基于ProENGINEER的诺基亚3100手机电池盖的模具设计

I 基于 Pro/ENGINEER 的诺基亚 3100 手机电池盖的模具设计 摘 要 本文通过对诺基亚 3100 手机电池盖的 3D 尺寸进行测量，应用 Pro/ENGINEER 进 行实体建模，并对产品进行特征分析和工艺性分析。根据产品分析、塑件成型材料的 选择以及成型设备的选择确定整套模具的设计方案，应用 Pro/ENGINEER 进行诺基亚 3100 手机电池盖的三维实体分模并设计出其注射模具，内容涵盖模具设计的流程，三 板式模具浇注系统凝料自动脱出机构设计，仿真开模以及 MoldFlow 模流分析，实现了 整套模具的 CAD/CAE 过程。 关键字：Pro/ENGINEER，模具设计，仿真开模 II Mold Design of Nokia 3100 Mobile Phone Battery-cover Based on Pro/ENGINEER ABSTRACT The text have measured battery-cover 3D size of Nokia 3100 mobile phone ,carried on solid modelling using Pro/ENGINEER, carried on the characteristic analysis and the technological analysis to the product .According to product analysis, choice of mold shaping material and shaping equipment, To confirm the design plan of a whole set of mould, Applicate Pro/ENGINEER carry on Nokia 3100 mobile phone battery-cover 3D solid modelling divide mold and design their injection mold. The content covers the course of mold design, three board style mold the pour system to congeal the material automatically to leave the organization design, emulation divide mould and Mold Flow analysis, realized CAD/CAE process of the whole mould . KEYWORDS : Pro/ENGINEER, Mold design, Emulate divide mould III 目 录 摘要 . ABSTRACTS 前言 1 1. 诺基亚 3100 手机电池盖产品设计 2 1.1 诺基亚 3100 手机电池盖的产品特点分析 2 1.2 诺基亚 3100 手机电池盖设计思路 2 1.3 产品的工艺性分析 .3 2. 诺基亚 3100 手机电池盖模具设计 5 2.1 塑料成型材料的选择 .5 2.2 成型设备的选择 .5 2.2.1 确定型腔数5 2.2.2 塑件成型设备的选择5 2.3 确定模具结构 .6 2.3.1 模具的布置方式6 2.3.2 脱模方式7 2.3.3 浇注系统设计8 2.3.4 冷却系统设计.10 2.4 成型零部件的结构设计11 2.4.1 浇注系统结构的设计.11 2.4.2 分型面的设计.12 2.4.3 公模仁和母模仁设计.13 2.4.4 斜销的结构设计.13 2.4.5 入子（镶块或嵌块）的设计.14 2.4.6 合模导向机构.15 2.4.7 模具材料的选用.15 3.三板式模具浇注系统凝料自动脱出机构设计 .17 3.1 开模时潜伏式浇口断料分析 17 3.2 三板式模具含潜伏式牛角浇口的浇注系统凝料自动脱出原理 17 4.开模仿真 .20 4.1 创建动画仿真的设计步骤 20 4.2 开模仿真的意义 21 5. Moldflow 模流分析22 IV 5.1 MoldFlow 软件概述.22 5.2 MoldFlow 分析报告.23 致谢 .29 参考文献 .30 基于 Pro/ENGINEER 的诺基亚 3100 手机电池盖的模具设计1 前 言 Pro/ENGINEER 由美国(PTC)公司推出，是国际上最先进也是最成熟使用参数化的 特征造型技术的大型 CAD/CAM/CAE 集成软件。Pro/ENGINEER 除了包括三维实体造 型、装配模拟、加工仿真、NC 自动编程、有限元分析等常规功能模块外，同时也有模 具设计、板金设计、电路布线、装配管路设计等专有模块，可以实现 DFM（Design For Manufacturing-面向制造的设计） 、DFA（Design For Assembly-面向装配的设计） 、ID（Inverse Design-反求工程） 、CE（Concurrent Engineer-并行工程）等先进的 设计方法和模式。