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湖工最终版

手机外壳注塑模具设计

湖北工业大学模具设计与制造专业姓名：

夏亦

{摘要}：

以手机后壳注塑模具设计为例,介绍了注塑模具的设计方法和流程。

首先根据塑件材料及工艺特性用MOLDFLOW软件对零件进行模流分析,然后选择注塑机并确定型腔数目,接着确定成形方案:

总体结构设计、分型面设计、浇注系统设计、脱模机构设计、冷却系统设计等。

最后进行注塑机工艺参数校核,包括注射量、锁模力、注射压力、模具厚度和注射机闭合高度等方面。

该设计方法对其它不同结构产品的注塑模具设计有一定的参考价值。

{关键词}：

手机外壳，结构，模流分析，模具

[Abstract]:

Tocoverofthephonecasemolddesign,injectionmolddesignintroducesthemethodsandprocesses.Firstofall,plasticmaterialsandprocessesaccordingtocharacteristicsofsoftwarecomponentsforuseMOLDFLOWmoldflowanalysis,andthenselectthenumberofinjectionmoldingmachineandtodeterminethecavity,andthenformingtheprogramtodetermine:

theoverallstructuraldesign,sub-surfacedesign,castingdesign,moldreleasemechanismdesign,coolingsystemdesign.Finally,injectionmoldingmachineparameterschecked,includingtheinjectionvolume,clampingforce,injectionpressure,moldthicknessandtheinjectionmachineshutheightandsoon.Thedesignstructureofproductsofotherdifferentinjectionmold.dsign.

Keywords:

structure,moldflowanalysis,mold

第一章绪论

1．1塑料成型在塑料工业中的地位

塑料工业包含塑料生产和塑料制品生产两大部分。

没有塑料生产，就没有塑料制品的生产；而没有塑料制品生产，塑料就不可能变成产品或生活资料。

两者是一种密切的、相互依存的关系。

塑料制品生产主要由成型、机械加工、修饰和装配4个生产过程组成。

有些塑料在成型之前需要经过一系列预处理，如预热、预压、干燥等，因此，塑料制品生产的完整生产过程为：

预处理—成型—机械加工—修饰—装配。

这个生产过程的顺序不能颠倒，否则会影响塑料制品质量。

在五个基本生产过程中，塑料的成型是最为重要的，是一切塑料制品和塑料生产的必经过程。

而其他四个生产过程是根据塑料制品的要求而定，不是每个制品都需要经过这四个生产过程。

塑料成型过程称为一次加工，最为重要，必不可少，而其他几个过程统称为二次加工，视要求取舍，处于次要地位。

因此，可以说塑料的成型在塑料制品生产乃至塑料工业中占有重要地位。

1.2塑料成型模具的重要性

塑料模具是指利用其本身特定的密闭腔体去成型具有一定形状和尺寸的立体形状塑料制品的工具。

塑料成型的方法有很多种，但不管哪一种成型方法都离不开模具。

塑料成型模具是塑料模塑成型过程中最关键的工艺装备。

这是因为在现代塑料制品生产过程中，影响塑料制品生产的三大重要因素是：

正确的加工工艺、高效的设备和先进的模具，而塑料模具对塑料塑模工艺的实现，保证塑料制品的形状、尺寸及公差起着极为重要的作用，高效率全自动的设备只有配备了适合自动化生产的塑料模具才可能发挥其效能；产品的更新换代也是以模具的制造和更新为前提的，可以说模具就是产品的质量，模具就是经济效益。

目前，对塑料制品的品种、质量和产量的要求越来越高，因而对塑料模的要求也越来越迫切。

1.3塑料成型技术的发展方向

（1）出于塑料模成型的制品日渐大型化、复杂化和高精度的要求，而适应高生产率而发展的一模多腔的原因，今后应该重点提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计水平及比例。

