MX2手机外壳外形及注塑模具设计与分析.docx

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MX2手机外壳外形及注塑模具设计与分析

摘要

注塑模设计为手机壳的生产提供了一个简介、高效、低成本的途径。

注射成型是热塑性塑料成型的主要方法之一，可以一次成型形状复杂的精密塑件。

本设计是手机后壳塑料模具的设计，对零件结构进行了工艺分析，采用TPU作为塑件的材料。

手机外壳造型很多，市面上不断出现各种款式，选用魅族手机外壳进行模具设计与分析。

通过分析与研究，参照有关的技术文献，选定材料和有关技术参数，设计出这款手机外壳的模具。

本设计主要运用Pro/ENGINEER5.0来对手机外壳进行零件设计及模具设计，先进行手机外壳的设计，然后利用Pro/E根据塑件的形状生成型心和型腔，最后在EMX标准模架系统下生成型心、型腔和标准模架的装配图，完成整个模具的设计。

最后运用Moldflow进行模流分析，在AUTOCAD中对装配图和零件图进行一定的完善。

关键词:

模具设计，CAE，模流分析，Pro/ENGINEER

ABSTRACT

Innowadays,thephoneshellenterthelifeofthemobilephoneloversgradually.injectionmolddesignprovidedanintroduction,highefficiency,lowcostproductionofmobilephoneshell.Injectionmoldingisthemainmethodofthermoplasticplasticmolding.andmoldingcanbeacomplexshapeofprecisionplasticparts.Thisdesignisadesignofmobilephoneshellplasticmold,thestructureofpartsoftheprocessanalysis,usingTPUasthematerialofplasticpart.

Emergingavarietyofstylesinthemarket.soweselecttheMeizumobilephoneshellmolddesignandanalysis.Accordingtotherelatedliterature,selectedmaterialsandrelevanttechnicalparameters,designmoldsofthemobilephone.

ThisdesignmainlyusesPro/ENGINEER5formobilephoneshellpartsanddiedesign,thefirstisdesignthemobilephoneshell,andthenPro/Ecanbebasedontheshapeofplasticpartsgenerateanginaandcavity,assemblydrawingthelastgenerationofangina,Assemblydrawingthelastgenerationofangina,cavityandstandardmouldbaseonEMXstandardmoldsystem,completedthealldesign.

Keywords:

injectionmoldingdesign,CAE,moldflowanalysisPro/ENGINEER

1绪论

1.1研究现状及研究意义

在我国，近些年随着国民经济整体稳定健康发展塑料工业实现了跨越式发展，连续十年经济技术指标稳步大幅递增，总产值居轻工行业第三位，已成为中国国民经济持续发展重要的支柱产业之一。

现当今，塑料注射成型技术已在塑料行业中占有相当重要的地位，因此人们已经越来越认识到模具在制造工业中的重要地位，认识模具技术水平，已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，我国模具制造业规模仅次于日本和美国，但大多集中在中低水平的发展领域，技术水平和附加值偏低。

据中国模具工业协会提供的数据，我国制造业急需的精密、复杂电子产品模具，由于国内模具发展水平较低，在制造复杂外观模型时，仍需大量进口国外精密、复杂模具，我国模具产品的进出口逆差额超过10多亿美元。

我国已步入模具生产和消费大国，同时世界模具生产中心也正在向我国转移。

但是，目前我国模具行业发展中仍存在很多不完善的地方，需要继续加以改进。

具体表现为：

技术低水平的模具已供过于求，而高水平模具还远不能适应国民经济发展的需要。

模具工业是高新技术产业化的重要领域。

加工设备在模具企业中占重要地位，据统计，在国内占大资金的模具设备市场，而且每年还以20%左右的增长幅度增长。

因此，信息技术以及模具工业的制造技术是制约模具行业发展最关键因素。

目前，在模具行业融入信息化更大程度上提高模具的生产效率，CAD/CAE/CAM技术、快速模型制造技术在模具工业中的应用，使模具的设计制造技术发生了重大变革。

另外，数控精密高效加工设备在模具的开发和制造水平的应用，如五轴加工机床、高速铣等也大大提高了模具行业的发展水平。

1.2注塑成形发展现状

1.在当今市场竞争日趋激烈的社会，企业的产品开发和更新愈来愈快，新的产品与技术产生的周期愈来愈短，一些公司甚至每年要生产出多个品牌的产品来投放市场，参与纷繁激烈的市场竞争。

