基于Moldflow手机后盖模具优化设计.doc

基于Moldflow手机后盖模具优化设计摘要 ：注射成型是热塑性塑料成型的主要方法之一，可以一次成型形状复杂的精密塑件。本设计是手机后盖塑料模具的设计，对零件结构进行了工艺分析，采用PC+ABS作为塑件的材料。首先利用MOLDFLOW软件对制品进行模流分析，主要对其浇口位置进行优化，选择最佳的浇口位置以及最好的工艺条件。然后采用单分型面，根据模具的型腔数目以及最大注塑量、注射压力、锁模力、模具的安装尺寸等因素选择了注射机，选择成型零部件的尺寸；采用侧浇口；利用直导柱导向，斜滑顶杆顶料,斜滑顶杆侧抽，同时完成侧抽和顶出完成脱模，并对模具的材料进行了选择，如此设计出的结构可确保模具工作运行可靠,而且我们还对对模具结构与注射机的匹配进行了校核。 关键词：注塑成型，模具，MOLDFLOW。 Abstract： Injection molding is one of the key ways of thermoplasticity plastic molding which can mold precise plastic part with complex shape. The design is a plastic mould design of the back over of mobile, which analysis part structural with PC+ABS as the material of plastic part. First, using MOLDFLOW software products for mold flow analysis, primarily in the gate position to optimize and to select the best gate location, as well as the best process conditions. The design adopt single parting surface, choose injection machine, the dimension of molding parts according to the factors of the number of molding die cavity and the maximum injection, injection pressure, locking force and so on, adopt fan gate, use straight guide pillar guiding, slanting ejector to eject materials and side core pulling to side core pulling and ejecting, and choose the materials of mold, which can ensure the reliability of molding.Key words: injection mold, mold process, MOLDFLOW1 绪 论1.1注塑模具现状1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80%以上，人们主要通过反复修模、试模达到较好的效果，现在已不能满足快速生产的要求，CAE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。1.2MOLDFLOW软件简介2Moldflow软件可以模拟整个注塑过程以及这一过程对注塑成型产品的响。Moldflow软件工具中溶合了一整套设计原理，可以评价和优化组合整个过程，可以在模具制造之前对塑料产品的设计、生产和质量进行优化。该软件是运用有限元技术对塑件进行模拟分析，可以建立双层面、中性面以及3D三种模型，且每种模型有相同的功能，也有独立的功能。Moldflow软件能通过模拟仿真，进行诸如填充、冷却、收缩和翘曲等分析，发现塑件在注射成型过程中，由于材料、成型工艺参数的不同，使塑件产生飞边、气穴、缩痕、翘曲、欠注以及熔接痕等各种各样的缺陷，从而进行相应的优化。1.3本论文的研究内容本文主要结合用户的需要对手机后盖模具进行了设计，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MOLDFLOW 软件对手机后盖注塑模具进行仿真，并应用它进行了手机后盖注塑过程充填模拟。在模拟过程中分析了各种注塑工艺参数如浇口位置、翘曲、压力等参数影响。在应用实例中以 MOLDFLOW 作为工具，以 PC+ABS 塑料为例，模拟了塑件的侧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。2 注塑机的选择2.1注塑机的选择通过塑件单个体积约为3.95cm3，两个约为7.90cm3。按经验公式计算得：实际注射量为V=1.67.90cm3=12.64cm3。