（材料加工工程专业论文）手机外壳注射模具设计与制造.pdf

摘要 摘要 塑料是一种新型工程材料，发展速度迅猛，塑料的加工和成型工艺也越来越 得到重视，其中注射成型是最常用的塑料零件成型方法。生活用品的塑料模具占 了很大比例，在市场竞争白热化的今天，电器外壳设计成为产品质量的重要一环， 最为突出和典型的就是手机，手机外壳注射模成为目前注射模制造行业最为复杂 的模具之一，是手机结构件制造的难点。因此，研究手机外壳注射模具的设计制 造，具有较高的生产实用价值。 手机外壳外观要求很高，而且整机体积小、结构复杂，因而对注射成型模具 和成型工艺的要求极高。手机外壳注射模设计制造的最大难点在于浇注系统、脱 模机构。本课题来源于企业的生产实际，以大量的手机外壳注射模具设计制造为 基础，根据多年从事注射模设计制造的经验，总结工厂的生产工程实践成果。研 究手机外壳注射模具的整体结构设计，浇注系统中浇道、浇口的形式、位黄选择， 排溢系统的设计，塑件主要部位的脱模推出方式，以及制造方法和工艺要点。结 合面盖和镜片两个有代表性的塑件实例，以工厂实用为原则，详细介绍了实际设 计制造的方法和关键点。如何提高模具质量，保证塑料产品的成型要求，在文中 也作了叙述，并列出了实际生产中塑件可能出现缺陷的原因以及解决方法。其中， 尺寸、数据和机械结构均来自工厂的实际图纸。 关键词：注射模；模具设计制造；浇注系统；脱模机构；手机外壳成型 摘要 a b s t r a c t p l a s t i ci so n ek i n do fn e we n g i n e e r i gm a t e r i a l w i t hi t s r a p i dd e v e l o p m e n t ， p l a s t i cp r o c e s s i n ga n dm o l d i n gt e c h n o l o g yh a v e b e e ng e t t i n gm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t ，a n dp l a s t i c si n j e c t i o nm o l d i n gi st h em o s tc o m m o mw a yf o rp o l y m e r p r o c e s s i n g t h ep l a s t i cm o l dh a sa c c o u n t e df o rt h eg r e a tp r o p o r t i o ni no u rd a i l yl i f e t h ed e s i g n so fe l e c t r o n i cp r o d u c t s s h e l lb e c o m ea ni m p o r t a n tl i n ki np r o d u c tq u a l i t y , e s p e c i a l l yf o rc e l lp h o n e 坷e c t i o nm o u l df o rm o b i l ep h o n eo u t e rs h e l li st h em o s t c o m p l e xi ni n j e c t i o nm o u l da n dt h ef f d m em a n u f a c t u r e t h e r e f o r e ， i th a sh i g h e r p r a c t i c a lv a l u et os t u d y t h el o o ko fm o b i l ep h o n eo u t e rs h e l ld e m a n d sh i g h e ri ni n j e c t i o nm o u l da n d s h a p i n gt e c h n o l o g yf o rp l a s t i c sf o ri t ss m a l ls i z ea n dc o m p l e xs t r u c t u r e i t sh a r d e s t p o i n tl i e si nt h ep o u r i n gs y s t e ma n dd e m o u l d i n gm e c h a n i s m t h ep a p e ri sf m mt h e p r a c t i c a lp r o d u c t i o na n db a s e do nl a r g eq u a n t i t yo fd e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f i n j e c t i o nm o u l df o rm o b i l ep h o n eo u t e rs h e l l i ts u m m a r i z e st h ep r a c t i c a lf r u i to ft h e p r o j e c to nt h eb a s i so f e n g a