下，壁厚、熔料温度及收缩率影响极小。
3、ABS主要技术指标：
表1-1热物理性能
密度（g/cm³）
1.02—1．05
比热容（J·kg-1K-1）
1255—1674
导热系数
（W·m-1·K-1×10-2）
13.8—31.2
线膨胀系数
（10-5K-1）
5.8—8.6
滞流温度（°C）
130
表1-2力学性能
屈服强度（MPa）
50
抗拉强度（MPa）
38
断裂伸长率（﹪）
35
拉伸弹性模量（GPa）
1.8
抗弯强度（MPa）
80
弯曲弹性模量（GPa）
1.4
抗压强度（MPa）
53
抗剪强度（MPa）
24
冲击韧度
（简支梁式）
无缺口
261
布氏硬度
9.7R121
缺口
11
表1-3电气性能
表面电阻率（Ω）
1.2×1013
体积电阻率（Ω·m）
6.9×1014
击穿电压（KV/mm）
\
介电常数（106Hz）
3.04
介电损耗角正切（106Hz）
0.007
耐电弧性（s）
50—85
1.4ABS成型塑件的主要缺陷及消除措施：
主要缺陷：
缺料、气孔、飞边、出现熔接痕、塑件耐热性不高（连续工作温度为70°C左右热变形温度约为93°C）、耐气候性差（在紫外线作用下易变硬变脆）。
消除措施：
加大主流道、分流道、浇口、加大喷嘴、增大注射压力、提高模具预热温度。
2模具结构形式的拟定
2.1确定型腔数量及排列方式
一般来说，精度要求高的小型塑件和中大型塑件优先采用一模一腔的结构；对于精度要求不高的小型塑件（没有配合精度要求），形状简单，又是大批量生产时，若采用多型腔模具可提供独特的优越条件，使生产效率大为提高。
型腔的数目可根据模型的大小情况而定。
该塑件对精度要求不高，为低精度塑件，再依据塑件的大小，采用一模两型的模具结构。
型腔的排列方式如下图：
图2-1型腔排列方式
2.2模具结构形式的确定
（1）多型腔单分型面模具：
塑件外观质量要求不高，尺寸精度要求一般的小型塑件，可采用此结构。
（2）多型腔多分型面模具：
塑件外观质量要求高，尺寸精度要求一般的小型塑件，可采用此结构。
该塑件外观质量要求不高，是尺寸精度要求较低的小型塑件，因此可采用多型腔单分型面的设计。
从塑件上容易看出模具的分型面位置、摧出机构的设置以及浇口的位置。
分型面为单分型面垂直分型。
最常用的浇口形式有：
第一是侧浇口。
这种浇口形式注射工艺工人比较熟悉，在制造上加工比较方便，但不得因素是浇道流程长，热量损耗大，因此容易产生明显的拼料痕迹。
如果要得到改善，则需加大浇道尺寸，但随之浇道部份的回料增多。
其次塑料的进料口部分需去毛刺，这样既增加了去毛刺的工时，又损坏了周围的美观。
第二是点浇口。
塑料注射时，在点浇口以高速注入型腔，一部份动能转变为热能，因此塑料在会合时的热量损耗比侧浇口少，所以会合处熔合较好，熔接痕不太明显。
其缺点是塑件的正面将留下点烧口的痕迹，影响塑件的美观，并且为了取出点浇口的浇道剩料，型腔必须移动。
由于型腔重量较大，所以不方便移动。
第三种是综合上述两种浇口形式的优缺点，采用潜伏式浇口。
因为塑件侧壁距离横浇道较远，因直接在侧壁进料是很难实现的，因此又增设了工艺输助浇口，从而使浇注系统进一步完善。
这种浇口形式主要有以下优点：
一是塑件表面无浇口痕迹，并且外表面无明显的熔接痕，所以外观质量较好。
二是浇口的位置和数量可视塑件的质量而增加、减少或改变浇口的位置、模具修改也比较方便。
三是在塑件顶出的同时，浇口剪断并脱落，可节省去毛刺工序，并有得于机床自动化。
从塑料流程尽量一致的原则出发，采用了两个剪切浇口处都设有顶杆，用以切断剪切浇口，其工艺辅助浇口可手工去除。
3注塑机型号的确定
除了模具的结构、类型和一些基本参数和尺寸外，模具的型腔数、需用的注射量、塑件在分型面上的投影面积、成型时需要的合模力、注射压力、模具的厚度、安装固定尺寸以及开模行程等都与注射机的有关性能参数密节相关，如果两者不相匹配，则模具无法使用，为此，必须对两者之间有关数据进行较核，并通过较核来设计模具与选择注射机型号。
3.1有关塑件的计算
体积=4718.60（mm3）
密度=1.05（g/cm³）
质量=4.72g（g）
3.2注射机型号的确定
根据塑件的体积初步选定用XS-Z-60（卧式）型注塑机。
SZ-60/40（卧式）型注塑机的主要技术规格如下表：
表3-1注塑机的主要参数
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
拉杆有较距离（mm）
220×300
移模行程（mm）
250
