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塑料手机壳模具设计方案
摘要
注射成型是热塑性塑料成型的方法之一，本次手机壳塑料模具设计是经过对零件结构工艺分析，采用ABS做为塑件的材料，并选择型号为XS-ZY-125的注射机浇注而完成的。
在设计中，采用了单分型面，根据零件的尺寸设计出凸凹模，然后选择适合的标注模架和注射机，并根据实际情况对模架和注射机的部分参数进行了校核，同时做了部分修改，从而设计出符合自己所需的模具。
在设计中，运用了AutoCAD和Proe等相关软件完成产品的绘图与造型工作，遇到部分困难，最后也都能完美解决了。
关键字：
塑料模具；；分型面；AutoCAD；Proe
第一章绪论
1.1塑料成型模具在加工工业中的地位
模具是利用其特定形状成型具有一定形状和尺寸的制造工具。
成型塑料制品的模具叫做塑料模具。
全面要求是：
能生产出在尺寸精度、外观、物理性能等方面均能满足使用要求的优质制品。
从模具使用角度，要求高效率、自动化、操作简便；从模具制造角度，要求结构合理、制造容易、成本低廉。
塑料模具影响着塑料制品的质量。
首先，模具型腔的形状、尺寸、表面光洁度、分型面、进浇口和排气槽位置以及脱模方式等对制件的尺寸和形状精度以及制件的物理性能、机械性能、电性能、内应力大小、各向同性、外观质量、表面光洁度、气泡、凹痕、烧焦、银纹等都有十分重要的影响。
其次，在塑料加工过程中，模具结构对操作难易程度影响很大。
在大批量生产塑料制品时，应尽量减少分模。
合模和取制件过程中的手工劳动，为此常采用自动开合模和自动顶出机构。
在全自动生产时还要保证制品能自动从模具上脱落。
另外，模具对塑料制品的成本也有相当的影响。
除简易模具外，一般来说制模费是十分昂贵的，一副优良的注射模具可生产制品百万件以上，压制模约能生产二十五万件。
当批量不大的时候，模具费用在制件成本中所占比例将会很大，这时应尽可能地采用结构合理而简单的模具，以降低成本。
现代塑料制品中合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是必不可少的三项重要因素，尤其是塑料模具对实现塑料加工工艺要求，塑料制件使用要求和造型设计起着重要作用。
高效的全自动的设备也只有装上能自动化生产的模具才能发挥基效能，产品的生产和更新都是以模具的制造和更新为前提。
由于工业塑件和日用塑料制品的品种和产量需求量很大，对塑料模具生产不断向前发展。
1.2注射成形的基本过程
注射成形是现在成形热塑性塑件的主要方法，因此应用范围很广，所使用的成形机称为注射机。
注射成形是把塑料原料（一般为经过造粒、染色、加入添加剂等处理后的颗粒料）放入料筒中，经过加热融化，使之成为“溶体”，容柱塞或螺杆作为加压工具，使溶体通过喷嘴以较高的压力（约25~80Mpa）注入模具的型腔中，经过冷却、凝固阶段，然后从模具中脱出，成为塑料制品，简而言之，可分为下面几个阶段：
合模、注射、保压冷却、开模、顶出、合模、预测。
1.3注射模的基本结构
注射模的基本结构依使用的目的不同，大致可以做如下分类：
1.4AutoCad、Proe软件简介
本设计中主要为模具的设计与计算，为后面完成装配图作好资料准备。
装配图用AutoCAD来完成其三个视图的显示。
零件为触屏手机的上壳，零件图的绘制在AutoCAD中较难画出。
因此，采用Proe绘图软件来形成三维图，最后将得到的三维图转换成二维文件，在AutoCAD中生成其三视图，再作修改。
计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简写为CAD），是指利用计算机的计算功能和高效的图形处理能力，对产品进行辅助设计分析、修改和优化。
它终合计算机知识和工程设计知识的成果，并随计算机软硬件的不断提高而逐渐完善。
AutoCAD的最大特点是让设计者更为轻松，设计者或绘图者几乎可不必离开屏幕就能连续地完成工作。
AutoCAD适合于工程制造、建筑设计、装潢设计等各行业技术人员作为设计依据，完成图纸上的工作。
AutoCAD是美国Autodesk公司开发的一种通用CAD软件。
