基于Moldflow的手机壳体的模流分析及注塑模设计书.doc

基于 Moldflow 的手机壳体的模流分析及注塑模设计 摘要 本文设计采用一模两腔式的注射模 用于成型手机壳体 手机壳体的内部结构较复 杂 要求精度高 表面美观 首先使用 Moldflow 软件进行浇口位置的分析 然后进行 流动 冷却分析 软件还带有实验设计内容 利用正交兼因子实验法分析最佳工艺参 数 确定合适的加工条件 这极大地缩短了试模和调整工艺的工作量 更易在模具设 计中获得最佳质量的制件 此制件的注塑模具设计是基于 Pro E 设计 利用软件进行分型面 浇注系统和滑块 设计 装配模具 提高工作效率 模具结构为点浇口三板式模具 外侧抽芯机构采用 斜导柱定模抽芯机构和弹簧定模侧向抽芯机构 内侧抽芯采用斜推杆抽芯机构 同时 为了使得制件表面光滑美观 抽芯机构的摆放也尽量在侧表面不留下拼接痕迹 制件 的选用材料是新的塑料品种 PC ABS 能够提高手机的美观性 又由于其良好的流动 性 更易获得高质量的制件 关键词 Moldflow 侧向抽芯 点浇口 Pro E Moldflow Analysis Based on Moldflow And Design of Injection Mold For Mobile Phone Shell ABSTRACT This design uses a two cavity mold injection mold for forming cell phone cell phone shell s internal structure is complex requiring high precision and surface appearance First using Moldflow software for the analysis of location of the gate and then cooling analysis experimental design software with the content the use of orthogonal experimental method and factor analysis of the optimal parameters determine the appropriate processing conditions This greatly reduces pilot workloadmodel and adjusting the process more in the mold design to get the best quality parts The parts of the injection mold design is based on Pro E design the use of software surface casting systems and the slider design assembly tooling improve work efficiency Mold structure for the point gate three plate mold the lateral pulling mechanism with oblique column fixed mold core pulling mechanism and spring scheduled to side pulling mechanism the inner core with oblique pumping puttingpulling mechanism And to enable the workpiece surface is smooth and beautiful core pulling mechanism is also placed in the side of surface as possible without leavingtraces of stitching Parts of the new plastic material is selected varieties of PC ABS to improve the phone s aesthetics but also because of its excellent liquidity easier access to high quality parts KEY WORDS Moldflow side core pulling point gate Pro E 目目 录录 摘要 I ABSTRACT II 1 引言 1 2 产品成型方案的初步确定 3 2 1 手机壳体三维建模及结构分析 3 2 2 塑件材料的选择和成型特性 5 2 3 塑件体积 6 2 4 注射机选择 6 2 5 确定模具结构方案 7 2 5 1 型腔布置 7 2 5 2 分型面的设计 7 2 5 3 浇注系统的设计 8 2 5 4 塑件脱模机构的设计 