手机外壳注塑模具.docx
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手机外壳注塑模具
诺基亚5530手机外壳注塑
模具设计
专业：
机械制造及自动化
学生：
指导老师：
完成时间：
2011年5月10日
摘要
本文以NOKIA5530手机外壳为例，利用模具CAD/CAM的模具设计理念通过对其测试、分析、修改，完成了其注射模的设计与改进。
整个设计中利用Pro/E环境下的Part模块完成了手机壳体及其它模具组件的设计、修改与装配工作；利用Mold完成了其成型零件的设计、开模分析及模具检测；并在Drawing模块下，完成了零件图及装配图的二维图形的生成与转换。
利用AutoCAD完成了零件图与三维图的尺寸标注及标题栏与明细表的填写。
详细地叙述了模具成型零件的设计与加工工艺过程，重要零件的工艺参数的选择与计算，冷却系统、推出机构与浇注系统以及其它结构的设计过程，并对试模与产品缺陷作了介绍并介绍了模具的工作原理。
整个设计过程渗透着CAD/CAM的思想，利用当前最流行的模具设计软件Pro/E的单一数据库技术提供的参数化全相关的特点，使得设计中在任何一处的修改均能反映到整个设计中去，使模具设计更轻松、更合理。
本文还论述了现代模具工业尤其是注射模特点、模具制造领域的先进技术及模具CAD/CAM集成化技术的发展及展望。
关键词：
注塑模，Pro/E，CAD/CAM/，塑料
Abstract
ThisarticleisNOKIA5530cellphonecasebycase.UseofdieCAD/CAMmolddesignthroughitstesting,analysis,modification,completeditsdesignandimprovementofinjectionmold.ThedesignofPro/E,PartmodulesundertheEnvironmentcompletedamobilephoneshellandothermoldcomponentsofthedesign,modificationandassemblywork;useMoldcompleteditsmoldedpartdesign,moldanalysisandmoldtesting.Describedindetailthedesignofmoldingpartsandmachiningprocess,animportantpartoftheprocessparameterselectionandcalculationofthecoolingsystem,theintroductionagenciesandcastingsystems,andotherstructuresinthedesignprocess,andthetestmodewasintroducedwithproductdefectsandTheworkingprincipleofthedie.
Permeatedtheentiredesignprocess,CAD/CAE'sideas,usingthemostpopularmolddesignsoftwarePro/Etoprovideasingledatabaseofallrelevantparametersofthecharacteristics,makingdesignchangesinanyonedesigncanreflectthewholeinordertoenablediedesigneasierandmorereasonable.
Thisarticlealsodiscussesthemodernmoldindustry,especiallythemodelpointofinjectionmoldmanufacturingofadvancedtechnologyanddieCAD/CAMintegratedtechnologydevelopmentandprospects.
Keywords:
injectionmolding,Pro/E,CAD/CAM/,plastic
第一章引言
1.1课题来源及意义
1.1.1手机外壳的发展意义
在网络化和数字化迅猛发展的今天，手机已经成为引领消费时尚的异军突起的工业产品。
面对日趋激烈的竞争市场和日益挑剔的消费者，如何推动手机业得持续稳定的发展，已经成为手机厂商要解决的迫在眉睫的问题。
英国首相撒切尔夫人对工业设计曾有一句非常精辟的论断：
“对于工业设计一分的投入，可以产生一千分的回报。
”美国工业设计协会做过调查，美国平均工业设计每投入一美元，其销售收入为2500美元；日本日立公司的统计数字也表明.每增加一千亿日元的销售额.工业设计的作用就占51%.而技术改造的作用仅占12%。