其主要特点是参数化和基于特征的建模；统一的能使各模块集成起 来的数据库；设计修改的关联性，即一处修改,别的模块中相应图形或数据也会自动更 新；智能化的装配功能等。它性能强大，容易使用，是一套可以应用于工业设计、机 械设计、功能仿真、制造和数据管理等众多领域的工程自动软件包。其中模具设计模 块属于产品开发后期的工具。现在 Pro/ENGINEER 已经广泛用于电子、机械、模具设 计、工业设计、家电、玩具等各行业。 手机是现代都市一族的通讯产品之一，随着无限通讯产品事业突飞猛进的发展， 人们对手机的要求也越来越高，不但要求通话效果好，品质高，而且还要求其市场反 应好。各大手机制造商的激烈竞争迫使手机不断推陈出新，高达百万像素的摄像头， MP3 功能，64 和铉铃声，音乐手机等等在现代的都市生活中已是随处可见，现在市场 上的手机具有以上的这些功能还远远不能满足现代人的品味要求，手感好，个性独特 的外观设计更能吸引消费者的目光。如此激烈的市场竞争对手机外壳的设计和制造要 求也越来越高，要满足顾客的要求，就需要做出更好的模具；要缩短产品的开发时间， 就要减少产品的设计周期和生产周期。而应用 Pro/ENGINEER 来设计则可以达到缩短 设计周期、生产周期，降低生产成本，提高产品质量的目的。 模具是利用其特定形状去成型具有一定形状和尺寸的制件的工具，成型塑料制品 的模具叫做塑料模具。现代模具与传统模具不同，它不仅形状与结构十分复杂，而且 技术要求更高，用传统的模具制造方法显然难于制造，必须借助于现代化科学技术的 发展，采用先进制造技术，才能达到技术要求。当前整个工业生产的发展特点是产品 品种多、更新快、市场竞争激烈。为适应市场对模具制造的短交货期，高精度、低成 本的迫切要求。而应用先进的 CAD/CAM 技术才能达到以上的目标，而近年来，随着 塑料工业的飞速发展，塑料成型模具增长十分迅速。高效率、自动化、大型、微型、 精密、高寿命的模具在整个模具产量中所占的比重越来越大，塑料模具的地位也越来 越重要，因此，对模具设计人员的要求也越来越高，已由传统的平面设计转向三维计 算机辅助设计，设计周期也越来越短。 陕西科技大学毕业设计说明书2 1. 诺基亚 3100 手机电池盖产品设计 1.1 诺基亚 3100 手机电池盖的产品特征分析 随着人们生活水平的提高，对精神享受要求也越来越高，独特的外观造型，符合 人体工学设计原理，在长时间的使用中不会产生疲惫感，并且经久耐用的手机应该是 广大消费者更加亲睐的产品。 图 1-1 和图 1-2 是诺基亚 3100 手机电池盖的 3D 效果图，该产品从成型的角度考 虑，成型性能要比较好。由于产品的产量比较大，而且生产周期短。综合考虑各方面 的因素，该零件的表面比较复杂，壁厚相差不大，左右对称性，尺寸中等。内表面有 8 个卡钩，产品表面由自由曲面组成，脱模时需要使用斜销和顶针配合顶出。 1.2 诺基亚 3100 手机电池盖设计思路 这种设计思路称之为“自顶向下设计（from TOP to DOWN） ” 。 三维造型修补破面生成实体结构设计 图 1-1 产品正面效果图 图 1-2 产品反面效果图 基于 Pro/ENGINEER 的诺基亚 3100 手机电池盖的模具设计3 该手机电池盖的模型主要使通过利用 PRO/E WILDFIRE2.0 造型，在精确测量诺基 亚 3100 电池盖的 3D 尺寸之后，利用 PRO/Engineer 的 part 模块进行建模，由于公司的 主要客户是 NOKIA 和 Sony Ericsson，所以在进行产品的 3D 设计时将“NOKIA”改为 “XIANGLIYONG” （我的姓名的英文） ，避免将毕业设计带出公司时所带来的一些不 必要的麻烦。这里主要讨论利用 PRO/Engineer 如何设计模具，实体的建模就不在此赘 述 1.3 产品的工艺性分析 产品拔模斜度为 1，平均壁厚为 1.26 毫米，薄壁中空，要求电绝缘性能好，具 有一定的机械性能，高的耐磨性，阻燃性和尺寸稳定性。产品外表面，因要求美观而 具有一定的表面光洁度要求，产品外形尺寸大约为 73mm42mm5mm。 产品设计完成后，分析产品的工艺性分析产品的问题点并制定出 成品检讨 报告 。如果存在问题则反馈给客户要求其对产品做适当的调整或者修改直到符 合加工要求为止。 产品拔模分析如图 1-3，我们可以看到图中黄色部分为产品的卡扣（8 个） ，是开 模时的不可脱开部分，所以我们要将此部分的磨具结构抽芯方式设计为侧向抽芯，即 公模仁上此部分做斜销设计，这样才可以实现安全开模。 成品检讨报告： 该产品的的外表曲面设计较好，卡扣孔部分设计为靠破，版次设计成入子（镶块 图 1-3 产品拔模分析图 产品上的倒扣 卡扣孔 版次 陕西科技大学毕业设计说明书4 或嵌块） ，倒扣设计成斜销侧向抽芯机构。 从上面的分析我们不难看出，整套模具的加工精度要求较高，机构设计较为复杂， 产品内表面的粗糙度要求比外表面低，因此，对公模仁（型芯）的加工精度要求应当 比母模仁（型腔）低。为保证制件的力学性能和便于充模，制件各特征的连接处以圆 弧过渡。 基于 Pro/ENGINEER 的诺基亚 3100 手机电池盖的模具设计5 2. 