g i n gi nd e s i g no f t h ei n j e c t i o nm o u l df o rm a n yy e a r s i t e x p l o r e st h ei n t e g r a ls t r u c t u r ed e s i g no f i n j e c t i o nm o u l do f m o b i l ep h o n eo u t e rs h e l l s ， t h ep o u r i n gc h a n n e l ，t h ef o r mo f g a t ea n dt h e p o s i t i o ni np o u r i r 培s y s t e m , t h ed e s i g no f v e n t - c e n t r a l i z e d s l a gs y s t e m ，t h em a i ns t r i p p i n gm o d eo fm a j o rp a na n dt h e m a n u f a c t u r i n gm e t h o d sa n dt e c h n o l o g yp o i n t s i ta l s ol a k e st h ec o m b i n a t i o no ff a c e c o v e r i n ga n dl e n sf o ra ne x a m p l et oi n t r o d u c es o m ei m p o r t a n tw a y so fp r a c t i c a l d e s i g na n dm a n u f a c t u r ei nd e t a i l ，w h i c hw i l ls e r v ef o rf a c t o r i e s p r a c t i c e t h ed e f e c t s i np r a c t i c a lp r o d u c t i o na n ds o l u t i o n s & r em e n t i o n e di nt h ep a p e r t oh e l pt oi m p r o v e p r o d u c tq u a l i t y , a n dt h es i z e ，d a t aa n dm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea r ea l lf r o mf a c t o r i e s p r a c t i c a ld r a w i n g s k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o u l d ；m o u l dd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ；p o u r i n gs y s t e m ； d e m o u l d i n gm e c h a n i s m ；f o r m i n go f m o b i l et e l e p h o n es h e l l s i l l 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得直昌盔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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：五他签字日期：如7 年z 月，2 ，曰 学位论文版权使用授权书 本学位淦文作者完全了解南昌大学囱关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许沦文被查阅和借阅。本人授权南昌大学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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：己饱、 签字日期：埽。年，2 月，。日 翮躲耐 签字日期：。旬年。月己口 第1 章0 f 音 第1 章引言 模具属于边缘科学，它涉及机械设计制造、塑性加工、铸造、金属材料，以 其热处理、高分子材料、金属物理、凝固理论、粉末冶金、塑料、橡胶、玻璃等 诸多学科、领域和行业。 1 1 模具与模具工业 1 1 1 模具工业的重要性 模具是工业生产的基础工艺装备，在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电 和通讯等产品中，6 0 8 0 的零部件都依靠模具成形。因此，模具被称之为“百 业之母”、“工业之父”。模具的质量和先进程度，直接影响产品的质量、产量、 成本，影响新产品投产周期、企业产品结构调整速度与市场竞争力。模具又是“效 益放大器”，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以上。 