十分显然.工业设计的创新.必然会给产品带来丰厚的利润。
实现手机工业设计的突破和创新正是大势所趋。
当前.手机市场群雄并起.逐鹿中原。
摩托罗拉、诺基亚、索尼爱立信、三星、LG五家品牌占领了中国手机市场75%的份额，数不胜数的其它品牌手机瓜分余下的份额。
手机牌照的放开、市场竞争者的不断涌入、市场竞争环境的恶化.使手机厂商面临前所未有的巨大压力。
他们纷纷打起广告战、价格战、渠道战和产品战。
这其中产品战是重头戏，而产品的工业设计更是制胜的关键。
经过多年的努力，手机的功能设计基本可以满足消费者的需要。
随着手机的不断普及。
消费者的差异化越来越明显，多层次的需求越来越强烈。
对手机外观设计的要求也越来越高。
他们往往对外观设计平庸或雷同的手机不屑一顾，而对外观设计特点明显并符合自己的身份的手机情有独钟。
因此.靠创新外观设计征服消费者的发展空间还是相当大的。
面对市场的巨大挑战，手机的外观设计就要迎难而上。
手机的外观设计在适应功能设计的前提下，把外观设计和产品工艺、色彩及文化合理有机地融合.实现手机的进一步时尚化、人性化、个性化和娱乐化.这是未来中国手机外观设计的一个新趋势。
主流仍是时尚化设计作为通信功能产品。
手机诞生之初时简单耐用是其主要特征。
随着手机普及程度的提高.手机成为消费者随身携带、生活中不可或缺的伴侣.其消费电子产品特征远远大于其通信特征。
设计师们将外形设计重点转移到消费电子产品特征上。
对于消费电子产品来说，时尚化设计是其不变的主题。
手机外观设计也应遵循这一规律。
因此，设计师要深入研究和了解目前的社会环境和消费者的生活态度、审美情趣及时尚追求.增强针对性和服务性.在造型、色彩、材质、功能搭配和装饰物等的选择上竭力突出其时尚化特征.将社会上的流行趋势和时尚特征等转化成设计元素.体现到手机的外观设计上。
现如今.娱乐、多媒体、游戏和商务等特征是消费者能普遍接受的功能.为了体现这些消费特征，今后几年手机外观可以千姿百态、风格多样.但其主流格调仍是时尚化。
通信技术和数字技术的发展日新月异。
消费者的需要也越来越难以琢磨和难以满足.对手机的外观设计更是提出了更高的要求。
期待厂商推出更多具有时尚化、个性化、人性化和娱乐化的手机.期待这些设计特点在每部手机上都能达到和谐统一。
手机的工业设计者有责任.也有能力给消费者带来更多的惊喜。
1.1.2CAD的意义
计算机辅助设计指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。
简称CAD。
在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。
在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。
CAD能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量。
1.2模具CAD/CAM技术发展趋势
模具是工业生产中的重要工艺装备，模具工业是国民经济各部门发展的重要基础之一.加入世贸后，各国经济往来十分频繁，世界各国经济高速发展，人类消费日趋增长，消费结构日趋复杂，消费的增长带来了全球经济的快速发展，中国也渐渐地转变为世界制造中心。
目前中国模具有了较大的发展，但与先进国家相比还存在较大的差距。
如：
国产模具精度低、寿命短、制造周期长，成型设备较陈旧、规格品种少；新型模具材料研发运用力度不大，CAD/CAE/CAM推广应用程度还远远落后于工业发达国家。
21世纪模具制造行业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化，追求的目标是提高产品质量及生产效率,缩短设计周期及制造周期,降低生产成本，最大限度地提高模具制造业的应变能力,满足用户需求。
具体表现出以下几个特征。
1）标准化CAD/CAM系统可建立标准零件数据库,非标准零件数据库和模具参数数据库。
标准零件库中的零件在CAD设计中可以随时调用,并采用GT（成组技术）生产。
非标准零件库中存放的零件,虽然与设计所需结构不尽相同,但利用系统自身的建模技术可以方便地进行修改,从而加快设计过程,典型模具结构库是在参数化设计的基础上实现的,按用户要求对相似模具结构进行修改,即可生成所需要的结构。
2）集成化技术现代模具设计制造系统不仅应强调信息的集成，更应该强调技术、人和管理的集成。
在开发模具制造系统时强调“多集成”的概念。
即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成及人员集成，这更适合未来制造系统的需求。
