鼠标上盖注塑模模具设计要点.docx
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鼠标上盖注塑模模具设计要点
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江苏省徐州机电工程高等职业学校
毕业 论文
（2０1１届）
题目:
鼠标上盖注塑模模具设计
姓 名：
张 彬
学 号:
4
系部:
数控技术系
班级:
0６高职模具三班
指导教师：
周 欣
2０11年5月
江苏徐州机电工程高等职业学校毕业论文
任务书
系部数控技术系专业年级0６高职模具3班 学生姓名张彬
任务下达日期:
2011 年3 月5 日
毕业论文日期：
2０10年3月5 日至 20１1年5月 5 日
毕业论文题目:
毕业论文专题题目：
毕业论文主要内容和要求
系主任签字：
指导教师签
指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力;③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点;⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等）：
成绩:
指导教师签
年 月 日
答辩及综合成绩
答 辩 情 况
提 出问题
回 答 问题
正 确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
系部领导小组综合评定成绩
系部领导小组负责人:
年 月 日
系部领导小组综合评定成绩
系部领导小组负责人:
年月 日
鼠标上盖注射模模具设计
张彬
０6高职模具3班
摘要:
鼠标上盖是流线形结构，使用二维绘图难以描述，本课题采用Pｒo/E软件对鼠标上盖制品及模具进行了三维造型，采用Prｏ/E的数值模拟技术和经验设计计算相结合的方法优化设计，同时仿真了塑料熔体在型腔内的充模流动以及冷却分析过程，预测了缺陷产生的临界条件,优化了工艺方案及工艺参数,降低了缺陷出现的可能性。
利用参数化实体造型的方法,为更加高速、快捷的造型、生产提供了一种切实可行的办法。
生成的模型数据可以直接导入数控机床进行三维加工。
关键词:
注塑模具数值模拟鼠标上盖
一、绪论
１.国内外发展状况
（1）模具工业的概况
在讨论注塑模设计之前,先要对国内外的塑料模具工业的状况、塑料模具工业的发展方向有一个较清晰的了解，这也就使我们对本课题的意义有所了解。
首先要对模具有一个整体的认识。
模具是机械、汽车、电子、通讯、家电等工业产品的基础工艺装备之一。
作为工业基础,模具的质量、精度、寿命对其他工业的发展起着十分重要的作用,在国际上被称为“工业之母”，对国民经济发展起着不容质疑的作用。
塑料模具工业是随塑料工业的发展而发展的。
塑料工业是一门新兴工业。
自塑料问世后的几十年以来,由于其原料丰富、制作方便和成本低廉,塑料工业发展很快,它在某些方面己取代了多种有色金属、黑色金属、水泥、橡胶、皮革、陶瓷、木材和玻璃等，成为各个工业部门不可缺少的材料。
成型工艺方面，多材质塑料成型模、高效多色注射模、镶件互换结构和抽芯脱模机构的创新设计方面也取得较大进展。
气体辅助注射成型技术的使用更趋成熟,如青岛海信模具有限公司、天津通信广播公司模具厂等厂家成功地在２9~3４英寸电视机外壳以及一些厚壁零件的模具上运用气辅技术,一些厂家还使用了C-MOＬD气辅软件，取得较好的效果。
本文将对鼠标上盖成型的几个关键问题：