目前，模具生产的工艺水平及科技含量的高低，己成为衡量一个国家科技与产品 制造水平的重要标志之一，决定着一个国家制造业的国际竞争力。 现代模具行业是技术、资金密集型的行业，模具行业的发展，可以带动制造 业的蓬勃发展。按照一般公认的标准，模具产值与其带动实现的工业产值之比为 3 ：1 0 0 。通过模具加工产品，可以大大提高生产效率，节约原材料、降低能耗和 成本，产品的一致性好。如今，模具因其生产效率高、产品质量好、材料消耗低、 生产成本低，而在各行各业得到了广泛应用，并且直接为高新技术产业服务，特 别是在制造业中，它起着其它行业无可取替代的支撑作用，对国民经济的发展有 着辐射性的影响。 1 1 2 塑料模具前景广阔 塑料工业是新兴的工业，塑料作为一种新的工程材料，发展势头极其迅猛， 跻身于金属、纤维材料和硅酸盐三大材料之列，已经广泛用于工业和只常生活。 因此，塑料的加工和成型工艺越来越得到重视，新技术、新工艺不断涌现。目前， 塑料成型种类包括注射成型、压铸成型、吸塑成型、吹塑成型、发泡成型、挤压 成型等，其中注射成型是最常用的方法，几乎所有的塑料都可以注射成型。3 ，按 重量比计算，实际生产有3 2 的塑料是靠注射成型的”1 。塑料工业的发展，推动 第1 章0 i 言 了中国塑料模具产业的发展步伐，近年来塑料模具市场发展相当快，2 0 0 2 年己 猛增到1 4 0 亿元左右“1 ，2 0 0 4 年塑料模具在整个模具行业中所占比例己上升到 3 0 左右，在未来几年中还将保持较高速度发展。 当前国内塑料模具市场以注塑模具需求量最大，其中发展重点为工程塑料模 具。随着中国汽车、家电、电子通讯以及各种建材的迅速发展，预计在未来模具 市场中，塑料模具占模具总量的比例仍将逐步提高，且发展速度将侠于其他模具。 电冰箱、洗衣机和空调的年产量均超过1 0 0 0 万台，彩电的年产量已超过3 0 0 0 万台，家电行业所需模具量年增长率约为1 0 。一台电冰箱约需模具3 5 0 副， 一台全自动洗衣机约需模具2 0 0 副，一台空调器仅塑料模具就有2 0 副。一台彩 电需模具约1 4 0 副，彩电模具每年就有约2 8 亿元的市场。汽车工业近年来增长 速度惊人，因此汽车模具潜在市场巨大。每种型号的汽车都需要几千副模具，价 值上亿元，汽车的各种功能性零部件都要靠模具成型，制造一款普通轿车约需 2 0 0 多件内饰件模具，还有制造保险杠、仪表盘、油箱、方向盘等所需大量的塑 料模具。在建筑领域，塑料建材大量替代传统材料是大势所趋，国家已明令禁止 使用铸铁管道，代之以塑料管材。塑料建材不仅能大量代钢、代木、替代传统建 材，而且具有节能、节材、保护生态、改善居住环境、提高建筑功能与质量、降 低建筑自重、施工便捷等优点，将在今后得到越来越多的应用。2 0 0 5 年建筑用 塑料制品约4 0 0 万吨，占总产量1 6 ，预计2 0 1 0 年全国新建住宅室内排水管8 0 及城市供水5 0 将采用塑料管。同时，国家正在大力发展塑料门窗，根据建 设部等五个部门的要求，2 0 0 0 年塑料门窗的普及率达到1 5 ，塑料排水管的市场 占有率超过3 0 ，预计到2 0 1 0 年塑料门窗和塑料管的普及率将达到3 0 5 0 ， 塑料排水管的市场占有率将超过5 0 。因此，塑料模具的增长速度加快，应用 潜力是不可低估的。 1 1 3 现代模具制造技术的发展趋向 l 、模具的标准化 加快模具的标准化、商品化发展，适应大规模成批生产的需要，可以提高模 具的制造质量、缩短模具的制造周期。 2 、新材料、新技术、新工艺的研究和应用 研究开发模具新材料，进一步提高模具钢材的耐磨、耐蚀、综合机械性能、 加工性能和抛光性能，是提高模具质量的稳定性和使用寿命的主要途径和发展趋 向。 模具c n ) c a e c a m 技术是模具设计、制造技术的又一次革命，其优势越来越 明显。普及和提高c a d c a e c a m 技术的应用，是模具设计制造走向现代化的必由 2 第l 章引等 之路。以高速铣削为代表的高速切削加工技术代表了模具外表面粗加工的的发展 方向。成型面的加工向精密、自动化方向发展，光整加工技术向自动化方向发展。 以三坐标测试仪和快速原型制造技术为代表的制模技术，是模具制造技术的重大 发展，尤其是用于反向制造工程和复杂模具的制造，对缩短制造周期有着非常重 要的作用。节能、优质、高速、绿色热处理工艺是模具零件热处理的主导方向“1 。 3 、现代生产制造方式 在完全实现模具标准件、通用件的生产专业化，供应商品化的基础上，利用 现代i t 技术，组成局域通信网络，将计算机设计完成的各成型面、配合面数字 化，并编成代码直接输入数控机床或c n c 加工中心进行自动编程，继而完成自动 加工。加工过程中能够完成自动检测和结果的自动显示，从而实现产品设计、模 具设计以及模具制造的自动化和智能化，并以此提高设计和制造的速度和质量， 减少人为的多层次失误造成的缺陷，从而缩短模具生产周期，提高模具质量以及 使用的可靠性和寿命。 4 、塑料制件的精密化、微型化、超大型化 为了满足各种产品越来越高的使用要求，塑料模具和塑料成型技术正朝着精 密化、微型化和超大型化方向发展。 1 2 我国的模具工业 1 2 1 发展现状 自二十世纪以来，我国模具工业己经走过了半个多世纪。