诺基亚3120外壳注塑模设计与数控仿真加工

目 录1 序言1.1 我国塑料模工业的现状(3)1.2 CAD技术(3)2 塑件的分析与注塑成型工艺过程2.1 塑件分析(4)2.1.1 结构分析(4)2.1.2 壁厚分析(4)2.1.3 塑件材料的分析与选择(4)2.2 注塑成型工艺过程(5)3 塑件模具的设计3.1 塑件成型的工艺性能分析(5)3.2 注射机的确定(6)3.3 浇注系统的形式和浇口的设计(6)3.3.1 浇口形式及位置选择(7)3.3.2 浇口的设计(8)3.4 分型面的设计(8)3.5 推出机构和复位机构设计(9)3.6 其它机构的选择(10)3.6.1 合模导向机构的设计(10)3.6.2 排气和冷却机构(11)3.6.3 支承零件的设计(11)3.7 成型零件的设计(12)3.7.1 结构设计(12)3.7.2 成型零件工作尺寸计算(12)3.8 模具型腔侧壁和底板厚度的设计(15)3.8.1型腔壁厚的计算(15)3.8.2 底板厚度的计算(16)3.9 标准模架的选择(16)3.10 注射机的效核及浇口套的设计(16)3.10.1 注射机的效核(16)3.10.2 浇口套的设计(17)3.11 冷却系统的计算(17)3.12 脱模力和推杆直径的计算(18)3.13 模具装配图(19)4 模具型腔和型芯的三维造型与数控仿真加工4.1 Mastercam9.0软件的应用(19)4.1.1设计方面(19)4.1.2加工方面(20)4.2塑件型腔三维CAD造型(20)4.3 型腔的数控仿真加工(23)4.4型芯曲面造型(26)4.5 型芯数控仿真加工(27)结论(32)参考文献(33)致谢(33)附录(34) 1 序言1.1 我国塑料模工业的现状 我国塑料模工业从起步到现在，历经半个多世纪，有了很大发展，模具水平有了较大提高。在大型模具方面已能生产48英寸大屏幕彩电塑壳注射模具、6.5Kg大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具，精密塑料模具方面，已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。 成型工艺方面，多材质塑料成型模、高效多色注射模、镶件互换结构和抽芯脱模机构的创新方面也取得较大进展。 在制造技术方面，CAD/CAM/CAE技术的应用水平上了一个新台阶，以生产家用电器的企业为代表，陆续引进了相当数量的CAD/CAM系统，在制造技术方面，CAD/CAM/CAE技术的应用水平上了一个新台阶，以生产家用电器的企业为代表，陆续引进了相当数量的CAD/CAM系统，这些系统和软件的引进，虽花费了大量资金，但在我国模具行业中，实现了CAD/CAM的集成，并能支持CAE技术对成型过程，如充模和冷却等进行计算机模拟，取得了一定的技术经济效益，促进和推动了我国模具CAD/CAM技术的发展。1.2 CAD技术 CAD/CAM技术已发展成为一项比较成熟的共性技术，近年来模具CAD/CAM技术的硬件与软件价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度，为其进一步普及创造良好的条件；基于网络的CAD/CAM/CAE一体化系统结构初见端倪，其将解决传统混合型CAD/CAM系统无法满足实际生产过程分工协作要求的问题；CAD/CAM软件的智能化程度将逐步提高；塑料制件及模具的3D设计与成型过程的3D分析将在我国塑料模具工业中发挥越来越重要的作用。本设计是设计手机外壳的注塑模。利用UG/CAD/CAM软件设计手机注塑模,并绘制注塑模模腔、模芯零件图及装配图，使其能够进行刀具轨迹仿真模拟加工。在这次设计中，虽然遇到了很多困难，但是在指导老师的悉心指导和自己的努力下，我相信我能很好地完成毕业设计任务。由于学生缺乏经验，加之水平有限，本论文中必然会存在不少纰漏和错误，敬请评阅老师批评指正。