查表得ABS密度取1.03g/cm3。过所需塑料质量为：实际注射质量为M=12.64cm31.03g/cm313.02g。锁模力的计算：被成型制品在成型时所需要的锁模压力必须小于注塑机的额定锁模力。制品在成型时所需要的锁模压力，即在注射和保压时保证动、定模不分离所应给予的力，一般可采用公式： F=PA计算，其中F-制品成型时所需要的锁模力。A- 制品的投影面积。P-型腔内部压力。通过三维建模软件分析，可知单个塑件投影面积约为2382.44mm2。两个面积约为4764.88mm2。按经验公式算得4764.88mm21.356432.59mm2。又因为制品材料为ABS,所以可选取P=35MPa所以 F=PA=6432.59mm235MP225140.6510-3KN225KN注射机的选择：查表得选择XS-ZY-125A型注射机2.2注射机有关参数的校核最大注射量的校核3 为了保证正常注射成型，注射机的最大注射量应稍大于制品的质量或体积（包括流道凝料）。通常注射机的实际注射量最好在注射机的的最大注射量的80%以内。所选注射机的最大注射量为60cm3利用系数取0.8。 0.8V=0.8125cm3=100cm3； V=12.64cm3； 0.8V V。即 最大注射量符合要求。注射压力的校核 安全系数去1.3，注射压力根据经验取80MPa。1.380MPa=104MPa；120MPa104MPa即 注射压力校核合格。锁模力校核 安全系数去1.2, 1.2F=1.2225KN=270KN，小于900KN，锁模力校核合格。第三章制品结构分析3.1手机后盖材料塑件所用材料为 PC+ABS。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-丁二烯-苯乙烯共聚物，其物理性能为综合性能较好、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 HIPS 差一点，比 PMMA、PC 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。ABS 工程塑料一般是不透明的，外观呈绿牙色、无毒、无味，兼有韧、硬、刚的特性。ABS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。3.2手机后盖零件结构分析图3.1 手机后盖制品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 PC+ABS，将它看作一般的弹塑性材料，其参数为：屈服强度为 80MPa，密度为 1140kg/cm3，弹性模量为 2.50GPa，泊松比为 0.3，手机壳体厚度为 1.5mm,手机总体质量为 80g。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，需采用侧抽芯机构。可设置侧型芯，利用侧滑块和斜导柱驱动，便于分型5。另外，为了从成型零件上顺利脱出塑件，必须在塑件内外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善充模流动性，同时增加美观程度。第四章MOLDFLOW模流分析4.1 浇口位置分析优化 首先通过自带的模型转换器，MOLDFLOW 将模型转换为自己可以识别的格式。有限元网格划分格式转换完毕后就要进行有限元网格的划分，有限元网格的划分是软件进行分析的基础，MOLDFLOW 可以完成划分工作。划分时，有限单元的大小很重要，有限单元大，即整体单元密度小，会造成分析结果粗糙、不精确。太小，整体单元密度大，分析时会占用大量机时。所以在划分时应根据模型的大小及复杂程度选择合适的有限单元密度，被分析模型的网格划分和修改是MPI 分析前处理中最为重要，同时也是最为复杂繁琐的环节。网格划分是否合理，将直接影响到产品最终的分析。本设计导入 MOLDFLOW 模形网格化后的手机壳模型如下图：图4.1手机壳网格划分分析前处理完毕后，首先进行最佳浇口位置的分析。因为准备采用单个浇口进浇方式，所以不需设定浇口，其分析结果会显示放置单个浇口的最佳位置。在设定分析次序中选择Gate Location选项，材料为Daicel Polymer Ltd制造商生产的PC+ABS材料，其牌号为Novalloy S 1220。工艺参数选择默认，执行分析。图4.2最佳浇口位置从上图中可以看出最佳浇口位置在盖体的中心位置。但是手机后盖是表面制品，保证制品表面光滑至关重要，再考虑到制品的结构，故采用三种浇口位置进行比较。浇口1 浇口2 浇口3图4.3 三种不同浇口位置4.2填充分析采用 MOLDFLOW 默认浇注系统和注塑工艺设置，对模型进行流动性能分析。结果表示流动前沿的温度分布情况。 浇口1 浇口2 浇口3图4.4 填充分析4.3 体积收缩率变化采用 MOLDFLOW 默认浇注系统和注塑工艺设置，对模型进行填充冷却分析。结果表示三种不同浇口的体积收缩率情况。