音响外壳产品的imd模具设计本科论文.docx
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音响外壳产品的imd模具设计本科论文
音响外壳产品的IMD模具设计
摘要
塑料业是当今加工工业中发展最迅速的工业种类之一，而注塑模具又是其中应用最多的基础装备。
在塑料模具行业飞速发展的时代，由于其各项性能的不断改善，塑料产品的应用范围也在不断增加。
设计合理的塑料模具可以提高生产效率和产品质量。
所以，研究注塑模具能够更加了解塑料制品的加工过程以及降低次品率有很重要意义。
本文针对某音响外壳产品，对采用模内装饰成型技术的模具设计过程作了简单的阐述。
按照塑件的结构和具体尺寸，本次模具型腔设计为一模两腔。
通过翻阅相关资料对模具结构，分型面，浇注系统，冷却机构以及脱模机构作了精确的设计。
通过合理的运用计算机软件对产品进行建模，分模以及导出产品的CAD工程图等。
最后使用CAD软件详细的绘制产品和模具装配二维图。
关键词：
注射模具，IMD技术，模具结构，型腔
TheIMDMoldDesignofSpeakerShellproduct
ABSTRACT
Plasticsprocessingindustryistodayoneoftheindustry'sbroadestrapiddevelopment,andtheinjectionmoldisamongthemostwidelyusedbasicequipment.Intheeraofrapiddevelopmentoftheplasticmoldindustry,duetothecontinuousimprovementofitsperformance,thescopeofapplicationofplasticproductsisalsoincreasing.Designedplasticmoldcanimproveproductionefficiencyandproductquality.Therefore,theinjectionmoldresearchtolearnmoreabouttheprocessofplasticproductsandreducingthedefectratehasveryimportantsignificance.
Inthispaper,asoundshellproducts,theuseofin-molddecorationmoldingtechnologymolddesignprocessisbrieflydescribed.Accordingtothestructureandthespecificsizeoftheplasticpartsofthismoldcavitydesignedasatwocavitymold.Readthroughtherelevantinformationonthestructureofthemoldpartingsurface,pouringsystem,coolingmechanismandareleasemechanismmadeaccuratedesign.Throughtherationaluseofcomputersoftwareforproductmodeling,parting,andexportproductsCADdrawingsandsoon.Finally,theuseofCADsoftware,detailedproductandmoldassemblydrawingtwo-dimensionaldiagram.
KEYWORDS:
Injectionmold,IMDtechnology,moldstructure,cavity