模具最大厚度（mm）
250
模具最小厚度（mm）
150
锁模形式
双曲肘
模具定位孔直径（mm）
￠80
喷嘴球半径（mm）
SR10
喷嘴口孔径（mm）
￠3
模板尺寸（mm）
200×315
3.3注射机及型腔数量的校核
（1）主流道的体积约为：
V1（mm³）=3.14×2.52×25=490.63
（2）分流道体积约为：
V2（mm³）=3.14×2.52×30×2=1177.5
（3）浇口的体积约为
V3（mm³）=10×0.52×3.14×2=15.7
（4）该模具总共需填充塑件的体积约为：
V（mm³）=2×4718.60+490.63+1177.5+15.7=11121.03
3.4注射机及参数量的校核
（1）注射量的校核
注射机一个注射周期内所需注射量的塑料熔体的总量必须在注射机额定注射量的80%以内。
在一个注射成形周期内，需注射入模具内的塑料熔体的容量或质量，应为制件和浇注系统两部份容量或质量之和，即
V=nVz+Vj
或M=nmz+mj
式中V（m）——一个成形周期内所需射入的塑料容积或质量（cm³或g）；
n——型腔数目
Vz（mz）——单个塑件的容量或质量（cm³或g）。
Vj（mj）——浇注系统凝料和飞边所需塑料的容量或质量（cm³或g）。
故应使
nVz+Vj≤0.8Vg
或nmz+mj≤0.8mg
式中
Vg（mg）——注射机额定注射量（cm³或g）。
根据容积计算
nVz+Vj=11.12≤0.8Vg=0.8×60=48
可见注射机的注射量符合要求
（2）型腔数量的确定和校核
型腔数量与注射机的塑化率、最大注射量及锁模力等参数有关，此外，还受塑件的精度和生产的经济性等因数影响。
可根据注射机的最大注射量确定型腔数n
式中K——注射机的最大注射量的得用系数，一般取0.8；
mN——注射机允许的最大注射量；
m2——浇注系统所需塑料的质量或体积（g或cm³）；
m1——单个塑件的质量或体积（g或cm³）。
所以需要
n=2符合要求
（3）塑件在分型面上的投影面积与锁模力校核
注射成型时，塑件在模具分型面上的投影面积是影响锁模力的主要因素，其数值越大，需要的锁模力也就越大。
如果这一数值超过了注射机允许使用的最大成型面积，则成型过程中将会出现溢漏现象。
因此，设计注射模时必须满足下面关系：
nA1+A2﹤A
式中A——注射机允许使用的最大成型面积（mm2）其他符号意义同前。
注射成型时，模具所需的锁模力与塑件在水平分型面上的投影面积有关，为了可靠地锁模，不使成型过程中出现溢漏现象，应使塑料熔体对型腔的成型压力与塑件和浇注系统在分型面上的投影面积之和的乘积小于注射机额定锁模力，即：
（nA1+A2）p﹤F
式中符号意义同前。
所以需要
2×42×82+3.14×2.52+5×60=7207.63（mm2）﹤A
查得ABS的平均成型压力为30（MPa/cm2）
72．08×30=2.16KN﹤F
符合要求
（4）最大注射压力校核
注射机的额定注射压力即为它的最高压力Pmax,应该大于注射机成型时所调用的注射压力，即：
pmax﹥Kp0
很明显，上式成立，符合要求。
（5）模具与注射机安装部份的校核
喷嘴尺寸注射机头为球面，其球面半径与相应接触的模具主流道始端凹下的球面半径相适应。
模具厚度模具厚度H（又称闭合高度）必须满足：
Hmin﹤H﹤Hmax
式中Hmin——注射机允许的最小厚度，即动、定模板之间的最小开距；
Hmax——注射机允许的最大模厚。
注射机允许厚度
150﹤H﹤250
符合要求。
（6）开模行程校核
开模行程s（合模行程）指模具开合过程中动模固定板的移动距离。
注射机的最大开模行程与模具厚度无关，对于单分型面注射模：
Smax≥s=H1+H2+5～10mm
式中H1——摧出距离（脱模距离）（mm）；
H2——包括浇注系统凝料在内的塑件高度（mm）。
开模距离取H1=20
包括浇注系统凝料在内的塑件高度取H2=40
余量取8
则有：
Smax≥s=20+20+28=68
符合要求。
4.分型面位置的确定
分型面是决定模具结构形式的重要因素，它与模具的整体结构和模具的制造艺有密切关系，并且直接影响着塑料熔体的流动特性及塑料的脱模。
4.1分型面的形式
该塑件的模具只有一个分型面，垂直分型。
4.2分型面的设计原则
由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统的设计、塑件的结构工艺性及精度、形状以及摧出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种因素的影响，因此在选择分型面时应综合分析。