目前，国际上较为成熟的注塑商业软件主要有加拿大Moldflow公司的Moldflow、台湾科盛科技公司的Moldex3D、美国和意大利P&C公司的TMCONCEPT和美国SDRC公司的I．DEAS等。

国内高校和科研机构自主研发的系统则以郑州大学国家橡胶模具工程中心的Z-Mold、华中科技大学模具技术国家重点实验室开发的HSC以及北航华正软件工程研究所开发的CAXA等为代表。

此外，上海交通大学、华南理工大学、浙江大学以及大连理工大学等多所科研机构也都在注塑领域进行了广泛而深入的研究。

2l世纪以来，CAE技术及基于CAE技术的优化设计在注塑成型工艺中的应用极大地提高了制品成型的质量和效率。

资料表明，应用CAE技术后，模具的设计时间缩短约50％，制造时间缩短约30％，成本下降约10％。

塑料原料节省约7％【2】。

1.2.1注塑模具的分类

注塑模具根据其成型特性区可以分为热固性塑胶模具、热塑性胶模具两种；根据其成型工艺区又可分为传塑模、吹塑模、铸塑模、热成型模、热压模（压塑模）、注射模等，热压模又可根据其溢料方式分为溢式、半溢式、不溢式三种，注射模根据浇注系统的不同可分为冷流道模、热流道模两种；以按装卸方式可分为移动式、固定式两种。

1.注塑模具的特点

在注塑模具件的生产中，通常以最终的塑料制品的质量来衡量模具的设计和制造水平。

注塑件质量，包括外观制造质量和内在制造质量。

此外，注塑模具设计中，必须充分考虑到以下三个特点：

（1）塑料熔体大多数属于假塑性液体，能“剪切变稀”。

它的流动性依赖于物料品种、剪切速率、温度和压力。

（2）应在正确估算模具型腔压力的基础上，进行模具的结构设计。

为保证模具的闭合、成型、开模，模具零件刚度与强度等力学问题必须充分考虑。

（3）在整个成型周期中，塑件-模具-环境组成了一个动态的热平衡系统。

将塑件和金属模的传热学应用于模具的温度调节系统的设计，以确保制品质量和最佳技术经济指标的实现。

2.注塑模具设计的技术的发展现状

近20年来塑料工业发展十分的迅速，早在9年前塑料的年产量按体积计算超过钢铁和有色金属年产量的总和，塑料的制品在汽车、机电、仪表、航天航空等国家产业的支柱以及与人民的日常生活相关各个领域中从而得到广泛应用。

塑料制品成形的方法虽然有很多，但是最主要的方法是注塑成形，世界塑料成形的模具产量中约大多数以上都是注塑模具。

随着塑料制品的复杂程度以及精度要求提高，生产周期的缩短，主要的依靠经验传统模具的设计方法目前已不能适应市场的要求，在复杂的大型和精密的小型注射模具方面我国还需要从国外进口的模具。

采用CAD技术，而且还要采用CAE技术。

这是发展的必然趋势。

注塑成型分为两个阶段，即开发/设计阶段（包括产品的设计、模具的设计和模具的制造）和生产阶段（包括材料的购买、试模和成型）。

传统注塑模具的方法是在正式生产以前，由于设计人员凭积累的经验和直觉设计模具，模具装配，通常需要多次的试模，发现问题，从而需要重新设置工艺的参数，甚至有时还需要修改塑料模具设计制品和塑料模具的设计，这就将要增加生产的成本，延长产品的开发周期。