（2）在模具设计制造中全面推广应用CAD/CAM/CAE技术。

（3）推广应用热流道技术，气体辅助注射成型技术和高压注射成型技术。

（4）开发新的成型工艺和快捷经济模具，以适应多品种、少批量的生产方式。

（5）提高塑料模标准化水平和标准件的使用率。

（6）应用优质材料和先进的表面处理技术来提高模具寿命和质量

1.4塑件选择

据调查，东亚尤其是中国的用户对于翻盖手机却相当青睐，在中国市场销售的全部手机中，翻盖手机的数量超过了一半。

国产手机厂商了解本土消费者的心理，摒弃欧美崇尚的直板机而主推折叠机，开发出符合东方人审美趣味的机型，款式漂亮，内容丰富，得到了广大消费者的喜爱。

针对以上情况，选用翻盖式手机壳注塑模设计。

第二章产品工艺分析

2.1产品造型设计

塑件的选择：

女性翻盖手机

本人负责的部分是翻盖部分，翻盖部分的特点是上盖采用复杂曲面设计，上下盖的分型面都比较复杂，而且下盖需要侧向抽芯。

见图2.1：

a）装配图b）爆炸图

图2.1塑件造型

2.2塑件制品的工艺分析

（1）尺寸和精度

尺寸：

塑件尺寸的大小受到塑料材料流动性好坏的制约，塑件尺寸越大，要求材料的流动性越好，流动性差的材料在模具型腔未充满前就已经固化或熔接不牢，导致制品缺陷和强度下降。

尺寸精度：

影响塑件制品尺寸精度的因素是比较复杂的，如模具各部分的制造精度，塑料收缩率，成型工艺及模具加工表面质量等等。

手机机壳属于高精度的塑件，选用3级精度。

（2）壁厚

对于手机机壳本身尺寸向着轻巧化发展，属于高级薄壳制品（壁厚小于1.2mm），选用壁厚1mm，均匀抽壳。

（3）脱模斜度

结合本塑件的形状，设定脱模斜度为40分。

（4）加强筋和凸台

针对本塑件，在壳体转角处设置距壁面有一定距离的凸台，并设加强筋。

同时在复杂曲面凸起的地方设置加强筋防止变形。

2.3塑件材料的选择与性能

PC／ABS合金在汽车、机械、家电、计算机、通讯器材、办公设备等方面获得了广泛应用，如移动电话的机壳、手提式电脑的外壳、以及汽车仪表盘〔板）等。

资料显示：

PC/ABS已广泛应用于制造手机外壳。

ABS是由丙烯腈（Acrylonitrile）、丁二烯（Butadiene）和苯乙烯（Styrene）三种化学单体合成。

其中A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。

其化学分子结构方式如下：

每种单体都具有不同特性：

丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性；丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性；苯乙烯具有易加工、高光洁度及高强度。

从形态上看，ABS是非结晶性材料。

三中单体的聚合产生了具有两相的三元共聚物，一个是苯乙烯-丙烯腈的连续相，另一个是聚丁二烯橡胶分散相。

ABS不透明，外观除薄膜外都呈浅象牙色、无毒、无味、兼有韧、硬、刚特性，燃烧缓慢，离火后仍继续燃烧，火焰呈黄色，有黑烟，燃烧后塑料软化、烧焦，发出特殊的肉桂气味，但无熔融滴落。