诺基亚 3100 手机电池盖模具设计 2.1 塑料成型材料的选择 塑料制件主要是根据其使用性能要求进行设计，由于塑件有特殊的机械性能，因 此设计塑件是必须充分发挥其性能上的优点，补全其缺点。在满足使用要求的前提下， 塑件的形状尽可能做到简化模具结构，符合成型工艺特点。 PC/ABS 是在聚苯乙烯高聚物改性的基础上发展起来的一种新型工程塑料，它是丙 烯晴，丁二烯和苯乙烯三种三元共聚物，具有优良的综合性能（坚固、坚硬、坚韧） 价格便宜，原料来源广泛。 PC/ABS 具有 PC 和 ABS 两者的综合特性。例如 ABS 的易加工特性和 PC 的优良 机械特性和热稳定性。二者的比率将影响 PC/ABS 材料的热稳定性。PC/ABS 这种混合 材料还显示了优异的流动特性。 PC/ABS 塑料表面极易吸湿，使成型塑件表面出现斑痕，云纹等缺陷，因此成型之 前必须干燥。在注塑机中能很快加热，因而塑化效率比高，在模具中固化比较快，因 此模塑周期短。 所以我们选用的是 PC/ABS 聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和混合物。 PC/ABS 的典型应用范围： 计算机和商业机器的壳体、电器设备、草坪和园艺机器、汽车零件（仪表板、内部装 修以及车轮盖） 。 2.2 成型设备的选择 2.2.1 确定型腔数 由塑件的形状结构特点和成型结构及设计要求初定为一模一腔（三板模） 。 2.2.2 塑件成型设备的选择 1)浇道体积的计算 由 PRO/E 中的模型分析中可以得出其体积为 3.62 cm3，PC/ABS 的密度是 1.03g/ cm3,浇道凝料大约估计为 3.73g。 2)选择设备规格 未限定设备时，注射机额定注射量 GB，每次注射量不得超过最大注射量的 80%， 即： GB (Gj+ Gs)/A GB注射机额定注射量（g） 陕西科技大学毕业设计说明书6 Gj浇注系统质量（g） Gs塑件质量（g） A注射系数，取 0.8 估计浇道的质量为 3.73，总计质量为 40，则， G=M/0.8=40/0.8=50g43.73 从计算结果，并根据塑料注塑机技术规格，选择 125 克的（卧式）注塑机。 选取注射机为 XS-ZY-125。 2.3 确定模具结构 2.3.1 模具的布置方式 注射模具结构分为动模和定模两部分组成，动模安装在注射成型机的移动模板上， 定模安装在注射成型机的固定板上。在注射成型时定模和动模闭合，构成浇注系统和 型腔;开模时，动模和定模分离，以便取出塑料制品。根据模具中各个部件的作用不同， 一般将模具分为以下几个部分: 成型部分；导向、推出、抽芯机构；浇注系统； 温度调节（冷却）系统；排气系统；标准模架等。 注射模具结构三维造型的工作流程一般如图 2-1 所示 由于手机外壳的模具属精密模具，为了保证足够的精度，保证产品的外观质量， 保证型腔沿分型面分开的两半在合模时的对中性，高精度性，同时也为了加工方便， Y（满意） N（不满意） 产品形状 型腔形状和型腔布置 选择典型模架系列 确定所有模具零件的尺寸 初步确定浇注系统和温度调节系统 验证模具结构和工艺方案模拟充模和冷却过程 模具图形显示 输出结果 图形绘制 图 2-1 注塑模具结构三维造型的工作流程图 基于 Pro/ENGINEER 的诺基亚 3100 手机电池盖的模具设计7 我们把凸凹模设计成整体嵌入的方式，在装配中采用过盈配合和螺钉固定的形式，在 某些结构复杂以及有特殊要求的地方，采用镶块（入子）的设计。由于模架的标准化， 模架我们可以直接购买，我们只要加工模具型腔以及成型部分（模仁）及顶出机构 （斜销和各种异形顶针） ，这样可以大大的缩短生产周期，降低生产成本，提高竞争力。 2.3.2 脱模方式 设计脱模机构时，我们要注意以下几个方面： 1) 使塑件脱模时不发生变形 2) 推力分布依脱模阻力的大小要合理安排 3) 顶针的受力不可太大,以免造成塑件被推局部产生隙裂 4) 顶针的强度及刚性应足够,在推出动作时不产生弹性变形 5) 顶针位置痕迹须不影响塑件外观 6) 脱模机构的运动应保证灵活,可靠,没有机构干涉 由于塑件结构较复杂，对称性较好，制件较浅，倒扣（斜销成型的部分）较多且 对称。考虑结构以及成型的限制，所以最好采用斜销和顶针配合脱模，排布一定的顶 针，可保证塑件脱模时不发生变形，也解决了排气问题，造价便宜且使用方便。不过， 顶杆顶出处留有痕迹，但顶出痕迹不在外表面上，不影响外表， 因此不影响使用。 由于结构的需要，此模具才有两种不同的顶针，如图 2-2，2-3 所示。 1) 扁顶针：由圆顶针经磨削，线割等工序加工而来，一般用于顶出肋位（筋） 。 2) Z 字头圆顶针：此模具的浇注系统的顶出机构排布此顶针，取3.5，由于产 品内表面为自由曲面，所以顶针头部结构不同 图 2-2 扁顶针 图 2-3 Z 字头圆顶 针 陕西科技大学毕业设计说明书8 3) 顶针的防转底座设计 为了便于钳工装配时方便，在顶针做防转的时候，单边距离不等。 2.3.3 浇注系统设计 从塑件结构考虑,采用潜伏式牛角浇口进胶,以保证产品的表面质量，以保证型腔 内塑料的流动状况最佳，以获得恰当的充模和最大的制品强度，潜伏式交口浇口可以 保证制件的外表面不留下任何痕迹。 