1前言
1.1注射模概述
注塑模是塑料注塑成型时使用模具的简称，它是实现注射成型工艺的不可或缺的设备。
注塑成型工艺可以完成结构复杂以及精度要求高的塑件。
塑料模就是加工成型塑料制品的模具。
注塑模是由动模及定模两部分够成。
动模和定模分别固定安装在注射机的移动模板固定模板上。
注塑时将颗粒状或粉末状的原料送入加热的料筒里，塑料加热后熔融塑化，熔料被螺杆向前推进，然后受压并向型腔流动。
料筒中的熔料迅速经过喷嘴注入合闭的模具型腔内。
熔料注满型腔，被压缩后经冷却固化，动模定模开模分型并由脱模机构脱出制品，这样在操作上就是一个完整的周期。
1.2IMD技术概述
IMD的中文名称为模内装饰注射成型技术，也可叫做免涂装技术。
英文全称为In-MoldDecoration，简写为IMD。
它是将已经印刷好的带有装饰图案、标识及色彩的片材或薄膜放入模具型腔内，注塑时注入的塑料在片材的反面与油墨层融为一体，使薄膜与塑料同时成型的一种表面装饰技术，图1即为IMD成型示意图。
因为油墨层位于片材与塑料中间，图案和颜色不会被损伤且耐腐蚀，这样就可以使塑件具有装饰性与功能性集合于一身的效果。
IMD技术针对产品外形设计的需要以及对装饰薄膜的成型变形量和拉伸深度等工艺参数的设定，而对注塑过程设计出不同的工艺流程。
IMD工艺流程依次是塑胶薄膜印刷、塑胶薄膜成型、外型冲切、置入模内、模具定位、成型射出、成品。
印刷成型好的薄膜被安装在薄膜输送机上，而薄膜输送机被固定安装在注射机上。
在模具分模时，薄膜被输送入模具型腔的位置。
在模具合模后，注射熔料，使被吸附在模具型腔内壁上的薄膜与塑料固化成型，工艺流程如图1-2所示。
图1-2IMD工艺过程
1.3IMD模具特点
IMD模具比普通模具多了一层装饰薄膜，因此模具型腔的深度要比普通的注塑模多出一个薄膜的厚度，并且型腔的表面粗糙度要求很高，可以使薄膜与型腔的表面保持良好的接触。
IMD技术在架模、设备安装以及成型条件等都要比传统成型技术有更加严格的要求。
因此IMD模具除了传统模具的基本结构以外，还需增加吸气机构，定位薄膜以及定位销等机构。
对于外表面需要全部包覆薄膜的IMD制品，模具结构采用倒装，公模和母模要倒置，而且制品要在定模顶出。
IMD模具和传统注塑模具结构是不太一样的，例如分型面，顶出装置等等。
IMD制品在加工过程中，由于塑件的表面存在薄膜包覆，对于制品的收缩有一定的影响。
所以在设计模具时，IMD模具制品的收缩率会比普通的要小。
1.4IMD技术优势及应用
IMD技术的诞生给产品外形设计领域携来了极大的创新，与传统技术相比较，此工艺的优势基本体现于下列三个方面:
（1）IMD技术大大提高了产品的生产效益。
（2）IMD制品装饰效果更加美观。
（3）IMD制品使用寿命更长，而且防尘防潮，耐用性非常好。
不仅如此，这项工艺还可以完成所需产品的复杂形状设计需求和多样化风格的效果，而且成型与装饰同时进行，降低了成本和工时。
IMD技术作为新兴的表面装饰工艺，被广泛应用于3C产品、汽车仪表盘、玩具和化妆品包装盒等多种行业。
IMD技术在注塑过程中，直接吸入薄膜，便可实现一次成型及自动化生产。
因此，该技术是代替传统复杂工艺最佳的新技术。
IMD工艺由其特定的优越性，设计者在对新产品设计时，可以自由的发散思维，不断地创新出造型独特、个性鲜明的现代化产品，能够更好的体现产品的价值及其额外值，IMD技术在给企业带来巨额利益的同时，环保方面也适应了当今节约环保型社会的发展，所以对其的推广应用，既节能又环保，意义深远。
就目前IMD技术在中国的推广和应用情况看，虽然已经取得显著的进展，但从总体技术上讲是处于早期阶段。
IMD产品工艺过程比传统工艺更为复杂，所以对于设备设计、生产技术水平以及各种工艺参数是否合理等问题并没有标准的质量检验规格。
