（机械制造及其自动化专业论文）手机壳注塑模具设计及仿真.pdf

中文摘要 随着近代工业的快速发展，塑料制品用途越来越广。注塑成形是塑料加工中 重要成型方法之一，但是在注塑生产过程中产品存在许多缺陷，据统计，制件问 题与模具冷却系统设计不合理有关，而且冷却时间在模具中占成型时间8 0 以 上，人们主要通过反复修模、试模达到较好的效果，现在己不能满足快速生产的 要求，c a e 软件的出现解决了结构合理性的模拟需求，提高模具设计质量，缩短 生产周期。 本次设计的制品为手机壳，其材料为p c + a b s 的注射模设计。首先利用专用 绘图s o l i d w o r k s 软件来完成制品模三维模型，利用c a d 软件来完成其装配图 和零件图。模具采用了侧抽芯，使侧向的筋和肋能更好的脱模。模具结构紧凑及 工作可靠、操作方便、运转平稳、冷却效果好、劳动强度低、生产效率高、生产 的塑件精度高、生产成本低。本文根据手机壳的特点设计出了手机零件模腔三维 结构，并对其进行了静态分析和装配干涉检验。然后参考企业的生产经验，利用 易操作的“s o l i d w o r k s ”软件对外壳的成型工艺性进行了简单的分析。其次 导入模架设计，结合同类产品的生产经验和注塑模理论知识，对外壳的注塑模具 包括浇注系统、排气系统、导向与定位机构、脱模机构、侧向分型及抽芯机构和 温度调节系统等进行了具体的结构设计和三维实体建模。最后进行了模具装配设 计，完成了模具装配图和零件图绘制，并相应利用m o l d f l o w 软件对其模具进 行了浇注温度、变形分析、冷却分析等技术参数的确定，取得肯定的效果。 关键词：注塑模具，模具工艺，m o l d f l o w 。 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r y ，p l a s t i cp r o d u c t sh a v eb e e nw i d e l y u s e di ne v e r y w h e r e i n j e c t i o nm o l di so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf o r m a t i o nm e t h o d si n p l a s t i cp r o d u c t sp r o c e s s i n g b u tt h e r ea r em a n yd e f e c t si nt h ei n j e c t i o np r o c e s s ，s u c h a sm o l dc o o l i n gs y s t e md e s i g nu n r e a s o n a b l e a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，t h ec o o l i n gt i m e a c c o u n t sm o r et h a n8 0p e r c e n to ft h ef o r m i n gt i m e t h i sp r o b l e mi su s u a l l yp r i m a r i l y s o l v e dt h r o u g hr e p e a t e d l yr e p a i r i n gm o l da n dt e s t i n gm o l dt oa c h i e v eg o o de f f e c t i n t h i sd a y , t h i sm e t h o dc a nn o ts a t i s f yr e q u i r e m e n t sf o rt h er a p i dp r o d u c t i o n h o w e v e r , t h ea p p e a r i n go fc a es o f t w a r em e e t st h en e e do f p e o p l e t h ei n j e c t i o nm o l dd e s i g no fc e l l p h o n es h e l lw i t ht h em a t e r i a lp c + a b si s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fc e l lp h o n es h e l li sc o m p l e t e db y u s i n gs o l i d w o r k ss o t t w a r e t h em o l di sb u l i d e dt h eb ym e t h o do fs i d ec o r e p u l l i n go r d e rt oo b t a i n e dab e t t e rd r a w i n go fp a t t e r n s t h em o l dh a ss o m eo f a d v a n t a g e s f o re x a