下图为整个浇注系统设计组立图 2-5。 潜伏式牛角浇口设计（由一段圆弧和一段直线相切而成的扫描混成路径） ，如图 2-6。 图 2-4 顶针的防转底座 定模板 母模板 公模板 潜伏式牛角浇口 冷料井 次分流道 小拉杆 脱料板 浇口套 分流道 图 2-5 浇注系统设计组立图 基于 Pro/ENGINEER 的诺基亚 3100 手机电池盖的模具设计9 在 PRO/Engineer 中用 Sweep boundryCut 完成，具体参数见表 2-1。 浇口直线段设计再以扫描路径的直线为中心线，以一个三角形为截面扫描长肉， 在相接处倒 0.5 的圆角即可成形。 为了平衡顶针在顶出牛角浇口里面的余料时所产生的力，在另一方作一个类似于 牛角浇口的冷料井，深度与牛角浇口大致相同即可，最后完成的浇口如上图所示，具 体的尺寸见 3D 图。 设计好的浇口如果没有五轴联动的 CNC 机床是无法加工的，于是我们将其用线切 割机割成一个嵌块，再从中间割成两半，分开加工，如图 2-7 所示。 扫描路径截面圆直径 直线与圆相切第一个截面圆直径3.54.5 与水平直线成 80处第二个截面圆直径2.53.5 与竖直直线成 25处第三个截面圆直径1.52.5 第四个截面圆直径0.81.2 图 2-7 潜伏式牛角交口设计 第一个截面圆位置 第二个截面圆位置 第四个截面圆位置 第三个截面圆位置 图 2-6 浇口的扫描混成路径 表 2-1 浇口设计参数表 陕西科技大学毕业设计说明书10 2.3.4 冷却系统设计 水路方式：外连按通式冷却水道 结构简单,用塑料管和水道接头从外部连。可以连结成单路循环或多路并行循环， 优点：加工容易，便于检查有无堵塞，缺点：外连接太多，容易碰坏。 设计时注意以下几点： 1) 冷却管道的位置。 首先要保证型芯的冷却。对凹模和型芯采用两条回路。注意减少型芯壁和型腔 的温度差，要求模温波动不超过2.5,从而保证制品尺寸精度和质量。 2) 出入水的温度 实现管道冷却水湍流状态的流速和流量，同时要保证足够的水压。出入水的温 度控制在 5左右。 3) 管道直径经湍流计算确定 管太细，加工和清理困难。水垢和铁锈会使冷却效率降低，因此需要定期清理 或用软水对孔壁作磷化处理。在保证模具结构的前提下，冷却水孔直径越大越好。 水管接头孔径应与管道孔径一致，进水与出水接头布置在模具的同一侧。 4) 冷却管道布置应均匀。 孔壁与型腔间距 h1.5d，过大的间距会使模温不均匀，过小的间距孔壁承受高 压后，由于弯曲应力和剪切应力及综合变形作用，在孔的中央部位会产生形腔壁的 压塌现象。 冷却装置的计算就是计算模具的热量，以便设计冷却回路，求得恰当的冷却直径 和长度，满足冷却要求。由于冷却水道的位置、结构形式、孔径表面状态水的流速、 模具材料等诸多因素都影响模具的热量的传递，因此很难精确的计算，我们根据经验 公式进行简略的计算。 综合考虑，采用外连按通式冷却水道，由于公模仁比较深，故采用隔板式冷却方 式，隔板采用黄铜材质，质软，易于装配并且不易伤及模仁部分，钳工装配时直接把 隔板敲入水道，以保证冷却水道不渗漏。在模板与模仁间采用 O 型环密封，以防漏水。 其他水路配件： 止水栓：用来阻塞水道，防止液体渗漏。如图 2-8。 图 2-8 止水栓 基于 Pro/ENGINEER 的诺基亚 3100 手机电池盖的模具设计11 O 型环：主要用于密封模板间水路，保证水路的不渗漏，一般用于型芯，型腔 与模板间水路的密封。如图 2-9。 2.4 成型零部件的结构设计 2.4.1 浇注系统结构的设计 1) 定位环 定位环基本尺寸取注射机固定模板孔尺寸，定位圈与注射机固定模板孔间的配合 要求间隙较大，以便于安装。如图 2-10。 2) 浇口套 模具浇口位于要成形零件的内侧,浇口套起紧固的作用。标准浇口套,为了与注射 机的喷嘴配合,而注塑机的孔径为 4mm,通常主流道小端直径取比比孔径大 0.51mm, 所以主流道小端直径为 5mm。其锥角不能取太大，通常为 24 度，由于在这里的主 流道的长度比较长，所以采用的角度为 2 度。如图 2-11。 主流道与喷嘴接触处多作为半球形的凹坑，二者应该是严密配合，避免高压的塑 料熔体喷出，凹坑的半径应比喷嘴球头的半径大 12mm,注塑机喷头的半径为 12mm，所以取凹坑的半径为 13mm。出口端的圆弧半径 r=D/8,来取的，计算得 r1mm。 图 2-9 O 型环 图 2-11 浇口套 图 2-10 定位环 陕西科技大学毕业设计说明书12 2.4.2 分型面的设计 在模具设计中最复杂，也是最重要的莫过于创建分型面。创建分型面的方法是多 种多样的，不同零件的分型面的创建是不同的“根据不同的零件介绍创建分型面的方 法” 。对于分型面上有破孔的零件，须通过不同的方法将破孔缝补完整。对于这种零件 在选择主分型面时尤其注意漏选，为避免漏选一般都使用全选然后再排除的方式选择 分型面。 