然而，为了适应国内日渐扩大的市场需要，尽可能地改进印刷图案的清晰度和色彩的鲜艳度，对产品生产效率、品质以及使用时间的提升，减少生产费用，已成为行业人士共同关注的重大课题。
因此，这项工艺在未来数年里会有非常宽广的进步空间。
2制品的分析
2.1音响外壳结构
本次设计塑件为音响外壳造型，产品外表面多为曲面，中间有一个圆孔。
塑件整体长度为26mm，总高度为40mm，壁厚设计为1.2mm，圆角取0.5mm。
其相关结构尺寸如图2-1所示。
图2-1音响外壳结构（单位：
mm）
2.2塑件的原材料分析
用于制造音响外壳的塑件原料种类繁多。
对于音响外壳的选材，常用的注塑原料有PP、PE、ABS、PVC等，其特性与用途如表2-1和表2-2所示。
本次塑件所选用ABS塑料。
ABS为不透明的无定形聚合物。
这种塑料常态下没有毒性和特殊气味，吸水率低。
它可制成多种色彩和有着较高高光泽度的制品，但在紫外线的作用下容易变硬发脆变色。
ABS是工艺特性良好且环保，对人体无害的塑料，有着较好的化学稳定性、物理性能以及电性能。
ABS与其他材料粘合性好，适用于产品表面装饰印花、涂层和电镀处理。
ABS塑料熔点不明显，具有较高的熔体粘度，耐候性和流动性不好。
其热变形温度为95—112℃，高于PA、PVC。
ABS塑料在-40℃到85℃的温度范围内依然显现出固定的韧性，可以长期使用。
在相对广泛的温度界限内有着良好的的冲击强度和表面硬度，尺寸稳定性好。
表2-2常用塑料特性与用途
表2-2常用塑料材料性能参数
材料
代号
密度
（kg.m-3）
收缩率
（%）
模具温度
（℃）
注射压力P注
（Mpa）
最大不溢料间隙/mm
PE
940-960
1.5-3.6
60-70
60-100
0.02
PP
900-910
1.0-2.5
80-90
70-100
0.03
ABS
1030-1070
0.3-0.8
50-80
60-100
0.04
PVC
1380
0.6-1.5
30-60
80-130
0.03
2.3塑件的结构、精度及表面质量分析
（1）结构分析
从该产品三维造型分析可知，该零件外表面多为曲面，塑件的交接处应用圆角过渡，过渡圆角的设计是为了防止产生较大的应力集中现象而导致塑件在受力时发生破坏，也是为了产品成型后能完好的脱模。
此产品转角多为圆角过渡如图2-2所示。
图2-2三维造型图
（2）精度分析
有很多因素可以影响尺寸精度，如自身磨损，温度变化，工艺参数的变化等等。
零件的尺寸精度大多在于模具的制造精度。
塑件的合格率由模具的制造精度和各项性能所决定。
本次设计制品的公差数值由SJ1372-78塑件制造公差数值标准来确定。
精度等级选择一般精度，为4级精度，无公差的按8级精度取值，如表2-3所示。
表2-3塑件尺寸公差（mm）
基本尺寸
精度等级
基本尺寸
精度等级
4
8
4
8
~3
0.12
0.48
>65~80
0.38
1.6
>3~6
0.14
0.56
>80~100
0.44
1.8
>6~10
0.16
0.61
>100~120
0.50
2.0
>10~14
0.18
0.72
>120~140
0.56
2.2
>14~18
0.20
0.80
>140~160
0.62
2.4
>18~24
0.22
0.88
>160~180
0.68
2.7
（3）表面质量分析
塑件要求外侧表面光滑，表面粗糙度可以取到Ra=0.8um，没有特殊要求时塑件内部表面粗糙度可取Ra=3.2um。
下端外沿不允许有浇口痕迹。
由于制品选用ABS塑料，在注射时产生的熔体黏度比较高，要求很高的注塑成型应力，因此制品对型芯有较大的包紧力，故ABS制品应具有的脱模斜度应保持5°以上。