m p l e ，t h es t r u c t u r ei sc o m p a c t ，t h eo p e r a t i o ni sr e l i a b l ea n de a s e ， t h er e v o l u t i o ni ss t e a d y , t h ec o o l i n gp e r f o r m a n c ei sg o o d ，t h el a b o ri n t e n s i t yi sl o w , t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi sh i g h ，t h ep r e c i s i o ni sh i g h ，t h ep r e c i s i o ni sh i g h ，a n dt h e p r o d u c t i o nc o s ti sl o w t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t s ； f i r s t , t h et h r e e d i m e n s i o n a ls t r u c t u r eo fc e l lp h o n es h e l li sd e s i g n e d a n ds t a t i c a n a l y s i s a n da s s e m b l yi n t e r f e r e n c ee x a m i n a t i o na r ec a r r i e d o n r e f e r i n g t o e n t e r p r i s e sp r o d u c t i o ne x p e r i e n c e ，t h i sp a p e ra l s od e e r i b st h ef o r m a t i o nt e c h n o l o g yo f s h e l l t h e n ，b a s i n go nt h ea b o v ed e s i g nw o r k , t h ed e s i g n so ft h es h e l li n j e c t i o nm o l di s c a r r i e do nb yu s i n gc a e t h ed e s i g n si n c l u d et h eg a t i n gs y s t e m ，t h ee x h a u s tg a s s y s t e m ，t h eg u i d a n c ea n dd e t e n tm e c h a n i s m ，t h em o l de m p t i e r , l a t e r a ld i v i d e da n d c o r ep u l l i n gm e c h a n i s m ，t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ma n ds oo n f i n a l l y , t h ea s s e m b l yd e s i g no ft h ei n j e c t i o nm o l di si n t r o d u c e di n t h i sp a p e r a s s e m b l yd r a w i n ga n dp a r td r a w i n g i sc o m p l e t e di ta l s oi n t r o d u c e st h er e s e a r c ho n t h e p o u r i n gt e m p e r a t u r e ，d i s t o r t i o na n a l y s i s ，c o o l i n ga n a l y s i sb yu s i n g t h e m o l d f l o ws o f t w a r e t h ee x p l o r a t i o no ft h ei n j e c t i o nm o l dd e s i g no fc e l lp h o n e s h e l lh a sa c h i e v e dac e r t a i nr e s u l t k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o l d ，m o l dp r o c e s s ，m o l d f l o w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗蕉堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：岁戤为签字日期： 年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 减 签字日期： 口7 年尸，马，日 签字日期：口7 年p ，马，日 导师签名：僻扔 签字日期：年月 日 ) 第一章绪论 第一章绪论 1 1 模具工业在国民经济中的重要地位及注塑技术发展趋势 模具是工业生产的基础工艺装备。