2 塑件的分析与注塑成型工艺过程2.1 塑件分析2.1.1 结构分析 塑件为手机外壳，应有一定的结构强度；其中上壳由于中间有手机的按键及手机显示屏，后面有与后盖联接的塑料倒扣，所以应保证它有一定的装配精度；由于该塑件为手机外壳，因此对表面粗糙度要求不高。2.1.2 壁厚分析 手机面壳结构比较复杂，为了防止注塑件缩水，在结构设计时除了满足功能需求外，还要做到壁厚均匀，过渡圆滑。对塑件来说，除使用要求需采用尖角之外，其余所有内外表面转弯处都应尽可能采用圆角过渡，以减小应力集中。内部倒角R0.3T，则应力急剧升高内部倒角R0.8T，则无应力集中现象转角处设计规范一般以达壁厚均匀为最佳，其内部倒角以0.5T为宜，外部倒角以1.5T为宜，其中T为成品壁厚。2.1.3 塑件材料的分析与选择手机（以直板机为例）外壳主体部分（面壳、底壳、电池盖）材料一般采用ABSPC。塑料材料的使用都是根据其本身的特性，在满足使用性能和加工工艺的基础上选择的。常用塑料材料性能简述如下：1）ABS（Acrylonitrile-butadiene styrene）：ABS在一定温度范围内具有良好的抗冲击强度和表面硬度，有较好的尺寸稳定性、一定的耐化学药品性和良好的电气绝缘性。它不透明，一般呈浅象牙色，能通过着色而制成具有高度光泽的其它任何色泽制品，电镀级的外表可进行电镀、真空镀膜等装饰。通用级ABS不透水、燃烧缓慢，燃烧时软化，火焰呈黄色、有黑烟，最后烧焦、有特殊气味，但无熔融滴落，可用注射、挤塑和真空等成型方法进行加工。2）PC（Polycarbonate）：物料性能 冲击强度高，尺寸稳定性好，无色透明，着色性好，电绝缘性、耐腐蚀性、耐磨性好，但自润滑性差，有应力开裂倾向，高温易水解，与其它树脂相溶性差。 适于制作仪表小零件、绝缘透明件和耐冲击零件。3）ABSPC：即丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物/聚碳酸酯混合物。其性能如下：物理性能：抗冲击性；高光泽；抗光性，可电镀，抗热性；高弯曲强度。化学性能：仅有限的抗水解性能；不抗酮，酯，氯化碳氢化合物。4）PS（Polystyrene）：即聚苯乙烯,呈无色透明状，透光性能仅次于有机玻璃，容易着色，并且具有良好的可塑流动性及较小的成型收缩率。其主要缺点是脆性大，形状复杂制品成型后存在较大内应力。根据以上内容，我所设计的手机选择的材料如下：材料： 聚碳酸脂（PC）颜色： 珍珠白生产批量： 中批量生产材料特性：诺基亚3120手机外壳，密度为1.29g/cm吸水率小于0.16%,透光率为75%90%，本色白,而有点透明的珍珠白塑料，韧而刚，抗冲击性在热塑性塑料中名列前矛，成型零件可达到很好的尺寸精度并在很宽的温度变化范围内保持尺寸的稳定性。抗蠕变、耐磨、耐热、耐寒。脆化温度在-100C以下，长期工作温度可以达到120C，其最大的特点是塑件易开裂，耐疲劳强度差。对热、氧、大气和紫外线均有良好的稳定性。2.2 注塑成型工艺过程（1） 预烘干装入料斗预塑化注射装置准备注射注射保压冷却脱模塑件送下工序（2） 清理模具,涂脱模剂合模注射3 塑件模具的设计3.1 塑件成型的工艺性能分析根据塑料模具指南中的塑件公差表可知，材料为聚碳酸脂（PC）的零件塑件精度为4级，模具制造精度为IT9。（1） 成型特点：虽然吸水性小，但高温时对水分比较敏感，所以加工前必须干燥处理，否则会出现银丝、气泡及强度下降的现象，熔融温度高，熔融粘度大，流动性差，所以成型时要求有较高的温度和压力。（2）分析结构工艺性： 收缩率为0.65（取0.5到0.8的平均值）。 材料流动性较差。 不易分解，不脆。 该塑件结构较复杂，尺寸较小，壁厚几乎均匀，过度圆半径较大。 表面硬度较高、且韧。 易发生填充不良、缩孔、熔接痕。 溢边值为0.06到0.08mm，高粘度。