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掌机外壳模具设计学位论文
摘要
本文先从掌上游戏机的发展历程和前景作一简要略述，通过对现有产品的了解，以及现代人对掌上游戏机的要求，设计了一个掌上游戏机的外壳模型，进而设计了一个外壳模具。
此外壳模具为一模两腔结构。
模具为单分型面，并且出于对制件外观的考虑，分型面处于外表面。
浇注系统采用平衡式注料，使熔体同时进入各型腔，并选用标准模架，有利于降低模具设计和制造的难度。
由于制件较小，没有设计专门的冷却槽和排气孔。
关键词：
掌上游戏机模具设计
Abstract
Thepaperfirsthandholdgamedevelopmentprocessandprospectsforabriefoutline,throughtheunderstandingofexistingproducts,aswellastherequirementsofmodernpeopleonthehandheldgameconsoles,handheldgameconsoledesignedashellmodel,thendesignashellmold.
Theshellmoldisatwo-cavitymold.Singlemoldpartingsurface,andoutofconsiderationoftheappearanceofworkpiece,theoutersurfaceofthepartingis.Castingsystemisbalancedinjectionmaterial,tomeltintothecavityatthesametime,andusestandardmoldbase,helpreducethemolddesignandmanufacturingdifficulties.Astheworkpiecesmall,notdesignspecialcoolingductsandvent.
Keywords:
thehandholdgameconsolemolddesign
目录
第一章掌上游戏机的市场调研1
第一节掌上游戏机的发展历史1
第二节掌上型游戏机的发展趋势2
第三节总结3
第二章掌机外壳形状的确定及工艺性分析4
第一节确定掌机外壳形状机尺寸4
第二节掌机外壳设计细节4
第三节工艺性分析5
第三章模具设计5
第一节型腔尺寸的确定5
第二节确定型腔数目7
第三节确定分型面的位置7
第四节型腔位置的排布8
第五节浇注系统设计9
第六节选用模架13
第七节冷却系统设计14
第八节排气系统设计14
第九节推出机构的设计15
参考文献17
致谢18
第一章掌机的市场调研
第一节掌机的发展历史
随着1976年美国美泰公司美泰电子游戏机的诞生，标志着游戏机硬件平台类型的最终完善，电脑，家用机，街机和便携机四大门类从此齐全了。
美泰电子游戏机只有极其简单的LED显示屏幕，游戏也都是随主机固化的。
其外壳图如图1-1所示。
图1-1美泰电子游戏机图1-2男生游戏机
在1989年，任天堂出现一款“男生游戏机”，任何语言都无法准确阐释“男生游戏机”的影响力。
“男生游戏机”一部有着多种变种机型的掌机，毫无疑问是有史以来最成功的一部主机——不管是就掌机领域，还是整个游戏机领域而言。
它的成功因素在于它同捆了一些可玩性很高的游戏，和同期竞争对手，只有一个模糊绿色屏幕和简陋图象的它显得毫无优势，但它好玩的游戏却让人倍受喜爱。
其外壳视图如图1-2所示。
1998年，野心勃勃的日电公司试图打造一部技术最先进的掌机,这就是“日电”电玩机。
外壳视图如图1-3所示。
1998年，任天堂又推出了男生游戏机的第一个重要改进版本：