模具在很大程度上决定着产品的质量和效 益和新产品的开发能力：在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表家电和通讯等 产品中，6 0 - - 8 0 的零部件都要依靠模具成形。我国模具基本情况分为1 0 大种 类。其中，冲压模和塑料成型模两大类占主要部分。按产值计算，目前我国冲压 模占5 0 左右，塑料成形模约占2 0 ，拉丝模( 工具) 约占1 0 ，而世界上发达工 业国家和地区的塑料成形模比例一般占全部模具产值的4 0 以上【1 1 ，具有很大差 距。用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高生产率和低消耗，是 其他加工制造方法所不能比拟的。用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自 身价值的几十倍、上百倍。模具生产技术水平的高低，己成为衡量一个国家产品 制造水平高低的重要标志，在很大程度上决定产品的质量、效益和新产品的开发 能力。 节能与高速是注塑技术的主要发展趋势。能耗降低是低损耗运动控制的直接 原因，电动机制动过程能源回收等因素也会对总体能耗降低产生较大影响效果， n e t s t a l 的e l l o n 机在减速过程中将能源传递到中间电路，从而实现能源充分利 用，即制动产生的能量并非转化为热量，而是存储在电容电路中，用于其他动作。 例如：如果塑化在开模时进行，那么，模具减速产生的制动能可由中间电路提供， 用于转动螺杆。这一能源并不是来自主电源，因而能耗可相应下降。而模具设计 的高速发展，特别是对于大量消费型产品，如布丁杯、杯碗等，常常要求使用同 一套模具连续不断地快速进行成型生产。为达到短周期快速成型，多采用缩短开 关模、射胶、保压与顶出等各成型段的时间，此方式下成品的稳定性不易受到控 制，而且如果需要对模具或合模机构施加额外的压力，可能会造成机械寿命的缩 短。先进注塑机的各动作轴( 射胶、开关模、顶出等) 是由各自独立的伺服马达来 驱动，因此它可以同步执行多轴向的复合动作。通过高效率的复合动作，不仅可 以减少机械实际出力，同时也可缩短循环周期及提高生产效率，并可搭配注射压 缩、模内剪胶口等特殊成型法，从而实现更快速的成型。我国生产的模具有些己 接近或达到国际水平，但总的来看，还远不适应国民经济发展的需要，大型、复 杂、精密、长寿命等高档模具有很大一部分依靠进口。近五年我国平均每年进口 第一章绪论 模具总值8 1 4 亿美元，2 0 0 5 年就进口1 1 7 亿美元的模具【2 】这还未包括随设备 和生产线作为附件带进来的模具。从上面的数据可以看出我国的模具业与模具发 达国家存在着很大差距，需要我们努力发展自己，适应新材料生产工艺的不断发 展。 1 2 塑料注射成形过程仿真软件的开发和应用 塑料工业近2 0 年来发展十分迅速，早在5 年前，塑料的年产量按体积计算 已经超过钢铁和有色金属年产量的总和。塑料制品在汽车、机电、仪表、航天航 空等国家支柱产业及与人民日常生活相关的各个领域中得到了广泛应用，世界塑 料成形模具产量中约半数以上是注射模具。随着塑料制品复杂程度和精度要求的 提高以及生产周期的缩短，主要依靠经验的传统模具设计方法已不能适应市场要 求，在大型复杂和小型精密注射模具方面我国不得不每年花费数亿美元从国外进 口模具。为了改变我国在该领域的落后面貌，国家从2 0 世纪9 0 年代开始组织了 一系列有关塑料注射成形关键技术的研究，塑料注射成形过程仿真是其中的重要 内容。塑料注射成形过程仿真既具有理论意义又有很好的实用价值，仿真结果能 直接指导注射成形工艺参数的选定、优化模具浇注系统、大大缩短试模和修模时 间、显著提高塑料制品的质量、降低成本、减少模具进口、推动模具行业的科技 进步。 塑料注射成形过程仿真属于机械、力学、材料和计算机相交叉的新兴学科， 由于塑料熔体的非牛顿性以及注射流动过程的非稳态、非等温性，采用计算机模 拟熔体成形过程具有很大难度。虽然世界各国研究的单位很多，但最终形成有影 响的商品化系统的只有两家：澳大利亚m o l d f l o w 公司和美国a c t e c h 公司。 “九五”期间，在国家自然科学基金和其他课题基金的资助下，华中科技大学模 具技术国家重点实验室对模具仿真软件项目不断改进、应用和推广，经历了从二 维分析到三维分析，从局部试点到大面积推广应用的历程。经过l o 余年的努力， 开发出独具特色、具有当前国际先进水平的三维注塑成形仿真系统，取得了以下 结果【3 】o 1 解决了用三维实体模型取代中心层模型的关键性技术难题。传统的注塑 成形仿真软件基于制品的中心层模型，而模具设计多采用三维实体模型，由于两 者模型的不一致，二次建模不可避免。但是从三维实体中抽象出中心层面是一件 十分困难的工作，提取过程繁琐费时，因此设计人员对仿真软件有畏难情绪，这 已成为注射仿真软件推广应用的瓶颈。