1982年首次推出了AutoCADR1.0版本，经过十余次的版本更新，AutoCAD已从一个简单的绘图软件发展成为包括三维建模在内的功能十分强大的CAD系统，是世界上最流行的CAD软件，现已广泛应用于机械、电子、建筑、化工、汽车、造船、轻工及航空航天等领域。
Proe在中国也有很多用户直接称之为“破衣”。
1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。
1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。
经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。
PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等,是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能的综合性MCAD软件。
第二章手机外壳材料选择和外壳分析
2.1手机外壳的选料及其性能
选用热塑性塑料ABS作为手机外壳的材料。
热塑性材料是在特定的温度的范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料。
ABS是acrylonitritle-butadiene-styrenecopolymer的缩写，中文名是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
ABS可以根据要求通过改变单体的含量进行调整。
当丙烯腈增加时，塑料的耐热、耐蚀性和表面硬度可改善；丁二烯可提高弹性和韧性；苯乙烯可改善电性能和成形能力。
近年来ABS塑料在汽车上的应用发展很快，如作档泥板，扶手，热空气调节导管，以及小轿车车身等。
阻燃级的ABS树脂则用于电子计算机的壳体，控制台、电信、光盘音响设备、彩电的机壳等。
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。
（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）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。
（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。
（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。
（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。
（6）ABS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。
（7）ABS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。
（8）ABS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℃对一般制品可控制在50-60℃。
其他具体参数如下图：
表2.1ABS的主要性能指标
力
学
性
能
屈服强度/Mpa
50
热性能及电性能
玻璃化温度/C
拉伸强度/Mpa
38
熔点（粘流温度）/C
130—160
断裂伸长率/%
35
热变形温度/C
45N/cm3
180N/cm3
90—108
83—103
拉伸弹性模量/Gpa
1.8
线膨胀系数/（10-5/C）
7.0
弯曲强度/Mpa
80
比热容/
1470
弯曲弱性模理/Gpa
1.4
热导率/
0.263
件质量冲击强度/kJ/m2
无缺口
缺口
261
燃烧性/（cm/min）
慢
11
体积电阻/Ω*cm
6.9*1016
布氏硬度/HBS
9.7R121
击穿电压/（kV/mm）
物理性能
密度/（g/cm3）
1.02—1.16
吸水性/%（24h）
0.2—0.4
比体积/（cm2/g）
1.02—1.06
透明度或透光率
不透明
表2.2ABS的成型工艺参数
温度
料筒一区/℃
150-170
二区/℃
180-190
三区/℃
200-210
喷嘴/℃
180-190
模具/℃
50-70
压力
注射/Mpa
60-100
保压/Mpa