9 2 5 5 侧向抽芯机构的设计 10 2 5 6 模温调节系统的设计 13 2 5 7 模架的选择 15 2 6 模具相关尺寸计算校核 15 2 6 1 注射机的校核 15 2 6 2 锁模力校核 16 2 6 3 喷嘴尺寸 16 2 6 4 定位圈尺寸 16 2 6 5 模具厚度 17 2 6 6 模具固定尺寸 17 2 6 7 开模行程的校核 17 2 6 8 成型零件壁厚计算 17 3 基于 Pro E 的模具设计 20 3 1 注塑模 3D 设计 20 3 1 1 建立新的模具设计文件 20 3 1 2 建立模具装配模型 20 3 2 运用 EMX6 0 设计模架 23 3 2 2 定制模架 24 3 2 3 装配原件 27 4 基于 Moldflow 的模流分析 29 4 1 Moldflow 软件概述 29 4 2 分析过程 30 4 2 1 导入 stl 格式的文件 30 4 2 2 划分网格 30 4 2 3 选择塑料种类 32 4 2 4 浇口位置分析 32 4 2 5 建模 33 4 2 6 布置冷却水管道 33 4 2 7 成型工艺窗口分析 34 4 2 8 DOE 流动分析 35 致 谢 46 参 考 文 献 47 1 引言 随着现代工业发展的需要 塑料制品在工业 农业和日常生活等各个领域的应用 越来越广泛 质量要求也越来越高 于是在塑料制品的生产中 高质量的模具设计 先进的模具制造设备 合理的加工工艺 优质的模具材料和现代化的成形设备等都是 成形优质塑件的重要条件 如果要想自己的产品不管在数量上还是性能上主导市场的 命脉 那么制品的设计制造工艺和设备先必须胜过别的企业 因此 注塑模具设计软 件和分析软件 Pro E 和 MPI 以及其他衍生软件变得尤为关键 设备的精密和合理性又是重在之重 于是注塑模具 CAD 系统的完善和研究就显得 特别的诱人 并且这门科学也就永远有它存在的意义 目前国内模具生产厂家工艺条 件的参差不齐 严重影响了模具精度和质量比如精密热处理环节 模具材料的不同使 得国产模具在外观质量和使用寿命上难以与国外产品匹敌国产模具多采用 2Cr13 和 3Cr13 而国外则采用专用模具材料 其综合机械性能 耐磨 耐腐蚀性能及抛光亮度 更为优越其次 标准化水平有待提升中国模具标准化工作起步晚 标准件的生产 销 售 推广和应用工作相对落后 目前模具标准件的使用覆盖率约 40 45 而国际 上一般高于 79 中小模具则更在 80 以上 2002 年我国模具总产值约为 360 亿元 其中塑料模约 30 左右在未来的模具市场 中 塑料模在模具总量中的比例还将逐步提高 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 除了彩电等音像产品外 笔记本电脑和网机顶盒将有较大发 展 这些都是塑料模具市场的增长点但是我国模具的发展仍然不能和国际接轨 要想 在模具上和国际先进水平媲美就必须做到以下几点 1 提高大型 精密 复杂 长寿命模具的设计水平及比例这是由于塑料模成型的 制品日渐大型化 复杂化和高精度要求以及因高生产率要求而发展的一模多腔所致 2 在塑料模设计制造中全面推广应用 CAD CAM CAE 技术 CAD CAM 技术已发展 成为 一项比较成熟的共性技术 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 3 推广应用热流道技术 气辅注射成型技术和高压注射成型技术采用热流道技术的 模具可提高制件的生产率和质量 并能大幅度节省塑料制件的原材料和节约能源 所 以广泛应用这项技术是塑料模具的一大变革制订热流道元器件的国家标准 积极生产 价廉高质量的元器件 是发展暖流道模具的关键气体辅助注射成型可在保证产品质量 的前提下 大幅度降低成本目前在汽车和家电行业中正逐步推广使用气体辅助注射成 型比传统的普通注射工艺有更多的工艺参数需要确定和控制 而且常用于较复杂的大 型制品 模具设计和控制的难度较大 因此 开发气体辅助成型流动分析软件 显得 十分重要另一方面为了确保塑料件精度 继续研究开发高压注射成型工艺与模具也非 常重要 4 开发新的成型工艺和快速经济模具以适应多品种少批量的生产方式 5 提高塑料模标准化水平和标准件的使用率我国模具标准件水平和模具标准化程度 仍较低 与国外差距甚大在一定程度上制约着我国模具工业的发展 为提高模具质量 和降低模具制造成本 模具标准件的应用要大力推广为此 首先要制订统一的国家标 准 并严格按标准生产 其次要逐步形成规模生产提高商品化程度 提高标准件质量 降低成本 再次是要进一步增加标准件的规格品种 6 应用优质材料和先进的表面处理技术对于提高模具寿命和质量显得十分必要 总的来说 要想在注射模具设计拥有国际的水平 就必须运用先进的软件进行提 高 才能领先于这一领域 2 产品成型方案的初步确定 2 1 手机壳体三维建模及结构分析 手机壳体的三维建模过程采用拉伸 剪切等操作命令完成 点击新建 勾选 和选项 输入名称 prt001 