3）智能化技术应用人工智能技术实现产品生命周期（包括产品设计、制造、使用）各个环节的智能化，实现生产过程（包括组织、管理、计划、调度、控制等）各个环节的智能化，以及模具设备的智能化，也要实现人与系统的融合及人在其中智能的充分发挥。
4）网络技术的应用网络技术包括硬件与软件的集成实现,各种通讯协议及制造自动化协议，信息通讯接口,系统操作控制策略等,是实现各种制造系统自动化的基础。
目前早已出现了通过Internet实现跨国界模具设计的成功例子。
多学科多功能综合产品设计技术未来产品的开发设计不仅用到机械科学的理论与知识,而且还用到电磁学、光学、控制理论等知识。
产品的开发要进行多目标全性能的优化设计,以追求模具产品动静态特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。
第二章材料及尺寸的确定
2.1塑料的工艺性分析
2.1.1使用性能、制件技术要求和生产要求
该塑件外形矩形，材料为：
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）。
要求材料有较好的机械性能，如抗拉强度、抗应力开裂性、弹性模量都要求较高。
根据产品要求，该塑件为大批量生产，采用注塑成型。
手机外壳如图所示：
图2-1俯视图
图2-2侧视图
图2-3前视图
2.1.2塑料尺寸精度
塑件中的各个尺寸精度要求为IT3，各尺寸可以按照自由尺寸的精度查取公差等级，因此在模具设计和制造中要按照IT3～IT4精度要求设计制造。
手机外壳如图所示：
图2-4手机后壳
图2-5手机前壳
2.1.3塑料表面质量分析
1）该塑件表面质量要求表面光泽，必须避免在塑件有飞边毛刺，缩孔，流痕等工艺缺陷。
2）注意通孔处不出现锐边；
3）表面粗糙度只有塑件外形要求Ra3.2，其它部位没有较高粗糙度要求。
2.2原材料分析以及原材料的工艺性分析
塑料是以高分子量的合成树脂为主要成分。
它在一定的温度和压力的条件下具有可塑性，能够流动变形，其被塑造成制品之后，在一定的使用环境条件之下，能保持形状、尺寸不变，并满足一定的使用性能要求的材料。
塑料中的必要和主要成分是树脂，树脂是由高分子物质所组成，它是通过聚合反应而制成的，所以又叫聚合物或称高聚物。
塑料的主要成分是合成树脂，并加入填料、增塑剂、燃料、稳定剂等各种辅料组成。
其多组成分有：
树脂、填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、着色剂、抗静电剂、发泡剂、阻燃剂等。
塑料具有：
1.质量轻；2.化学稳定优越；3.电绝缘性能好；4.比强度高；5.减摩、耐磨性能优良，自润滑性好；6.成型加工方便；7.粘结性能好；８.光学性能好；9.着色性能较强；10.导热率低的特性。
但是在目前塑料的应用中，塑料也存在着一些缺点，使其应用受到一定限制。
一般塑料的机械强度均不如金属。
塑料成型时收缩率较高。
塑料对温度的敏感性远比金属或其它非金属材料的大，塑料的使用温度范围远较其它材料的窄。
塑料若长期受载荷作用，即使温度不高，其形状会产生“蠕变”，塑料这种渐渐产生的塑件流动是不可塑的，导致塑件尺寸精度丧失。
所以，在选择塑料时要注意扬长避短。
塑料按照受热后的表现性能，可以分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。
前者的特点是在一定的温度下，经过一定时间加热、加压或加入硬化剂后，发生化学反映而硬化。
硬化后的塑料化学结构发生变化，质地坚硬，不溶于溶剂，加热也不再软化，如果温度过高就分解。
后者的特点为受热后发生物态变化，由固体软化或者熔化成粘流体状态，但冷却后又可变硬而成为固体。
且过程可以多次反复，塑料本身的分子结构则不发生变化。
热塑性塑料和热固性塑料的性能对比如下表。
根据手机的外壳的对强度，刚度，柔韧性，热塑性等众多方面的考虑，我们决定塑件的材料采用ABS材料。
ABS材料特性如下：
ABS（丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物），于热塑性塑料，韧性大、脆性小，适用广泛，但是尺寸稳定性差和热稳定性差。
ABS是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯共聚物三种化学单位合成，每种单体都有不同特性；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，高光洁及高强度。
从形态上看，ABS是非结晶性材料。
