手机模具设计范例 学习资料.docx

手机壳注塑模具设计
林晓丹
深圳大学工程技术学院 机械设计制造及其自动化
学号：2000111014
指导老师：李积彬、程蓉、胡琳、王红志、王贤坤
【内容提要】： 主要阐述手机壳的注塑模设计，提供了使用PRO/E软件进行整个注塑模设计的流程，以及塑件的CAE分析。
【关 键 词】： 手机壳、塑料、注塑模、PRO/E模具设计

【教师点评】：该同学在手机外壳的注射模具设计中，经过认真调研和方案论证，确定了具体设计方案，在产品造型上有较强的创新意识，深入钻研每个重要环节，对产品的可行性和工艺进行了详细分析。采用Pro/E＋EMX建立模型并进行模型的受力分析，模拟模型在现实情况下的使用情况，并得出模型检验结果，以认真负责的工作态度出色的完成了整个注塑模设计的全过程，具备了设计人员应有的基本素质和能力。
点评教师：胡琳 职称：副教授
一．调研报告
1．手机壳的造型结构发展状况
移动电话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，移动电话的功能越来越丰富，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，移动电话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。
2．材料确定
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。
3．薄壳制品与模具设计
薄壳制品成型时模具设计是至关重要的一步。成型薄壳制品时需要特别设计的薄壳件专用模具。与常规制品的标准化模具相比，薄壳制品模具从模具结构、浇注系统、冷却系统、排气系统、脱模系统都发生了重大变化，成本也增加了30％---40％
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。

二、产品工艺分析
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1：

a)装配图 b)爆炸图
图1 塑件造型
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。

三、模具结构设计与参数计算
1．塑件制品分析
（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：
（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
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.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。
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。
5.浇注系统的设计
(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2所示：

　　　图2　浇口套
(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)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。
(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浇口

　　　　　　　　　　　图3 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
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4 分型面
由于下盖还有侧向抽芯，所以还要做型芯分型面

　　　　　　　　　　　　图5 分型面
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
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8，图9所示，
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6　导套　　　　　　　　　　　　　图7　导柱
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8 上盖部分

a) 凹模 b)凸模
图9 下盖部分
11.脱模机构设计
（1）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10。

图10 顶杆

a) b)
图11 特殊推杆

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12。

图12 侧向抽芯

四、CAE 分析
1.模流分析
本次设计采用塑件顾问（Plastic Advisers）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13 上盖部分

a) 填充情况 b) 质量预测
图14 下盖部分
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。

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
图15 下盖部分

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：3.57E6
图17 上盖部分

五、总结：
模具设计的创新与特色总结：
选择以女性手机为主题的翻盖手机，本人负责的是翻盖部分，这部分的难点是复杂曲面的设计，并决定以后模具设计中分模面的设计及侧向抽芯的设计。通过塑料顾问分析得到最佳浇口在内侧，也可以保证了产品外观，以及采用特殊推杆放置在浇口位置。通过塑料顾问进行模流分析来修改材料，浇口形状，分流道形状，产品结构，这些修改都可以在做分型面之前完成，也就不用再把整套模具再重新做一次。这个过程也是花了很长时间，最终结果还是另人满意的。采用侧向成型芯才能满足塑件成型上的要求。根据公式算出各个尺寸之后在Pro/E数据库中选取合适的型号，入加模具中。
通过这次模具设计，使我加深了模具方面的认识，在这个过程中，培养了我独立思考
题、解决问题的能力。毕业在即，即将投入到社会工作中去，我会尽自己的能力把学到的理
论知识运用到实践工作中，做一个有用的人才。最后要感谢母校及老师们对我的栽培!
【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》.Die and Mould Technologh, 2002.2
(10)张芳.《模具CAD／CAM技术的应用》. 呼和浩持科技,2002.4