取消勾选 单击确定 勾选 选项 单击确定 系统进入新的界面 单击右方的 点击选项 单击定义 选择 top 面作为基准平面 单击草绘 系统进入草绘模式 绘制相应的草图 后 输入深度值 13 单击 出现图 2 1 所示的体积块 后续的步骤大同小异 在原 有的体积块基础上拉伸剪切或是打孔 不详细赘述 图 2 2 到图 2 5 是三维建模完成后 手机壳体的各个端面 其中绿色区域代表特殊部位 图 2 1 建立体积块 图 2 2 手机壳体后盖面 图 2 3 手机壳体前盖面 图 2 4 手机壳体后端面 图 2 5 手机壳体前端面 外观结构如上面图片所示 绿色区域为特殊部位 需要侧向抽芯 手机壳体平均 壁厚 1 0mm 内部小结构多 型芯型腔比较复杂 同时模具有三个外侧抽芯 两个个 内侧抽芯 抽拔距均很小 手机体积小 整个制件的尺寸为 长 x 宽 x 高 105x15x45mm 由于是手机壳体 所以该产品的精度要求比较高 表面光洁度很高 不得有裂痕 缺口 擦伤等明显缺陷 这就要求模具在各个面上不能留有明显的浇口 痕迹 由于制件形状较复杂 表面通孔较多 这就在模具结构 成型参数和工艺方面 有了更为严格的要求 这就需要合理的确定型芯分型面 加上复杂的外观和内部结构 合理的模具结构设计才能成型出合格的产品 2 2 塑件材料的选择和成型特性 目前 手机常用塑胶材料主要有 PC ABS 和 PC ABS 三大类 日本手机主要采用 PC ABS 甚至采用 ABS 做手机外壳 韩国几家于机制造商最早采用纯 PC 材料 GE 公司原来不推荐采用 PC 材料做手机外壳 主张采用 PC ABs 材料 但最近一两年也推 出适合做子机外夫的 PC 材料 例如 EXLl414 141R SP1210R 等 近年来 各大手 机厂商采用 PC 材料做手机壳什的比例正在逐渐上升 代原料主要供货商是 GE SAMSUNG LG 等 表 2 1 为几种材料的一般特性表 表 2 1 三种常用手机材料的性能数据 1 PC PC 学名聚碳酸酯 材料的性能特点 强度高 抗拉伸强度 69MPa 抗弯曲强度 96MPa 耐高温 长期使用可耐 130 摄氏度温度环境 透明性好 无毒 原料配色及表面涂覆不如 ABS Pc 应选高流动性牌号 适用于在恶劣环境下使用的手机 2 ABS ABS 丙烯脂 丁二烯 苯乙烯共聚物 材料的性能特点 强度低 抗拉伸强度 43MPa 抗弯曲强度 79MPa 不耐温 长期使用温度不得高于 60 摄氏度 流动性 着色及表面喷涂和电镀性能均好 3 PC ABS PC 与 ABS 的合成材料 取前面两者之特点 具有优良的成型加工性 能 流动性好 强度较高 抗拉伸强度 56MPa 抗弯曲强度 86MPa PC ABS 材料主 要用于直板机和一般外观 色彩要求高而对环境无特殊要求的翻盖机 综合各个因素考虑 由于此手机壳体属于索爱系列 色泽为明亮的黄色 是对色 泽要求高的直板机 对环境无特殊要求 但需耐摔 强度应相对大一些 同时考虑到 手机壳体的结构复杂 要求的精度高 为了使加工简易 选用 PC ABS 选用型号为 Lupoy GN 5001RFA 韩国 LG 公司的产品 其工艺参数如下表 2 2 所示 材料强度 拉力 Mpa 硬度 洛氏 R 温度 使用 其它特性 PC69120130无毒 透光 低温特性较好 ABS4310060配色 喷涂 电镀等特性好 PC ABS5611060各项性能居中 加工 流动性 好 表 2 2 PC ABS 工艺参数 熔融 1 0395g cm 密度 固态 1 1937g cm 模具温度50 80 热变形温度80 90 熔化温度 235 275 收缩率0 5 0 7 注射压力取决于制件 干燥条件90 110C 2 4 小时 最大剪切应力0 4Mpa 最大剪切速率40000 2 3 塑件体积 流动塑件的体积采用 Pro E 里的分析质量属性 制件参数如下 体积 14 404609 3 cmg 密度 1 0395 3 cmg 质量 14 97g 2 4 注射机选择 初步选择注塑成型机主要技术参数如下 表 2 3 注射机主要技术参数 型号 XS Z 60 锁模力 500KN 理论注射量 60cm 移模行程 180mm 定位孔直径55mm最大模具厚度210mm 注射压力150Mpa最小模具厚度 70mm 喷嘴球半径15mm喷嘴口孔径 3 5mm 2 5 确定模具结构方案 2 5 1 型腔布置 由于制件体积小 又由于其侧抽比较多 外侧抽布置在三个方向上 内部两个内 侧抽 可采用一模两腔的形式 即可保证精度 又能提高生产效率 型腔布置如图 2 6 所示 型芯型腔均为矩形 且为整体嵌入式结构 图 2 6 型腔布置图 2 5 2 分型面的设计 由于分型面受到塑件在模具中的成型位置 浇注系统的设计 塑件的结构工艺性 及精度 形状以及摧出方法 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 选择分型面时一般应遵循以下几项基本原则 分型面应选在塑件外形最大轮廓处 确定有利的留模方式 