三种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，另一个是聚丁二烯胶分散相。
这就决定了ABS材料的耐高温性、抗冲击性及易加工性等多种特性。
缩水率为0.5%。
如表2-1所示：
表2-1ABS为热塑性塑料与热固性塑料的区别：
ABS为热塑性塑料
成型前塑料中树脂分子结构
使制品固
化定型的
模具温度
条件
成型后，塑料中树脂分子结构
成型过程中树脂所发生的变化
制品的熔化，溶解性能
塑料的使用性
常采用的成型方法
热塑性
塑料
线型或支链状线型聚合物分子
冷却
基本与成
型前的相同
物理变化（可能有少量分解或交链现象发生）
可熔化
可溶解
反复多次使用（可回收废料）
注射、挤出、吹塑等
热固性
塑料
线型聚合物分子
加热（提供交联反应温度
转变为体型分子
既有物理变化，又有化学变化。
有低分子析出
既不可熔化，也不可溶解
一次性使用，因成型过程不可逆
压缩或压注。
有的品种可以采用注射
所有手机类轻巧系列产品都提供ABS作为选项，而接近90%的轻巧类塑件产品都是由这种材料制造的。
使用者报告说ABS的原型可以达到注塑ABS成型强度的80%，而它的属性，例如耐热性与抗化学性，也是近似或是相当于注塑成型的工件，其耐热度为93.3℃，这让ABS成为功能性测试应的广泛使用材料。
ABS材料的典型用途：
汽车（仪表板、工具船门、车轮盖、反光镜盒等），电冰箱，大强度工具（头发烘干机、搅拌机、食品加工机、割草机等），电话机壳体，打字机键盘，娱乐用车辆（如高尔夫球手推车、及喷气式雪橇车等）等众多领域。
塑料按照受热后的表现性能，可以分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。
abs为热塑性塑料，其特点是受热后发生物态变化，由固体软化或者熔化成粘流体状态，但冷却后又可变硬而成为固体，其过程可以多次反复，塑料本身的分子结构则不发生变化。
但热固性塑料在一定的温度下，经过一定时间加热、加压或加入硬化剂后，发生化学反映而硬化，硬化后的塑料化学结构发生变化，质地坚硬，不溶于溶剂，加热也不再软化，如果温度过高就分解。
2.3塑料的成型特性分析及影响因素
1流动性
塑件形状复杂、壁薄或尺寸较大的制品时，产品设计者应考虑在满足制品使用性能的前提下，优先选择流动性好的塑料来成型。
流动性的优劣以流动性等级衡量，测定流动性的方法用标准测仪器测量，测定值越高，表明流动性越好。
人们习惯引用与塑料流动性相关的塑料溢料间隙（溢边值）概念，所谓溢料间隙是指熔体塑料在成型高压下不得流过的最大间隙值，流动性越好，溢料间隙要求越小。
2收缩性、收缩率、比容和压缩
收缩率与：
热胀冷缩、塑料品种、成型工艺（压力、温度、时间）、模具和塑件结构有关,所以设计模具时，需根据模塑收缩率来计算型腔的尺寸。
比容是单位重量的松散塑料所占有的体积。
压缩率是松散塑料的体积与同重量塑料的体积之比。
用它们可计算出每模塑料需要的注射量（cm3）或模具加料腔的容积尺寸。
注射量是决定设备的主要条件。
3结晶性、相容性、热敏性、固化和熔体破裂
结晶性即指聚合物分子能做空间规则排列生成结晶的能力。
聚合物的结晶性与它们的结晶度能力大小有关。
挥发物含量指塑料中的挥发物包括水、氯、空气、甲醛等低分子物质的含量。
热敏性指塑料的热稳定性差的性能。
4熔结痕、内应力、制品的后处理
减少熔结痕，可选用流动性较好的塑料，或增加浇口数量，缩短流程，以较快时间充模；适当提高料温或模温等；增强模具排气措施；改变浇口位置使熔结痕产生在塑件的次要部位；尽量不用脱模剂等。
产生内应力的一个重要因素是注射及补料时的剪切应力。
减少应力措施：
注射压力不宜取得过高，使用较高的料温和模温，保压时间要适度，可采取降压保压方法，成型后将制品进行热处理。
制品的后处理（热处理）有退火处理和调温处理。
第三章模具设计
3.1模具设计
模架结构形式如图3-1，3-2所示：
图3-1模架结构剖面图
图3-2模架3D图
3.2确定型腔数量及排列形式
1.多型腔单分型面模具：
塑件外观质量要求不高，尺寸精度要求一般的小型塑件，可采用此结构。
2.多型腔多分型面模具：
塑件外观质量要求高，尺寸精度要求一般的小型塑件，可采用此结构。
该塑件外观质量要求不高，是尺寸精度要求较低的小型塑件，因此可采用多型腔单分型面的设计。
从塑件上容易看出模具的分型面位置、摧出机构的设置以及浇口的位置。
分型面为单分型面垂直分型。
最常用的浇口形式有：
第一是侧浇口。
这种浇口形式注射工艺工人比较熟悉，在制造上加工比较方便，但不得因素是浇道流程长，热量损耗大，因此容易产生明显的拼料痕迹。
如果要得到改善，则需加大浇道尺寸，但随之浇道部份的回料增多。