ABS的特性主要取决于三种单体的比率以及两相中的分子结构。

这就可以赋予用户在产品设计上有很大的灵活性，并且由此产生了市场上数百种不同品质的ABS材料。

ABS具有优良的综合性能，由于组分、牌号和生产厂家生产方法的不同，使之在性能上存在较大差异，因此以下的试验数据仅供参考。

2.3．1物理力学性能

ABS具有优良的物理力学性能，如不透水，但略透水蒸气，冲击强度较高，尺寸稳定性好等。

ABS有极好的冲击强度，即使在低温也不迅速下降。

但是它的冲击性能与树脂中所含橡胶的多少、粒子大小、接枝率和分散状诚有关，同时也与使用环境有关、如温度越高则冲击强度越大。

当聚合物中丁二烯橡胶含量超过30%时，不论冲击、拉伸、剪切还是其它力学性能都迅速下降（见表5-5和5-6）。

2.3.2热性能

ABS制品的负荷变形温度约为93℃，若能对制品进行退火处理，则还可增加10℃左右。

2.3.3电性能

ABS聚合物的电绝缘性受温度和湿度的影响很小，且在很大频率变化范围内保持恒定。

2.3.4耐环境性

ABS聚合物几乎不受水、无机盐、碱、酸类的影响，但在酮、醛、氯代烃中会溶解或形成乳浊液，它不溶于大部分醇类及烃类溶剂，但长期与烃接触会发生软化溶胀。

ABS聚合物表面受冰醋酸、植物油等化学药品的锓蚀会引起应力开裂。

2.3.5耐候性

ABS聚合物的最大不足之处是耐候性较差，这是由于分子中丁二烯所产生的双键在紫外线作用下易受氧化降解的缘故。

经受350nm以下波长的紫外线照射，氧化作用更甚。

氧化速度与光的强度及波长的对数成正比。

ABS是一种成型加工性能优良的热塑性工程塑料，可用一般加工方法成型加工。

2.3.6ABS的流变性

ABS聚合物在熔融状态下流动特性属于假塑型液体。

虽然ABS的熔体流动性与加工温度和剪切速率都有关系，但对剪切速率更为敏感。

因此在成型过程中可以采用提高剪切速率来降低熔体粘度，改善熔体流动性。

ABS属一无定形聚合物，无明显熔点，成型后无结晶，成型收缩率为0.4%~0.5%。

在成型过程中，ABS的热稳定性较好，不易出现降解或分解，但温度过高时，聚合物中橡胶相有破坏的倾向。

2.3.7ABS的吸水性

ABS具有一定的吸水性，含水量在0.3%~0.8%范围。

成型时如果聚合物中含有水分，制品上就会出现斑痕、云纹、气泡等缺陷，因此在民型前，需将聚合物进行干燥处理，使其含水量降到0.2%左右。

2.3.8ABS制品的后处理

一般情况下很少出现应力开裂，所以除了使用要求较为苛刻的制品，通常不作制品的后处理。

注射速度对ABS的熔体流动性有一定影响，注射速度快，制品表面光洁度不佳；注射速度慢，制品表面易出现波纹、熔接痕等现象，因而除了充模有困难的情况下，一般以中、低速为宜。