[8]

利用CAE技术可以在模具的加工前，在电脑上对整个注塑成型的过程进行类比的分析，准确的预测熔体的填充、保压、冷却的情况和制品中应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，从而设计者可以尽早的发现问题和及时的修改制件和模具的设计，而不是要等到试模结束以后再返修模具。

这不仅仅是对塑胶模具传统的设计方法一次突破，而且对减少模具的返修报废、提高制品大的质量和降低成本等，都有着很重大的技术经济的意义。

1.3采用注射模成型手机外壳的特点

1.注射成形工艺可由注塑机床在一定的程序下自动完成，实现生产自动化，提高生产效率，适用于大批量生产。

2.注射简单外形产品可一次成形，减少多次加工程序，减少劳动力，降低产品成本，缩短生产周期。

3.除了简单外形产品之外，也可以制作外形复杂的塑料产品。

4.制作模具简单通用，成本较低。

5.注射成形后的废品废料可以加热后重新注射，实现废物资源利用。

6.操作简单易于掌握，不需要较高的职业操作技能。

1.4注塑成型的工艺条件以及影响质量的因素

1.4.1注塑成型工艺条件

注塑成型的工艺条件主要包括温度、压力和时间等【3】。

温度：

注塑成型过程中的温度主要有熔料温度和模具温度。

熔料温度影响塑化和注塑充模，模具温度影响充模和冷却成型。

压力：

注塑成型过程的压力主要包括注塑压力、保压压力。

时间：

注塑成型周期主要由充填时间、保压时间、冷却时间、开模时间组成。

充填时间指注塑活塞在注塑油缸内开始向前运动直至模腔被全部充满为止所经历

的时间。

保压时间为从模腔充满后开始，到保压结束为止所经历的时间。

充填时间与保压时间由制件成型树脂原料的流动性能、制件几何形状、制件尺寸大小、模具浇注系统的形式、成型所用的注塑方式和其他工艺条件等因素决定。

冷却时间指保压结束到开启模具所经历的时间。

冷却时间的长短受熔体温度、模具温度、脱模温度和冷却剂温度等因素的影响。

在保证取得较好制件质量的前提下，应当尽量缩短冷却时间的大小，否则，会延长制件成型周期，降低生产效率，还可能造成具有复杂几何形状的制件脱模困难。

开模时间为模具开启取出制件到下个成型周期开始的时间。

注塑机的自动化程度高，模具复杂度低，则开模时间短：

否则，开模时间较长。

1.4.2影响质量的因素

本节从翘曲变形角度考虑影响注塑制品质量的影响因素。

翘曲变形涉及的因素比较多，从实际生产的角度看，模具设计、产品结构、成型机械、成型工艺、聚合物原料等都会对制品的最终成型尺寸、变形产生影响【4】。

模具结构对注塑制品翘曲变形的影响

在模具设计方面，影响翘曲变形的因素有浇注系统、冷却系统与顶出系统等。

①浇注系统的影响

注塑模具的浇口位置、形式和浇口数量的设计，安排不当都会使流长、流阻过大，相应的注塑压力也需要提高，同时高分子易被拉伸、压挤，残余应力大，影响塑料在模具型腔内的充填状态，从而导致塑件变形。