彩色男生游戏机，它提供了一个彩色屏幕，其画面效果当然因此而大大加强，并且完全兼容男生游戏机软件。
其外壳如图1-4所示。
图1-3“日电”电玩机图1-4彩色男生游戏机
作为目前最先进的一部掌机，索尼的便携电玩游戏机已稳稳地在掌机市场打下了一片属于自己的天地。
它不仅用来玩游戏，还可以来看MP4等格式的电影。
如果选择正确的固件版本,甚至还能使用许多好用的自制软件。
其外壳视图如图1-5所示。
图1-5便携电玩游戏机
第二节掌机的发展趋势
一、扩大游戏玩家
Gameboy系列产品主要消费族群为儿童及青少年，但是在日本老龄化趋势下，此市场逐渐萎缩，因此，任天堂积极开拓非玩家市场，NDS（触摸屏）创新的操控方式加上趣味的游戏内容，已成功触及新游戏市场，如：
《脑力锻炼》游戏让NDS的销售超出传统的儿童用户群，吸引年轻女性和老年人。
二、组建网络服务，附加多媒体功能
NDS（触摸屏）具有独家规格的无线区域网络及无线网络功能，可以进行近距离的传讯及对战外，也可使用Wi-Fi（无线保真）透过无线网络基地台连上国际网络。
在网络服务方面，在日本及美国等地建设无线基地台，让玩家可透过无线保真网络连线免费与其他NDS玩家互动。
任天堂并计划推出NDS（触摸屏）专属浏览器，玩家可使用NDS进行网页浏览，预计任天堂将针对玩家提供加值的游戏网络服务，如游戏下载，并且可支持MP3格式的音乐与MP4视频格式的播放，使得NDS拥有MP3Player与MP4影音播放功能。
三、新增功能涉及多种领域
多媒体播放能力为掌上型游戏机产品发展趋势，此趋势和家用游戏机一致，涉及领域包含：
音乐、电影、电视及网络等。
第三节总结
从1976年第一台掌机诞生以来，掌机就越来越受到人们的青睐。
而掌机的造型也越来越美观大方。
随着人们审美观念的不断提高,工业造型设计日趋艺术化、个性化,掌机的造型设计居于十分重要的地位。
而且，掌机市场竞争激烈，消费者的要求也越来越高，但各厂家的机器性能完全取决于科学技术，要改进比较困难，所以掌机的造型设计就成了掌机的大卖点，一个成功的掌机造型设计就能极大附加掌机的价值和更好的赢得消费者的青睐。
此在此设计一个了掌机外壳模具。
设计要求：
1.造型设计要时尚。
该产品主要针对年轻人。
2.便于携带。
体积过大或过重容易引起疲劳，且不方便户外使用。
3.为了方便后面的产品生产及成本考虑，结构设计不能太过复杂。
4.设计的模具要能够顺利开模。
5.模具制作容易，成形及后加工容易，但仍保持成品的机能。
第二章掌机外壳形状的确定及工艺性分析
第一节确定掌机外壳形状机尺寸
通过前面对掌机外壳图形的描述，以及人们对大小尺寸的要求，此掌机外壳尺寸定为:
长度l=177mm宽度b=77mm高度h=10mm。
为形象描述外壳各个部分的形状和尺寸，掌机外壳上半部分视图如图2-1所示。
图2-1掌机外壳上半部分视图
第二节掌机外壳设计细节
一、由于机壳边框处宽度过窄，所以增加边缘厚度的方法来增加该部分的强度。
二、为了让上壳与下壳准确配合而设计的止口，通过止口实现定位，止口的设计名义尺寸预留了0.05mm的间隙，端部设圆角以利装入。
而且内角的R角偏大，以增大圆角之间的间隙，预防圆角处的干涉。
然后上下壳体使用螺丝固定。
[1]
第三节工艺性分析
塑件为掌上游戏机外壳的上半部分，应有一定的结构强度，由于表面有屏幕和按键，下面有与下壳连接的塑料止口，所以应保证它有一定的装配精度；由于该塑件为掌上游戏机外壳，因此对表面粗糙度要求不高。
材料选择：
ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）性能分析