40-60
时间
注射/s
2-5
保压/s
5-10
冷却/s
5-15
周期/s
15-30
后处理
方法
红外线烘箱
温度/℃
70
时间/h
0.3-1
2.2手机外壳注塑成型工艺过程
2.3手机外壳形状结构分析
在进行手机外壳注塑模具设计之前，首先对制品图及形状结构分析，其内容主要包括以下几个方面：
图21手机上壳
（1）手机上壳（见制件图）。
制品的几何形状：
本次设计的制品平均壁厚为2.0mm，属轻质薄壁制品。
（2）制品的尺寸精度和表面粗糙度：
塑料的尺寸精度主要决定于塑料收缩率的波动和模具制造误差。
本次塑料制品的尺寸按4级精度取值。
塑件的表面粗糙度主要取决于模具粗糙度，一般情况下，塑件的表面粗糙度比模具成型部分的粗糙度高1～2级。
（3）制品的脱模斜度：
脱模斜度的取向根据塑件的内外形尺寸而定，以塑件内孔型芯小端为准，尺寸符合图纸要求，斜度由扩大方向取得；塑件外形，以型腔大端为准，尺寸符合图纸要求，斜度由缩小方向取得。
一般情况，脱模斜度不包括塑件的公差范围内。
本设计采用1°脱模斜度。
（4）根据产品的形状和结构特点，本次设计中，浇口采用直接浇口浇注系统
第三章模具结构设计与注射机的选择
3.1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，故一次注塑一个。
（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%。
手机外壳部分：
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：
V
=4.33cm3
塑件的重量：
M
=4.85g
塑件的密度:
ρ
=1.12g/mm3
3.2注射机选择
查《模具专业设计手册》表16-3，选择适合的注射机型号为XS-ZY-125，它的具体参数如下：
注射量（cm
）：
125螺杆直径（mm）：
42
注射压力（Mpa）：
119注射行程（mm）：
115
注射时间（s）：
1.6合模力（kN）：
900
最大成型面积（cm
）：
320模板行程（mm）：
300
模具厚度（mm）：
150～300模板尺寸（mm）：
428*450
拉杆间距（mm）：
260*290模具定位孔孔径（mm）：
100
喷嘴球直径（mm）：
R12喷嘴口直径（mm）：
4
最大注射容量系数为0.8
3.2.1注射机容量校核
模具型腔容量应小于或等于注射机的额定注射容量，其关系式按（3.1）式校核：
V
0.8*V
………………………………………………………3.1
式中V
--模具型腔容量
0.8--最大注射容量系数
V
--注射机的额定注射容量
在这个设计中，
V
=4.33cm
V
=125cm
V
=4.33＜0.8*V
=0.8*125=100cm
，所以注射机容量完全满足要求
3.2.2注射机锁模力校核
模具所需的最大锁模力应小于或等于注射机的额定锁模力，其关系式按（3.2）式校核：
p
F
p
……………………………………………………………3.2
式中p
--模具型腔压力，一般取40～50Mpa
F—塑件与浇注系统分型面上的投影面积（mm
）
p
--注射机额定锁模力（N）
在这个设计中，
P
=40Mpa
F=2573.48mm
p
=900KN
p
F=40*10
*2573.48*10
=102.94kN＜900KN
所以注射机的锁模力也满足要求
3.2.3注射机注射压力校核
塑件所需的注射压力应小于或等于注射机的额定注射压力，其关系按（3.3）式校核
p
p
（3-3）………………………………………………………3.3
式中p
--塑件成形所需的注射压力（Mpa）
p
--注射机的额定压力（Mpa）
在这个设计中，
p
=80Mpa
p
=119Mpa
显然，80＜119，因此注射压力也满足要求
第四章模架的选择与参数校核
4.1模架的选择
选择标准模架：
CI-3030-A60-B90-C90，其部分参数如下：
表4.1模架尺寸
单位:
mm
模板宽度
300
模板长度
350
定模板厚度
25
座板宽度
300
座板厚度
25
定模固定板厚度
50
垫块宽度
58
垫块厚度
90
动模垫板厚度
45
推板厚度
20
推板宽度
180
推杆固定板厚度
25
导柱直径