其次塑料的进料口部分需去毛刺，这样既增加了去毛刺的工时，又损坏了周围的美观。
第二是点浇口。
塑料注射时，在点浇口以高速注入型腔，一部份动能转变为热能，因此塑料在会合时的热量损耗比侧浇口少，所以会合处熔合较好，熔接痕不太明显。
其缺点是塑件的正面将留下点烧口的痕迹，影响塑件的美观，并且为了取出点浇口的浇道剩料，型腔必须移动。
由于型腔重量较大，所以不方便移动。
第三种是综合上述两种浇口形式的优缺点，采用剪切浇口。
因为塑件侧壁距离横浇道较远，因直接在侧壁进料是很难实现的，因此又增设了工艺输助浇口，从而使浇注系统进一步完善。
这种浇口形式主要有以下优点：
一是塑件表面无浇口痕迹，并且外表面无明显的熔接痕，所以外观质量较好。
二是浇口的位置和数量可视塑件的质量而增加、减少或改变浇口的位置、模具修改也比较方便。
三是在塑件顶出的同时，浇口剪断并脱落，可节省去毛刺工序，并有得于机床自动化。
从塑料流程尽量一致的原则出发，采用了两个剪切浇口处都设有顶杆，用以切断剪切浇口，其工艺辅助浇口可手工去除。
多型腔模具排列形式设计的要点：
1）尽可能采用平衡式排列，确保制品质量的均一和稳定；
2）型腔布置与浇口开设部位应力求对称，以便防止模具承受偏载而产生溢料现象；
3）尽量使型腔排列得紧凑，以便减小模具的外形尺寸。
3.3注射机型号的确定
根据塑件的体积初步选定用XS-Z-60（卧式）型注塑机。
表3-1注塑机的主要参数
理论注射容积（cm³）
60
螺杆直径（mm）
30
注射压力（MPa）
180
注射速率（g/s）
70
塑化能力（g/s）
35
螺杆转速（r/min）
0—200
锁模力（kN）
400
拉杆有较距离（mm）
220×300
移模行程（mm）
250
模具最大厚度（mm）
250
模具最小厚度（mm）
150
锁模形式
双曲肘
模具定位孔直径（mm）
￠80
喷嘴球半径（mm）
SR10
喷嘴口孔径（mm）
￠3
模板尺寸（mm）
200×315
3.4注射量的校核
注射机的表称注射量：
V机=60cm3
塑件体积：
Vs=2×3.33=6.66cm3,而浇注系统流道凝料的体积：
V凝=2.33cm3
则实际需要的注射量：
V实=Vs+V凝=6.66+2.33=8.99cm3
所以，注射量符合
一、注射压力校核
因为HDPE的注射压力是70－150MPa，而XS-ZY-60注塑机的压力为180Mpa，显然注塑机的注射压力满足要求。
二、锁模力校核
塑料对模板的压力为：
P=0.3×P1=0.3×100=30MPa
F胀=（nA塑件+A浇）×P=（2×2989+2092）×30=242KN
F额=400KN>242KN=F胀
锁模力足够
三、开模行程与推出机构的校核（具有侧向抽芯）：
S侧=87.75+5.25=93mm＞91.86mm=82.5+4.06+5.25=H1+H2+（5～10）mm
所以只要校核侧向抽芯需要的开模距离S侧与注射机的最大开模行程Smax相对比即可，本设计注塑机的最大开模行程Smax=500mmm>93mm=S侧
3.5浇注系统的设计
塑料成型特性设计浇住系统应适用所有塑料的成型特性的要求，以保证塑件的质量。
塑件的大小和形状根据塑件的大小形状壁厚技术要求等因素，结合分形面同时考虑浇注系统的形式，进料口数量和位置，保证正常成型，还应注意防止流料直接冲击嵌件及细弱型心或型心受力不匀以及充分估计可能产生的质量弊病和部位等问题，从而采取相应的措施或留有修正的余地。
模具成型塑件的型腔数设置浇注系统还应考虑到模具是一模一腔还是一模多腔，浇注系统需按型腔布局设计。
塑件外观设置浇注系统时应考虑到去除、修整进料口方便。
同时不影响塑件的外表美观。
注射机安装模板的大小在塑件投影面积较大时，设置浇注系统时应考虑到注射机模板的大小是否允许，并应防止模具偏单边开设进料口，造成注射时的受力不匀。
成型效率在大量生产时设置浇注系统还应考虑到在保证成型质量的恰好难题下尽量缩短流程，减少断面积以缩短流程填充及冷却时间，缩短成型周期，同时减少浇注系统损耗的塑料。
冷料在注射间隔时间。
喷嘴的端部的冷料必须去除，防止注入型腔影响塑件的质量，故设计浇注系统是应该考虑储存冷料的措施。
3.6主浇道的设计
如图3-3,3-4所示，主浇道为直接与注射机的喷嘴相连的部分。
熔体从喷嘴中以一定的动能喷出。
由于熔体在料筒内以被压缩，此时流入模的空腔内，其体积必然膨胀，流速也略为减小。
主浇道的截面为圆形，整体为圆锥形，锥度为2°～4°，对于本产品所用的塑料ABS采用2°。
图3-3主浇道切面图
图3-4主浇道
3.6.1分浇道的设计
分浇道是
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