（1）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，与有机玻璃的熔接性良好，经过调色配成任何颜色，且可作双色成型塑件，且表面可镀铬。
由于ABS具有以上性能，而掌机对机身的强度，装饰性，耐用性都有一定要求，而且日常生活中使用的电子产品大多使用ABS做外壳，例如手机外壳，MP3、MP4外壳等。
所以选择ABS作为材料。
由于塑料本身的特性及掌上游戏机的要求，所以塑件的制造精度选择为IT8。
[2]
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，所以模具应该是一模多腔结构[3]。
第三章模具设计
第一节型腔尺寸的确定
凹模是成型塑件外表面的模具零件，按其结构类型可分为整体式和组合式两大类。
整体式凹模由一块金属加工而成。
其特点是结构简单，牢固，不易变形，塑件无拼缝痕迹，适用于形状较简单的塑件，但采用整体式凹模加工工艺性差。
组合式适用于外形较复杂的塑件。
考虑到塑件的结构形状简单及模具加工工艺，采用整体式凹模。
凸模是用于成型塑件内表面的零件，与凹模相似，凸模也可分为整体式和组合式两类。
因为整套模具结构简单，故采用整体式。
[4]
取ABS塑料的平均收缩率k=0.55%。
计算型腔径向尺寸L，型腔深度尺寸H，型芯径向尺寸l，型芯高度尺寸h。
L=[L塑+（1+k）-（3/4）Δ]^+δ（3-1）
L塑——塑件外形公称尺寸mm
K——塑料的平均收缩率
Δ——塑件的尺寸公差
δ——模具制造公差，取塑件相应尺寸公差的1/3-1/6。
L塑=177mmΔ=0.063mmδ=0.013
L=177.926^+0.013mm
H=[H塑（1+k）-（2/3）Δ]^+δ
H塑——塑件高度方向的公称尺寸mm
H塑=10mmΔ=0.014mmδ=0.004mm
H=10.046^+0.004mm
l塑=[l塑（1+k）+（3/4）Δ]v-δ（3-2）
l塑——塑件内形径向尺寸mm
l塑=174mmΔ=0.063mmδ=0.013
l=175.004v-0.013mm
h=[h塑（1+k）+（2/3）Δ]v-δ（3-3）
h塑——塑件深度方向的公称尺寸mm
h塑=8.5mmΔ=0.014mmδ=0.004mm
h=8.556v-0.004mm
由于型腔壁厚计算较为麻烦，而且受成型过程中各种工艺因素的影响，型腔内的实际受力情况非常复杂，其理论计算值也不一定可靠，所以参考经验推荐数值，确定型腔侧壁厚s=32mm。
[5]
第二节确定型腔数目
由数据计算可得，单个塑件体积：
V=16.16cm^3，ABS塑料密度=1.03g/cm^3，
单个塑件的质量：
m=16.64g
根据现有注射机的公称注射容量，初选注射机为XS-ZY-125。
主要技术规格如表3-1所示：
理论注射容积cm^3
125
锁模力KN
900
注射压力MPa
120
模具最大厚度mm
300
注射行程mm
115
模具最小厚度mm
200
注射方式
螺杆式
喷嘴圆弧半径mm
12
动定模固定板尺寸mm*mm
428*528
喷嘴空直径mm
4
拉杆空间mm
260*290
表3-1XS-ZY-125注射机技术规格
实际生产中每次注射量不应超过公称注射量的0.45~0.75，通常取0.6计算，同时，流道和浇口的总体积也是未知数。
据统计，每个制品所需浇注系统的体积是制品体积的0.2~1倍，当物料粘度高，制品体积小，型腔数目多，又要做平衡布置时，浇注系统体积更大，现取浇注系统体积为0.6制品体积。
一般使用如下公式计算：
n=0.6G/1.6V=0.375G/V（3-4）
n——型腔数目
G——注射机公称注射量cm^3
V——单个制件体积cm^3
则型腔数目n=（125*0.6）/（1.6*16.64）=2.8