选择分型面的主要依据为： 1) 浇注系统的合理安排； 2) 塑件的几何形状、外观要求及同心度的要求； 3) 成型过程中熔料的流动条件； 4) 型腔内的气体是否能顺利的排出； 5) 取件是否方便； 6) 模具结构制造是否容易； 7) 从制件的顶出考虑分型面要尽可能的使制件留在动模边； 8) 分型面的位置必须开在制件轮廓最大的地方才能够使制件能够顺利脱落出来。 产品的拔模分析如图 2-12。 图中红色曲面和蓝色曲面相交的线即为产品的分型线，产品的分型面为图 2-13。 图 2-13 分型面 图 2-12 拔模分析图 红色 黄色 兰色 拔模方向 基于 Pro/ENGINEER 的诺基亚 3100 手机电池盖的模具设计13 2.4.3 公模仁和母模仁设计 为了节约成本，缩短加工周期，我们模具采用整体嵌入模架的形式。在模架的 A 板上，加工出凹槽，然后模仁用螺钉固定。这样可以保证加工精度，模仁可以用电火 花放电加工。 由于布置顶针和排布冷却水道等原因,考虑到干涉的原因，给加工带来了难度，采 用整体嵌入式。在公模板上加工出凹槽，然后把模仁用螺钉固定。模仁四周设置直束 块，保证在开合模是，公母模仁的配合，保证了加工精度，成型面可以用电火花放电 加工,通孔可以用线切割加工。 模仁的设计需在 PRO/Engineer 的 ASM 档里进行，这里最主要的是进行分模，而 分模的难点在于分型面的设计。在 ASM 档里面，建立三个 PART 档，一个为产品 battery_cover，一个为公模仁 M01，另外一个为母模仁 F01。 最终完成的模仁设计图是图 2-14 和 2-15。 2.4.4 斜销的结构设计 图 2-14 公模仁 图 2-15 母模仁 陕西科技大学毕业设计说明书14 斜销的设计一方面是为了成型倒扣部分，另一方面也可以作为推杆在产品成型后 顶出制件。 设计斜销时，一般要注意以下几个方面： 1) 斜销的角度一般，角度越小越好，易于顶出； 12 2) 斜销底部要做对刀面，便于加工及修模； 3) 斜销上面要做耐磨油槽，其长度以在顶出时，不会弄脏成品为宜； 4) 斜销在设计时应该避免与母模仁靠破，以免插伤模仁成型面； 5) 注意斜销与其他机构（顶针，顶出块）干涉。 斜销结构设计如图 2-16 所示，斜销座如图 2-17。 2.4.5 入子（镶块或嵌块）的设计 入子的设计是在下面的条件下诞生的： 1) 模仁上的好多地方无法加工或很难加工时； 2) 产品的某个地方需要更换设计图案时； 3) 模仁上精度较高的地方容易磨损超过寿命周期而不能达到要求时。 这个时候将模仁满足上述条件的那个地方用线切割机割下来，做成带有活动嵌块 （入子）的模仁，然后将这个嵌块固定好，即可作为成型的部分面。 图 2-18 是模仁中的入子设计。 图 2-16 斜销 图 2-17 斜销座 图 2-18 入子设计 基于 Pro/ENGINEER 的诺基亚 3100 手机电池盖的模具设计15 2.4.6 合模导向机构 模具在闭合时要求有一定的方向和位置，导向机构对于塑料模具是必不可少的部 件，它主要有三个方面的作用： 1) 定位作用：为避免模具装配时方位搞错而损坏模具，并且在模具闭合后使型腔 保持正确的形状，不至因为位置的偏移而引起塑件壁厚不均。 2) 导向作用：动定模合模时，首先导向机构接触，引导动定模正确闭合避免凸模 或型芯先进入型腔，以保证不损坏成型零件。 3) 承受一定侧压力：塑料注入型腔过程中会产生单向侧压力，或由于注射机精度 的限制，使导柱在工作中承受了一定的侧压力，当侧压力很大时，不能单靠导 柱来承担，需要增设锥面定位位置。 导柱和导套 本模具选用带肩导柱，导柱用轴间固定在型芯固定板上，与定模板和上模座的配 合均为 H7/f6，与型芯固定板的配合为 H7/r6。导柱与拉料板及推板均有 0.5mm 的双 边间隙，为避免模具闭合时的空气阻力，打通上模座的导柱孔，导柱的材料为 T10A， 表面淬火 HBC5565,在装合动定模时，为方便及正确安装，四根导柱关于对模板中 心对称，导柱与导套的参数如表 2-2，2-3 所示。 2.4.7 模具材料的选用 选择模具的材料应按其用途而定，对成型材料的零件应考虑以下几点要求： 1) 要承受在高温高压下长期工作，因此，要有足够的机械强度，耐疲劳性和耐热 性； 2) 用于大批量生产的模具应具有足够的耐磨性，并具有良好的热处理性能，对形 基本尺寸 40 d（H7） 极限偏差0+0.025 基本尺寸 50 d1（f6 ） 极限偏差+0.002+0.018 基本尺寸 50 d2（e7 ） 极限偏差-0.075-0.050 S0-0.18 L2-1.03100 基本尺寸 40 d (f7) 极限偏差-0.050-0.025 基本尺寸 40 d1（k6） 极限偏差+0.002+0.018 D0-0.240 S0-0.18 L0-0.5115 表 2-2 导套参数表 表 2-3 导柱参数表 陕西科技大学毕业设计说明书16 状复杂的零件及易变形的零件要求热处理变形小。 3) 对于成型零件尺寸精度要求较高的，应考虑用尺寸稳定性好的材料； 4) 模具钢要便于加工、易抛光。 根据上述要求选择模具各个成型部分的材料： 1) 公母模仁： 材料：8407（瑞典） ，热处理规范为：淬火温度 10001050。塑性及韧性较 H13 好，但高温强度、硬度及抗回火稳定性较 H13 差一些。