②冷却系统的影响

塑件不一致的冷却速度将造成收缩不均匀，这种收缩差别导致弯曲力矩的产生而发生翘曲。

凹模、凸模温差过大，因冷却产生的残余剪切力不能关于塑件的中面对称，会产生较大的弯矩，使得制品产生大的翘曲变形。

在模具设计时，应注意冷却系统温度控制系统的设计，减少模具的温差，从而保证塑件均匀冷却。

⑨顶出系统的影响顶出系统的设计也直接影响塑件的变形。

如顶出系统布置不平衡，将造成顶出力的不平衡而使制品变形。

塑料

塑料原料本身的流动性、热物理性能、力学性能等对翘曲都有不同程度的影响。

而这些所谓的物性参数对产品质量的定量影响还有待于进一步研究，目前有不少学者针对此项工作已经开展了物性反演分析的研究工作。

1.5采用成形和分析软件概述

本次设计采用的模具成形、分析软件包括：

Pro/ENGINEER、EMX注塑模具设计专家系统、Moldflow、AutoCAD。

1.Pro/Engineer广泛应用于机械制造业，并是当今流行的三维软件之一。

Pro/Engineer是美国参数技术公司开发的机械产品设计软件。

同时，Pro/Engineer是市场上一个参数化、全相关、基于特征的实体建模软件。

采用Pro/Engineer软件进行建模以及在此软件里对模型进行分型面的确定，进行开模制作。

2.EMX注塑模具设计专家系统可以更加轻松的完成模具模架以及配件的设计任务，也可以在此环境下进行模拟开模过程。

EMX中具有详细的模架尺寸可供选择，以及不同形式的模架。

同时在EMX中有比较完整的滑块结构和开模机制，可以使设计变的更加轻松。

设计完成后可以直接导出3D模型。

3.利用Moldflow对模型进行模流分析，可以全面模拟注塑成形过程，并能以图片形式最直观的显示出分析结果，为设计参数和优化提供理论支持，为设计者进一步修改优化提供强有力的理论支持。

4.在AutoCAD中绘出零件图以及总装配图。

1.6本次选题的意义

随着科学的学习和使用，一些新兴产业业取得了长足的进步。

模具是工业生产的基础工艺装备，在机械、电子、汽车、航空以及通信等领域有着广泛的应用。

随着人民生活水平的不断提高，日常生活中使用的物品越来越多地用到了模具。

目前，模具生产水平的高低已经成为衡量一个国家制造水平高低的重要标志。

当前，计算机技术和网络技术取得了突破性的成就，CAD/CAM技术、数控加工技术以及快速成型技术为模具技术的发展提供了强大的技术支持。

同时，以高分子塑料为主的模具材料不断被开放出来，这些材料种类繁多，性能优良，价格低廉，这更为模具产业的发展提供了有力的帮助。

2手机外壳（塑件）造型设计与工艺性分析

手机外壳设计是通过详细的测量和计算将手机外壳的每个部分利用Pro/E来完成手机外壳的三唯模型，根据塑件的材料性能选择合适的材料，以及注塑机的选择和分型面的确定都要根据自己的设计进行工艺性的分析。

2.1零件的选择和尺寸精度的计算

本设计选择的魅族MX2手机壳外壳。

直接使用Pro/E的测量功能，测量体积V=14.29cm3

质量M=14.29×1.10=15.719g

（材料选用TPU，查找GE公司网页得知其密度）

（TPU参数表）表1

材料密度（density）

体积（volume）

质量（mass）

1.105g/cm3

cm3

g

手机外壳模型图如图1所示：

图1MX2手机外壳

2.2塑件的材料性能

TPU即热塑性聚氨脂（Thermoplasticpolyyrethane）,是一种新型的有机高分子合成材料，属于化合物【5】。

英文商品名：

Flexiblepolyurethane，各项性能优异，并可以代替Rubber，软性聚乙烯材料PVC。

优异的物理性能包括：

耐磨性、强回弹力、耐老化等。

可以说是代替PVC和PU的最佳材料。

被国际上称为新型聚合物材料。

TPU特性：

弹力佳（可伸长300%－600%不变形），耐磨，耐寒（-40℃—-70℃）物性不改变耐水解性、耐抗菌性，环保（可循环再造、可分解）

TPU具有综合的优良性能，价格便宜，原料易得，因此发展很快，是目前产量最大、应用最广的一种工程塑料。

颜色：

透明，半透明，透明黄底，本色。

硬度：

65A-85D,无毒、无味,俗称:

弹弓胶。

TPU突出的特点是耐磨性优异、耐臭氧性极好、硬度大、强度高、弹性好、耐低温，有良好的耐油、耐化学药品和耐环境性能，在潮湿环境中聚醚型酯水解稳定性远超过聚酯型。

2.3注塑机的确定和注射量的校核

本设计中，手机外壳套的体积是14.29cm3　　最终确定注射机型号为XS-ZY-60,具体参数如表2

表2注射机主要参数

理论注射容积

注射压力

注射时间

注射速率

螺杆转速

70㎝3

160MPa

2s

70g/s

0～200r/min

锁模力

拉杆内间距

开模行程

最大模具厚度

最小模具厚度

300KN

200×300mm

400mm

250mm

150mm

喷嘴孔直径

定位孔直径

喷嘴球半径

4mm

125mm

SR18mm

1.最大注射量的校核

注塑机的最大注射量按下式计算：

Gmax=gB（D/db）×80％

式中：

gB——注射机规定的注射量（g）

dB——聚苯乙烯在常温下的比重（1.06g/mm3）

D——注射塑料在常温下的比重（g/mm3）

可计算得手机面壳和凝料的体积为8720.856mm3，而ABS+PC的密度为1.5g/cm3，所以塑件的质量为W13.08g。

根据以上公式，该注塑机的最大注射量：

Gmax=60×（1.5/1.06））×80％=68（g）

2.注射压力校核

注射压力的校核是核定注射机的额定注射压力是否大于成型时所需的注射压力，选择的注射机的注射压力必须大于成型制品所需的注射压力。

该注射机的最大注射压力为1900kg/cm2=186MPa。

注射压力为150MPa。

所以该注塑机的注射压力满足要求。

3.锁模力的校核锁模力等于制件和浇口流道系统在分型面上的投影之和乘以型腔内塑料压力，它应小于注射机的额定锁模力，才能使注射时不发生溢料和涨模现象。

4.开模行程校核该注塑机的最大行程与模具厚度有关，故注塑机的开模行程应满足下式：

S－（H模－H小）＞H1+H2+（5～10）mm

式中：

S——注塑机最大开模行程；S=470mm

H模——模具厚度；H模=375mm

H小——注塑机规定的最小模厚；H小=180mm

H1——顶出行程；H1=30mm

H2——包括浇注系统在内的塑件高度。

H2=130mm

由上式得：

左边＝470－（375－180）=275mm；右边＝30+130+5=165mm；左边＞右边，所以该注塑机的开模行程满足要求。

2.4塑件分型面的选择

确定分型面时首先要遵循确定分型面的一般原则，比如分型面要选择在塑件的最大截面处，而且选择的位置应该更加有利于模型的脱出，将塑件尽可能的设置在动模上，尽可能保证注塑件的尺寸精度和满足注塑件的各项使用性能。

但是并非每个原则都要遵循，面面俱到的情况是不可能的，例如注塑件在模塑过程中，有一些很难避免的工艺缺陷，如拔模斜度、分型面上的边以及顶杆和浇口的痕迹，这些情况应当排在更加优先的考虑范围内。

在分型面选择时，还应从消费者使用的角度来尽量减少这些工艺缺陷以致于影响注塑件使用功能，注射过程中的排气，注射压力，注射时间的长短，注塑机的技术规格【7】等等都是需要考虑在内的。

本设计综合考虑多方面因素，保证注塑表面精度，以及简化模具设计，便于脱模等要求包分型面设置在如下位置：

图2（分型面选择位置）

3.浇注系统的分析及设计计算

浇注系统设计的合理与否不仅会对注塑件的性能、结构、尺寸、精度、成形质量有影响，而且还会影响到对注射材料的利用率、成形生产效率以及加工成本等诸多因素，因而浇注系统设计是模具设计的重要环节。