在制品要求表面光泽较高时，模具温度可控制在60—80℃对一般制品可控。

第三章模具结构设计与参数计算

3.1塑件制品分析

3.1.1产品要求

从对本产品进行的工艺分析中可以得知，所设计的塑件材料为，材料收缩率为：

0.005，精度要求高，故一次注塑四个，采用圆形分布的流道布置。

塑件立体图如下所示：

3.1.2计算制品的体积重量：

材料采用PC/ABS，查找GE公司网页得知其密度为1.12，收缩率为0.5%。

上盖部分：

使用pro/engineer软件对三维实体产品自动计算出产品的体积，当然也可以根据实体尺寸手动计算出它的体积。

下面是部分计算过程：

通过计算塑件的体积为：

V1=2737.24mm3

塑件的重量：

M1=3.07g

浇注系统体积：

V2=4413.07mm3

浇注系统重量：

M2=ρ.V2=1.12×4.41=4.94g

故V总=4V1+V2=4×2737.24+4413.07=15362.03mm3

故M总=V总×ρ=1.12×15362.03=17.21g

ρ—塑料密度g/m3

　　下盖部分：

通过计算塑件的体积为：

V1=2230.86mm3

塑件的重量：

M1=2.498g

浇注系统体积：

V2=3857.89mm3

浇注系统重量：

M2=ρ.V2=1.12×3857.89=4.32g

故V总=4V1+V2=4×2230.86+4320.84=12781.35mm3

故M总=V总×ρ=1.12×12781.35=14.315g

3.2注塑机的确定

根据制品的体积和重量查《塑料模具设计》（表5—3）选定注塑机型号为：

JPH150A。

注塑机的参数如下：

注塑机最大注塑量：

186g锁模力：

1500KN

注塑压力：

194MPa最小模厚：

180mm

最大开距：

800mm顶出行程：

80mm

注塑机定位孔直径：

125mm注塑机拉杆的间距：

410×410（mm×mm）

喷嘴球半径：

10mm喷嘴前端孔径：

3mm

3.3模具结构设计

模具结构采用一模四腔两板式结构，考虑到壳体表面美观性，采用潜伏式胶口。

根据<<塑料模具设计>>（附录B）所提供的标准模架图例选模架型号为：

大水口，4040。

3.4注塑机参数校核

对注塑机的最大注塑量、锁模力、模具与注塑机安装部分相关尺寸、开模行程等进行校核，校核结果是满足要求的。

3.5浇注系统的设计

3.5.1主流道的设计

主流道是塑料熔融体进入模具型腔时最先经过的部位，它将注塑机喷嘴注出的塑料熔体导入分流道或型腔。

其形状为圆锥形，便于熔体顺利地向前流动，开模时主流道凝料又能顺利地拉出来。

由于主流道要与高温塑料和注塑机喷嘴反复接触和碰撞，通常不直接开在定模板上，而是将它单独设计成主流道衬套镶入定模板内。

浇口套的选用：

进料口直径：

D=d+（0.5～1）mm=3＋0.5＝3.5mm

式中d为注塑机喷嘴口直径。

球面凹坑半径：

R=r+（0.5～1）mm=10+0.5＝10.5mm

式中r为注塑机喷嘴球头半径。

所选浇口套的立体图如图3.1所示：

　　　图3.1　浇口套

3.5.2冷料井设计

选用底部带有推杆的的冷料井，倒锥孔冷料井的底部由一根推杆组成，推杆装于推杆固定板上，因此它常与推杆或推管脱模机构连用。

3.5.3分流道的设计

分流道的尺寸：

分流道尺寸由塑料品种、塑件的大小及流道长度确定。

大多数塑料所用的分流道的直径为6mm－10mm,先预定用6mm，通过塑料顾问分析再决定。

分流道的布置：

选用平衡式的圆形分流道布局，即分流道到各型腔浇口的长度、断面形状、尺寸都相同。

3.5.4浇口设计

浇口又称进料口，是连接分流道与型腔之间的一段细短流道，其截面积约为分流道的0.03～0.09，长度约为0.5mm～2mm。

具体尺寸通过Pro/E塑料顾问分析确定。

通过Pro/E塑料顾问分析可知最佳浇口位置在壳体内侧。

再加上考虑手机外壳的美观性，决定用潜伏式浇口。

选用图3.2浇口

　　　　　　　　　　　图3.2推杆式浇口

潜伏式浇口的可以是圆形或半圆形，一般尺寸：

长L=1.5－2mm，浇口直径d＝0.5－1.5mm，分流道与点浇口交界处过度圆角R=1.5－3mm

、

3.6分型面的选择

定模和动模相接触的面称为分型面，分型面的形状有平面、斜面、阶梯面和曲面等。

分型面的选择就有利于脱模，取在塑件尺寸最大处，并使塑件留在动模部分，有利于塑件的外观质量和精度要求。

a）上盖b）下盖

图3.3分型面

由于下盖还有侧向抽芯，所以还要做型芯分型面

　　　　　　　　　　　　图3.4分型面

3.7排气系统的设计

由于本模具属小型模具，可利用型芯、顶杆、镶拼件、分型面等的间隙排气

3.8成型零件的设计

凹模结构：

由于按钮形状复杂，故选用局部镶拼式凹模；凸模：

选用镶拼式凸模。

其结构见图3.7，图3.8所示，

3.9导向机构设计

模具设计通常购买标准模架，其中包括了导向机构，导向机构包括导套和导柱，根据模架的尺寸结构选用φ40的导柱，然后选用相对应的导套。

其结构见下图所示：

　　　　图3.5　导套　　　　　　　　　　　　　图3.6　导柱

3.10型腔的侧壁和底板厚度计算

通常模具设计中，型腔壁厚及支承板厚度不通过计算确定，而是凭经验确定。

参考《塑料模具设计》中的经验数据表可以得知：

型腔侧壁厚度S的经验值为：

S＝0.2L+17=0.2×190+17＝55mm

支承板厚度h的经验数据：

h≈0.12b≈0.12×190≈38mm

a）凹模b）凸模

图3.7上盖部分

a）凹模b）凸模

图3.8下盖部分

3.11脱模机构设计

薄壳制品的顶出颇具技术性。

因为壁和筋都很薄，非常容易损坏，而且壁薄沿厚度方向收缩就很小，使得加强筋和其他小结构很容易粘合，同时高保压压力使收缩更小。

为避免顶穿和粘模，TWM应使用比常规成型数量更多、尺寸更大的顶出销。

脱模机构的设计：

设计成顶杆脱模机构，选用φ4顶杆，具体结构见图2-25。

由于采用推杆式浇口，还应采用特殊推杆放置在浇口位置，推杆形状如图3.9。

图3.9顶杆

a）b）

图3.10特殊推杆

3.12侧向抽芯机构设计

塑件的侧面有孔或凹槽，应采用侧向成型芯才能满足塑件成型上的要求。

通过查阅资料，确定采用斜导柱抽芯，它是利用注塑机的开模力，通过传动零件，将活动型芯抽出。

结构原理是斜导柱抽芯机构由与模具开模方向成一定角度的斜导柱和滑块组成，并有保证抽芯动作稳妥可行的滑块定们装置和锁紧装置。

根据<<注塑模具设计>>中公式表算出抽拔力、斜导柱受弯曲力、抽芯距、斜导柱直径、斜导柱长度等，之后在Pro/E数据库中选取合适的型号，入加模具中，见图3.11。

图3.11侧向抽芯

第四章CAE分析

4.1模流分析

本次设计采用塑件顾问（PlasticAdvisers）进行模流分析，塑件顾问是Pro/E系统的外持程序之一，属于CAE分析软件，专门用来处理塑料射出成形的模流分析，使设计者能在模具设计的阶段，对塑料在型腔中的弃填情况能够有所掌握。