该系统能直接在三维实体模型上划分网 格，通过表面配对和引入新的边界条件保证对应表面的协调流动，实现了基于三 2 第章绪论 维实体模型的分析，并显示三维分析结果，突破了仿真系统推广应用的瓶颈。 2 有限元有限差分控制体积方法的综合运用。注塑制品一般是薄壁制品 件为主，制品厚度方向的尺寸远小于其他两个方向的尺寸，温度等物理量在厚度 方向的变化又非常大，若采用单纯的有限元或有限差分方法势必造成分析时间过 长，无法满足模具设计与制造的实际需要。该系统在流动平面采用有限元法，厚 度方向采用有限差分法，分别建立了与流动平面和厚度方向尺寸相适应的网格并 进行耦合求解，在保证计算精度的前提下使计算速度满足工程需要，并采用控制 体积法解决了成形中的移动边界问题。对于内外对应表面存在差异的制品，划分 为两部分体积并各自形成控制方程，通过在交接处进行插值对比保证两部分的协 调： 3 数值计算与人工智能技术的结合。输入参数的合理性是数值分析获得正 确结果的前提，该系统通过人工智能技术获得了注射时间的优化和分级注射的优 化，保证了输入参数的合理性，并采用专家系统技术自动生成分析结果报告，缩 短了用户需求与分析结果之间存在的距离，将仿真软件由传统的“被动式”计算 工具提升为“主动式”的优化系统，对前后置处理的全面支持具有独创性。 4 实现了制品与流道系统的三维流动保压集成分析。流道系统一般采用圆 柱体单元，而制品采用的是三角形单元，该系统采用半解析法解决了混合单元的 集成求解问题，不仅能分析一模一腔大型复杂的制品，而且能够分析一模多腔小 犁精密制品，大大拓宽了系统的使用范围。 5 完成了塑料制品熔合纹预测的高效算法。熔合纹对制品的强度、外观等 有重要影响，准确预测熔合纹位置是仿真软件的难题，该系统通过节点特征模型 方法大大提高了熔合纹预测的准确性和效率，其准确度达到国际同类产品的先进 水平。并利用神经网络方法对熔合纹的影响程度作出定性评价，为用户对成形质 量的评估提供了直接的判断依据。 1 3c a e 软件的应用【4 】 c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 技术从文字上理解是计算机辅助 工程，严格意义讲是工程设计中的分析计算和模拟仿真。c a e 技术借助有限元 法、边界元法等数值计算，分析型腔中塑料的流动、保压和冷却，预测制品的翘 曲变形程度，由此分析工艺条件、材料参数及模具结构对制品质量的影响，达到 优化制品和模具结构、优选工艺参数目的。注塑成型c a e 软件主要包括流道平 衡设计、流动保压模拟、冷却模拟、翘曲预测等功能；其中流动保压软件能提供 不同时刻熔体的温度、压力剪切力分布，直接指导工艺参数的选定。冷却模拟软 第一章绪论 件能计算冷却时间、制品及模腔的温度分布，可优化冷却系统。可计算翘曲变形 的情况，以便使设计者尽早发现问题及时修改模具设计，提高制品质量，具有巨 大的社会效应。 注塑模c a e 软件的作用主要表现为：优化塑料制品设计、优化塑料模具设 计、优化注射工艺参数对注射过程进行模拟，发现可能出现的成型缺陷，确定最 佳的注射压力、锁模力、模具温度、熔体温度、注射时间和冷却时间等，能提高 设计者对重要部位情况的掌握和分析，是模具行业设计的得力助手。 1 4 本论文研究内容 本文主要结合用户的需要对手机壳模具进行了设计，这主要包含注塑模具的 建立、利用软件进行三维图形的绘制和建立效果图、充分表达出冷却系统的设计 思路、确定相应的模具零件、建立模具的总体装配和相应参数的计算，最后利用 m o l d f l o w 软件对手机壳注塑模具进行仿真，并应用它进行了手机壳注塑过程 充填模拟。在模拟过程中分析了各种注塑工艺参数如温度、翘曲、压力等参数影 响。在应用实例中以m o l d f l o w 作为工具，以p c + a b s 塑料为例，模拟了塑 件的单点浇口模具的填充过程、翘曲分析、温度变化等，使其达到制品合格率大 幅提高的要求，改变了大部分企业依靠手工试模的传统模式，起到很好的社会效 应。 4 第二章注埋机的选用及手机壳结构分析 第二章注塑机的选用及手机壳结构分析 2 1 注塑机的发展及选用 注塑机为成型设备，原名是注射成型设备，最初是借助于金属压铸机原理设 计，主要用来加工纤维素硝酸脂和醋酸纤维一类塑料1 5 】。1 9 3 2 年德国弗兰姿布 莱恩( f r a n g 、b r a u n ) 生产出全自动柱塞式卧式注射机，19 4 8 年注射机塑化装 置开始使用螺杆。1 9 5 9 年世界上第一台往复式螺杆式注塑机问世，它推动了成 型技术工艺的广泛使用。 2 1 1 注塑机的组成及作用 注塑机主要由合模装置、注塑装置、液压传动系统和电气控制系统组成。注 塑机的基本功能是：1 加热塑料，使其达到熔融状态，便于后续加工注塑。2 对 熔体施加高压，使其射出而充满模腔。注射成型的基本要求是塑化、注射和成型。 塑化是实现和保证成型制品质量的前提，而为满足成型的要求，注射必须保证有 足够的压力和速度。同时，由于注射压力很高，相应地在模腔中产生很高的压力 ( 模腔内的平均压力一般在2 0 - - - 4 5 m p a 之间) ，因此必须有足够大的锁模力。由此 可见，注射装置和合模装置是注塑机的关键部件。 2 1 2 设备分类【6 】 根据注塑装置和合模装置的相对位置进行分类，分为卧式注塑机、立式注塑 机、角式注塑机。 ( 1 ) 1 至t - 式注塑机： 如图2 2 所示，它是最为常见类型。其合模装置和注塑装 置的轴线呈水平一线排列，具有机身低、易维修、操作方便自动化程度高、产品 可自动落下、不需使用机械手也可实现自动成型、安装水平稳等特点、但模具需 通过吊车安装。适合大型工件n - t - t 7 1 。 ( 2 ) 立式注塑机：如图2 1 所示，合模装置和注塑装置轴线呈一线排列，通 过简单的机械手可取出各个塑件型腔，有利于精密成型，一般锁模装置周围为开 放式，容易配置各类自动化装置，特别是容易保证模具内树脂流动性及模具温度 分布的一致性。适合于复杂、精巧的小型工件产品加工。 ( 3 ) 角式注塑机：它的特点是合模装置和注塑装置的轴线垂直排列，其注射 第一章注塑机的选用及手机壳结构分析 方向和模具分界面在同一个面上，它特别适合于加工中心部分不允许留有浇口痕 迹的平面制品， 翻2 - i 立式注糍机 2 2 注塑材料分析 2 2 1 塑件原材料性能分析 图2 - 2 卧式注塑机 1 注塑成型的材料：即塑料，它原材科为树脂也可以是加有各种添加剂 混台物，性能和注塑条件息息相关。在进行模具设计时需要确定注塑材料后根据 此材料的各种物理、化学、力学性能束确定各种物理参数大小，保证生产出台格 产品，塑料总体具有如下性能：具有良好的收缩性、流动性、热性能和冷却速度， 好的吸湿性。 2 手机壳材料分析例：塑件所用材料为p c + a b s 。前者化学名为聚碳酸脂 其物理性能为冲击强度高、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 相溶性差的性能。适于制作仪表小零件、绝缘透明件和耐冲击零件。后者化学名 称叫丙烯腈一丁二烯一苯乙烯共聚物，其物理性能为综台性能较好、冲击强度 较高、化学稳定性高、电性能良好的性能。有高抗冲高耐热、阻燃、增强、 透明等级别。流动性比h i p s 差一点，比p m m a 、p c 等好其柔韧性好。适 于制作一般机械零件，减磨耐磨零件，传动零件和电讯零件。a b s 工程塑料 般是不透明的外观呈绿牙色，无毒无味，兼有韧、硬、刚的特性。a b s 工程塑料具有优良的综合性能有极好的冲击强度、尺寸稳定性好、电性能 第二章注塑机的选用及手机壳结构分析 好、耐磨性、抗化学药品性、染色性，成型加工和机械加工较好。 2 2 2 注塑材料类型 主要常用的材料为a b s ( 丙烯腈一丁二烯一苯乙烯共聚物) 、p c ( 聚碳酸酯) 、 p p ( 聚丙烯) 、p s ( 聚苯乙烯) 。 2 3 注塑材料成型过程 注塑成型过程包括塑化、填充、保压和冷却四个阶段【l o 】。 塑化是由固体状态的p c 和a b s 加热后变化成为具有流动性能的过程。 填充是将塑化材料充实到模型腔内进行填满的过程。 保压阶段时塑料熔体因受到冷却而发生收缩，但因塑料仍处于柱塞或螺杆稳 定压力下料筒内的熔料会被继续注入模腔内以补充因收缩而留出空隙。如果柱塞 或螺杆停在原址不动，压力曲线略有衰减。如果柱塞压力保持不变，也就是随着 熔料入模同时向前作少许移动，则在此阶段中模具压力保持不变。 冷却的重要工艺参数是冷却时间。在保证冷却均匀前提下，冷却时间越短越 好，这也就是我们要进行冷却优化的目的。 2 4 注塑材料成型工艺条件 注塑材料成型工艺条件包含温度控制、压力的控制和时间。而这三者对塑料 制品质量具有非常重要影响。降低温度时，需要提高压力以保证塑料进入型腔， 温度过低熔料难以注满型腔；温度过高塑料易于降解；注射压力过高产品易产生 飞边，压力过低注塑易出现短射，设计过程中必须结合实际特点来确定三者之间 关系。完成一次注射成型周期过程中在保证质量的前提下，尽量缩短成型周期的 时间，其中以注射时间和冷却时间最为重要，它们对制品质量有很大的直接作用。 注射时间中的保压时间就是对型腔中材料的压力时间，在整个注塑时间占有较大 的比例，保压时间的大小对制品的尺寸精度具有决定性影响。通常依赖浇口和流 道的结构形式以及模温和料温的因素。冷却时间主要决定于之间的厚度和塑料的 性能等因素。冷却时间的终点以模件脱模时不引起变动为宜。图2 3 所示反映压 力、温度、时间三者关系。 第二章注塑机的选用及手机壳结构分析 注 射 温 度 注射时间 图2 3 压力、温度、时闻关系曲线图 2 4 1 温度的控制类型 注塑过程中温度的控制是十分关键的环节，它主要包括如下温度的控制： 1 料筒温度：料筒温度应能保证使塑料尽快熔融及达到化学发泡剂的分解 温度。熔料进入模腔时的温度不宜过高，以利发泡成型。熔料的喷嘴温度应选择 好，既要满足发泡要求，又不导致树脂的分解、气泡破裂、发泡倍数下降。 2 喷嘴温度：它的温度略低于料筒温度，这主要是防止熔料在直通式喷嘴 可能发生的“流口水”现象【1 1 1 。主要是影响塑料的塑化和流动，料筒前端喷嘴处 的温度要单独控制，为防止塑料熔体的流涎作用，并估计到塑料熔体在注射时， 快速通过喷嘴，有一定的摩擦热产生，所以，喷嘴的温度稍低于料筒的最高温度， 但不能过低，不然会造成喷嘴的堵塞，增大流动阻力，甚至熔料不能通过喷嘴进 入模具型腔，或者把喷嘴外的冷料带入型腔，影响制品的质量，造成堵塞喷嘴形 成注塑机的压力超过极限值而停机。 