由于采用一模多腔结构，应尽可能使型腔位置对称，所以n应该取偶数，即n=2。
第三节确定分型面的位置
如何确定分型面，需要考虑的因素比较复杂。
由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件的结构工艺性及精度、嵌件位置形状以及推出方法、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比较，从几种方案中优选出较为合理的方案。
选择分型面时一般应遵循以下几项原则：
[7]
（1）分型面要选择在制品的最大截面处。
（2）尽可能使制品留在动模一侧。
（3）要有利于保证制品的尺寸精度
（4）有利于保证制品的外观质量
（5）尽可能满足制品的使用要求
（6）尽量减小制品在合模方向上的投影面积
（7）长型芯应置于开模方向
（8）有利于排气
（9）有利于简化模具结构
（10）在选择非平面分型面时，应有利于型腔加工和制品的脱模方便。
由以上原则确定分型面位置如图3-1所示。
图3-1分型面位置
第四节型腔位置的排布
一腔多模时，型腔在模板上通常采用圆形排列、H形排列、直线排列以及复合排列等。
在设计时应注意以下几点：
[7]
（1）尽可能采用平衡式排列，以便构成平衡式浇注系统，保证制品质量的均一和稳定。
（2）型腔布置和浇口开设部位应力求对称，以便防止模具承受偏载而产生溢料现象。
（3）尽可能使型腔排列的紧凑，以便减小模具的外形尺寸。
（4）型腔的圆形排列所占的模板尺寸大，虽有助于浇注系统平衡，但加工困难。
除圆形制品和一些高精度制品外，在一般情况下，常用直线排列和H形排列，从平衡角度看，应尽量选择H形排列。
根据以上型腔布置要求，选择H形排列方式，型腔位置如图3-2所示：
图3-2型腔位置
第五节浇注系统设计
浇注系统设计是模具设计中最重要的问题之一。
浇注系统是引导塑料熔体从注射机喷嘴到模具型腔的进料通道，具有传质、传压和传热的功能，对制品质量影响很大。
它的设计合理与否，直接影响着模具的整体结构及其工艺操作难度。
浇注系统的设计原则：
[7]
a.结合型腔布置考虑，尽可能采用平衡式分流道布置。
b.尽量缩短熔体的流程，以便降低压力损失、缩短冲模时间。
c.浇口尺寸、位置和数量的选择十分关键，应有利于熔体流动、避免产生湍流、涡流、喷射和蛇形流动，并有利于排气和补缩。
d.避免高压熔体对模具型芯和嵌件产生冲击，防止变形和位移的发生。
e.浇注系统凝料脱出应方便可靠，凝料应易于和制品分离或易于切除和修正。
f.应尽可能使主流道中心和模板中心重合。
一、初步设计主流道及分流道形状和尺寸
1、主流道设计
根据主流道进出口直径推荐值，选择ABS塑料在2.5N注射量下的值，即
入口直径d1=4.5mm出口直径d2=6.5mm。
主流道出口圆角r=1/8d2=0.8mm。
为了便于取出主流道中的凝料，将主流道设计成圆锥形，其锥角一般为2~4度[6]，这里取4。
但在实际中，由于主流道小端入口处与注射机喷嘴反复接触，属易损件，对材料要求较严，因而模具主流道部分常设计成可拆卸更换的主流道衬套形式（俗称浇口套图3-3），以便有效的选用优质钢材单独进行加工和热处理。
且浇口套有专门的厂家生产，只需去买就行了。
常用浇口套分为有托浇口套和无托浇口套两种下图为前者，有托浇口套用于配装定位圈。
有托套的规格有Φ12，Φ16，Φ20等几种。
由于注射机的喷嘴半径为12，所以浇口套的为R13。
图3-3浇口套
2、分流道设计
在多型腔或单型腔多浇口（塑件尺寸大）时应设置分流道，分流道是指主流道末端与浇口之间这一段塑料熔体的流动通道。
它是浇注系统中熔融状态的塑料由主流道流入型腔前，通过截面积的变化及流向变换以获得平稳流态的过渡段。