改革开放后，我国 模具工业发展迅猛，截至2 0 0 6 年底已拥有3 万家模具生产企业。十五”期间， 我国模具工业以年均2 0 的速度持续快速增长。2 0 0 1 年全国模具工业总产值达 3 0 0 亿元人民币，我国模具年产值位居世界第四。至2 0 0 5 年，我国模具销售额 达6 t 0 亿元，同比增长2 5 ，已跃居世界第三，仅次于日本和美国。2 0 0 6 年，我 国模具销售额7 2 0 亿元，直接带动实现工业产值2 4 万亿元。当前，中国模具市 场容量已达8 0 0 亿元人民币左右，“十一五”期间中国模具业市场份额将达1 2 0 0 亿元。 在区域分布上，广东、重庆、浙江形成了国内模具行业的“三足鼎立”，广 东是当前我国最主要的模具市场，中国最大的模具出口与进口省。目前，深圳周 边及珠江三角洲地区已经成为我国模具工业最为发达、科技含量最高的区域。与 全国塑料加工业区域分布相类似，珠三角、长三角的塑料制品加工业位居前列， 浙江、江苏和广东塑料模具产值在全国模具总产值中的比例也占到7 0 。 第l 章i 占 我国的模具出口也开始大幅增长，表明国内模具水平和竞争力的迅速提高。 据海关统计，2 0 0 5 年模具出口7 4 亿美元，同比增长5 0 以上；模具产品结构更 趋高档，复杂、精密、长寿命模具份额提高到3 0 。2 0 0 7 年1 6 月，我国模具 进出口总量为1 5 4 2 亿美元，其中进口总量为9 4 7 亿美元，出口总量为5 ，9 5 亿美元。与2 0 0 6 年l 6 月相比，进出口总量同比增长4 8 鞠，出口总量同比增 长2 5 7 9 ，而进口总量同比减少5 1 1 。从模具种类来看，进出口量最高的是塑 料橡胶模具，分别占了进、出口额的5 3 3 4 和7 1 3 3 。进口模具主要来自日本、 韩国和我国台湾，其次是德国、美国、香港、新加坡、加拿大、法国和瑞士。我 国出口模具的市场主要是香港特别行政区、日本、美国，其次是我国台湾，以及 德国、泰国、印度、马来西亚、法国和韩国。出口模具主要来自广东、浙江和上 海，其次为江苏、山东、福建、辽宁、天津、北京、安徽和吉林。从上述数字可 以看出，我国模具外贸虽然仍存在进出口逆差，但与去年同期比，逆差同比减少 3 2 9 5 ，再次实现逆差的缩减。这不但说明模具出口前景很好，而且也表明我国 模具进、出口的结构渐趋合理。如果按模具大类比例来看，塑料橡胶模具的进出 口与去年同期相比，进口比例增加了3 6 个百分点，出口比例增加了3 4 1 个百 分点。这说明塑料橡胶模具在我国模具进出口中的比例在上升，不但市场在发展， 而且发展速度要快于模具行业总体水平。目前，世界模具市场产品供不应求，近 几年世界模具市场总量一直保持在6 0 0 亿6 5 0 亿美元，美国、日本、法国、瑞 士等国一年出口的模具约占本国模具总产值的1 3 ，模具己成为不少行业的发展 瓶颈。 要想成为世界制造业大国，没有先进的模具工业是不行的。我国的加工成本 相对较低，模具加工行业日趋成熟，技术水平不断提高，人员素质大幅提高，国 内投资环境越来越好，各种有利因素使越来越多的国外企业选择我国作为模具加 工基地。近年来，外资对我国模具行业投入量增大，工业发达国家将模具向我国 转移的趋势进一步明朗化，国际模具制造巨头在中国投资设厂的新一轮扩张，这 代表着我国模具行业迎来新一轮的发展机遇，也代表着面临国外先进技术和高品 质制品的挑战，模具行业在“十一五”期间将面i 临再次腾飞的契机。当今世界正 进行着新一轮的产业调整，一些模具制造逐渐向发展中国家转移，中国正成为世 界模具大国。德国海拉吉林落户；日本丰田模具天津设厂；芬兰贝尔罗斯公司投 资兴建深圳模具制造厂，专为电信、保健、电子、汽车等行业提供高档模具产品。 目前，我国模具业规模仅次于日本和美国，但大多集中在中低档领域，总体技术 水平和附加值偏低。我国制造业急需的精密、复杂冲压模具和塑料模具，轿车覆 盖件模具、电子接插件等电子产品模具等，还大量依靠进口，模具产品仍然存在 进出口逆差。 4 第1 荦引占 1 2 2 主要差距 由于我国的模具行业起步较晚，与国外相比仍存在不小的差距，我国现在的 模具开发制造水平比国际先进水平至少落后1 0 年，特别是大型、精密、复杂、 长寿命模具的产需矛盾十分突出，已成为严重制约我国制造业发展的瓶颈。我国 的塑料模具中，汽车和家电的大型注塑模具，集成电路的精密塑料模具，电子信 息产业和机械及包装的多层、多腔、多材质、多色精密注塑模，新型建材及节水 农业的塑料异型材挤出模及管路和喷头模具等，虽然已有相当技术基础并正在快 速发展，但技术水平与国外仍有较大差距。 l 、行业创新能力薄弱整体效率低 我国模具行业产需矛盾突出，无论是数量还是质量都无法满足国内市场的需 要，只达到7 0 左右。模具行业是技术密集、资金密集的产业，随着时代的进 步和技术的发展，能掌握和运用新技术的人才异常短缺。我国模具企业技术人员 比例较低，水平也较低。由于不重视产品开发，在市场中常处于被动地位。我国 每个职工平均每年创造模具产值约合l 万美元左右，而模具工业发达国家大多是 1 5 2 0 万美元，有的甚至达到2 5 3 0 万美元。