如图2-3所示。
图2-3脱模斜度
2.4塑件注射工艺参数的确定
注塑成型过程分为准备阶段、注射阶段以及塑件制品的后处理阶段等三个部分。
成型前的准备包括对塑料树脂的预处理、料筒和嵌件的预热以及脱模剂的选择使用等。
该过程是用以确保注射的步骤能顺利结束，保证塑料制品的质地。
注射过程是把塑料原料转化为制品的主要部分。
它包括原料送料及塑化、熔料注入型腔、冷却定型和塑件顶出等。
塑化是塑料原料在料筒内受高温后达到熔融流动状态，以得到最好的可塑性。
注塑充模是指将熔融流动状态的塑料充入模具的型腔。
冷却定型是指通过冷却水或者空气对模具冷却。
脱模顾名思义就是使塑件在脱模机构的作用下推出模具。
塑件的后处理含有退火和调试处理。
退火是为了消除塑料制品的内应力，避免产品在被用时产生形变或皴裂；调试处理是为了使产品的颜色、性质和外形稳定下来。
参考工厂实际应用的情况及相关资料，ABS塑料可选用螺杆式注射机。
ABS塑料的相关成型工艺参数如表2-3。
表2-3注射成型工艺参数
工艺参数
内容
工艺参数
内容
预热和干燥
温度80~90/℃
成型时间/s
注射时间/s
3~5
时间2~3h
保压时间/s
15~30
料桶温度/℃
前段
200~210
冷却时间/s
15~30
中段
210~230
总周期/s
40~70
后段
200~220
螺杆转速
30~60r/min
喷嘴温度/℃
180~190
后处理
方法
在烘箱中处理2-4h，缓慢冷却至室温
模具温度/℃
50~70
注射压力/MPa
70~90
温度/℃
70~80
3注射模模具设计
3.1分型面设计
3.1.1分型面的选择原则
模具上用来使塑料制品和浇注系统凝料脱模以及安装嵌件，模仁被合理分为型腔和型芯时的两个或几个接触面叫做分型面，也叫作分模面。
分模面是确定模具结构的一个主要因素。
设计分型面时，必须按照下列几项原则：
（1）通过塑件截面尺寸最大的位置；
（2）保证塑件利于脱模；
（3）保证产品行位公差和外观；
（4）有利于模具的加工及安装；（
（5）有利于模具型腔排气以及避免溢料，产生飞边；
（6）考虑模具的侧向抽拔距离。
3.1.2分型面的确定
对于本次设计的壳体塑件，没有斜顶和侧孔结构，所以只需要一个设计在塑件内部平面上的分型面。
如图3-1所示。
图3-1分型面位置
为了使薄膜定位准确，本模具在模仁四角设置了四个虎口机构，虎口高度设计为为15×15×8mm，拔模斜度设定为5°，如图3-2所示。
图3-2虎口设计
在三维软件Pro/e5.0中通过设计模具型腔及模仁，对产品进行仿真分模，结果发现方案可行且开模无干涉。
整个模仁部分3D分模结果分模图如图3-3所示。
图3-3开模图
3.2模具型腔布局及模仁尺寸的确定
3.2.1模具型腔布局的确定
该产品为小塑件，可以批量生产，考虑到时间和成本等多方面因素，模具型腔排位选用一模二腔。
如图3-4所示。
图3-4型腔布局（单位：
mm）
3.2.2模仁尺寸的确定
制品的成型部分位于模仁内部。
模仁是模具中的核心部分。
塑件的形状千变万化，与之相对应的模仁结构也就各不相同。
模仁尺寸的确定主要决定于塑件的尺寸和布局。
模仁在确保钢料具有较大强度的条件下越紧密越好。
确定模仁大小的方法有下列两种：
（1）计算法：
此方法一般是经过一连串相关公式来校核和计算型腔壁厚的具体数值得出模仁尺寸。
因为塑件的形状多种多样，然而公式所对应的是标准型号，所以实行困难是这种方法的不足之处。
（2）估算法：
此方法是依据个人设计经验或者公司的规定来估算出型腔壁厚的具体数值得出模仁尺寸。
这种方法操作简单方便又实用，故在大多数模具厂被广泛应用。
表3-1模仁尺寸确定
产品尺寸（mm）
产品边沿到模仁边的距离（mm）
产品顶端至定模仁顶端距离h1（mm）