选择分型面时一般应遵循以下几项基本原则：
1分型面应选在塑件外形最大轮廓处
2确定有利的留模方式，便于塑件顺利脱模
3保证塑件的精度
4满足塑件的外观质量要求
5便于模具制造加工
6注意对在型面积的影响
7对排气效果
8对侧抽芯的影响
在实际设计中，不可能全部满足上述原则，一般应抓住主要矛盾，在此前提下确定合理的分型面。
4.3分型面的确定
根据以上原则，可确定该模具的分型面如下图：
分型面图4-1
5.浇注系统的形式和浇口的设计
浇注系统是指凝料熔体从注射机喷嘴射出后到达型腔之前在模具内流经的通道。
浇注系统分为普通流道的浇注系统和热流道的浇注系统两大类。
浇注系统的设计是注射模具设计的一个很重要的环节，它对获得优良性能和理想外观的塑料制件以及最佳的成型效率有直接的影响。
该模具采用普通流道浇注系统，普通浇注系统一般由主流道、分流道、浇口和冷料穴等四部分组成。
浇注系统的尺寸是否合理不仅对塑件性能、结构、尺寸、内外在质量等影响效大，而且还在与塑件所用塑料的利用率、成型效率等相关。
对浇注系统进行整体设计时，一般应遵循如下基本原则：
1了解塑料的成型性能和塑料熔体的流动性。
2采用尺量短的流程，以减少热量与压力损失。
3浇注系统的设计应有利于良好的排气。
4防止型芯变形和嵌件位移。
5便于修整浇口以保证塑件外观质量。
6浇注系统应结合型腔布局同时考虑。
7流动距离比和流动面积比的校核。
5.1主流道的设计
主流道的形状和尺寸最先影响着塑料熔体的流动速度及填充时间，必须使熔体的温度降低和压力降最小，且不损害其把塑料熔体输送到最“远”位置的能力。
在卧式注射机上使用的模具中，主流道垂直于分型面，为使凝料能从其中顺利拔出，需设计成圆锥形。
（1）主流道的尺寸
①主流道小端直径
主流道小端直径d=注射机喷嘴直径+0.5～1
=3+0.5～1取d=4（mm）。
②主流道的球半径
主流道的球半径SR=10+1～2取SR=12（mm）。
③球面配合高度
球面配合高度为3～5取5（mm）。
④主流道长度
主流道长度L，应尽量小于60mm，，上标准模架及该模具结构，取
L=54（mm）
⑤主流道锥度
主流道半锥角一般应在1°——2°，所以主流道半锥度取α/2=2°。
⑥主流道大端直径
主流道大端直径D=d+2L*tan（α/２）（α=4°）
≈7.4（mm）
⑦主流道大端倒圆角
倒角d/8=0.5（mm）
根据以上数据和注射机的有关参数，设计出主流道如下图：
图5-1主流道形式
（2）主流道衬套的形式
主流道部分在成型过程中，其小端入口处与注射机喷嘴及一定温度、压力的塑料要冷热交换地反复接触，属易损件，对材料要求较高，因而模具的主流道部分常设计成可拆卸更换的衬套式（俗称浇口套），以便有效地选用优质钢材单独进行加工和热处理。
一般采用碳素工具钢如T8A、T10A等，热处理要求淬火50～55HRC。
主流道衬套应设置在模具对称中心位置上，并尽可能保证与相联接的注射机喷嘴同一轴心线。
图5-2主流道的位置
主流道衬套的形式有两种：
一是主流道衬套与定位圈设计成整体式，一般用于小型模具；二是主流道衬套与定位圈设计成两个零件，然后配合在固定在模板上。
该模具尺寸较小，主流道衬套可以选用整体式。
设计出主流道衬套的尺寸如下图:
图5-3主流道的具体尺寸
主流道衬套的固定形式,如下图：
图5-4衬套的固定形式
5.2冷料井的设计
在完成一次注射循环的间隔，考虑到注射机喷嘴和主流道入口这一段熔体因辐射散热而低于所要求的塑料熔体的温度，从喷嘴端部到注射机料筒以内约10～25mm的深度有个温度逐渐升高的区域，这时才达到正常的塑料熔体温度。
位于这一区域内的塑料的流动性能及成型性能不佳，如果这里相对较低的冷料进入型腔，便会产生次品。
为克服这一现象的影响，用一个井穴将主流道延长以接收冷料，防止冷料进入浇注系统的流道和型腔，把这一用来容纳注射间隔所产生的冷料的井穴称为冷料井（冷料穴）。
5.2.1主流道冷料井的设计
主流道冷料井设计成带有推杆的冷料井，底部由一根推杆组成，摧杆装于推杆固定板上，与推杆脱模机构连用。
冷料井的孔设计成倒锥形，便于将主流道凝料拉出。
当其被推出时，塑件和流料凝道能自动坠落，易于实现自动化操作。
主流道冷料井的设计如下图所示：
图5-5主流道冷料井的设计
5.2.2分流道冷料井的设计
当分流道较长时，
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