鼠标制品外形的设计与建模、最佳成型方法的选择,分析最佳成型工艺，模具设计并进行理论和试验研究。
（1）鼠标上盖制品外形设计
本课题利用PRO/ＥNGINEER软件对鼠标上盖进行实体建模,PRO/E的图形设计是基于三维的,它与传统的二维绘图有着本质的区别。
生成的模型直观,立体感强，可以在任何角度进行观察。
另外系统还能计算出实体的表面积、体积、重量、惯性距、重心等。
使设计者很容易、很清楚地知道零件的特性。
而且可由立体图生成三视图,大大提高工作的效率和准确性。
（２）最佳成型方法的选择
比较几种可用于成型鼠标外壳这种薄壁单分型面制品的常用塑料加工方法,根据产品开发依据和使用要求选择合理的成型方法。
（3）分析最佳成型工艺
鼠标上盖为薄壁制件，比表面积大，可能的工艺方案较多，工艺方案的优劣直接影响到产品质量、生产成本以及生产效率。
本文在对塑件进行分析的基础上,确定并优化了工艺方案。
具体内容如下：
①对塑件成型工艺性进行分析，对可能的工艺方案进行比较分析,初步得出可能的工艺方案以及其可行的条件。
②根据产品开发依据及成型要求,确定工艺方案。
（4）模具设计
①模具结构分析和确定
针对鼠标上盖尺寸小，精度高的特点，根据工艺方案和零件的形状特点、精度要求、生产批量、模具加工条件、操作方便与安全的要求,对模具进行分析，确定模具的合理结构。
②模具主要零部件的结构设计
根据模具结构型式和特点，确定模具工作、导向以及固定等并确定模具主要零件的形式以及尺寸。
本研究的主要目的是通过一个具有代表性模具的分析研究，从而达到掌握具有复杂曲面模具的设计制造以及加工的方法。
４.研究目的及意义
二、鼠标上盖设计及其成型工艺分析
1.产品开发依据用途清单
最大几何尺寸:
110×6０ｍm
环境:
室内，使用温度范围0℃~4０℃
无化学品接触
抗冲击要求:
限定量从1.５ｍ高度,0℃下摔下外壳不出现裂缝或者开裂特征,不允许内部件曝露
刚性要求：
在２Kg负荷下无变形
电气性能:
电绝缘性好
外观要求：
部件美观,外部光洁性好
使用寿命:
5年
根据上述使用要求可归纳产品设计要求为制品材料需要具有一定的抗冲击性并且由于是电子产品的外壳要有良好的电绝缘性,随着数码产品的大量普及价格也不断下跌要求生产自动化程度高,成型周期短
生产自动化程度高、成型周期短,且要求尺寸精度高，有较好电绝缘性。
２．制品材料选择
通用塑料如聚丙烯PP,聚乙烯PE,聚氯乙烯ＰVC具有应用范围广、加工性能良好,价格低廉的优点，但由于其力学性能较差且成型收缩率较大不易成型尺寸稳定的制品故不选用,以下拿三种常用典型材料比较选取。
（１）丙烯腈—丁二烯—苯乙烯三元共聚物（ABS）
ＡBＳ外观上是淡黄色非晶态树脂,不透明,密度与聚苯乙烯基本相同。
ABS具有良好的综合物理力学性能，耐热,耐腐,耐油，耐磨、尺寸稳定,加工性能优良,它具有三种单体所赋予的优点。
其中丙烯腈赋予材料良好的刚性、硬度、耐油耐腐、良好的着色性和电镀性;丁二烯赋予材料良好的韧性、耐寒性；苯乙烯赋予材料刚性、硬度、光泽性和良好的加工流动性。
改变三组分的比例，可以调节材料性能。
ABＳ为无定形聚合物,无明显熔点,熔融流动温度不太高，随所含三种单体比例不同,在160~1９０℃范围即具有充分的流动性，且热稳定性较好，在约高于285℃时才出现分解现象,因此加工温度范围较宽。
ABS熔体具有明显的非牛顿性，提高成型压力可以使熔体粘度明显减小,粘度随温度升高也会明显下降。
ABS吸湿性稍大于聚苯乙烯，吸水率约在０.２%~０．45%之间，但由于熔体粘度不太高，故对于要求不高的制品,可以不经干燥,但干燥可使制品具有更好的表面光泽并可改善内在质量。