相当国内牌号 4Cr5MoSiV。 加工工艺过程：下料锻造球化退火粗精加工淬火加低温回火精磨。 2) 模板： 材料：P20(美国)，预硬 HRC28-32，淬火温度 800840， 加工工艺过程：下料锻造正火粗加工调质精加工表面淬火低温回 火精磨。 3) 导柱、导套、浇口套、定位圈： 材料：T10A,淬火加低温回火 HRC5565 加工工艺过程：下料锻造球化退火粗精加工淬火加低温回火精磨。 注意：球化退火，加热至 760780保温后冷却至 700，在保温 3h 以上，就 可缓冷至 500以下出炉； 淬火加低温回火：淬火温度为 780低温回火温度为 180200,回火后组织为 回火马氏体加渗碳体，硬度 HRC62 4) 入子，滑块座： 材料：S136(瑞典),相当国内牌号 3-4Cr13 淬火温度 9501050。属中碳高铬 型耐蚀模具材料，淬火后有较高硬度、耐蚀性和抛光性。 加工工艺过程：下料锻造球化退火粗精加工淬火加低温回火精磨 5) 模脚，上下顶出板，支撑柱： 材料：S55C(日本)，相当国内牌号 55。淬透性较差，但材料切削加工性能较好， 价格低廉。淬火温度 800870。 6) 顶针，斜导柱 材料：SKH51(日本)，相当国内牌号 4Cr5MoSiV1 或者 SWG8407。 具有良好耐热性，抗热疲劳性能及耐液态金属冲蚀性能，高淬透性，优良综合力 学性能，较高的抗回火稳定性。淬火温 10201050 基于 Pro/ENGINEER 的诺基亚 3100 手机电池盖的模具设计17 3.三板式模具浇注系统凝料自动脱出机构设计 为了保证模具能顺利地自动化进行生产，除了要求塑件能顺利脱模外，浇注系统 亦应能自动脱出。对于普通两板式模具，分型时主流道凝料从定模拔出，整个浇注系 统和塑件通过浇口连接在一起，推出塑件和冷料井中的凝料，浇注系统即可随塑件一 道脱出。当分流道较长时可在分流到下面增设推杆（推杆推板脱模时） 。对于潜伏式浇 口的两板式模具和点浇口的三板式模具则需要单独考虑浇注系统脱模的问题，凝料的 脱出也相对简单。但是对于采用潜伏式牛角浇口进胶的三板式模具中注塑模具，要实 现自动脱料，就是模具结构设计中的一个难点了。 3.1 开模时潜伏式浇口断料分析 潜伏式浇口模具脱模时塑件和浇注系统是从浇口处切断分别脱出的，浇口的切断 又分为在动定模分型时切断和推出时切断两种情况。 分型切断如图 3-1 所示,浇口切断后塑件和浇注系统凝料仍然留在动模边，然口再 用顶针（又称推杆）将其顶出。推出切断时塑件可以用推杆，推管或推件板推出。而 浇注系统一般涌推杆推出。当分流道长度很短时，浇注系统可以利用冷料井的中心推 杆推出。 图 3-1 潜伏式浇口分型切断再脱出 陕西科技大学毕业设计说明书18 3.2 三板式模具含潜伏式牛角浇口的浇注系统凝料自动脱出原理 三板式模具中采用潜伏式牛角浇口进胶的注塑模具，有两个分型面打开脱出塑件， 另一个分型面开启脱出浇注系统凝料，开模时应保证三个分型面顺序地、完全的打开。 可采用以下形式，如图 3-2 和图 3-3 所示。 1脱料板；2小弹簧；3大限位拉杆；4大弹簧；5复位杆；6斜销；7推板； 8推杆固定板；9顶针；10动模板；11开闭器；12定模板；13小拉杆；14小限位拉杆； 15定模固定板 三个分型面分别是：1 和 12 之间（分型面 A） ；1 和 15 之间（分型面 B） ；10 和 12 之间（分型面 C） 三个分型面之间的联接： 图 3-2 三板式潜伏式牛角浇口模具分型图 1 3 4 14 13 5 6 2 11 9 7 8 10 12 15 基于 Pro/ENGINEER 的诺基亚 3100 手机电池盖的模具设计19 1 和 12 之间有小弹簧 2，小弹簧有预紧力； 1 和 15 之间没有力的作用； 10 和 12 之间有开闭器（橡胶材料） ，它们要分开，首先应挣开开闭器的摩擦力。 因此，当注塑机拉着动模板向后退时，首先从分型面 A 开启，浇注系统的凝料被 小拉杆拉住从竖分流道的最细的地方断开；当分型面 A 开启到大限位拉杆卡到定模板 12 时，注塑机联着动模板继续向后退，这时联着脱料板和小限位拉杆往后退，分型面 B 开启，浇口套里的凝料被脱料板带出来实现自动脱料；当小限位拉杆卡到定模固定 板时，动模就再不能往后退了，这时注塑机的拉杆仍然给动模板一个向后的力，动模 板挣开动、定模板之间的开闭器继续向后退，分型面 C 打开，实现了第三次分型。分 开后推板推动着斜销和顶针向前运动，产品和浇口里面的凝料被同时顶出，实现了第 二次自动脱料。机械手将产品抓走放到成品箱里。至此，整个开模动作完成，接下来 合模并开始第二个产品的制作。 1导柱；2导套；3浇口套；4主流道；5顶针； 1 3 4 5 10 9 8 7 6 2 图 3-3 三板式潜伏式牛角浇口模具浇注系统图 陕西科技大学毕业设计说明书20 6潜伏式浇口；7竖分流道；8横分流道；9小拉杆；10定位环 基于 Pro/ENGINEER 的诺基亚 3100 手机电池盖的模具设计21 4.开模仿真 4.1 创建动画仿真的设计步骤 在 Pro/ENGINEER 中打开一个组件（ASM 档） 。 