3 模具温度：它对制品内在性能影响和表面质量有很大影响。模具温度的高 低决定了塑料结晶性的有无、尺寸和结构。它直接影响熔体的充模流动性的性能， 提高模具温度可以改善熔体在模腔内的流动性，增强制件密度和结晶度、减少充 模压力和制件中的压力。降低模具温度，能缩短冷却时间，提高生产率，但是会 降低熔体在模腔中的流动性，导致制件产生较大的内应力或明显熔接痕、轮廓不 光滑等制品缺陷。在实际生产中发现模具的温度的不同对于制件有很大的影响， 主要体现在制件总是向模温较高- - n 发生弯曲。所以模具的前后温度尽量相等， 差异最大不超过l o o c ，这种理想的情况能够满足生产的要求，能够减少注塑件的 变形量和废品率，提高产品质量和降低成本。实现这样的结果是我这次课题中所 要阐述的内容，本章节不展开叙述后续的章节有介绍。图示温度高低对零件变形 的影响。 8 第二章注望机的选用及手机壳结构分析 l 1 _ 一 2 4 2 压力控制 圈2 _ 4 模温对制品变形的影响 注塑过程中压力包括塑化压力和注射压力两种，它直接影响塑料塑化和制件 质量。 l 塑化压力：采用螺杆式注射机时螺杆顶部熔料在螵杆转动后退时所受 到压力称为塑化压力。塑化压力在保证制件质量时应该取低值，很少超过 2 0 k g c m 2 t 哆 2 注射压力：它是以柱塞或螺杆顶部对塑料所施加压力为准的。它主要克 服塑料从料筒流向型腔的流动阻力，给予熔料充模的速率和压实。实际拖用的压 力应比充满型腔压力偏高，在注射过程中模控压力急剧上升，屉终达到一个峰 值，这个峰值就是通常所说的注射压力。注射压力显然要比充满型腔压力偏高。 注塑过程中温度类型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；模具温度主要影响充模和冷却定型。在本次的论文中只介绍熔料温度和模 具温度的基本概念和影响因素。 l 熔料温度：原材料在由固体向液体转变所需的温度。它的高低决定熔体 流动性能的好坏。熔料温度高、粘度小、流动性好，需要注塑压力小。成型件表 面光洁度好，出现熔接痕、缺料可能性小。反之会出现相反的结果造成质量下降。 但其温度过高易引起材料热降解，导致材料物理和化学性能降低。 2 模具温度：模具在加工注塑件本身所具有的温度。它直接影响熔体的冲 模流动性、制件冷却速度和制件最终质量。提高模具温度可以改善熔体在模腔内 流动性t 增加制件密度和结晶度、减少充模压力和制件压力。但是提高模具温度 会增加制件的冷却时间，增加制件收缩率和脱模后翘曲现象。制件成型周期也会 因为冷却时间增加而变长、降低生产率。降低模具温度虽能缩短冷却时间但会降 低熔体在模腔内的流动性，并导致制件产生很大内应力。模具温度是由模具冷却 系统控制，可以通过调节水温和流速控制制品变形趋势和变形程度。模具温度通 第二章注颦机的选用及手机壳结构分析 常是由通 定温的冷却介质来控制的，也有靠熔料注入模具自然升温和自然散热 达到平衡而保持一定的模温。在特殊情况下也有采用电阻加热圈和加热棒对模具 加热等。不管采用什么方法使模具保持定温，对于热塑性塑料熔体来说都是挎却 降温，保持的定温都低于塑料的玻璃化温度t 或工业上常用的熟变形温度，这样 才能使塑料易填充和脱模。 2 5 零件设计依据 本论文课题的设计就是在塑料模具的成型方法基础上开展的。它的设计正是 为适应注塑模具的发展要求而进行的。手机外壳的模具设计主要应用了 “s o l l d w o r k s ”软件进行工件的造型、仿真、并生成仿真动画，并进行其灾 具的设计，使其能够成为一个整体首先设计工作是对零件结构进行分析，确定 相应的设计步骤和技术参数，然后利用三维绘图命令进行模具的三维实体造型和 仿真。我所使用的三维软件是s o l i d w o r k s 的最新版本：s o l d w o r k s 2 0 0 7 。 它晟大优点容易检查设计中的错误以及不足之处，此版本的优点是绘图界面更加 的简洁，整体效果图容易制作对于零件材质的渲染能力易强化操作，软件的可 操作性更加简便。下图就是我利用软件绘制出的装配图非常清晰具有报高的三 维效果。s o l i d w o r k s 软件现已广泛用于汽车、重工业、模具、离散制造、纺 织机械、航空等行业的设计，使用效果很好，具有很大的发展空间，下图为模具 整体效果图。 文 苹沁 图2 ，5 模齄整体效粜示意 第二章注塑机的选用及手机壳结构分析 2 6 手机外壳零件结构的分析 图2 6 手机卅壳的图片 该类零件的特点是薄壁件，尺寸不大质量轻、零件的壁厚小、壁厚四处均匀， 不利于原料流动，在壳空隙易产生熔积痕与气穴其制件表面光滑、无融合线， 应力均匀等的高强度高精度产品，其产品不但加工精度要求高，而且零件的一致 性和互换性要求也很高，主要考虑的问题是手机壳上下在注塑后两壳的对正性和 紧密性。手机壳体材料为p c + a b s 将它看作一般的弹塑性材料，其参数为：屈 服强度为8 0 m p a ，密度为1 1 4 0 k g c m 3 ，弹性模量为2 5 0 g p a ，泊松比为03 ，手 机壳体厚度为10 m m ，其外形尺寸为1 5 3 5 4 x 72 5 ，手机总体质量为8 0 9 。