我国模具企业经济效益差，大都 微利，国有企业总体亏损，缺乏后劲。高级模具钳工及企业管理人才非常紧缺， 高素质的模具技术人才缺乏，产品的综合开发能力还急需加强。由于模具企业效 益欠佳及对科研开发和技术攻关不够重视，因而模具行业在科研开发和技术攻关 方面投入太少。 中国塑料模具企业不仅要加快产业集群化，发挥规模效应，还要注重模具产 业链的前端研发、人才建设、产业链后端的检测以及信息服务，尽快缩短技术、 管理、工装水平与国际水准的差距。这是塑料模具企业在发展中必须解决的重要 问题。 2 、企业组织结构、产品结构、技术结构不合理 我国模具生产许多是在各主机厂的模具分厂或车间内，其中一半以上是自产 自用，模具的商品化程度低，而国外7 0 以上都是专业模具厂，且走的是“小 而精”的道路。国内模具总量中，属大型、精密、复杂、长寿命模具的比例只有 3 0 9 6 左右，国外在5 0 以上。 欧、美等国家的模具企业，大部分也是3 0 5 0 人的小企业，但c a d c a e c a m 的应用水平高，数控加工设备多，模具零部件的精度靠先进的加工设备保证，工 人严格按工艺操作，每个模具零件的加工都很到位，最后钳工的装修工作量很小， 一个5 0 人左右的模具厂，装配钳工一般只有2 3 人。 3 、产品水平和生产工艺水平低 产品水平和生产工艺水平总体上比国际先进水平低，而模具生产周期却要比 第l 章引言 国际先进水平长。产品水平低主要表现在尺寸精度、型腔表面粗糙度、寿命及模 具的复杂程度上，这几项指标与国外先进水平相比差距十分明显。工艺水平低主 要表现在设计、加工、工艺装备等方面，模具工业的整体装备水平相对落后、利 用率低。 虽然国内许多企业采用了先迸的加工设备，但总的装备水平仍比国外企业落 后许多，特别是设备数控化率和c a d c a l l 应用覆盖率要比国外企业低得多“1 。由 于体制和资金等方面原因，引进设备不配套，设备与附、配件不配套现象十分普 遍，设备利用率低的问题长期得不到较好的解决。装备水平低，带来我国模具企 业钳工比例过高等问题。 模具标准化水平和模具标准件使用覆盖率低，也对摸具质量、成本有较大影 响，特别是对模具制造周期有很大影响。国内模具标准件使用覆盖率只有3 5 左 右，而国外先进国家模具标准化程度为7 0 8 0 。如能广泛应用模具标准件， 将会缩短模具设计制造周期2 5 4 0 ，并可大大减少由于自制模具零件而造 成的工时浪费。 4 、模具材料技术落后 模具材料性能、质量和品种往往会影响模具质量、寿命及成本，国产模具钢 与国外进口钢相比还有较大差距。塑料、板材、设备等性能差，也直接影响模具 水平的提高。 1 3 论文的选题背景和意义 随着消费类塑料制品进入千家万户，日常生活用具的塑料模具已经占了很大 比例”3 。家电市场竞争的白热化，使电器外壳设计成为产品质量的重要一环，市 场要求家电外壳的色彩、手感、精度、壁厚等都能够时尚化，其中最为突出和典 型的就是手机。手机是个人随身常用物品，对外观的要求很高，美观效果常常可 以体现手机的产品档次，而且整机体积小、结构复杂。翻盖手机、直板超薄手机、 大显示屏手机、金属面板手机，不断成为手机外形的主潮流，手机的造型日新月 异、不断更新，新产品生命周期越来越短，也就对产品的成型和模具提出了更高、 更苛刻的要求。我国早期生产的手机外壳，模具只能全部从国外进口，之后采用 由国外设计图纸国内制造的模式，经过一段时间的生产，现在已经可以自我设计 制造部分模具。但是，新的手机外壳结构模具，以及外壳二次加工新工艺，仍然 需要从国外引进消化。 从目前的制造技术来看，手机塑料外壳的成型方法主要是注射成型，最近流 行的金属壳体需要精密冲压加工。手机注射模成为当今注射模制造行业最为复杂 6 第l 审引占 的模具之一，是手机结构件制造的难点，引起了相关尖端工程技术人员的高度重 视。众多工厂的手机模具设计制造证明，面盖模具、镜片模具又是手机塑件制造 中的关键模具。 在翻盖手机的主要塑料零件中，输入信息的按键、翻盖转轴机构、软排线、 两侧音量键及数码接口按键等。大部分功能零件都集中在机身面盖内，面盖的结 构复杂、精度要求高，所以对模具的设计和制造有较高的要求”1 。手机显示镜片 注射模更为复杂，镜片的制造材料大多是聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯，在注射 成形工艺中属于难成形材料。镜片产品整体都严格要求透明、均匀，不能有气泡、 熔接痕、斑点、加工划痕等任何瑕疵，表面质量标准相当高。薄型、宽屏手机的 流行趋势，使镜片类产品设计厚度越来越薄、面积越来越大。薄型、透明零件， 对模具的设计制造和产品的注射成形工艺要求很高，注射生产时很容易产生气 泡、翘曲、熔接痕之类的缺陷，在注射成型过程中报废率极高。而且镜片还需要 进行丝印、烫金、溅镀等二次加工，容易造成损伤，所以实际工业生产时产品加 工制造合格率很低。只有从镜片的产品设计，到模具制作、注射成型、二次加工 各阶段统筹考虑，才能达到满意的产品制造效果。在保证整机外观的前提下，产 品设计一定要充分考虑生产的加工工艺性。首先，厚度要保证均匀，外形要简洁， 结构应简单，这样才有利于注射成型的熔体流动和塑件的收缩。