在80~9０℃下干燥２~3h,可以满足各种成型要求。
ABS具有较小的成型收缩率,收缩率变化最大范围约为0.3%~0．8%，在多数情况下,其变化小于该范围。
注塑是AＢS塑料最重要的成型方法，可以采用柱塞式注塑机,但更长采用螺杆式注塑机,后者更适于形状复杂制品、大型制品成型。
（2）聚苯乙烯（PS）
聚苯乙烯是无色无臭的透明刚硬固体,制品掷地时有金属般响鸣。
聚苯乙烯透光率不低于8０％,雾度约为3%,折射率较大,在1.59～１．６０之间,具有特殊光亮性,但储存时易泛黄。
泛黄原因之一是单体纯度不够，特别是在含有微量元素时;二是聚合物在空气中缓慢老化引起发黄。
聚苯乙烯较轻,密度在1.04~1.0６5之间。
①力学性能 ：
聚苯乙烯在热塑性塑料中属于典型的硬而脆塑料，拉伸、弯曲等常规力学性能皆高于聚烯烃,拉伸时无屈服现象。
②热学性能 聚苯乙烯分子链虽是刚性链,但由于是无定形结构,超过玻璃化温度即开始软化，软化点仅95℃左右,许多力学性能都受到温度升高的明显影响。
最高连续使用温度仅60~80℃。
1２0℃开始成为熔体,180℃后开始具有流动性，其热稳定性较好,超过300℃才开始分解，因此聚苯乙烯具有较高的成型加工区间。
③电性能:
聚苯乙烯是非极性聚合物,具有颇为优异的介电、电绝缘性能,由于吸湿性很小,电性能也不受环境湿度改变的影响。
加工工艺性
吸湿性很小，加工前一般不需要专门的干燥工序
成型温度范围较宽
收缩率及其变化范围都很小，一般在０.2%～0.8％有利于成型出尺寸精度较高
和尺寸较稳定的制品
聚苯乙烯制品容易产生内应力，并且在空气中会缓慢老化引起发黄很显然不适合选用
（3）双酚A型聚碳酸酯（ＰC）
双酚A型聚碳酸酯是无色或者微黄色透明的刚硬、坚韧固体。
①力学性能
双酚A型聚碳酸酯是典型的硬而韧聚合物,具有良好的综合力学性能。
拉伸、压缩、弯曲强度均相当于聚酰胺6、聚酰胺６6,冲击强度高于所有脂肪族聚酰胺和大多数工程塑料,抗蠕变性也明显优于聚酰胺、聚甲醛。
力学性能方面缺点是耐疲劳性较差,缺口敏感性较明显
②热性能
有良好的耐热性,玻璃化温度较高，高于所有的脂肪族聚酰胺，熔融温度略高于聚酰胺6但低于聚酰胺６6,热变形温度和最高连续使用温度均高于绝大多数脂肪族聚酰胺，也高于几乎所有的热塑性通用塑料。
在工程塑料中,他的耐热性优于聚甲醛、脂肪族聚酰胺和PBT，与ＰEＴ相当，但逊于其他工程塑料。
聚碳酸酯具有良好的耐热性，脆化温度为-100℃
③电性能
双酚Ａ型聚碳酸酯是弱极性聚合物,极性的存在对电性能有一定不利影响,在标准条件下电性能虽不如聚烯烃、聚苯乙烯等，但也不失为是电性能较优的绝缘材料,特别是因其耐热性优于聚烯烃，可在较宽温度范围保持良好的电性能。
由于吸湿性较小,环境温度对电性能无明显影响。
④其他性能
在干燥的气候条件下物理力学性能基本不变,但在潮湿环境及强烈日照条件下,会产生表面裂纹并发暗，在火焰中可缓慢燃烧,离火源后可自熄[5]。
ＰＣ剪切黏度高，充模阻力大，并且由于其在力学性能方面的缺点也不选用。
表2三种材料性能参数表
ＡBS
PS
PC
密度
1.０５
1.０４~１.０6
1.18~1.2０
收 缩 率
0.３～０.8
0.２～0．８
0．5~0.７
熔 点
130~160
13１~165
２20~240
热变形温度（４5N/cm²）
65～9８
６5~90
13２~138
模具温度
60～8０
40~60
8５～12０
喷嘴温度
18０～190
160~170
2５0~3０0