外形结 构比较复杂，四周都有圆角过渡。要求塑件表面美观、光洁、无明显熔接痕、银 丝和流痕同时不产生明显的翘曲变形。塑件两侧都带有侧孔，需采用侧抽甚机 构。可设置侧型芯，利用侧滑块和斜导柱驱动，便于分型。另外，为了从成型零 件上顺利脱出塑件，必须在塑件内井表面沿脱模方向设计足够的脱模斜度。塑件 的转角处应尽可能采用圆弧过渡，以增加塑件的强度和改菩充模流动性，同时增 加美观程度。 2 7 本章小结 在本章里主要介绍了注塑成型的相关知识。主要包括注塑机组成、类型和作 用。结台注塑件的不同类型选取注塑机、重点对注塑成型过程的分析、注塑成型 工艺条件( 重点分析了温度、压力、注塑时间三者之间关系) 、注塑材料的基本知 第二章注埋机的选用及手机壳结构分析 识、手机壳的结构分析进行了具体的知识阐述和表达。最后确定利用 s o l i d w o r k s 软件进行模具的整体结构设计，提出了在设计模具中应注意的基 本要求，并提出了具体的技术范围，为下章的建模奠定相应的基础提供充分的 理论依据。 1 2 第三章注蠼模具三维造型设计 第三章注塑模具三维造型设计 3 1 设计流程图和s o l i d w o r k s 软件的功用 图3 - 1 注塑模具设计制造沉程图 大型三维软件s o l i d w o r k s 是世界上比较先进的c a d 高端软件，利用软 件s o l i d w o r k s 的三维实体造型功能，在s o l i d w o r k s 平台上设计注射模具 并且对其进行动画仿真，能够大大提高模具设计与制造的效率和质量。本设计以 手机壳为例，介绍了利用s o l i d w o r k s 软件对注射模具的设计过程和制造方 法，本次课题根据上述流程首先进行了结构分析绘制二维图形，然后建立三维图 形的设计，接着对模具整体进行设计，最后利用m o l d f l o w 软件对设计的注 塑件进行技术参数的模拟和验证，检验参数的合理性并进行修正。 3 2 注塑模具的设计 基于s o l i d w o r k s 软件注射模具设计的主要流程是：在s o l l d w o r k s 零件环境下创建塑件的三维模型；在s o l i d w o r k s 装配体设计环境下加载此 注塑模具的所有零件模型；对模具零件进行装配和各个配合表面的配合，最终实 现整个装配体的成型。 第三章注璀模具三维造型设计 模具设计详细结构方案包含： 1 型腔布置：根据塑件的特点考虑设备条件，决定型腔数量和分布形式。 2 确定分型面：分型面的位置要有利于模具加工、排气、脱模及成型操作， 有利于保证塑件的表面质量。 3 确定浇注系统：即主流道、分流道和内浇口的形式、位置、大小， 4 排气系统：捧气方法、排气位置、尺寸。 5 选择项出方式：顶杆、顶管、顶板、组合式顶出等。 6 抽芯方式：决定侧凹处理方法。 7 冷却方式的确定：决定冷却、加热方式及加热冷却沟槽的形状、位置、 加热元件的设计或选用及安装部位。 8 选择模具材料进行强度计算或查阅经验数据，确定模具备部分厚度及 外形尺寸、结构及所有连接、定位、导向件位置。 9 确定主要成型零件的结构形式：支架结构、装配关系的确定。 l o 计算成型零件的工作尺寸：开模的距离、锁模的压力等内容。 1 l 软件的技术仿真：利用戟件技术参数的求取来得到台理的注塑最佳方案。 3 3 创建塑件三维模型 3 3 1 建模过程 建模过程一般是根据用户提供的零件图f 如图3 - 2 示意所示域者用户提供的 塑件样品，利用s o l i d w o r k s 模块中各种建模命令，灵活运用创建命令建立手机 壳参数化的三维模型。 口 二 图3 - 2 塑件霉件图 第三章注塑模具三维遗型设计 在本文章中我根据零件的实物，酋先进行零件结构的示意图绘制，表选其外 形结构的具体尺寸是二维图形，建立手机外壳的结构图。然后根据零件图或结构 图利用s o l i d w o r k s 软件中的三维建模命令拉伸、切割、抽壳等命令柬创建宴 体造型，在建模中应该体现零件分型面的位置，为后续的分析做好准备。接着利 用编辑命令来修改局部环节达到手机外壳的完整的整体效果使用中注意图形编 辑命令时应该重点把结构修正完备，特别是孔或槽的位置体现。建立三维图形后 完整无误对其进行渲染达到直观性和美观的效果。 根据图3 - 2 中所给的塑件的二维图的尺寸。采用s o l i d w o r k s 软件对零件 进行设计，绘制平面图形，再对这个手机壳洼塑件进行三维宴体造型。然后用直 线、倒角、尺寸标注等二维绘图命令在基准面上建立塑件的底面二维草图，如图 3 - 3 所不，然后对维图形进行拉伸、切除、圆角、倒角、圆顶等命令的操作来 生成塑件的三维实体模型，如图3 - 3 所示，生成一个具有二维立体图形的结构示 意图。 囤3 4 注靼零件三维空体模趔 1 5 第三章注塑模具三维造犁设计 要加工成这样一个复杂的零件，用简单的凹凸模具来进行加工成型是不可能 实现的，因此需要设计一个有特定机构的注射模具来实现造型的功能。这里在设 计过程中选用了具有斜导柱侧抽芯机构的注射模具来进行此零件的造型。整体设 计构造中首先要进行的是注射模具结构的组成确定，确定整体的结构在确定各分 部件的结构。 