其次，镜片上尽 量不要设计孔和凸、凹台一类的形状结构，不能避免此类结构时( 如通话语音孔 等) ，孔一定要倒圆角。此外，表面的装饰设计要考虑注塑的缺陷和二次加工， 可以用巧妙的装饰来掩盖产品的一些制造缺陷。镜片注射模设计制造的关键点在 于浇道、浇口的形式、位置选择，排气系统的设计、塑件的推出方式、模具的强 度以及加工制造中的抛光工艺，浇注系统设计是否合理不仅关系到镜片的性能、 结构、尺寸、外观等质量问题，还对塑件所用塑料的利用率、成型生产效率有直 接影响，是其模具设计的重要环节。 1 4 论文的主要研究内容 手机外壳注射模设计制造难度较大，虽然有许多c a d c a m 软件可以利用，但 传统的注射模设计方法和经验，仍然具有决定性的作用。本课题来源企业实际生 产，内容基于工厂的生产工程实践，以大量的手机注射模设计制造为基础，结合 多年从事注射模设计制造的工作经验，研究手机外壳注射模具的设计制造。文章 从模具的整体结构设计，到浇注系统、脱模机构设计，详细探讨了实际设计制造 的方法和关键点，以及实际生产中塑件可能出现缺陷的原因和解决方案，贯串文 中介绍了手机外壳中面壳和镜片两个难度较大的典型注射模设计。 7 第1 牵引占 第2 章总体结构设计，内容是成型零件、温度调节系统、排气系统、合模导 向机构、支承零件的设计，并以两个手机外壳注射模为实例，探讨动模、定模以 及整体结构的设计：第3 章浇注系统设计，系统研究手机外壳注射模浇注系统中 浇道、浇口的形式、位置选择，排溢系统的设计；第4 章脱模机构的设计，研究 手机塑件主要部位的脱模推出方式，详细叙述了转轴孔、扣位两处难以成型结构 的脱模机构设计；第5 章制造工艺及质量的保证，介绍了手机注射模制造方法和 关键工艺制作要点，探讨如何提高模具质量，保证塑料产品的成型要求，并列出 了实际生产中塑件可能出现缺陷的原因以及解决方法。 s 第2 章总体结构设计 第2 章总体结构设计 整体结构方案确定，要根据手机塑件的复杂程度、塑料品种，以及各生产厂 家注射机的种类等众多因素来决定。但不论是简单还是复杂的模具，其基本结构 都是由动模和定模两大部分组成，两者由导柱导套连接导向。定模安装在注射机 的定模板上，动模安装在注射机的动模板上并能够随机器的合模系统运动，相对 来说动模比定模结构要复杂得多”1 。根据各零部件的作用来分类，模具上主要零 部件和机构有：成型零件、浇注系统、推出机构、温度调节系统、排气系统、合 模导向机构、支承零件。 本章讨论成型零件、温度调节系统、排气系统、合模导向机构、支承零件的 设计，最后以两个典型的手机外壳注射模为实例，介绍整体结构设计。浇注系统 和推出( 脱模) 机构在手机外壳注射模设计中很重要，内容也比较复杂，这些内 容将在第2 、第3 章中详述。 2 1 成型零件 成型零件包括凹模、型芯、镶块等，工作时与塑料直接接触成型，要承受塑 料熔体的高压和料流的冲刺，脱模时还会与塑件发生摩擦。因此，要求成型零件 有j 下确的几何形状、良好的尺寸精度、较低的表面粗糙度，以及较高的强度、刚 度、耐磨性。设计成型零件时，应根据手机外壳塑件的特性、结构和使用条件， 确定型腔的总体结构，然后根据成型零件的加工、热处理、装配等要求，进行成 型零件的结构设计，最后计算工作尺寸、较核关键零件的强度和刚度。 凹模的结构可以设计为整体式或组合式。整体式凹模由整块材料制作而成， 结构比较简单、不易变形，产品的质量好。如果产品塑件比较复杂，采用整体式 结构凹模型腔的制造就较困难。所以，只有结构简单的手机外壳模具，才采用整 体式的凹模，一般采用组合式凹模较多。整体嵌入式凹模属于组合式凹模的一种， 是整体式凹模的演变，即将整体式凹模变为整体式凹模块直接嵌入到固定板中， 或先嵌在模框中再将模框嵌到固定板中。组合式凹模还有局部镶嵌式凹模、底部 镶拼式凹模、侧壁镶拼式凹模、多件镶拼式凹模、四壁拼合式凹模等多种结构形 式。采用组合式凹模，可以将凹模块易损坏的部位及难加工的部位设计成镶块， 简化了型腔的加工工艺，减少了热处理变形，便于模具维修，拼合处的日j 隙利于 排气。在手机外壳模具设计中，选择合理、巧妙的组合镶拼结构非常重要，既要 保证塑件质量、简化模具加工，又要避免组合式凹模的刚性的不足以及镶块在塑 件表面留下痕迹。 9 第2 章总体结构设计 2 2 温度调节系统 注射模的温度对塑料熔体的充模流动、固化定型、生产效率以及塑件的形状 和尺寸精度都有极大的影响“。每种塑料注射成型都有一个合理的模具温度区 域，使熔体的流动性好容易充满型腔，塑件脱模后收缩和翘曲变形小、尺寸稳定， 力学性能和表面质量也高。为控制模具的温度，必须设计温度调节系统，一般采 用模具冷却或加热的方法，必要时两种兼有，手机外壳模具中使用冷却装置较多。 冷却装置设计的要点：尽量保证塑件收缩均匀，维持模具热平蘅；冷却水孔 的数量越多、孔径越大，塑件冷却越均匀；水孔与型腔表面各处应有相同的距离； 浇口处应加强冷却；入水与出水的温差要低；要结合塑料的特性和塑件的结构， 合理考虑冷却水道的排列形式；冷却水道要避免接近塑件的熔接痕部位，以免熔 接不牢影响强度；应该注意密封，保证冷却水道不泄漏；防止与其它部位发生干 涉；冷却水道的进出口要低于模具的外表平面；冷却水道要利于加工和清理。 如图2 1 ，可以看到某镜片注射模的冷却水道排列情况“。 