便于塑件顺利脱模 保证塑件的精度 满足塑件的外观质量要求 便于模具制造加工 注意对在型面积的影响 对排气效果 对侧抽芯的影响 在实际设计中 不可能全部满足上述原则 一般应抓住主要矛盾 在此前提下确 定合理的分型面 确定制件的分型面位于制件的前盖面 如图 2 3 制件脱模时留在 动模上 利于内侧抽芯 2 5 3 浇注系统的设计 1 浇口设计 制件的最佳浇口位置在中部蓝色区域 详见 4 2 4 为了使侧表面不留痕迹 制件 采用点浇口 点浇口在开模时容易实现自动切断 在制件表面留下的痕迹很小 因此 被广泛使用 浇口的具体形式如图 2 7 所示 图中与浇口相接的流道下部具有圆弧 R 增加了此处的截面积 减少了塑料的冷却速度 有利于补料 效果较好 图 2 7 点浇口尺寸 2 主流道设计 为了有效传递保压压力 浇注系统主流道及其附近的塑料熔体最后应该固化 主 流道与喷嘴接触处多做成半球形的凹坑 二者应严密的配合 避免高压塑料熔体溢出 凹坑球半径应比喷嘴球头半径大 1 2mm 主流道小端直径应比注塑机喷嘴孔直径 0 5 1mm 大端直径应比主流道深度大 1 5mm 以上 其锥角不宜太大 一般取 2 6 具体 尺寸如图 2 8 所示 图 2 8 主流道衬套与定位环分开设计 3 冷料井结构设计 由于浇口形式是点浇口 模具具拉有双分型面 可采用带球形头拉料杆的冷料井 中间型腔板可作为推件板使用 塑料计入冷料井后 紧包在拉料杆球形头的侧凹内 开模时即可较主流道凝料从主流道中拉出 球头拉料杆的根部固定在动模边得型芯固 定板上 不随推出装置移动 故当推件板推塑件时 将主流道凝料从料杆球头上强制 推下 如图 2 9 所示 图 2 9 球头拉料杆 4 分流道设计 分流道常见形状有圆形 正六边形 梯形 半圆形 矩形等数种 希望选取易于 加工 且在流道长度和体积相同的情况下流动阻力和热量损失最小的断面形状 圆形 断面流道比表面积最小 故热量损失小 阻力亦小 但是需要同时在定模和动模上同 时加工 而且要相互吻合 故制造比较困难 费用高 梯形断面分流道只切削加工在 一个模板上 节省机械加工费用 故为最常用形式 其具体尺寸如下图 2 10 图 2 10 分流道形状及尺寸 2 5 4 塑件脱模机构的设计 1 脱模机构 注塑模必须有准确可靠的脱模 以便在每一循环中将塑件从型腔内或型芯上自动 脱出模外 脱出塑件的机构成为脱模机构 此制件特殊的形状和点浇口形式决定了脱 模机构必须是顺序分型机构 采用拉钩压棒顺序分型机构 如图 2 11 所示 由于拉钩 够紧挡块 使主分型面 B B 不能打开 开模时先从 A A 处拉开 定模型芯从制件中拉 出 拉开一段距离后 压棒使拉钩摆动 挡块脱钩 限位螺钉起定距作用 模具从 B B 面分型 图 2 11 拉钩压棒式顺序分型机构 2 浇注系统凝料的脱出机构 采用针点浇口的三板式模具常用以下办法使浇注系统自动脱出 其中最常用的最 简单的就是利用斜孔拉断浇口脱出浇注系统凝料 在针点浇口对面定模底板上的分流 道尽头穿一个斜孔 分型时由于斜孔内凝料的限制 使分流道凝料拉向定模地板一边 具体尺寸要求如图 2 12 图 2 12 利用斜孔拉断针点浇口 2 5 5 侧向抽芯机构的设计 对于大批量生产的制件来来说 分型机构的抽芯动作均采用机动式分型抽芯机构 来完成 常用的机构有弹簧 弯销 斜导槽 斜滑块 斜槽 齿轮齿条等 此手机壳 体的实际抽拔距均在 1 2mm 之间 加上安全距离 2 3mm 抽拔距离仍旧很小 一般 来说 抽拔距小 抽拔力不大的侧向抽芯可使用简单的弹簧侧抽或者斜推杆侧抽 下 面将制件的几个特殊部位作具体分析 1 手机壳体前端面 此制件的前端面 如图 2 4 的两个孔可以做成一个整体的滑块进行侧向抽芯 由 于两个孔的间距相对较远 可采用斜销抽芯来适度增大平稳性和可靠性 又为了不与 复位杆发生干涉 采用斜销和滑块均在定模一侧的抽芯机构 这种结构形式最适用于 点浇口双分型面的注塑模 定模中间板和定模底板之间的分型即可用来抽出侧抽芯 又用来脱出点浇口 做到了一举两得 具体尺寸要求及校核计算 斜销的斜角一般为 15 20 斜销与固定板间采用过渡配 合 由于斜销只起驱动滑块的作用 滑块的运动精度由导滑槽和滑块间的配和精度保 证 滑块与斜销采用比较松动的配合斜销的头部可做成台锥形 头部的斜角设计得大 于斜销的倾斜角 这样锥形头部分不再驱动滑块 定模侧抽时 只要保证斜销不离开 滑块 则不需要滑块定位装置 如图 2 13 所示 抽拔行程为 S 8mm 由于抽拔距小 斜角 可以取小些 取为 18 间隙 0 8mm 刚进入滑块部分的倒角 r 2mm 小于契 紧块的倒角 R 锥角处长度在 10 15mm 之间 大端直径 D d 5mm 9 5 14mm 导滑 槽做成组合式 T 型 滑块和滑槽上下左右各有一个面配合 动配合 H7 f7 其余面各 留 0 5 1mm 的间隙 滑槽长度应是宽度的 1 5 倍 滑块离开滑槽停止运动时 留在滑 槽内的尺寸不小于其宽度 避免滑块倾斜发生复位困难 图 2 13 斜销的安装尺寸 2 