浇口1 浇口2 浇口3图4.5 体积收缩变化 从制品结构，填充分析以及制品顶出时的体积收缩率情况来看，浇口3具有比较明显的优势，故本设计就采用浇口3的形式进行进料。4.4翘曲分析对于翘曲分析而言，产生翘曲变形的原因主要有 2 个方面： (1)不均匀冷却：不均匀冷却导致制品的温差很大，使制品在顶出后的二次收缩值相差很大。这种收缩差别导致弯曲力矩的产生而使制品发生翘曲。 (2)区域收缩：区域收缩是指不同区域之间的收缩不同而导致制品翘曲。通常，可以利用区域收缩来衡量制品不同区域收缩的差别，而用分子取向来衡量制品不同方向上的收缩变化。 从图5-1得知制件翘曲的值，最大为0.4186mm。制件后部的变形较大，要对制品变形的原因进行分析。首先分析冷却不均的原因，从图5-2看出冷却不均引起的翘曲值为0.0062，占据总的翘曲值的1.5%，那说明冷却不均不是变形的主要原因。在分析收缩不均的原因，从图5-3可以看出收缩不均引起的翘曲值为0.4185，占据总的翘曲值绝大部分，可见制件变形主要是由收缩不均引起的。收缩不均是由于保压不足所产生的，因此有效的措施是优化保压曲线。图4.6所有因素变形图4.7 冷却不均变形图4.8收缩不均变形由以上分析结果所得，由于手机后盖是表面件，对表面质量要求较高，所以针对体积收缩率问题较严重，采取以下措施；提高保压压力，保压时间，降低模温，料温降低来提高产品的表面质量。工艺参数设置如图所示，模具温度选择35C，料温选择250C，填充控制选择自动，速度/压力控制转换方式与初次分析相同，分三次保压，保压时间为4，12,4。提高保压压力。 图4.9 工艺参数4.5结果分析本次实验针对手机产品的特点，研究了手机外壳浇口位置分析、充填分析、翘曲分析和 DOE 分析优化（实验设计分析）相结合的优化设计方法，在设计前期避免将来成型时产品可能出现的缺陷，利用MOLDFLOW 的 DOE 技术，优化了制件的结构，在保证制件性能和功能的前提下，节省了材料，从而提高了产品设计的质量和效率，调节实验目标影响最大的实验参数取得了更好的实验效果，获得各个实验参数最佳水平组合。第五章注射模具设计5.1 型腔数目和分布由于塑件的形状简单，重量较轻，且生产批量大，但制品存在难以强制脱模的卡扣部分，必须采用瓣合式的模具，所以应使用单型腔模具。故采用一模两腔、平衡布置，这样模具的尺寸较小，生产率高，塑件质量可靠，成本较低。5.2 分型面的选择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外)、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。根据塑件形式，底平面为最大截面，以底平面为分型面可有效保证塑件的外观质量，且毛刺飞边易清除。故分型面选在底平面处。5.3 型芯和型腔5.3.1 型芯和型腔的结构6型芯、型腔有整体式和组合式两种形式。 由于塑件的结构简单，型腔和型芯加工较为容易，所以选用整体式的型芯和型腔。在动模板上直接加工型芯，定模板上直接加工型腔，辅以侧抽芯成型机构。 5.3.2 型芯和型腔的尺寸所谓成型零件的工作尺寸是指成型零件上直接用以成型塑件部分的尺寸，主要有型腔和型芯的径向尺寸、型腔的深度尺寸或型芯的高度尺寸等等。成型零件工作尺寸的计算方法一般按平均收缩率、平均制造公差和平均磨损量来进行计算。成型零件的公差等级越低，其制造公差也越大，因而成型的塑件公差等级也就是越低。实验表明，成型零件的制造公差，一般可取塑件总公差的1/3，即是/3。查表得PC/ABS的平均收缩率为=0.5%由于在成型过程中的磨损，型腔尺寸将变得越来越大，型芯或凸模尺寸越来越小。对于中小型塑件，最大磨损量可取塑件总公差的1/6，即是/6。 (1) 型腔径向尺寸 对于中小型塑件，计算公式为： =+ - 式中 型腔径向尺寸；塑件尺寸；平均收缩率； 塑件公差。 标注制造公差后得： =(2) 型芯径向尺寸 对于中小型塑件，计算公式为： =+ 式中 型芯径向尺寸；塑件尺寸；平均收缩率； 塑件公差。 标注制造公差后得： =(3) 型腔深度尺寸 = 式中 型腔深度尺寸； 塑件尺寸。(4) 型芯高度尺寸 =式中 型芯高度尺寸； 塑件尺寸。根据如上几个公式，得表如下：尺寸结果型腔径向尺寸4544.06 +00.086060.13+00.0855.04+00.08型腔高度尺寸1.51.502+00.083.53.506+00.08型芯径向尺寸4544.0960-0.086060.060-0.0855.060-0.08型芯高度尺寸1.51.460-0.083.53.480-0.08中心距尺寸2323.120-0.082727.080-0.085.4 浇注系统 组成浇注系统的零件有：定位圈、浇口套、拉料杆套、定模板（型腔）、动模板（型芯）、凝料推出杆。 使用XSZY60/40注射机时定位孔直径为80mm，与浇口套下部尺寸相差较大，故选用定位圈与浇口套组合的结构。 1） 定位圈 定位圈的外径为60mm，高度为8mm，中间与浇口套配合部分的直径为28mm。