30
导套直径
45
复位弹簧直径
25
4.2模具参数校核
4.2.1模具闭合高度校核
根据注射机的参数，H
=300，H
=150mm
而根据所选标准模架组合尺寸所得，对于手机壳而言：
H=25+50+45+90+25=235mm
H
因此，满足要求。
4.2.2开模行程的校核
开模行程＝H1+H2+5～10
其中：
H1――脱模距离（顶出距离）；
H2――制作高度包括浇注系统在内。
H1+H2+10=40+60+10=110mm
XS-Z-60注射机的模板行程300mm，合格。
4.2.3模板尺寸的校核
所选注射机的模板尺寸为428mm*450mm，而本次注射模采用的是350mm*300mm，合格。
4.2.4喷嘴尺寸校核
本模具主流道始端的球面半径为R16，略大于XS-ZY-125注射机的喷嘴球半径R12，合格。
图4.1喷嘴尺寸
第五章浇注系统设计与型腔分型面设计
5.1浇注系统设计
浇注系统是指模具中从注射机喷嘴开始到型腔为止的塑料流动通道。
浇注系统设计好坏对制品性能、外观和成型难易程度影响颇大
5.1.1浇注系统的设计原则
（1）结合型腔的布置考虑，尽可能采用平衡式分流道布置。
（2）尽量缩短熔体的流程，以便降低压力损失，缩短充模时间。
（3）浇口尺寸位置和数量的选择十分关键，应有利于熔体的流动、避免产生湍流、涡流、喷射和蛇形流动，并有利于排气。
（4）避免高压熔体对模具型芯和嵌件产生冲击，防止变形和位移的产生。
（5）浇注系统凝料脱出应方便可靠，凝料应易于和制品分离或易于切除和修整。
（6）熔接痕部位与浇口尺寸、数量及位置有直接关系，设计浇注系统时要预先考虑到熔接痕的部位、形态以及以制品质量的影响。
（7）尽量减小因开设浇注系统而造成的塑料用量。
（8）浇注系统的模具工作表面应达到所需的硬度、精度和表面粗糙度，其中浇注口应有IT8以上的精度要求。
（9）设计浇注系统时应考虑储存冷料的措施。
（10）应尽可能使主流道中心与模板中心重合。
若无法重合也应使两者的距离尽量缩小。
5.1.2主流道衬套选择标准件
其具体参数如下：
图5.1主流道衬套标准件参数
5.1.3浇口形式
选择浇口形式应该遵循以下原则：
（1）尽可能采用平衡式设置；
（2）型腔排列进料均衡；
（3）型腔布置和浇口开设部位力求对称，防止模具承受偏载而产生溢料现象；
（4）确保耗料量小；
（5）不影响塑件外观。
根据以上原则和零件的实际情况，本设计选用直接浇口进胶，这种浇口适用于成型壳、盒、罩和容器等制品，是应用广泛的手机成型的浇口形式。
它的优点为：
a.浇口截面积大，流动阻力小，用于成型深腔塑件、壁厚塑件等高黏度流动性差的壳类塑件。
b.模具结构简单紧凑，流动渠道短，便于加工。
c.保压补缩作用强，易于完整成型。
d.有利于排气及消除熔接痕。
5.2塑料模具设计
5.2.1型腔分型面设计
合理选择分型面，有利于制品的质量提高，工艺操作和模具的制造。
因此，在模具设计过程中是一个不容忽视的问题
选择分型面一般根据以下的原则：
（1）分型面应该选择在制品最大截面处，这是首要原则。
（2）尽可能使制品留在动模的一侧。
（3）尽可能减小制品在合模方向上的投影面积，以减小所需的锁模力。
（4）不应影响制品尺寸的精度和外观。
（5）尽量简单,避免采用复杂形状,使模具制造容易。
（6）不妨碍制品脱模和抽芯。
（7）有利于浇注系统的合理设置，尽可能与料流的末端重合,有利于排气。
5.2.2手机壳分型面
图5.2手机壳分型面
5.2.3排气槽的设计
排气槽的作用是将型腔和型芯中周围空间内的气体及熔料所产生的气体排到模具之外。
该注射模属于小型模具，在推杆的间隙和分型面上都有排气效果，无需另外开排气槽。
5.2.4脱模机构设计
由于该塑件的脱模阻力不大，而推杆又加工简单、更换方便、脱模效果好，因此采用圆形推杆脱模机构。
推杆的设置位置采取以下原则：
（1）推杆设在脱模阻力大的地方。
（2）推杆位置均匀分布。
（3）推杆设在塑料制品强度刚度较大的地方。
（4）推杆直径应满足相应的强度、刚度条件。
5.2.5脱模力计算
当开始脱模时，模具所受的阻力最大，推杆刚度及强度应按此时计算，亦即无视脱模斜度（a=0）
由于制品是薄壁矩形件
Q=8t·E·S·l·f/（1-m）（1+f）（kN）
式中Q—脱模最大阻力（kN）
t—塑件的平均壁厚（cm）