手机壳体后端面 制件后端面的孔由于在长度方向上比较宽 抽拔距只有 1mm 孔比较接近分型面 在其上打孔容易与复位杆干涉 因此使用如图 2 14 这种简单的定模弹簧外侧抽芯结构 是简单方便的 它的结构特点是将斜滑芯用斜导杆装在型腔板上 并与定模的斜面研 合后锁紧 开模时 在塑件脱离型腔的同时斜滑块在弹簧的作用下 沿斜导杆随塑件 移动 开始侧抽工作 抽芯完成时 斜导杆的台肩使斜滑芯限位 并停止移动 并依 附于型腔板上 合模时 动模压动斜滑芯沿斜导杆方向复位 图 2 14 定模弹簧外侧抽模 3 内部卡扣 内部的两个卡扣的侧向抽芯经常采用顶出式抽芯机构 这里采用斜推杆内侧抽芯 结构简单抽芯可靠 其结构如图 2 15 所示 图 2 15 斜推杆内侧抽芯 4 侧边的小侧抽 在侧向的抽芯采用弹簧侧抽 既简单又方便 在型腔板上开加工一个台阶孔即可 其具体结构如图 2 16 所示 开模时 动定模分开 侧型芯在弹簧力作用下进行抽拔 最终位置由限位螺钉限位 合模时 契紧块压住型芯使其复位 抽拔距 S 如图所示 图 2 16 弹簧侧向抽芯机构 2 5 6 模温调节系统的设计 注塑模具型腔壁的温度高低及其均匀性对成型效率和制品的质量影响很大 因此 冷却水道的布置以及冷却时间等对成型出的制品的影响很大 1 设计原则 1 优先考虑冷却管道的位置 再综合考虑脱模机构的零件布置和镶块结构 2 要保证实现管道冷却水湍流状态流速和流量 还要保证足够的水压 出水温 度与进水温度相差不能太大 一般 5 左右 3 管道直径一般取 8 25mm 管道过细加工和清理困难 水垢和铁屑会使冷却 效率变低一个数量级 因此需要定期清理 或用软水把孔壁做磷化处理 4 冷却管道一般选在距型腔 12 15mm 过大会使冷却不均 过小孔壁承受高压 后 由于变应力和剪切应力及其综合变形作用 在孔中央会出现型腔壁压塌的现象 5 浇注系统需加强冷却 可以采用较冷的水进入的方法 6 冷却系统先于推出系统的设计 7 注意凹模和型芯的热平衡 8 对于简单的模具 可先设定冷却水的温差 然后计算冷却水的质量 冷却管 道的直径 以保证急促的流速以维持这一流速所需的压力降 2 冷却系统设计计算 1 冷却时间计算 2 1 式中 S 制品的壁厚 mm 塑料注塑温度 C 模具型腔壁温度 m 塑件脱模时的平均温度 塑料热扩散系数 smm 2 1 a 代入数据即 2 冷却水体积计算 2 2 2 21 60ttC G V i 式中 V 所需冷却水体积流量 min 3 m 2 2 1 2 2 8 ln m mc a s t st42 5 7080 70265 14 3 8 ln 10103 114 3 1 2672 G 单位时间内注入模具内塑料熔体的质量 hKg 成型时塑料单位质量释放的热量 iKgJ C 冷却水的比热容 KkgJ 冷却水的密度 3 mkg 冷却水出口温度 1 tc 冷却水入口温度 2 tc 水的比热容 C 是 冷却水的密度 1000 设置冷却水进出 3 102 4 KkgJ 3 mkg 口温度差为 3 入口温度为 60 出口温度为 57 成型时塑料单位质量释放的热c c c 量为 单位时间内注入模具内塑料熔体的质量 i 5 102 3 KgJ hKgskgV t G 534 15 004315 010000395 1 30 42 5 75 0 75 0 代入数据得 min 035 0 310102 460 102 3534 15 3 33 5 mV 3 计算冷却水路 导热总面积 2 3 2 3600 QW i TT G A 式中 A 冷却水道导热总面积 3 m 冷却水导热率 模具成型零件表面温度 W T 冷却水平均温度 Q T 代入数据得 32 54 5 10472 1 10 5870 1093 2 3600 102 3534 15 mA 4 确定冷却水路的直径 计算出冷却水的体积流量后 可根据冷却水出于紊流状态下的流速与通道的关系 确定模具冷却水路直径 d 查表 8 2 得 d 8mm 5 冷却水孔总长度 2 4 2 1000 d A L 式中 A 冷却水道导热总面积 3 m d 冷却水路直径 mm 代入数据得 mL586 0 814 3 10472 11000 2 6 冷却水路条数 n 2 5 2 l L n 计算得 n 2 3 冷却水路的结构形式确定 冷却介质普遍采用水作冷却介质 沟道式冷却结构简单 冷却效果好 冷传导系 数 制件的体积小 型芯和型腔板均比较薄 因此为防止漏水 节省工艺成本 64 0 在定模底板和支撑板上开设冷却水通道 冷却效果相对较好 2 5 7 模架的选择 基于模具为一模两腔 制件尺寸为 105x15x45mm 且制件的型腔和型芯结构形式 为整体嵌入式 外侧抽机构为斜导柱和弹簧侧抽机构 综合以上各个因素考虑 选用 250 250mm 的模架 其具体尺寸见图 2 17 图 2 17 标准模架 2 6 模具相关尺寸计算校核 2 6 1 注射机的校核 1 注射压力的校核 前边已选择注射机类型为 XS Z 60 具体参数详见表 2 3 PC ABS 