（3） 要求：根据以上特征及塑料性能。在工艺上宜采用高温度高压注射方法，以增加流动性、降低内应力。改善透明度。在模具设计和制造方面。要尽可能减小浇注系统的料流阻力，脱模斜度宜大，推出机构施力要均衡平稳，模具型腔表面粗糙度要小，注意排气。3.2 注射机的确定 影响射出机选择的重要因素包括模具、产品、塑料、成型要求等。（1）模具尺寸(宽度、高度、厚度)、重量、特殊设计等； （2）使用塑料的种类及数量（单一原料或多种塑料）； （3）注塑成品的外观尺寸（长、宽、高、厚度）、重量等； （4）成型要求，如品质条件、生产速度等。根据塑料模具设计大师中指出用塑件体积或重量可初选设备：再根据塑件的工艺性能，塑件重量为6.75克，采用单腔模，冷凝料重量约2.6克。因此每次注射需要的塑料重量约为15.5克,初选XS-Z60型注射机。3.3 浇注系统的形式和浇口的设计塑件模具采用普通流道浇注系统，普通浇注系统一般由主流道、分流道、浇口和冷料穴等四部分组成。主流道是熔体塑料最先经过的流道，所以它的大小直接影响熔体的流动速度和充模时间。分流道是熔体由主流道流入型腔的过渡通道。设计狭窄短小的浇口既能由分流道流进的熔体产生加速，形成理想的流动状态而充满型腔，又便于注射成型后的制品与浇口分离。冷料穴 注射成型操作是周期性的。在间歇时间内，喷嘴处有冷料产生，为了防止在下一次注射成型时，把冷料带进型腔而影响制品质量，一般在主流道或分流道的末端设置冷料穴，以储藏冷料并使熔体顺利地充满型腔。浇注系统的尺寸是否合理不仅对塑件性能、结构、尺寸、内外在质量等影响效大，而且还在与塑件所用塑料的利用率、成型效率等相关。对浇注系统进行整体设计时，一般应遵循如下基本原则： 了解塑料的成型性能和塑料熔体的流动性。 采用尺量短的流程，以减少热量与压力损失。 浇注系统的设计应有利于良好的排气。 防止型芯变形和嵌件位移。 便于修整浇口以保证塑件外观质量。 浇注系统应结合型腔布局同时考虑。 流动距离比和流动面积比的校核。3.3.1 浇口形式及位置选择浇道及浇口的位置及尺寸要求比较严格，初步试模后还需进一步修改浇口尺寸，无论采用何种浇口，其开设位置对塑件成型性能及质量影响很大，因此合理选择浇口的开设位置是提高质量的重要环节，同时浇口位置的不同还影响模具结构。总之要使塑件具有良好的性能与外表，一定要认真考虑浇口位置的选择，通常要考虑以下几项原则： 浇口应开设在塑件壁厚最大处。 尽量缩短流动距离。 必须尽量减少熔接痕。 应有利于型腔中气体排出。 考虑分子定向影响。 避免产生喷射和蠕动。 浇口处避免弯曲和受冲击载荷。 注意对外观质量的影响。设计方案：方案一：侧面进浇，再采用分流道。方案二：从与底平面平行的上平面进浇，采用一主流道。分析方案：方案一因为塑件侧面都是光滑的，这样会影响表面质量。又根据上面的要求，确定用方案二。3.3.2 浇口的设计浇口亦称进料口，是连接分流道与型腔的通道，除直接浇口外，它是浇注系统中截面最小的部分，但却是浇注系统的关键部分，浇口的位置、形状及尺寸对塑件性能和质量的影响很大。浇口形式有直接浇口、侧浇口、重叠式浇口、扇形浇口、平缝形浇口、点浇口、潜伏式浇口、圆环形浇口、轮辐式浇口、爪形浇口、护耳浇口。根据塑件工艺特性，选点浇口，并用浇注套。3.4 分型面的设计 分型面是指动模和定模相互接触的表面。如何确定分型面，需要考虑的因素比较复杂。由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件的结构工艺性及精度、嵌件位置形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种因素的影响，因此在选择分型面时应综合分析比较，从几种方案中优选出较为合理的方案。选择分型面时一般应遵循以下几项原则：1) 分型面应选在塑件的最大截面上，并力求采用平面。2) 应尽量减少分型面的数量，并尽量做到只有一个分型面。