单击“应用程序”(Applications)“动画”(Animation)，打开“设计动画” 。 出现“设计动画”工具栏和时间线。 “动画”(Animation) 菜单被添加到 Pro/ENGINEER 菜单条中。可通过从“动画”(Animation) 菜单中选取命令创建动画， 也可通过单击工具栏按钮创建动画。 通过单击“动画”(Animation)“动画”(Animation)，或单击“设计动画”工具 栏上的 创建一个新动画。 “动画”(Animation) 对话框打开，其中有动画的缺省名 称。使用“重命名”(Rename) 命令，给定动画一个有意义的名称。 检查主体定义： 对于 Pro/ENGINEER 组件，可能要选取“每个主体一个零件”(One Part per Body)， 然后编辑主体以将零件放入合适的移动组。 “每个主体一个零件”(One Part per Body) 将清空零件的基础主体。应编辑命名为 基础的主体并重新为其指定基础零件。 对于“机械设计”组件，应检查该主体定义是否满足所需。 定义创建移动的动画元件。 要指定一般的移动，请创建关键帧序列。要创建关键帧序列，请拍取组件在特定位 置的快照，并使用拖动功能将主体移动到新位置。 “设计动画”将在这些关键帧之间插 值以产生一个平滑的动画。 要在由接头连接的主体之间，或在几何图元之间，创建具体的移动，请定义在接头 或几何图元上的伺服电动机。 如果还未在时间线上，则在时间线上包括伺服电动机和关键帧序列。包括在时间线 上的任何元件均构成动画的基础。可编辑时间线长度和增量、动画中伺服电动机或关 键帧序列的长度，以及时间线中所有元件的相对时间。 如果要使一组主体在某部分动画中彼此相对固定，可以为该时间周期设置主体锁定。 当装配并拆卸模型时，改变连接状态会非常有用。如果正使用关键帧序列，当拖动 主体以在快照中定位它们时，可在“拖动”(Drag) 对话框中改变连接状态。如果正使 用伺服电动机，则应使用“动画”(Animation)“连接状态”(Connection Status) 命令。 如果需要以某一顺序排序动画元件，可指定一个系统定义或用户定义的事件作为参 陕西科技大学毕业设计说明书22 照，或者可将其组合为一个子动画。 单击“动画”(Animation)“开始”(Start)，开始动画。 “运行”(Run) 对话框打开。模型按时间线中的动画元件所指定的运动，且时间 线显示动画的进程。 如果出现问题，请尝试以下之一： 确保未过度约束机构。例如，检查伺服电动机和关键帧序列是否不需要冲突位置。 增加时间步长的值（“工具”(Tools)“时域”(Time Domain)） 。 如果要再次查看动画，或改变速度或方向，请单击“动画”(Animation)“回放” (Playback)。如果需要，可检查干涉和其它结果。 根据模型的视图方向和放大率沿动画定义视图。也可为视图选择一种插值方法。 沿动画为组件元件指定元件显示。 4.2 开模仿真的意义 运用 Pro/ENGINEER 实现模具设计之后的开模仿真，不断可以使人们更为直观的 看到动态的机构运动仿真，更重要的是检查机构运动的干涉，实现了 Pro/ENGINEER 在模具行业的系统 CAD 设计。 图 4-1 是模具设计的开模动画效果图。 图 4-1 开模仿真 基于 Pro/ENGINEER 的诺基亚 3100 手机电池盖的模具设计23 5. Moldflow 模流分析 5.1 MoldFlow 软件概述 MoldFlow 软件是美国 MOLDFLOW 公司的产品，该公司自 1976 年发行了世界上 第一套塑料注塑成型流动分析软件以来，一直主导塑料成型 CAE 软件市场。 MoldFlow 软件包括三部分： MoldFlow Plastics Advisers（产品优化顾问，简称 MPA）：塑料产品设计师在设计 完产品后，运用 MPA 软件模拟分析，在很短的时间内，就可以得到优化的产品设计方 案，并确认产品表面质量。 MoldFlow Plastics Insight（注塑成型模拟分析，简称 MPI）：对塑料产品和模具进 行深入分析的软件包，它可以在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析，包括填充、 保压、冷却、翘曲、纤维取向、结构应力和收缩，以及气体辅助成型分析等，使模具 设计师在设计阶段就找出未来产品可能出现的缺陷，提高一次试模的成功率。 MoldFlow Plastics Xpert（注塑成型过程控制专家，简称 MPX）：集软硬件为一体 的注塑成型品质控制专家，可以直接与注塑机控制器相连，可进行工艺优化和质量监 控，自动优化注塑周期、降低废品率及监控整个生产过程。MoldFlow 软件在注塑模设 计中的作用主要体现在以下几方面。 1)优化塑料制品 运用 MoldFlow 软件，可以得到制品的实际最小壁厚，优化制品结构，降低材料成 本，缩短生产周期，保证制品能全部充满。 2)优化模具结构 运用 MoldFlow 软件，可以得到最佳的浇口数量与位置，合理的流道系统与冷却系 统，并对型腔尺寸、浇口尺寸、流道尺寸和冷却系统尺寸进行优化，在计算机上进行 试模、修模，大大提高模具质量，减少修模次数。 