要求的注射压力较大值为 120MPa 注射机的注射压力为 150Mpa 注射 压力 型腔流动阻力 浇注系统压力损耗 喷嘴压力损耗93mm 故校核满足要求 2 6 8 成型零件壁厚计算 1 矩形型腔侧壁厚度计算 整体式矩形行腔任一边均可以简化为三边固定一边自由的矩形板 当塑料熔体 注入时其最大变形发生在自由边的中点 变形量 max mm 为 2 10 4 max 3 cph Ea 式中 c 由 L h 而定的常数 其值可查表 3 5 3 5 L 侧壁内侧长 mm h 侧壁内侧高 型腔深度 mm p 型腔内压力 MPa E 模具材料弹性模量 a 侧壁厚 mm 塑料内压力为 p 40Mpa 按允许 计算侧壁厚度 4 3 cph a E 整体式矩形型腔侧壁强度计算较为复杂 但通过多例计算分析得知 应变和应力 有一定的对应关系 在塑料压力 p 40MPa 的情况下 应变 L 6000 时 板的最大应 力接近于 45 号钢的许用应力 200MPa 再大则超出应力许用值 因此可以用 L 6000 代替强度条件 以允许变形量 0 05mm 作刚度条件 则强度计算与刚度计 算的分界尺寸为 L 300mm 当型腔 L 300mm 时 按允许变形量 即 0 05mm 计 算壁厚 当 L 300mm 时 按允许变形量 L 6000mm 计算 其中 c 0 392 p 30MP h 30 E 2 1x105MP 代入公式得 a 17 15mm 实际侧壁厚度取 20mm 符合要求 2 型芯支撑板厚度计算 由于下模采用了整体式型芯 且是镶嵌在模板上的 故这里只计算模板底板厚度 这里可以将其看作型芯支撑板厚度计算 由于两个型芯位置不同 但在模板上 其受力亦可以简化为两个单型芯支撑板计算 按刚度计算支撑板厚度为 2 11 2 3 4 21 E plC S 式中 S 型腔腔底的厚度 mm 型腔短边长度 mm 2 l 系数 根据型腔边长比 查表 1 C 21 ll 2 35 E 弹性模量 MPa 代入数据得 按强度计算底板厚度为 mmS25 21 05 0 101 2 0164 0 1201040 3 5 46 2 2 2 1 2 p lH 12 式中 型腔材料的许用应力 MPa 型腔边长比 12 ll 代入数据得 mmH36 30 140 88 0 1 2 40 110 由此 模板厚度应大于等于 30 36mm 实际设计厚度为 35mm 符合要求 3 基于 Pro E 的模具设计 3 1 注塑模 3D 设计 3 1 1 建立新的模具设计文件 点选文件 新建或点击 新建 图标 弹出新建对话框 在类型栏选择制造 在 子类型栏选择模具型腔 名字栏中输入 shoujiketi 取消选择使用缺省模板 单击 按钮 然后出现新文件选项对话框 选择 mmns mfg mold 单击按钮 即进 入模具设计环境 此时画面上显示坐标系 MOLD DEF CSYS 及基准平面 MOLD FRONT MOLD RIGHT MOLD PARTING PLN 3 1 2 建立模具装配模型 1 导入参考零件 依次点选 Pro ENGINEER 主菜单中的模具模型 定位参照零件 创建 出现版面 对话框 在对话框中单击图标 在打开对话框中选择 prt001 prt 在弹出的创建参 照模型对话框中参照模型类型处选择按参照合并 在参照模型名称处输入 prt001 ref 单击按钮 点击选取参照模型起点 点击动态 在版面对话框 在布局中选择两腔 调整合适的坐标系位置点击按钮 可以看 到完成调整后的模型 2 创建并装配模具工件 点选模具功能菜单模具模型 创建 工件 手动 拉伸 在一个平面中绘制如图 的矩形 单击 所拉伸的模具工件并装配完成 如图 3 1 所示 图 3 1 模具装配模型 3 设置收缩率 点选模具功能菜单收缩 点选零件模型 再依次点选公式 1 S 完成 按比例 设置 复位 所有尺寸 收缩率 关系之后 再输入窗口输入 0 005 作为收缩率的值 点击 完成 点选菜单管理器中的收缩可查看收缩信息 如图 3 2 所示 点击完成 返回 图 3 2 收缩信息窗口 4 设计分型面 1 在设计分型面 先将毛坯工件临时隐藏起来 便于后面复制参考模型的曲面 如图 4 4 所示 在模型树列表中的 shoujiketi REF PRT 组件上单击鼠标右键 在弹出的 菜单中选择遮蔽命令 将毛坯工件临时隐藏起来 2 单击系统工具栏中无隐藏线开 关按钮 3 选择菜单管理器中的分型面 4 选择菜单管理器中的特征 型腔组件 曲面 复制 完成命令 用复制参考模型内表 面的方法产生分型面 5 系统弹出如图 3 3 所示曲面复制对话框 选择曲面选项 单击 参照 按钮 系 统提示选择要复制的曲面 图 3 3 复制曲面 6 选择参考模型内表面曲面 7 单击选取对话框中的确定按钮 结束曲面选择 8 单击曲面复制对话框中的确定按钮 结束曲面复制 9 逐一选择菜单管理器中的完成 返回 完成 返回命令结束分型面命令 10 选择模型树中的参考模型 shoujiketi REF PRT 单击鼠标右键 在弹出的菜单 