3.1浇注系统的设计

浇注系统设计正确与否关系到铸件的成败,是铸造生产中的关键技术。

对浇注系统设计应遵循以下设计原则：

（1）对型腔布局最好采用对称式布局，设置平衡式分流道，将浇注口设置在对称的中心线上，防止模具偏载而产生溢料现象。

（2）尽量设计型腔位置紧凑，减少模具的外部尺寸，缩减占用空间。

（3）设计流道时应尽量减少注塑材料在流道中的热量及压力损失，缩短流程，流道的截面尺寸应尽量大，少设置折弯处，表面粗糙度低。

（4）流道采用对称式布局，可以做到均衡进料，尽可能的使注塑材料同时到达型腔的深处及角落。

（5）在满足完全注射的情况下，应使浇注系统的体积尽可能的小，减少注射材料的消耗量，提高材料利用率。

（6）合理安排排气，有良好的排气，可以降低注射压力，减少耗能。

（7）浇注应彻底，减少浇注缺陷，避免材料熔体注射不足或成形塑件出现气孔、缩孔、残余应力等现象。

（8）尽可能使注塑件一次成型，避免再加工。

3.1.1浇注系统的组成和作用

本浇注系统的设计采用的是细水口浇注系统，主要包括主流道、分流道、浇注口和冷料部分等。

浇注系统的设计就是将来自注射机的塑料熔体均匀而快速的填充各个型腔，同时及时的将型腔的气体排出，在注射和凝固过程中，将有效的注射压力传递到型腔各个部位，以获得各项性能优异的注塑件[8]。

3.1.2浇注系统各部件设计

（1）主流道设计

主流道是注射材料最先经过的地方，其作用是导向注射材料进入分流道，由于经常与注塑机喷嘴反复接触，故选用优质钢材质的可拆卸式主流衬套。

主流道设计要点：

主流道衬套圆锥角α=2°~6°，对于流动性差的塑料材料可以将角度取大，内壁粗糙度Ra=0.63ɥm；主流道尽量短，一般应小于等于60mm，过长会影响填充彻底；主流道衬套与定模座板采用H7/m6过渡配合，与定位圈的配合采用H9/f9间隙配合；主流道衬套一般选用T8、T10制造，热处理强度为52～56HRC[9]。

主流道设计如下：

主流道小端的注射机喷嘴直径为3.6

喷嘴球面半径（1～2）为18.6，球面配合高度为3主流道锥角为2º

主流道长度为56主流道大端直径为D+2Ltg（α/2）=6主流道大端倒圆

角D/8=1

本设计的主流道衬套设计的结构形式如下

图3（主流道衬套）

（2）分流道的设计：

分流道是连接主流道和通向模具交口的中间环节，本设计开设在定模板A板上，分流道可以起使主流道流出的塑料熔体分别流入各个模具的浇口和导向作用。

多型腔一般需要分流道。

分流道设计原则：

由于分流道有拐角处，应尽量减少拐角处所产生的塑料熔体阻力；在分流的拐角处尽量设置圆弧过渡；表面粗糙度应选择要小；如果分流道设计过长时，应设计冷料井。

分流道截面的选择根据截面形状及效率表4可参阅[10]

表4分流道截面形状及效率

效率

0.25D

0.25D

0.217D

0.153D

0.195D

d=

D/4

0.166D

D/4

0.100D

D/6

0.071D

由上表参考选用0.195D作为分流道截面形状，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，因面分流道的内表面粗糙度Ra并不要求很低，一般取1.60μm左右就可以，这样表面不光滑，更加有助于增大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，以保证塑料熔体流动时具有适宜的剪切速度和剪切热。

3.1.3排气槽的设计

我认为本手机外壳设计中塑料熔体在填充模具的型腔过程中同时要排出型腔及流道原有的空气，除此以外，塑