3) 便于塑件顺利脱模，尽量使塑件开模时留在动模一边。4) 保证塑件的精度要求。5) 满足塑件的外观质量要求。6) 便于模具加工制造。7) 对成型面积的影响。8) 对排气效果的影响。9）对侧向抽芯的影响。其中最重要的是第3）、第6）和第9）点。方案一：在塑件的底平面上。 方案二：在塑件的顶面。根据上面的要求容易看出方案二不合适，因为定面是个弧面。因此我们选择方案一。3.5 推出机构和复位机构设计 制件推出（顶出）是注射成型过程中的最后一个环节，推出质量的好坏将最后决定制品的质量，因此，制品的推出是不可忽视的。在设计推出脱模机构时应遵循下列原则：（1） 推出机构应尽量设置在动模一侧 由于推出机构的动作是通过装在注射机合模机构上的顶杆来驱动的，所以一般情况下，推出机构设在动模一侧。正因如此，在分型面设计时应尽量注意，开模后使塑件能留在动模一侧。（2） 保证塑件不因推出而变形损坏 为了保证塑件在推出过程中不变形、不损坏，设计时应仔细分析塑件对模具的包紧力和粘附力的大小，合理的选择推出方式及推出位置。推力点应作用在制品刚性好的部位，如筋部、凸缘、壳体形制品的壁缘处，尽量避免推力点作用在制品的薄平面上，防止制件破裂、穿孔，如壳体形制件及筒形制件多采用推板推出。 从而使塑件受力均匀、不变形、不损坏。（3） 机构简单动作可靠 推出机构应使推出动作可靠、灵活，制造方便，机构本身要有足够的强度、刚度和硬度，以承受推出过程中的各种力的作用，确保塑件顺利脱模。（4） 良好的塑件外观 推出塑件的位置应尽量设在塑件内部，或隐蔽面和非装饰面，对于透明塑件尤其要注意顶出位置和顶出形式的选择，以免推出痕迹影响塑件的外观质量。（5） 合模时的正确复位 设计推出机构时，还必须考虑合模时机构的正确复位，并保证不与其他模具零件相干涉。推出机构的种类按动力来源可分为手动推出，机动推出，液压气动推出机构。 在推出机构完成制品脱模后，为了继续注射成型，推出机构必须回到原来的位置，为此，除推件板脱模外，其他脱模形式一般均需设置复位零件。综上所述设计方案：推出机构：由于开模后塑件留在型芯上, 故本模具采用了简单的推杆顶出机构。复位形式采用复位杆复位。3.6 其它机构的选择3.6.1 合模导向机构的设计注射模的导向机构主要有导柱导向和锥面定位两种类型。导柱导向用于动、定模之间的开合模导向和脱模机构的运动导向。锥面导向机构用于动、定模之间的精密对中定位。一、 机构的功用1、 导向机构的功用 定位作用； 导向作用； 承载作用； 保持运动平稳作用。2、 定位机构的功用对于薄壁、精密塑件注射模，大型、深型腔注射模和生产批量大的注射模，仅用导柱导向机构是不完善的，还必须在动、定模之间增设锥面定位机构，有保持精密定位和同轴度的要求。当采用标准模架时，因模架本身带有导向装置，一般情况下，设计人员只要按模架规格选用即可。若需采用精密导向定位装置，则须由设计人员根据模具结构进行具体设计。此模具为小型模具，对精度要求也不是很高，所以不需要用定位机构，可直接由导向机构定位。二、 导向结构的总体设计1、导向零件应合理地均匀分布在模具的周围或靠近边缘的部位，其中心至模具边缘应有足够的距离，以保证模具的强度，防止导柱和导套压入后变形；2、该模具采用4根导柱，其布置为等直径导柱不对称布置；3、该模具导柱安装在动模固定板上，导套安装在定模固定板上；4、为了保证分型面很好的接触，导柱和导套在分型面处应制有承屑板，即可削去一个面或在导套的孔口倒角；5、各导柱、导套及导向孔的轴线应保证平行；6、在合模时，应保证导向零件首先接触，避免凸模先进入型腔，导致模具损坏；7、当动定模板采用合并加工时，可确保同轴度要求。三、导柱的设计1、该模具采用带头导柱，且不加油槽；2、导柱的长度必须比凸模端面高度高出68mm；3、为使导柱能顺利地进入导向孔，导柱的端部常做成圆锥形或球形的先导部分；4、导柱的直径应根据模具尺寸来确定，应保证具有足够的抗弯强度（该导柱直径由标准模架知为20；5、导柱的安装形式，导柱固定部分与模板按H7/m6配合。