中段温度
180～2３0
17０～1９0
２70~32０
后段温度
150～170
140～１６０
250~2７0
注射压力
６0~１0０
60～100
50～110
塑化形式
螺杆式柱塞式
螺杆式柱塞式
螺杆式柱塞式
拉伸强度
3３～49
35~6３
60~６6
拉伸弹性模量
1.8
2.８~3.5
2.3
弯曲强度
8０
61~９8
１０5~１1３
弯曲弹性模量
１.4
-
1.54
压缩强度
１8~3９
８０~１１2
85
缺口冲击强度
1１～２0
０．25～0.40
不断
硬 度
R62～86
洛氏M6５~80
11.7HB
体积电阻率
101６
１017～1０1９
１０15
介电常数
60Ｈz2.４~5.0
１06 Hz≥2.7
６0Hz3.0
击穿电压
-
19～2７
２0~30
外 观
浅象牙色或白色不透明
无色透明、摔打音清脆
透明微黄
特 点
耐热、表面硬度高、,尺寸稳定、耐化学及电性能好,易成型加工，可镀铬
耐水、耐化学品、绝缘性好、不耐冲击不耐温
透明度高、硬而韧、高抗冲、尺寸稳定性优电绝缘性和耐热性好、耐开裂耐药品性差
材料最终选定为ABＳ,其综合性能优异,具有较高的力学性能,流动性好,易于成型；成型收缩率小，理论计算收缩率为0．5％；溢料值为0．04mm；比热容较低，在模具中凝固较快,模塑周期短。
制件尺寸稳定,表面光亮。
3．注射工艺选择
（１）工艺难点分析
鼠标上盖为外观件,要求零件表面平整光滑,无翘曲、皱折、裂纹等缺陷,周口部高度差不可过大，以保证与下盖的严密配合。
零件的曲面较为复杂,尺寸精度很高，由于零件为薄壁制件,外形很不规则，这些就造成了成形时容易受到各种因素影响引起制品翘曲变形的问题。
同时零件在整个表面有几处孔形分布,这些孔形有较高的尺寸和位置精度,并关系到上下盖的配合问题，保证零件表面孔形的成形要求也是需要重点考虑的问题。
流程图：
混料—干燥—螺杆塑化—充模—保压—冷却—制品后处理
（２）AＢS塑料的干燥
ABＳ塑料的吸湿性和对水分的敏感性较大，在加工前进行充分的干燥和预热，不单能消除水汽造成的制件表面烟花状泡带、银丝,而且还有助于塑料的塑化,减少制件表面色斑和云纹。
ABS原料需要控制水分在0.3％以下。
注塑前的干燥条件是：
干冬季节在７５～80℃以下,干燥２~3h，夏季雨水天在８0～9０℃下，干燥4～8h,干燥达8~16h可避免因微量水汽的存在导致制件表面雾斑。
在此，由于鼠标外壳属批量件要求自动化程度高实现连续化生产选用烘干料斗并装备热风料斗干燥器,以免干燥好的ＡBS在料斗中再度吸潮[20]。
1注射温度:
表3 AＢS工艺参数表
工艺参数
通用型ABS
料桶后部温度
1８0~20０
料桶中部温度
2１0~230
料桶前部温度
2０0~２１0
喷嘴温度／℃
180~190
模具温度/℃
５0~70
ABS塑料非牛顿性较强,在熔化过程温度升高时，其熔融降低很小，但一旦达到塑化温度（适宜加工的温度范围，如2２0~250℃），如果继续盲目升温，必将导致耐热性不太高的ABS的热降解反而使熔融粘度增大,注塑更困难,制件的机械性能也下降。
（3）注射压力
ＡBS熔融的粘度比聚苯乙烯或改性聚苯乙烯高，在注射时要采用较高的注射压力。
但并非所有ABＳ制件都要施用高压,考虑到本制件小型、构造不算非常复杂、厚度中等可以用较低的注射压力。
注制过程中，浇口封闭瞬间型腔内的压力大小决定了制件的表面质量及银丝状缺陷的程度。
压力过小，塑料收缩大，与型腔表面脱离接触的机会大,制件表面容易雾化。
压力过大,塑料与型腔表面摩擦作用强烈,容易造成粘模。