产品底端到动模仁底端距离h2（mm）
小件产品（＜80）
25~30
25~30
h2=h1+（5~10）且h2≥20
大件产品（≥80）
35~50
35~50
由表3-1可得出，产品最外端要求距离模仁大于等于15mm，此次设计取为30mm，模仁尺寸定为长124mm，宽100mm。
产品最高位置要求距离定模仁顶面得大于10mm。
此设计定模仁的高度设为30mm。
产品最低位置要求距离动模仁底面大于15mm,本设计取30mm。
要求所得到的模仁各个方向尺寸数据必须取整数（最好是10的倍数），而且关于模具的中心线对称。
定模仁用4个M10×25L的内六角螺钉固定在定模板。
动模仁用4个M10×35L的内螺钉固定在动模板上。
距模仁边界的距离为15mm。
图3-5模仁尺寸（单位：
mm）
3.3模架的选取
模具设计的主要内容是模仁、动定模、吸气机构、脱模机构及顶出机构。
模具上几乎所有的零部件都是选取一定尺寸的标准件，特别是模架。
一般模架内部结构如图3-6所示。
图3-6模架结构
根据塑件的不同结构，塑胶模具一般分为二板式模具和三板式模具，可简称为二板模和三板模。
由于本次设计的塑件结构简单，要求产品表面及底部边缘平滑无变形，无浇口的痕迹。
从模具结构和经济效率的方面考虑，优先选用二板模结构。
模架尺寸取决于模仁的尺寸以及模仁到A板、B板边缘的距离L（50mm≦L≦70mm）。
所以模架尺寸的设计步骤如下：
（1）
（1）
（2）
公式中：
La—模架宽
Lb—模仁宽
Lm—模架长
Ln—模仁长
此次设计L取值为50mm。
模仁尺寸为105x80mm，所以按照上述计算可得到模板的长×宽为200x180mm。
（2）
（3）
公式中：
HA—A板厚度
H定—定模仁厚度
H顶—模仁至A板顶面的厚度
HB—B板厚度
H动—动模仁厚度
H底—模仁至B板底面的厚度
由上述公式计算得，H顶一般取25mm≦H顶≦35mm，此次设计H顶=30mm，则HA=50mm。
H底一般取H底﹥35mm，此次设计H底=35mm，即HB=65mm。
（3）
（4）
（5）
公式中：
S—顶出行程
H—产品总高度
Hc—C板厚度
H顶—顶出板厚度
H垃圾钉—垃圾钉高度
最小安全余量一般大于等于13mm，顶出板厚度一般取40mm≦H顶≦45mm，垃圾钉高度H垃圾钉为5mm。
由于该塑件厚度方向约为9mm，则
。
本次设计有上述可得出S=25mm，H顶=40mm，Hc=70mm。
由上述可以得出，定模板厚为50mm，动模板厚为65mm，C板厚为70mm，模板的长×宽为200x180mm。
根据所算数据，本设计选用龙记LKM系列CI类型大水口模架，即CI-1820-A50-B65-C70型模架。
根据设计的数据在CAD的燕秀工具栏中导出标准模架。
IMD制品表面被薄膜完全包覆，模具结构需要设成倒装，即前模后模要倒置。
如图3-7所示。
图3-7标准模架
3.4浇注系统设计
注塑模的浇注系统是指熔融状态的塑料从注射机喷嘴进入模具型腔所通过的流道。
浇注系统是整个模具中的核心部分，它设计的合理性直接关系到注射成型的生产效率和产品质量。
3.4.1定位环及唧咀设计
一般情况下定位环和浇口套配合使用，可以延长模具使用寿命和方便损坏后的维修与更换。
常见的定位环和浇口套组合形式有两种。
本设计采用的形式及尺寸如图3-9所示。
主流道的设计是结合以上设计及CAD软件中燕秀工具栏的标准选取的。
选取参数如图3-10所示。
图3-9定位环及唧咀设计
图3-10定位环唧咀参数（单位：
mm）
3.4.2浇口设计
熔融状态的塑料在浇口处有着较高的剪切速度和剪切应力，在浇口以及附近的地方很容易造成冲墨、气纹，影响塑件成型的质量。
并且模具采用倒装结构，所以采用顶针潜伏进胶的方式，在塑件内表面设计浇口位置。