、f 捻幽德、 l 黼猡譬= 飞妇 剐奄 审黝恸 辔 太 愈 1 腻 蜣嚣 司 夕8 审 、r ， 蚴 电 剖 ： 岿降* hi 船 “ r r 、t ， l 、 i 阕融 l t 自h 。 煽。矿也 氛 、 i 、三短孤酞， 穗飞留 燃- i 每参飞遘涝 密 r、厢轰 z、谂、 澍夕 i l 谢 u 图2 1 冷却水道和捧气系统设计 1 复位弹簧2 冷却水道3 冷料穴4 捧气槽 1 0 第2 章总体结构瑷计 2 3 排气系统 排溢是指排出充模熔料中的前峰冷料和模具内的气体，广义的注射模排溢系 统应包括浇注系统部分的排溢和成型部分的排溢。通常所说的排溢是指成型系统 的排溢，浇注系统主流道和分流道末端的冷料穴也是一种溢排形式。模具型腔在 塑料充填过程中，除了浇注系统和型腔内有空气存在外，还有塑料受热和凝固而 产生的低分子挥发气体，尤其是在高速成型时，模具考虑排气是非常必要的。一 般是在塑料充添的同时，将气体排出模外。否则，被压缩的气体所产生的高温， 引起塑件局部碳化烧焦，或使塑件产生气泡，或使塑件熔接不良而引起塑件强度 降低，甚至阻碍塑件填充等。为了使这这些气体从型腔中及时排除，必要时可以 采用开设排气槽等方法，有时排气槽还能溢出少量料流前锋的冷料。排气槽的开 设位置应开设在型腔最后被充满的地方；最好开在分型面上；应尽量开在型腔的 一面；最好开在开设在嵌件或壁厚最薄处；严禁开设在对着操作人员的方向。 手机外壳的面盖类零件，一般利用模具的各种配合间隙，就可以满足成型时 的排气要求。但是显示镜片类零件成型对排气的要求很严格，如果模具的排气不 彻底，镜片上就会形成气泡、接缝、表面轮廓不清、充填缺料等缺陷，而且气体 受压体积缩小后会产生高温，导致塑件局部碳化或烧焦。模具排气不良将给注塑 成型带来极大的困难，甚至导致镜片注射工艺过程无法完成。因此，镜片注射模 具必须加强排气设计。通常情况下，可以在模具的四个角上设计排气槽，外加冷 料穴也起到了排气作用，一般能够解决手机镜片注射模的排气问题，如图2 1 所示。也可以采用面沟槽排气法，在距离型腔1 5 m 处四周，设计宽8 m m 、深0 8 唧 的沟槽通向模外，沟槽和型腔每隔8 0 r a m 连接一条0 0 3 深的槽。对于排气很困难 的镜片，还可以在模具注射熔料的末端，设计宽1 0 1 2 咖深0 3 o 4 m m 的“z ” 形沟槽，用于排气。注意此槽一定为“z ”形沟槽，不能设计成直接形，否则很 容易产生溢料飞边n 。 2 4 合模导向机构 合模导向机构是保证动模和定模合模时，正确定位、导向的零件。合模时， 首先是模具的导向零件接触引导动、定模准确闭合，保证动、定模位置正确，确 保型腔的形状和尺寸精确无误，避免型芯先进入型腔，造成成型零件损坏。导向 零件应承受一定的侧向力，起了导向和定位的作用。合模导向机构主要有导柱导 向和锥面定位两种形式，常用导柱导向形式，其导向机构零件包括导柱和导套， 但当侧向力很大时宜采用锥面定位机构”，。 第2 市总体结构设计 导向零件应合理地均匀分布在模具的周围，其中心至模具边缘应留有足够的 距离，以保证模具的强度，防止压入导柱和导套后发生变形。根据模具的形状和 大小，一副模具一般需要2 4 个导柱。如果模具的凸模与凹模合模有方位要求 时，则用两个直径不同的导柱，或用两个直径相同但错开位置的导柱。为了避免 导柱未导正方向而型芯先进入型腔的现象发生，导柱导向部分的长度尺寸应比凸 模端面的高度尺寸大6 8 栅，甚至可以达8 1 2 栅，如图2 2 所示。为使导向 顺利，导柱先导部分应该做成球状或锥状，导套导入部分要做导角，如图2 3 所示。 图2 2 导柱导向机构 i l 阁；斛 2 5 支承零件 图2 3 导套导入的导角 用来安装固定或支承成型零部件及模具其它机构的零件称为支承零件，包括 凹模板、凹模固定板、凸模板、凸模固定板、凸模垫板、垫脚、顶出固定板、顶 出垫板、复位杆等，其它部分根据具体模具的需要而增设，如精定位装置、支承 柱等，支承零部件组装在一起就构成了注射模具的基本骨架。 固定板用以固定凸模( 或型芯) 、凹模、导柱、导套、项杆等，要求有一定 的厚度和强度。垫板是盖在固定板上面或垫在固定板下面的平板，它的作用是防 止凸模( 或型芯) 、凹模、导柱、导套、顶杆等脱出固定板，并要承受一定的压 力，因此它必须具有较高的平行度和硬度。垫板与固定板的连接方式常采用螺钉 连接，在需要保证固定板与挚板之间的位置精度时，还要加销钉定位。垫脚的主 1 2 第2 章总体结构设计 要作用是在动模座板和动模挚板之间形成顶出机构的动作空间，或是调节模具的 总厚度，以适应注射机的模具安装厚度要求，结构形式有平行垫块与拐角挚块。 支承柱起顶出空例的补充支承和顶针固定板的导向作用，可以增加模具的强度和 刚度，防止注射过程中受力变形，常设计为圆柱形，位置尽量均匀分布，尺寸应 根据凸模垫板的受力工作状况及可用的空间而定。 2 6 模具总体结构 手机外壳的主要零件是面盖、后盖和显示镜片，前二者的模具结构基本相同， 下面以面盖和镜片模具为例，介绍手机外壳注射模具的典型整体结构设计。 2 6 1 面盖注射模“” 翻盖手机的塑料零件中，面盖的结构很复杂，里面要安装许多功能零件，精 度要求也高。