3 3 2 注塑模结构的组成 注塑模具由成型零部件和结构零部件组成。介绍的结构零、部件部分内容包 括注射模的标准模架、注射模的支承零部件和合模导向机构。支承零部件主要由 固定板( 动、定模板) 、支承板垫板和动、定模座板等组成，合模部分主要由模具 夹紧板、合模缸、合模活塞等。 3 3 3 模架组成 模架是注射模的骨架和基体，通过它将模具的各个部分有机地联系成为一 个整体。如下图所示，标准模架一般由定模座板、定模板、动模板、动模支承板、 垫块、动模座板、推杆固定板推板、导柱、导套及复位杆等组成。另外还有特殊 结构的模架。如点浇口模架、带推件板推出的模架等，模架中其他部分可根据需 要进行补充，如精确定位装置、支承柱等。现代大多数模具公司对注塑件进行模 具设计的初步构思是，确定模仁的部分如何才能满足塑件要求方案设定。首先必 须要拟定模具结构形式。其次是确定模具零件的结构，本次设计的模具结构主要 包含如下：分型面位置确定、型腔数量的确定、型腔数量的确定。 1 分型面应选在塑件的最大截面处：这样的设计不影响注塑件外观质量和 美观。尤其是对外观有明确要求的塑件，更要注意分型面对外观的影响。考虑方 面主要是有利于保证塑件精度要求、有利于模具加工要求( 特别是型腔加工) 、有 利于浇注系统、排气系统、冷却系统的设置要求。便于塑件的脱模、尽量使塑件 开模时留在动模一边( 有的塑件需要定模推出的例4 , 1 - ) 、尽量减小塑件在合模平面 上的投影面积、以减小所需锁模力的要求。能便于注塑件中的嵌件安装、长型芯 应置于开模方向要求。 2 型腔数量的确定：型腔数量主要是根据塑件的质量、投影面积、几何形 状( 有无抽芯) 、塑件精度、批量大小以及经济效益来确定。这些条件相互制约的， 在确定设计方案时须进行协调，以保证满足其主要条件的要求。 3 型腔结构的确定及模具结构形式的确定：型腔的排列涉及模具尺寸和浇 注系统的设计、浇注系统的平衡、抽芯机构的设计、镶件及型芯的设计以及温度 调节系统的设计。以上这些问题又与分型面及浇口的位置有关。所以在具体设计 1 6 第三章注坦模具三维造型设计 过程中，要进行必要的调整，以达到比较完善的设计结构。下图即为模具注射模 架示意图： 1 实座板；2 定模板；3 导柱导套；4 一动模板：5 动座板； 6 垫块；7 推杆预定板；8 推板；9 动模垫板。 图3 - 5 注塑模模架的示意图 依照上图，本次设计主要将这个注塑模具的过程分为以下几类，并对其工作 原理和造型做进一步的介绍。其各个部分的组成和如下的这张组织结构图中可以 清晰的体现出来。它说明了手机外壳注塑模在设计过程中应遵循的步骤、设计模 块的组成和相应机构的设计内容、进行工艺的分析、确定各模具零件的结构、尺 寸和精度要求、设计出注塑模具、绘制出装配图和零件图，来达到整体的设计效 果。 柱、导套、 件柱 ；滑块、斜楔水道、水管 、霎傧! 登曼，、，。一。、。摹垫亭! 穆 、_ 一r 一一、t 舞，等靠_ 妒甲茹、岬，慌 ，掣7 7、- 。j + ( 图3 6 手机模具设计框架流程示意图 这个示意图从整体上说明我所设计的模具思路。这就是结合零件图来设计模 具各部分的结构，并将其利用所学的基础知识完成三维图形，组装成整体结构图， 1 7 第三章注坦模具三维造型设计 后利用m o l d f l o w 软件仿真技术模拟，来验算浇注系统的冷却系统和整体设 计结构是否合理。所以优化技术参数是注塑件的产品质量有效的控制的保证。 图3 7 手机外壳动画仿真流程示意图 以上两个组织结构图说明了我的设计的过程及步骤。下面的造型过程将围绕 这个结构来展开。由于本设计接触了零部件数量共有4 0 余种1 0 0 余个零件，因 而简单零件的造型过程将不再叙述。 3 4 浇注系统 浇注系统由塑件的型腔、流道、浇口杯和冷料穴组成。从注塑机喷嘴至模具 型腔的熔融树脂流路称之为流道，浇口杯主要作为承储流动的塑料物体作用。在 s o l i d w o r k s 中首先依据注塑件的尺寸设计出两个型腔的结构及尺寸。 3 4 1 定模的生成 首先通过拉伸、切除、圆顶、倒角、圆角等命令生成定模的三维图形。对于 其模型，希望它是一个完好的没有缺陷的实体模型。这就要求不仅要建模正确， 同时在建模以后对模型进一步分析，尽量消除产品模型的缺陷，甚至达到完美。 在确定塑件没有缺陷以后，接下来要做的工作是模具坐标系的建立，确定产品模 具的基本结构以及确定模具毛坯的大小。模具坐标系是在进行模具设计时使用的 坐标系统，它可以为型腔与模架等相关的结构定位。定模结构结构是注塑系统中 固定部分装置其结构如图所示： 1 5 第三章注塑横具三维造型设计 3 4 3 浇口杯的设计 图3 - 9 动模= 维闰 模与定模 模的三维 浇口也称进料口，是分流道与模穴间狭小的通口，在于利用紧缩流动面而使 塑料流动达到加速的效果。高剪切率可使塑料流动性良好在塑料成型完毕后浇 口最先固化，可防止塑料同流和避免模穴压力下降过快使成型件产生收缩凹陷的 缺陷，成型后则方便剪除以分离浇注系统及塑件所咀它的结构形式对注塑质量 有很大的影响。本次设计的浇口采用是圆弧面的点浇口，其优点是能有效提高剪 切率，提高浇注的效率。浇口类型采用常用的点浇口，其作用如下 l 因浇口截面狭窄所