导柱滑动部分按H7/f7或H8/f7的间隙配合；6、导柱工作部分的表面粗糙度为Ra0.4m；7、导柱应具有坚硬而耐磨的表面，坚韧而不易折断的内芯。多采用低碳钢经渗碳淬火处理或碳素工具钢T8A、T10A经淬火处理，硬度为55HRC以上或45#钢经调质、表面淬火、低温回火，硬度55HRC以上。四、导套的设计1、结构形式：采用带头导套（型），导套的固定孔与导柱的固定孔可以同时钻，再分别扩孔，以保证其配合精度；2、导套的端面应倒圆角，导柱孔最好做成通孔，利于排出孔内剩余空气；3、导套孔的滑动部分按H8/f7或H7/f7的间隙配合，表面粗糙度为Ra0.4m。导套外径按H7/m6或H7/k6配合镶入模板；4、导套材料可用淬火钢或铜（青铜合金）等耐磨材料制造，但其硬度应低于导柱的硬度，这样可以改善摩擦，以防止导柱或导套拉毛。详细结构见模具装配图。3.6.2 排气和冷却机构排气可以用间隙排气，利用模具结构之间的间隙把型腔内的空气排出，不需要用排气孔。 冷却机构采用直流循环式水冷，加快开模。冷却水道直径为2。3.6.3 支承零件的设计动模座板和定模座板、动模板和定模板、支承板和垫块都根据选取的标准模架确定。3.7 成型零件的设计3.7.1 结构设计凸、凹模均采用整体式，凸、凹模均采用台阶式固定方式。3.7.2 成型零件工作尺寸计算塑件精度取4级（模具设计基础）,塑件收缩率为（0.50.8%，取平均值为0.65%，机械设计指导手册）。由塑料模具指南查得模具制造精度为IT9精度。根据附录,表3.7.2-1和3.7.2-2中的公式计算动模和定模的尺寸：尺寸计算塑料尺寸塑料尺寸公差塑件等级SJ1372-78模具等级GB1800-79模具尺寸公差m以上公式或表系数X模具计算结果尺寸规范化型腔长宽尺寸型腔长宽尺寸计算1000.87490.0870.75240.21490.0520.75150.13490.0430.7580.09490.0360.75550.48490.0740.75261.52.27490.130.75259.52.25490.130.7531.40.25490.0620.7550.05490.030.7536.40.29490.0620.7540.40.24490.0620.7555.760.48490.0740.75100.11490.0360.657.760.5490.0740.75280.27490.0520.75 70.06490.0360.6 19.20.17490.0520.75 35.210.12490.0620.75 67.50.32490.0740.75 700.45490.0740.75 43.230.3490.0620.75 38.80.34490.0620.75 34.80.2490.0620.75 200.17490.0520.75 型腔深度50.05490.032/35.480.05490.032/360.06490.0362/34.430.04490.032/3100.2490.0362/33.950.04490.032/390.09490.0362/38.350.08490.0362/3凸模型芯长宽尺寸凸模型芯长宽尺寸25.40.6490.0520.7510.23490.0250.75340.2490.0620.756.6750.88490.0360.7595.750.13490.0870.7543.8750.32490.0620.7514.8750.57490.0430.75961.23490.0870.75271.25490.0520.7570.06490.0360.75110.1490.0430.75100.09490.0360.75230.2490.0520.7580.7490