因此分流道设计应满足良好的压力传递和保持理想的充填状态，并在流动过程中压力损失尽可能小，能将塑料熔体均衡地分配到各个型腔。
由于梯形截面的水力半径较大（水力半径对熔料的压力损失及热量损失有影响），且梯形截面易于加工，故选择梯形截面。
为了便于加工及凝料脱模，分流道大多设置在分型面上。
根据主流道直径d2和常用分流道截面尺寸，确定：
截面尺寸h=4mma=8mmb=6mm。
如图3-4所示。
分流道的长度一般为8~30mm，结合型腔的布局，
分流道的长度l=10mm。
分流道的布置形式：
分流道在分型面上的布置与前面所述型腔排列密切相关，有多种不同的布置形式，但应遵循两方面原则：
一方面排列紧凑、缩小模具板面尺寸；另一方面流程尽量短、锁模力力求平衡。
本模具（附图1）的分流道布置形式采用平衡式，如图3-5所示。
图3-4分流道截面图3-5分流道与冷料井
二、冷料井设计
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小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，如果这里温度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。
冷料井一般开设在主流道对面的动模板上（也即塑料流动的转向处），其标称直径与主流道大端直径相同或略大一些，深度约为直径的1.5-2倍，最终要保证冷料的体积小于冷料穴的体积，冷料穴主要有六种形式，常用的是端部为Z字形和拉料杆的形式，具体要根据塑料性能合理选用。
本模具中的冷料穴的具体位置和形状如图中所示。
实际上只要将主流道顺向延长一段距离就行了。
同时它还兼有拉出流道凝料的功用。
冷料井直径d一般与主流道相同，d=6.5mm。
长度取1.5~2的主流道直径，l=10mm。
角度为4度。
三、确定浇口形式及位置
浇口是连接流道与型腔之间的一段细短通道。
它是浇注系统的关键位置。
浇口的形状、位置和尺寸对制品的质量影响很大。
浇口的主要作用有如一下几点：
[7]
1、熔体冲模后，首先在浇口处凝固，当注射机螺杆抽回时可防止熔体向流道回流，
2、流体在流经狭窄的浇口时会产生摩擦热，使熔体温度上升，有助于冲模。
3、易于切除浇口的尾料。
4、对于多型腔模具，浇口能用来平衡进料。
对于多浇口的单型腔模具，浇口除了能用来平衡进料外，还能用以控制熔接痕在制品中的位置。
浇口位置的选择
浇口的位置与数量对制品质量的影响很大。
选择浇口位置时应遵循以下原则：
[7]
1、避免引起熔体破裂
2、浇口应开设在制品截面最厚处。
3、有利于塑料熔体的流动。
4、有利于型腔排气。
5、减小熔接痕的影响。
6、减小制品翘曲变形。
7、防止型芯变形。
浇口位置如图3-6所示。
图3-6浇口位置
浇口形式
由于侧浇口形状简单，易于加工，适用于中小型多腔模，所以选择侧浇口形式。
侧浇口一般开设在分型面上，塑料熔体于型腔的侧面充模，其截面形状多为矩形狭缝，调整其截面的厚度和宽度可以调节熔体充模时的剪切速率及浇口封闭时间。
侧浇口加工容易，修整方便，并且可以根据塑件的形状特征灵活地选择进料位置，因此它是广泛使用的一种浇口形式，普遍使用于中小型塑件的多型腔模具，且对各种塑料的成型适应性均较强；但有浇口痕迹存在，会形成熔接痕、缩孔、气孔等塑件缺陷，且注射压力损失大，对深型腔塑件排气不便。
浇口的具体尺寸一般根据经验确定，取其下限值，然后在试模时逐步纠正。
浇口的截面积约为分流道的0.03~0.09，长度l约为0.5~2mm宽度b取1.5~5mm，厚度h=0.5~2mm。
由此，浇口的初选尺寸为l=1mmb=3mmh=1mm。