（４）注射速度
ABＳ塑料采用中等注射速度效果较好。
当注射速度过快时，塑料易烧焦或分解析出气化物,从而在制件上出现熔接痕、光泽差及浇口附近塑料发红等缺陷。
并且鼠标壳为薄壁制件，要保证有足够高的注射速度,否则难以充满。
（5）模具温度
ＡＢＳ的成型温度相对较高，模具温度也相对较高。
一般调节模温为75～8５%,当生产具有较大投影面积制件时,定模温度要求７0～80℃,动模温度要求50～60℃。
鼠标属中小型制件,形状也不算复杂不用考虑专门对模具加热。
（6）料量控制
注塑机注塑ＡＢＳ塑料时，其每次注射量仅达标准注射量的7５%。
为了提高制件质量及尺寸稳定,表面光泽、色调的均匀，注射量选为标定注射量的5０％。
通常要确保注塑机生产条件及参数有一个很宽的范围,使大多数的产品和生产能力要求包含于这范围内，并且在调整确定这范围的过程时尽量按常规的工艺流程，这种生产条件范围愈大,生产过程愈稳定，使注塑产品愈不容易受到生产条件的改变而产生明显的质量降低。
三、模具设计
1．概述
在对鼠标上盖进行零件工艺性分析的基础上,通过经验设计与数值模拟相结合的方法，最终确定了零件成形的最佳工艺方案。
再根据该工艺方案,确定成形最终零件形状。
２．注塑机选型
（1）注射量计算
根据生产经验，注塑机注塑ABS塑料时,其每次注射量仅达标准注射量的７5%。
为了提高制件质量及尺寸稳定，表面光泽、色调的均匀，选定注射量为标定注射量的5０%[７]
Ｖ=n×Vz＋Vj
０.5Vg≥n×Ｖｚ+Vj
Ｖ—一个成型周期内所需要注射的塑料容积cm3
ｎ—型腔数
Vz—单个塑件容量ｃm3
Vj—浇注系统.凝料和飞边所需的塑料的容积cｍ３
Vg—注射机的额定注射量
预计单个塑件体积Vz＝3cｍ3，预计浇注系统和飞边体积为2cm3
V=2×３+2＝6.9cｍ3
0.5Vg≤ｎ×Vz+Vj
Ｖg≥16cm3
（2）注射压力校核
ABS塑料推荐注射压力为70~90MPa,考虑到本制件壁厚较小，充模阻力较大取注射压力为80 MＰa
（3）锁模力校核
注射成型时的塑料会产生模板间的涨模力，此涨模力等于塑件和浇注系统在分形面上的投影面积与型腔压力之积[２２]。
为防止模具分型面被涨模力顶开，必须对模具施加足够的锁模力,否则在分型面处会产生溢料现象,因此模具设计时应使注射机的额定锁模力大于涨模力。
P=PB×KＣ×ＫS
Ｐ—型腔内压
KＣ--－-材料系数,查表得ABS=1.１5
KS--－－-塑件复杂系数，取1．3
PＢ与进浇口流程长度、壁厚的流程比（L/H）有关。
根据Ｈ=（L/100＋0.8）×0.7可算出L=３4８故L/H=174故选PB=3２MPa
P=32×１.１5×1．3=48MPa
（4）开模行程和模板安装尺寸校核
模具开模取出制品所需的开模距离必须小于注射机的开模行程。
注射机最大的开模行程的大小直接影响模具所形成的塑件高度,太小时塑件无法从动定模之间取出。
S ｍaｘ ≥S= ＨM+Ｈ１＋H2+（５~10）
Sｍax-－注射机的最大开模行程（ｍｍ）
S--－－--模具所需开模距离（mm）
H１----塑件脱模距离（mm）
H２--－-包括浇注流道凝料在内的塑件高度（mm）
HM－---模厚
S=220+40+20+1０+10=３00mm
选择震德机械厂CＪ90M5变量泵注塑机
锁模力900KＮ，开模行程３3０ｍm,模板尺寸5２0×520ｍｍ，容模量１３0—3６０mm
理论注射容积165cm3，理论注射压力１75Mｐa，皆满足计算结果。
根据所选注塑机模板尺寸确定定模底板和模脚尺寸,以便于安装