定位圈的材料选T10A钢，淬火处理HRC50-55。2） 浇口套 XSZY125A注射机的注射部分喷嘴球头半径为10mm，喷嘴直径为4mm。 浇口套凹球面半径为15.50mm，深度为3mm，进料口直径为5mm，出料口直径为8mm，外径为28mm。浇口套的材料选T10A钢，淬火处理HRC50-55。3）流道 主流道上端直径为5mm,下端直径取8mm，高度为55mm,锥角2.5。分流道由定模板和动模板共同形成，截面形状选用梯形，宽10mm，高1.5mm，拔模角5，流道长度56.50mm。4）浇口 浇口共有十种形式，按照塑件的结构特点选用潜伏式浇口，上圆直径2.5mm，下圆直径1mm，长度为21.50mm。 5.5 推出系统推出机构主要包括：推件柱、推件杆、导柱、导套、推件板、复位弹簧和推件板。其中： 1.推件板：为这个机构中的其它零部件提供一个支撑的平台。 2.推件柱：作用是对推件板施加力的作用使推件板能够动作，起到推件的作用。 3.推件杆：主要是为了将成型的塑件从型腔中推出。 4.导 柱：使推件板在其上滑动，起到引导方向的作用。 5.复位弹簧：在推件完成后起到自动弹性复位的作用。 合理的模具设计应该是在开模时使塑件脱离定模,包紧在动模上,并跟随动一起退回。通过动模一方顶出机构上的顶杆把塑件顶出, 脱离动模。这时就要在定模一方设计推出机构, 作为推出机构的推力, 强制迫使塑件与定模分离, 跟随动模一起退回并顶出。 5.6 侧抽芯机构由于塑件存在不利于直接分型的卡扣部分，所以要设计侧向抽芯机构，防止推出制品时，对塑件的外观质量产生损坏。在所有的侧抽芯机构中，斜导柱侧抽芯机构应用最为广泛。其基本结构组成它是由抽芯机构、和滑块型芯(成型元件)，导滑槽内作侧向分型与抽芯运动和复位运动的侧滑块(运动元件)，固定在定模板内与合模方向成为一定角度的斜导柱(传动元件)等零件组成的。开模时，定模部分向前移动，塑件包在动模上随着动模一起移动，在斜导柱的作用下，侧滑块带动抽芯机构在推件板上的导滑槽内向上侧作侧向抽芯。在斜导柱的作用下，滑块型心在推件板上的导滑槽内向下侧作侧向分型，侧向分型与抽芯结束，斜导往脱离侧滑块，最终完成侧向分型与抽芯。5.7 冷却系统在注射成型过程中,模具温度直接影响塑料的充模和塑件的定型,从而影响塑件的质量,因此,必须进行模具的冷却，使其温度保持在一定范围内。 要达到有效的模具冷却效果，就要设计合理的冷却系统，在设计过程中应使冷却孔道的中线与塑件表面的距离为冷却孔道直径的1-2倍，冷却孔道中心距应为冷却直径的3-5倍，如果冷却孔道间距较大，模具表面温度就不均匀，从而影响冷却效果7。 制造过程中应使冷却孔道距型腔壁不宜太远，也不宜太近，通常在12-20毫米范围内，以免影响冷却效果和模具的机械强度。由经验知识可知，冷却孔道直径应不小于9毫米，且凹模、凸模应分别冷却，并保证其冷却平衡。进、出水水嘴接头设在定模板两端处，这样布置将避免影响其他操作，同时还应保证水嘴和水管连接处密封，不能漏水。 由于制品材料为PC+ABS,其注塑温度在45左右，温度不是太高，所以一般采用水冷却。本塑件壁厚1.5mm，总体尺寸为45mm5mm60mm。尺寸不大，确定水孔直径为10mm，由于塑件高度较小，因此决定型芯型腔都选用直通式冷却水道。5.8 模架结构由经济原则决定采用，镶拼式型腔。由于塑件为矩形，且短边b=45mm，查表得凹模壁厚为910mm，模套壁厚为2225mm。（表为模具设计指导P205，表6-16。）所以选择型腔嵌件的尺寸为80mm60mm15mm（两个）。综合考虑经济及导柱导套各部分位置关系，决定采用香港龙记模架（LKM）公司的大水口系统模架，确定选用板面为180mm230mm。选AI型的模架，定模座板动模座板厚度均取20mm。下面为各模板尺寸确定：A板厚度A板为定模型腔板，塑件高5mm，模板上需要开设冷却水道，冷却水道距型腔需要一定距离因此，A板厚度取60mm。B板厚度B板为型芯固定板，取35mm。垫块厚度垫块厚度=推出行程+推板厚度+推杆固定板厚度+（510）mm=5mm+13mm+15mm+（510）mm=(3843)mm。查资料可得垫块厚度取60mm。 图5.1 模架5.9 注射模的设计结果参数 5.9.1模具闭合高度的校核由于XS-ZY-125A型注射机所允许模具的最小厚度为200mm，最大厚度为350mm。经计算模具的闭合高度为225mm，所以模具闭合高度满足安装条件。5.9.2模具安装部分校核该模具外形最大尺寸为200mm230mm，XS-ZY-125A型注射机模板的最大安装尺寸为360mm360mm，故可以满足模具安装要求。5.9.3模具的开模行程校核XS-ZY-125A型注射机的最大开模行程为325mm。为了使塑件成型后能顺利脱模，考虑到内抽芯单分型面结构，确定开模行程S应满足Smax大于完成内抽芯所用的开模距离再加上510mm，而Smax=325mm，所以满足要求。结论本论文主要包括利用MOLDFLOWE 软件对制品浇口位置以及其他工艺条件的模拟优化和利用SolidWork