四、浇注系统的平衡
对于中小型塑件的注射模具己广泛使用一模多腔的形式，设计应尽量保证所有的型腔同时得到均一的充填和成型。
一般在塑件形状及模具结构允许的情况下，应将从主流道到各个型腔的分流道设计成长度相等、形状及截面尺寸相同（型腔布局为平衡式）的形式，否则就需要通过调节浇口尺寸使各浇口的流量及成型工艺条件达到一致，这就是浇注系统的平衡。
显然，该模具是平衡式的，即从主流道到各个型腔的分流道的长度相等，形状及截面尺寸都相同。
第六节选用模架
注射模具在结构上存在相似性，除了凹模和型芯取决于塑件外，其余的模具零件极其相似，连各个模具零件的装配关系都有着一致性。
即使是较为复杂的双分型面模具和三分型面模具，也是在两板式模具的基础上增加了一块或两块模板，结构的相似性，才使模具零件和模架的标准化成为可能。
目前，国内外已有许多标准化的模架形式供用户订购。
选用标准模架有如下优点。
[8]
①简单方便、买来即用、不必库存。
②能使模具成本下降。
③简化了模具的设计和制造。
④缩短了模具生产周期，促进了塑件的更新换代。
⑤模具的精度和动作可靠性得到保证。
⑥提高了模具中易损零件的互换性，便于模具的维修。
根据以上分析、计算及型腔尺寸、位置尺寸，可确定模架的结构形式和规格。
查表选用A1250*L型模架。
[8]
型号：
250*250
定模板厚度：
40mm
动模板厚度：
80mm
垫块厚度：
80mm
模架厚度：
250mm
模架外型尺寸：
250*250*250mm*mm*mm
第七节冷却系统设计
忽略因空气对流，热辐射以及与注射机接触而散发的热量，不考虑金属材料的热阻，对模具冷却系统进行初步分析。
在单位时间内放出的热量等于冷却水带走的热量，因此有
qv=WQ/（p*cl*n）（3-5）
qv——冷却水的体积流量m^3/min
W——单位时间内诸如模具中的塑料重量kg/min
Q——单位重量的塑料在凝固时放出的热量kj/kg
P——冷却水的密度kg/m^3
cl——冷却水的比热容
n——进水口与出水口的温差
qv=0.04232*350/（1000*4.2*3）=1.18e-3
由于所需冷却水量（qv）过小，无法在冷却水、冷却槽直径及平均速度关系表中，查出冷却槽直径和平均速度，且该计算方式采用的是粗略计算，如果将空气对流，热辐射以及与注射机接触而散发的热量，金属材料的热阻等情况考虑在内，其所需冷却水会更少，所以认为该模具机构不需要专门的冷却系统。
第八节排气系统设计
排气槽是使模具型腔内的气体排除模具外面在模具上开设的气流通槽或孔。
塑料熔体在诸如型腔的同时，必须置换出型腔内的空气和从熔体中逸出的挥发性气体，作为注射模具组成部分的排气槽如果涉及不合理，将会产生如下弊病：
[4]
a.增加熔体流动冲模的阻力，使型腔无法充满，导致制品棱边不清晰。
b.在制品上呈现明显可见的流动痕和熔接痕，使制品的力学性能降低。
c.滞留气体使制品产生银纹、气孔、剥层等表面质量问题。
d.型腔内气体受到压缩后产生瞬时局部高温，使熔体分解变色，甚至碳化烧焦。
e.由于排气不畅，降低了熔体的充模速度。
延长了注射成型周期。
排气时利用分型面间隙排气。
在许多情况下，可利用模具的分型面之间的间隙自然排气。
例如，小型制品的排气量不大，如果排气点正好在分型面上，就可利用分型面的微小间隙排气，而不必在开设专门的排气槽。
由于本模具自身体积较小，且排气点正好处在分型面上，所以，采用分型面间隙排气的方法。
于是不做专门的排气槽设计。
第九节推出机构的设计
推出机构设计原则[4]：
（1）推出机构应尽量设置在动模一侧由于推出机构
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