中选择遮蔽命令 将参考模型隐藏起来 11 选择模型树中的毛坯工件 单击鼠标右键 在弹出的菜单中选择取消遮蔽命 令 重新显示毛坯工件 12 复制的分型面上有很多不完整的截面 接下来的工作就是把这几个孔补起来 利用边界混合工具补孔 选择菜单中的边界混合 13 系统弹出边界混合对话框 显示已经产生的分型面 选择孔的边界 对分型 面进行修改 14 选择菜单管理器中的特征 型腔组件 曲面 合并 完成命令 15 选择前面建的分型面将其合并 单击确定按钮 单击菜单中的完成 16 依次选取其他边界 按上述操作合并其他边界混合后的面组 18 首先生成型芯体积块和型腔体积块 在工具栏中点选分割按钮 两个体积 块 所有工件 完成 选择 PART SURF 1 后点击选取菜单中的 再点击分割对话 框中的 此时在体积块名称中输入显亮的体积块名 依次把各个零件分割 如图 3 4 所示 图 3 4 分割体积块 19 在模具主菜单中 依次点选模具元件 抽取 弹出 创建模具元件 对话框 选取型芯 型腔及九个镶块体积块 单击 完成 返回 完成模具零件的建立 此 时子模型树上会发现新增的零件文件 20 在模具主菜单中 依次点选模具进料孔 定义间距 定义移动 点选型腔作 为要移动的零件 点击选取单中的 选择型腔上表面作为移动参考方向 最终生成的分型面如图 3 5 所示 图 3 5 分型面开模状态 3 2 运用 EMX6 0 设计模架 专家模架系统 EMX6 0 Expert Moldbase Extension 是 Pro E 的一个专业用户插件 属于 Pro ENGINEER MoldShop 套件的一部分 用于设计和细化模架 用专家模架系统设计模座的流程如下 a 建立新项目 b 导入模具模型及其组件分类 加载模座及其修改 c 加入顶出杆 d 自定义滑块和模具分型机构 e 装配零件 f 创建冷却水管道 g 创建契紧块 d 开模仿真 3 2 1 创建新项目 点击 EMX6 0 菜单 项目 新建 用 EMX6 0 设计模架以前 首先要指定项目的 名称 零件前缀名 主要单位等要素 这样定义的项目才规范且便于日后管理 选择 主要单位处选择 mm 在基体类型中您可以将模架创建为 Pro E 组件或 Pro E 制造模型 两者只有细微差别 在这里选择组件 单击确定 3 2 2 定制模架 1 模架选择 点击 EMX6 0 模架 组件定义来进行模架的选择 点击载入 EMX 组件模架类型 点击确定 系统会自动载入模架 EMX6 0 提供了相当丰富的模架 囊括了几乎所有通 用的标准模架 其方便快捷的用户设计系统更是增加了灵活性 其中有许多厂商可供 选择 每个厂商又有不同的型号 可以通过单击来选择模架装置 依据制件的结构 方案 选择三板式双分型面模具 厂家为 futaba s 尺寸为 250 x250 右击图各个零件 可进行尺寸的修改及类型的选择 原始尺寸在图中有标识 修改之后即可得到所要的 模架如图 3 6 图 3 6 新项目定义对话框 2 添加主流道衬套和定位环 点击组件定义 选择主流道衬套 选择型号和尺寸 选择放置的点和面 单击确 定均可 定位环分别装在动模底板和定模底板上 3 型腔切槽 在模架定义对话框中单击切口按钮弹出型腔对话框 单击型腔切口中的按钮 在单击确定可以看到动定模板都相应的切出了型腔切口 如图 3 7 所示 图 3 7 型腔切槽的设置 4 自定义元件库 模架内有很多未定义的机构 必须使用 Pro E 进行零件的绘制 需要绘制的有弹簧 和侧向滑块 顺序分型机构的拉钩和压棒 有时候可以对建好的零件图进行部分组装 此时可以新建一个 asm 文件 将部分制件组装到一起 如图 3 8 所示为滑块和拉钩的 组合图 5 导入模具装配模型 点击右边工具栏中的图标 弹出打开文件对话框 选择要装配的模型 sjkt asm 确定后系统弹出元件放置对话框 用坐标系对齐的方式装配参考模型 选择重合 单 击 类似的将各个零件采用平面或滑动杆对其的方式安装在正确位置 点击编辑的 元件操作 选择切除 点击要切除的板块 单击确定 再选择元件 点击确定 然后 单击完成 这样在对应的板上开出一个相应的孔 图 3 8 零件组装图 图 3 9 元件配对组装图 6 绘制顶杆和冷却水道 打开制件的图 在相应要设置顶杆的位置加入基准点 关闭窗口 打开 mqt asm 点击顶杆设置 对应的基准点选择 顶杆自动生成在相应的位置 冷却水道的布置也 是在相应的平面草绘水道线 然后点击冷却水道 自动生成相应直径的水道和水嘴 至此 最重要的部分已经完成 至此 大部分的元件已经成型 7 对元件进行分类 接下来 对型芯和型腔嵌件组件元件进行分类 以使 EMX 能够识别它们 通常 将所有元件归类为其它 如果工件名为 WORKPIECE 则 EMX 自动对该元件进行分 类 对于使用 型腔布局 功能创建的组件来说 这一步骤是必需的 点击 EMX6 0 菜单 项目 分类 弹出对话框 分别对参考模型 动模 定模以及滑块 进行分类 8 完成项目 EMX6 0 模板中有很多隐含特性 在设计阶段结束时 