模具设计要重点考虑如何改善塑料熔体注射充模条件，便于熔体的 流动、排气，提高塑件质量，缩短注塑周期，提高产品生产效率。 模具的定模结构如图2 4 所示。位置2 中安装成型转轴孔的斜顶抽芯机构； 7 是模胚基准角，用这两个面作为j n q _ 基准，能更好地保证模具加工精度：冷却 水道一进一出，绕产品四周；8 和9 为两个扇形浇口位置。 图2 4 面盖注射模定模 第2 章总体结构设计 1 捧气槽2 抽芯机构3 法兰4 定模镶块5 水道塞6 拉杆螺栓7 基准角8 、9 浇口 图2 5 所示为模具的动模结构图。动模冷却水道是两进两出；为了便于加工， 保证零件的尺寸精度，在分型面处设计了几处枕位镶件如1 4 ，这样可以采用线 切割的方法，单独加工镶件；转轴孔斜顶抽芯机构( 详见图2 6 ) 的顶针板用四 根复位弹簧1 6 复位，弹簧直径为e 2 5 r m ，并设计了两根支撑柱1 5 顶住动模，以 防止注射压力使模具变形。为便于塑料熔体的充模，本模具用抽真空的办法来辅 助成型。在动模上，沿塑件外沿设计了一条排气槽1 1 ，再在大镶件上加工排气 小孔( 尺寸为e 4 o m m ) ，用密封圈密封，并象冷却水道一样引至抽真空接口1 2 ， 与模胚外的抽真空设备连接。在模具合模注射的瞬间，抽真空系统开始抽真空。 由于模腔接近真空状态，所以了加快了溶体的流动，有利于塑料熔体的充模。可 以使成型时不需要很高的注射压力，避免了因提高注射压力带来的一系列其它问 图2 5 面盖注射模动模 1 0 、1 3 冷却水的进、出口1 1 排气槽1 2 抽真空接口1 4 镶件1 5 支撑柱1 6 复位弹簧 模具的整体结构如图2 6 所示。因为斜顶抽芯机构设置在定模，所以定模模 板要根据设计尺寸将厚度加大。考虑到斜顶杆2 0 的直径比较小，如果长度太长， 强度会受到影响，故斜顶杆没有直接顶到顶针板，而是用连接销1 9 连接过渡。 模具开闭器2 2 用于完成模具的二次分型，尼龙扣2 l 先把定、动模锁住，进行第 一次分型，即分离浇注系统凝料。第二次分型是定、动模开模，那时尼龙扣2 3 1 4 第2 章总体结构设计 固定在定模的回针上，定模顶出系统跟动模一起运动，推动斜项机构动作，完成 抽芯的整个行程。合模时依靠定模的回针与动模相碰，再加复位弹簧1 8 的弹力， 使斜顶抽芯系统复位。模具试模时，要根据实际情况，适当调节尼龙扣的松紧程 度，最终使机构的运动达到最佳状态。 j 7 1 8 i ， 2 0 2 l 图2 6 面盖注射模总体装配图 1 7 型腔1 8 复位弹簧1 9 连接销2 0 斜顶杆2 1 2 3 尼龙扣2 2 模具开闭器 2 6 2 镜片注射模“o 镜片属于薄壁零件，成型生产应防止塑件产生翘曲，一定要保证塑料熔体能 均匀、迅速地充满模具型腔，最大程度地避免或减少熔接痕，充分保障型腔中气 体的排出。薄型镜片模具的排溢系统的设计好坏相当重要，注射成形时，熔体填 充型腔要排出型腔及浇注系统的空气，以及塑料塑化和成形时产生的挥发气体， 否则会造成镜片的气泡、接缝、充填缺料等成形缺陷。图2 7 是手机镜片的产品 示意图。镜片厚度只有0 8 m m ，产品的厚度太小，塑件成形时很容易翘曲、产生 气泡：三个方形语音孔的存在，也给模具的设计制造增加了困难。由于镜片在手 第2 章总体结构设计 机上要透光显示，必须为透明色，而且注塑完成后，后面二次加工的工序还很多， 如：烫金、热转印、印镜面油墨、溅镀。所以，模具设计制造要考虑塑件注射成 型的外观，不能使产品有任何色斑、拉纹等缺陷，还应考虑注射成型后产品二次 加工的划伤问题。 图2 7 镜片产品示意图 如图2 8 所示，是模具的定模示意图。定模的设计很简洁，成型面都集中在 一块大镶块上。此外，定模上主要还有模具的浇注系统和冷却系统。因为浇口位 置不在塑件的纵向中心，因此浇口套应该在模板的横向中心，但不在纵向中心， 而是处于模板的纵向偏心位置。其位置尺寸要注意与浇口位置的尺寸设计相吻 合，处于模板的纵向准确位置。 曦一逮、 世 奄 击 磅黧 i 饿 ，耳，、 、 丫 f f 穗 、 艿 髟 j j 阽i 。咫尺- 錾v z 矿 t - 一， ，碜碜。 一一 u ， 垂 专e 掺一f步7 诊 图2 8 定模 1 6 第2 章总体结构设计 如图2 9 是模具的动模示意图。动模的结构比较复杂，模具的主要成型面都 在动模上。图中1 是复位弹簧，在对称位置共4 个。2 是冷却系统的水道，纵穿 模具四周。3 是冷料穴，因为手机镜片为透明色，表面质量要求很高，顶杆不能 在塑件的表面直接推出塑件，所以设计了6 个冷料穴，其功能除冷料、排气外还 可以保证产品的可靠推出脱模。冷料穴的分布如图2 9 所示：二条长边各2 个、 二条短边各1 个。由于这里的冷料穴还要起排气作用，所以设计了排气槽4 ，分 布在产品的四个角上从斜方向引出，其尺寸为：宽度4 0 6 0 衄、深度约0 0 1 5 、彦念， 节 u u 。澎； 玲 黼奄 书嬲 每 侉 1 黥 目 蕊迥篇 龉1 铡漪麓虻 r t 。丫 4 釜 喁寻雾 翻b 蹬 l8 、 徭 电 、 l 鼍矗* 仓 藩 泌照瓤惑，d 盘 矽 鹚每参黼 箱箩 、悉l 尽 厂 、朗轰 。 霜泓| v 渺f i 幽2 9 动模 1 复位弹簧2 冷却水道3 冷料穴4 排气