3)优化注塑工艺参数 运用 MoldFlow 软件，可以确定最佳的注射压力、保压压力、锁模力、模具温度、 熔体温度、注射时间、保压时间和冷却时间，以注塑出最佳的塑料制品。 本次设计主要应用 MoldFlow 软件的 MoldFlow Plastics Insight（MPI）部分，即注 塑成型模拟分析部分。MPI 软件主要有以下几方面的功能： 1)模型输入与修复 MPI 有三种分析方法：基于中心面的分析、基于表面的分析与三维分析。中心面 既可运用 MPI 软件的造型功能完成，也可从其它 CAD 模型中抽取，再编辑；表面分 陕西科技大学毕业设计说明书24 析模型与三维分析模型直接读取其它 CAD 模型，如快速成型格式（STL） 、 IGES、STEP、Pro/E 模型、UG 模型等。模型输入后，软件提供了多种修复工具，以生 成既能得到准确结果，又能减少分析时间的网格。 2)塑料材料与注塑机数据库 材料数据库包含了超过 4000 种塑料材料的详细数据，注塑机数据库包含了 290 种 商用注塑机的运行参数，而且这两个数据库对用户是完全开放的。 3)流动分析 分析塑料在模具中的流动，并且优化模腔的布局、材料的选择、填充和保压的工 艺参数。 4)冷却分析 分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管道的布局和工作条件，与流动分析 相结合，可以得到完美的动态注塑过程。 5)翘曲分析 分析整个塑件的翘曲变形，包括线形、线形弯曲和非线形，同时指出产生翘曲的 主要原因以及相应的改进措施。 6)纤维填充取向分析 塑件纤维取向对采用纤维化塑料的塑件性能（如拉伸强度）有重要影响。MPI 软 件使用一系列集成的分析工具来优化和预测整个注塑过程的纤维取向，使其分布合理， 从而有效地提高该类塑件的性能。 7)优化注塑工艺参数 根据给定的模具、注塑机、塑件材料等参数以及流动分析结果自动产生控制注塑 机的填充保压曲线，从而免除了在试模时对注塑机参数的反复调试。 8)结构应力分析 分析塑件在受外界载荷情况下的机械性能，在考虑注塑工艺的条件下，优化塑件 的强度和刚度。 9)确定合理的塑料收缩率 MPI 通过流动分析结果确定合理的塑料收缩率，保证模腔的尺寸在允许的公差范 围内，从而减少塑件废品率，提高产品质量。 10) 气体辅助成型分析 模拟气体辅助注射成型过程，对整个成型过程进行优化。 11) 特殊注塑成型过程分析 MPI 可以模拟共注射、反应注射、微芯片封装等特殊的注射成型过程，并对其进 行优化。 5.2 MoldFlow 分析报告 基于 Pro/ENGINEER 的诺基亚 3100 手机电池盖的模具设计25 产品成型主要是利用有限元分析产品的注塑成型过程为模具设计提供产品的进 胶位置成型时间成型缺陷。在这里采用 Moldflow 进行分析 1)填充时间（Fill time）分析，见图 5-1。 2)注射压力(injection pressure)分析，见图 5-2。 图 5-1 填充时间分析 图 5-2 注射压力分析 陕西科技大学毕业设计说明书26 3)注射温度(flow front temp)分析，见图 5-3。 4)流动性(weld lines)分析，见图 5-4。 图 5-3 注射温度分析 图 5-4 流动性分析 褶皱处 基于 Pro/ENGINEER 的诺基亚 3100 手机电池盖的模具设计27 5)气泡(air traps)分析，见图 5-5。 6)流动标记估计（sink marks estimate） ，见图 5-6。 图 5-6 流动标记分析 图 5-5 气泡分析 气泡处 陕西科技大学毕业设计说明书28 塑料材料性能： PC/ABS Generic PC/ABS (Cycoloy) 1.熔胶密度 1.017 g/cm3 2.熔胶比热容 2202 J/kg/ 3.熔胶热传导率 0.24 W/m/ 4.最大剪应力 0.4 mpa 5.最大剪应率 40000 1/s 6.熔融温度 250300 7.顶出温度 115 8.裂解温度 330 9.模具温度 6080 系统参数设置： 1.模具温度 80 2.熔胶温度 275 3.填充时间 0.5 sec 4.最大射压限制 180 mpa 5.保压设置 第一段 第二段 6.冷却水温度 80 Moldflow 塑料模流分析报告，如表 5-1 所示。 Release Level:7.0 Xiangliyong Part Name:battery_cover Part Revision24 Material Supplier:Generic Shrinkage Characterised Material Material Grade:Generic PC/ABS (Cycoloy) Max Injection Pressure:180.00 MPa Mold Temperature:70.00 deg.C 表 5-1 MoldFlow 模流分析报告 基于 Pro/ENGINEER 的诺基亚 3100 手机电池盖的模具设计29 Melt Temperature:275.00 deg.C Mode