此时应该不需要对板进行修 改 请使用完成项目删除所有隐含的特性 在删除所有隐含的特性后 您可能无法对 模架进行较大的更改 3 2 3 装配原件 默认情况下 模板是 EMX6 0 模架组件模型中唯一可见的元件 如果是载入的标 准模架 即使您没有指定螺钉 系统也会定义 点击 EMX6 0 菜单 模架 元件状态 弹出元件状态对话框 如图 3 10 所示 选 择所有选项 单击确定 系统自动装配导向件 然后作成开模状态 如图 3 11 所示 图 3 10 装配元件选择对话框 图 3 11 开模状态图 运用 EMX6 0 装入模架后 整个模具就算完成了 然后利用 EMX6 0 进行开模仿 真运动 观察模具的开合模状态 4 基于 Moldflow 的模流分析 4 1 Moldflow 软件概述 Moldflow Insight 2010 软件是一款专业的模流分析软件 简称 MPI 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 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 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 4 2 分析过程 4 2 1 导入 stl 格式的文件 将手机壳体的三维造型设计在 Pro E 中保存为 stl 格式 在 Moldflow 软件中新建一 个项目 导入 stl 文件 选择网格划分方式为 Dual Domain 自动生成图像 如图 4 1 所 示 图 4 1 导入的 stl 文件 4 2 2 划分网格 在分析之前 首先要对模型进行网格划分 网格划分的结果直接影响着最终分析 结果数据的准确性 接下来设置边界密度 边界划分的越细 单元匹配率可能就越高 分析结果就越精确 但是边界密度越细 分析占用的时间就会成几何级数增长 因此 选择一个合适的参数很重要 由于制件的比较小 加上壁厚比较小 因此初步设定网 格划分设置边界密度为 2mm 划分后起始数据如图 4 2 所示 图 4 2 网格分析初始数据 为了达到分析结果的精确性 自动生成的网格必须满足以下要求 1 连通域为 1 2 自由边和非交叠边的个数为 0 3 未定向的单元和交叉单元个数应该为 0 4 单元纵横比最大值控制在 7 以下 5 网格匹配率应该在 90 之上 由上图知最大纵横比是 42 767 过大 必须进行手动调节 而其他项均符合要求 下面对最大纵横比进行调节 其中的调节方式可以有合并节点 移动节点 重新排列 节点等多种方式调节 图 4 3 是移动调节的前后对比图 图 4 3 通过移动节点减小纵横比 改动后的纵横比如图 4 4 所示 图 4 4 纵横比调节后 网格统计结果如图 4 5 所示 图 4 5 修改后的网格统计结果 至此 手机壳体的划分网格已经达到要求 已经可以进行比较精确的分析 4 2 3 选择塑料种类 在 Moldflow 软件中自带有非常全的材料数据库 挑选了 LG 公司的 Lupoy GN 5001RFA 型号的 PC ABS 塑料 其具体性能数据在表 2 1 已经详细描述 4 2 4 浇口位置分析 浇口的位置分析设置的工艺条件为系统默认的平均值 分析的最佳浇口区域如图 4 6 所示 图 4 6 浇口最佳位置分析 从色带图可以看出塑件的中部蓝色区域为设置浇口的最佳位置 因此将浇口位置 设置在中部的蓝色区域 浇口类型为点浇口 这样可以使流动性最佳 4 2 5 建模 选定浇口位置以后需要进行浇注系统的创建 浇注系统的创建有两种方式 向导 式以及手动创建 因为选用的是点浇口 因此采用向导式可以更精确的创建浇注系统 操作步骤如下 首先点击菜单栏建模 移动 旋转 开模方向与 Z 轴正向重合 然 后手动设置浇口位置 运用建模 型腔布置 选择合适的型腔相隔距离和布置方式 接着选择建模 浇注系统的创建 选择合适的点浇口 分流道和主流道的尺寸 至此 浇注系统的创建完成 可以进行下一步的分析 4 2 6 布置冷却水管道 在 moldflow 软件自带有冷却分析的功能 可以进行冷却水管道布置和冷却效果分析 点击浇注系统类型分析 选择 cool 创建冷却水管道 设置管道数为 2 到制件表面距 离为 18mm 管道直径为 8mm 完成后的布置形式如图 4 7 所示 图 4 7 建模和冷却水管道布置完成后的图形 4 2 7 成型工艺窗口分析 Moldflow 软件中带有成型工艺窗口 molding window 分析 它能帮助初步找到 的合适的工艺条件 同样的点击任务栏中的 molding window 不修改工艺参数 默认 为系统的平均值 点击开始分析 过一段时间后 分析完成 分析日志显示如下 Recommended Mold Temperature 推荐模具温度 70 00 C Recommended Melt Temperature 推荐熔体温度 275 00 C Recommended Injection Time 推荐注射时间 0 3988 s 从