具体设计尺寸如图3-11所示。
潜伏进胶时，为了便于顶出时切断产品与浇注系统凝料，同时顺利顶出浇注系统凝料，浇口设计为向上倾斜，倾斜的角度设计为17°，进胶处的浇口大小为0.8mm。
3-11浇口（单位：
mm）
4吸气机构设计
模内装饰注射成型过程中，需要先对薄膜定位。
本套模具采用现在比较流行的作法，即在模具内设置吸气机构，对薄膜进行吸附和定位。
把完整的吸气机构全部设置在动模部分，气路安设在动模仁上，吸气口安设在动模板上。
气路由内环气路和外环气路组成。
外环气路作用于吸附塑件外部的薄膜，直径为5mm，内环气路作用于吸附塑件中间薄膜，直径为2mm。
内环气路和外环气路都是通过分布在产品表面周围不同位置的气孔来吸附固定薄膜，气孔直径都为2mm，一模两腔共18个气孔，气孔布局如图9所示。
5脱模机构
由于塑件为薄膜整体覆盖的IMD制品，为了便于自动化生产，薄膜输送机构一般安装在模具动模侧，所以模具结构采取倒装形式，公模和母模倒置，并且制品要在定模顶出。
定模部分采用油缸作为动力，通过顶出系统使产品被顶出。
顶出机构不但具有顶出作用，还可以对薄膜准确的定位。
如图5-1所示。
图5-1模具倒装结构
5.1选择油缸
通常在设计模具时，使用类比的方法来对油缸进行，而对油缸驱动力不做计算。
由相关资料和图5-2可得，本次设计的IMD模具选用缸径为Φ30的MOB-FA型号的油缸。
图5-2MOB-FA型号的油缸尺寸
油缸行程取决于移动部件的行程，并且在油缸行程确定的同时还必须要注意油缸的活塞端隙。
活塞端隙可以使油缸在启动时有充足的油压面积，让油缸能够顺利启动，防止因启动油压面积不足而启动油缸失败，另外还会降低活塞与缸的冲击。
通过查阅相关资料查询得到油缸行程L：
（1）
公式中：
其中，活塞端隙Δ1一般取5mm。
由公式可知油缸行程为
5.2顶针布局
顶出机构采用顶针顶出，根据产品尺寸和结构，本次选用的顶针规格有Φ4，Φ3，Φ2mm三种，顶针布局如图5-1所示。
进胶点选择在Φ4mm顶针位置上，为了保证浇注系统凝料被顺利带出，在分流道和潜伏浇口连接处设置了一个Φ2mm的顶针，负责顶出凝料。
由于顶出系统还要负责顶出主流道凝料，故顶出行程要求较大，设计为70mm，开模行程设置为100mm。
图5-1顶针布局
6冷却系统设计
由于该塑件较小，形状较规则，故对冷却系统要求较低。
本次冷却系统采用直通式水路直接冷却，碍于模具结构限制，冷却系统设计如图6-1所示.动模侧采用三根Φ8mm的水路对塑件进行冷却，定模则采用两根Φ6mm水路对塑件进行冷却，定模水路距离产品高度为22mm，动模水路距离产品高度为15mm，如图6-2所示。
图6-1定模和动模水路分布
图6-2水路定位
7模具装配
图7-1为该产品的模具装配图。
模具的工作过程：
模具沿着分型面打开，薄膜输送装置将薄膜输送到动模模板的型腔内，模具合模，利用虎口机构、内外环气路等对薄膜进行准确定位，吸气口开始吸气，薄膜被吸附在模具型腔内。
注射过程中，塑料原料经过高温呈熔融状，通过浇注系统将熔料充填整个模具型腔。
经冷却系统冷却后，吸气孔停止吸气，模具重新打开，等达到开模行程后，油缸开始工作，带动上下顶针板及顶针向下将制品和浇注系统凝料顶出。
潜伏式浇口有一定倾斜角度，凝料与制品在顶出时实现了分离，因而被分别顶出。
取出产品和浇注系统凝料后，薄膜输送装置继续输送新的薄膜到模具型腔内，模具重新合模，进行循环生产。
1-冷却水孔2-塑件3-油缸4-下顶针板5-上顶针板6-定模板7-定位圈8-定模板9-定模仁10-动模仁11-动模板12-入气口13-吸气孔14-主流道15
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