E—塑料的弹性模量（N/
）
S—塑料毛坯成型收缩率（mm/mm）
l—包容凸模长度（cm）
f—塑料与钢之间的摩擦系数
m—泊松比，一般取0.38~0.49
S=0.005，E=1.8×10
N/cm
已知，t
0.2cm，l=15cm，f=0.28
Q=8×0.2×1.8×10
×0.005×15×0.28/（1-0.43）（1+0.28）=8.29kN
5.2.6顶出机构设计
本次设计由于手机壳内部有倒扣机构，因此顶出机构采用推杆和斜导柱来作为顶出机构
推杆设计要点如下:
（1）杆应设置在塑件能承力较大的部位，尽量使推出的塑件受力均匀
（2）推杆不宜过细，要有足够的强度承受推力
（3）推杆装配后不应有轴向窜动
（4）塑件浇口处尽量不设推杆，以防该处内应力大而碎裂
（5）推杆的布置应避开冷却水道和侧抽芯，以免发生干涉
图5.3顶出机构
5.2.7弹簧复位机构设计
在顶杆的脱模机构中，顶出塑件后再次合模时（或闭模前），必须要求顶杆等元件回复或预先回复到原来的位置。
通常采用弹簧推动板复位，但当推顶装置发生卡滞现象时，仅靠弹簧难以保证，须复位杆与弹簧并用。
设计中具有活动型芯的脱模机构时，必须考虑到合模时互相干扰的情况，应在塑模闭合前使顶杆提前复位，以免活动型芯撞击顶杆，应设置先复位装置。
复位杆由标准可查得。
本设计中的模具使用弹簧先复位装置，在顶杆固定板上装有弹簧，借弹簧力合复位杆作用，在合模时，使顶出杆先复位，这种方法的特点是结构简单，容易制造，但弹簧容易失效，故要经常更换弹簧。
5.2.8导向机构设计
导向机构的主要作用是为保证在模具闭合后，动、定模板相对位置准确；在模具装配过程中也起到了定位的作用，合模时，引导动、定模板准确闭合，能够承受一定的铡向压力，以保证模具的正常工作。
本设计中导向机构采用导柱导向，其结构简单，加工方便，在导柱的末端以导向套给以配合，导柱倒装。
一般导柱应有以下几个重要的技术要求：
（1）导柱的长度应根据具体的情况而定，一般比凸模端面高出8~12mm
（2）导柱的前端做成半球形状，以使导柱顺利进入导孔
（3）数量为4，均匀分布在模具周围
5.2.9其他自制零件
凸模型芯固定板：
图5.6凸模型芯固定板
5.2.10塑模温控制系统设计
在注射过程中,模具的温度直接影响着制品质量和注射周期,各种塑料的性能不同,成型工艺要求的不同相应的模具对温度要求也不同,ABS在注射成型时所需的模具对温度为40—60度之间。
对任何塑料制品，模温波动较大都是不利的。
过高的模温会使制品在脱模后发生变形，延长冷却时间，使生产率下降。
过低的模温会使降低塑料的流动性，难于充满型腔，增加制品的内应力和明显的溶接痕等缺陷。
由于模温不断地被注入熔融塑料加热，模温升高，单靠模具自身散热不能使其保持较低的温度，因此必须加冷却机构。
冷却装置系统的设计要点：
（1）实验表明表明冷却水孔的数量愈多，对制品的冷却也愈均匀
（2）水孔与型腔表面各处最好有相同的距离，即孔的排列与型腔形状相吻合对热量聚积大温度上升高的部位应加强冷却
（3）进水管直径的选择应使水流速度不超过冷却水道的水流速度，避免产生过大的压力降
（4）冷却水道不应穿过没有镶块或其接缝部位，水道连接必须密封以免漏水
（5）复式冷却循环并联而不应串联
（6）进、出口冷却水温差不应过大，以免造成模具表面冷却不均
本次设计采用水路直接为
8，喉牙为1/4的冷却水道
图5.7冷却水道
第六章模具的装配与调试
6.1模具组装图与剖视图
组装图
图6.1组装图
A--A剖视图
图6.2A—A剖视图
1—下模座板2—螺钉3—垫块4—型芯固定板5—凹模固定板6—上模座板7—螺钉8—凹模9—螺钉10—定位圈11—浇口套12—凸模13—斜导柱14—卸料弹簧15—冷却水道16—导套17—导柱18—滑块19—螺钉20—推件板21—推件板固定板
6.2模具调试
试模中所获得的样件是对整体质量的一个全面反映，以检验样件来修正和验收模具，是塑料模具这种产品的特殊性。
首先，在初次试模中我们最常遇到的问题是根本得不到完整的样件。
常因一般塑件被粘附于模腔内或型芯上，甚至因流到粘着制品被损坏。
这是试模首先应当解决的问题。
原因分析：
1.粘着模腔
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