能检测出你所做出来的铸件的质量，而且塑料顾问工具能模拟浇铸塑料零件的铸模填充动作。

高级特征提供了有用的工艺性知识，它们可以大大减少后期的设计更改和重新设计铸模的成本。

分析过程：

（1）对产品造型分析出最佳浇口位置，在最佳浇口位置设置浇口，查看填冲情况，在这个过程中还可以进行选材，得出最佳材料及最佳浇口位置。

（2）铸件模流分析，确定浇口，分流道形状。

同样通过上盖部分来确定。

（3）通过质量预测结果，分析结构问题，看是否能使情况改善。

以下是分析结果，可以看出，塑件模流分析出来的质量还是不错的。

a）填充情况b）质量预测

图4.1上盖部分

a）填充情况b）质量预测

图4.2下盖部分

4.2有限元分析

MSC.Patran软件对可直接从各CAD软件中抓取几何模型，然后，MSC.Patran可以最大限度地创建一个模型供多个程序进行分析,例如,直接读取Pro/ENGINEER,CATIA,Unigraphics,SolidWork核心等几何模型,创建分析模型供MSC.Nastran作结构强度及动力响应分析,同时又供MSC.Patran作高度非线性分析等。

可见，MSC.Patran就好像一座桥梁,将CAD软件,分析求解器和材料信息等连在一起。

使用MSC.Patran软件对本塑件进行分析,首先先对其进行受力分析。

图4.3下盖部分

在上表面加载15N的力产生的分析结果：

最大变形：

1.12E-4最大应力：

8.66E6

在上表面加载15N的力产生的分析结果：

最大变形：

6.46E-5最大应力：

3.57E

图4.4上盖部分

参考文献

（1）中国机械工程学会.中国模具设计大典编委会.《中国模具设计大典》.江西科学技术出版社,　2001

（2）林清安.《Pro/Engineer2001模具设计》.清华大学出版社,2004

（3）张祥杰.《实战Pro/Engineer2001——模具设计》.中国铁道出版社,2003

（4）林清安.《Pro/Engineer2001零件设计高级篇上、下》.清华大学出版社,2003

（5）朱光力万金保等.《塑料模具设计》.清华大学出版社,2003

（6）曹文鑫.《PC/ABS合金的开发和应用现状》.化工新型材料,2001.8

（7）田立斌刘敏江.《PC/ABS合金研究进展》.工程塑料应用,2002.3

（8）《PC/ABS合金研究进展》刘建芳闻获江苏州大学学报2002.4

（9）缪德建.《模具制造中CAD／CAE／CAM／CAT的应用》.DieandMouldTechnologh,2002.2

（10）张芳.《模具CAD／CAM技术的应用》.呼和浩持科技,2002.4

致谢

论文结束的时候，回想刚拿到论文的题目时，无从下手感到茫然。

此时心中还是充满了喜悦之情。

也特别向关心我的以及帮助过我的老师和同学致以真诚的感谢。

此次毕业设计，从指导老师——胡章咏，杨丽英老师身上，学到了很多。

他们严谨治学，认真的负责的工作态度令人钦佩。

深厚的理论知识和实践在设计的过程中给予了我很大的帮助。

使我所学的理论知识得到了更深层次的理解。

再次真诚的感谢她的耐心辅导。

在写论文阶段，几次审阅我的毕业论文，清晰的指出论文中的不足。

对论文的的修改提出了，宝贵的意见。

如果没有胡章杨咏，丽英老师的指导不可能较好的完成这篇论文。

另外，对我的模具设计，模具制造，机械制图等等专业课老师的细心的教导，他们的敬岗爱业，孜孜不倦的教诲。

不仅是我学到了很多知识，而且使我学到该如何学习的方法与策略。

更加培养了我的团队协作能力和教会了我的为人处世的道理。

再次深深的表示感谢。

夏亦

2012年4月20日

湖北工业大学毕业论文（设计）成绩评定表

指导教师评阅意见：

预评成绩：

签名：

年月日

同行专家评阅意见

建议评定成绩：

签名：

年月日

湖北工业大学毕业论文（设计）成绩评定表

答

辩

小

组

成

员

姓名

职称

专业方向

组长

成

员

秘书

答辩小组意见

评定成绩：

组长：

年月日

院（系）答辩委员会复评意见（对成绩为“优秀”或“不及格”及其他有争议者适用）

主席：

年月日