模脚选择分开式的,两个模脚分别固定在注塑机动模板上,选择分开的模脚不仅节省材料还可以不用考虑注塑机顶杆的顶出位置根据注塑机模板尺寸确定模具底板尺寸为2００×400，如图２。
图2所选注塑机模板及喷嘴参数
3．模具浇注系统设计
（１）主流道和冷料井
主流道顶部设计成半球形凸坑，以便与喷嘴衔接,为避免高温塑料熔体溢出,凹坑球半径比喷嘴球头半径大2mm，如果凹坑半径小于喷嘴球头半径则主流道凝料无法一次脱出，由于主流道与注塑机的高温喷嘴反复接触和碰撞，所以设计成独立的主流道衬套，选用４５＃钢材并经热处理提高硬度,设计独立的定位环用来安装模具时起定位作用，主流道衬套的进口直径略大于喷嘴直径1mｍ以避免溢料并且防止衔接不准而发生的堵截。
为避免前端冷料进入分流道和型腔而造成成型缺陷,主流道的对面设冷料井，对于卧式注塑机冷料井设在与主流道末端相对的动模上,在脱模时制件的活动方向不受限制所以采用底部带Z型头拉料杆的冷料井。
（2）分流道
模具采用一模两腔对称布置,型腔数过多影响制品精度，而型腔数过少生产效率太低不能达到使用要求，故采用一模两腔。
为使塑料熔体以等速度充满两型腔,分流道在模具上采用对称等距离分布，在注射时采用对称分布可以使型腔和浇注系统投影面积重心更接近锁模力的中心,避免局部胀模力过大影响锁模。
分流道长度也尽可能短小,便于注射成型过程中最经济地使用原料和注射机的能耗,减少压力损失和热量损失。
如图３
图3：
型腔分布图
分流道截面形状和尺寸也对塑料熔体的流动和模具的制造难易及脱模有影响,圆柱形流道虽然比表面积最小流动阻力最小,但该种流道须开设在两半模上，既加工费力又不易对准，如果加工误差较大没有对准比表面积反而会有相当大的增加,本设计选用断面形状为梯形的流道，此种流道只需要开设在凹模上节省了加工成本，在流道表面进行抛光处理减小流动阻力。
由于分流道中与模具接触的外层塑料迅速冷却，只有中心部位的塑料熔体的流动状态较为理想，因而分流道的内表面粗糙度Ｒa并不一定要很低,取１.6μm既可，这样表面稍不光滑，有助于塑料熔体的外层冷却皮层固定，从而与中心部位的熔体之间产生一定的速度差,以保证熔体流动时具有适宜的剪切速率和剪切热。
（3）浇口设计
ＡBS在熔融时显现比较明显的非牛顿性,其熔体表面粘度随剪切速率的升高而降低。
如采用尺寸较大的浇口,能够降低流动阻力，促使流动速率升高，但熔体通过扁平式浇口时比小浇口剪切速率低，导致熔体表观粘度升高,从而使流动速率降低,因此不能通过增大浇口尺寸来提高非牛顿熔体流动速率。
另外，注塑机注射时有一定的注射速率，浇口尺寸过大,浇口前后方的压力降△P减小,会导致得不到理想的充模速率。
鼠标上盖制品壁厚较小流程相对过长不利于熔体充满整个型腔，对成型不利。
剪切速率是影响ＡBS熔体粘度的最主要因素，而粘度又直接影响熔体在模腔内的流动速率。
因此采用小浇口不但会大大提高熔体通过浇口时的剪切速率,而且产生的摩擦热也会降低熔体粘度，以达到顺利充模的目的。
综合以上分析和考虑到制品和实际模具形状,浇口采用边缘浇口，位置在制件尾端内缘处,选在该位置不但模具简单，而且去除浇口的后加工操作也非常简单，提高了工作效率,也便于模具的机械加工,易保证浇口加工精度,试模时浇口尺寸易于修整。
将模型数据导入Prｏ／E的模流分析模块-Plastiｃ Advisor（塑性顾问）建立仿真分析。
浇口尺寸计算：
浇口采用边缘浇口
浇口深度h=k.δ＝1．1５×２＝2．３ｍm
ｋ为材
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