.0360.7550.4490.030.75210.18490.0520.7540.04490.030.75220.2490.0520.75200.17490.0520.7512.60.12490.0360.7511.70.13490.0360.75290.25490.0520.7580.05490.0360.7550490.030.7520.02490.0250.75型芯高度尺寸5.50.14490.032/35.920.14490.0362/36.120.14490.0362/37.850.14490.0362/31.660.12490.0252/35.870.14490.0362/33.830.12490.032/33.8 模具型腔侧壁和底板厚度的设计塑料模型腔壁厚及底板厚度的计算常用的计算方法有按强度和按刚度计算。但实际的塑料模却要求既不允许因强度不足而发生明显变形甚至破坏，也不允许因刚度不足而发生过大变形，因此，要求对强度和刚度加以综合考虑。3.8.1型腔壁厚的计算由资料可知，凹模材料选45钢。E=19.6XMPa =75 MPa 。（1）型腔许用刚度的确定塑料溢边值，即0.060.08。 =/5（1+），而型腔最大尺寸为100，为0.5。 ，即=0.0065mm所以取最小值。即=0.0065。此处省略NNNNNNNNNNNN字图15 模具型芯成形(2)对型芯的后处理，如图16图17 后处理实体切削验证刀具路径无误后，可对型芯刀具路径进行后置处理，生成数控加工程序（具体见电子文档），如下：%O0000(PROGRAM NAME - Q)(DATE=DD-MM-YY - 06-06-10 TIME=HH:MM - 09:25)N100G21N102G0G17G40G49G80G90/N104G91G28Z0./N106G28X0.Y0./N108G92X0.Y0.Z0.(16. BALL ENDMILL TOOL - 1 DIA. OFF. - 1 LEN. - 1 DIA. - 16.)N110T1M6N112G0G90X0.Y0.A0.S0M5N114G43H1Z60.N116Z40.982N118G1Z33.982F5.N120X150.N122G0Z38.982N124Z50.N126X0.Y5.中间省略N2858X45.669Y121.5N2860Z33.565N2862G1Z28.565N2864X34.333N2866G0Z33.565N2868Z50.N2870X35.77Y121.7N2872Z33.54N2874G1Z28.54N2876X44.224N2878G0Z33.54N2880Z50.N2882X42.404Y121.9N2884Z33.516N2886G1Z28.516N2888X37.609N2890G0Z33.516N2892Z60.N2894M5N2896G91G28Z0.N2898G28X0.Y0.A0.N2900M30%结论经三个月对手机外壳塑料模具的设计，通过参考、查阅各种有关模具，Mastercam9.0方面的资料，请教老师有关模具，Mastercam9.0方面的问题，特别是模具在实际中可能遇到的具体问题，使我在这段时间里，对注塑模具的设计方法与流程有了个较为全面的认识。使我对塑料模具设计的各种成型方法，成型零件的设计和加工工艺，主要工艺参数的计算，产品缺陷及其解决办法，模具的总体结构设计及零部件的设计等都有了进一步的理解和掌握。 设计、学习、再设计，这种潜移默化的教学方式使我学到了一种科学的设计思路和方法，这都对我们以后工作产生积极的影响。特别是在利用现代化的设计上。在设计的过程中，遇到了很多的问题，特别是在流道的设计，成型零件的计算等方面，一度走了很多弯路，浪费了不少时间。而在装配图的绘制中，对细节的反复修改较多。经过很长时间的思考和查阅资料，请教导师，才完成了本套模