手机外壳设计加工全过程的研究.doc

顺风机械设计工作室QQ 401339828 机械设计，模具设计，夹具设计等专业团队目 录第一章 新款手机外壳造型设计31.1 手机外型的市场调研31.2 外型设计方案的选择3第二章 新款手机外壳模具设计122.1 手机外壳材料的选择和分析122.2 手机外壳的工艺分析132.3手机外壳模具的组成142.4 手机外壳模具材料的选择152.5 手机外壳模具设计手段的选择152.5.1模具传统设计与软设计的比较152.5.2 UG MoldWizard模块简介162.6 手机外壳模具设计过程详解162.6.1 手机外壳设计任务162.6.2初始化项目172.6.3 定义模具坐标系182.6.4 定义模具收缩率182.6.5 定义成型工件192.6.6 模腔布局202.6.7 编辑插入腔体212.6.8 产品的分模设计过程22第三章 手机外壳注射模的数控加工343.1 手机壳模具型芯的数控加工（利用UG软件）34第四章 疑难问题的探索与思考56小 结62参考文献63 手机外壳设计加工全过程的研究 摘 要：本文以手机外壳为例，介绍了从产品市场调研到三维设计、模具设计和数控编程加工等注塑模设计制作的整个流程：首先对几款经典的手机造型进行分析，从中了解外形设计的关键步骤和市场背景，结合现阶段时尚的发展趋势，在经典手机外形中增加流行元素，设计一种外形时尚、使用方便的手机新产品，在此基础上用UG 对产品进行三维数字化建模；接着利用UG的Mold Wizard模块设计注射模具，然后利用UG的CAM模块将模具的主要零件如凸模和凹模进行数控加工，最后选择合适的注塑机做出实际产品，在产品设计和加工一体化方面作了有益的尝试。关键词 手机外壳、注塑模、UG、Mold Wizard、CAMAbstract based on the mobile phone housing， for example， introduces the market investigation into three-dimensional from product design， mould design and CNC programming processing injection mold design and manufacture of the whole process: first a few classic mobile modeling is analyzed， the design idea and key steps， the development trend of current fashion， classic phone add popular element， appearance design of a kind of appearance vogue， convenient use mobile new product， on the basis of using UG product for 3d digitizing modeling， Then using UG Mold Wizard module design moulds， finally using UG CAM module will die of main parts such as punch and die for CNC programming and CNC machining， realistically， complete the following product design process. in product design and process integration made a useful attempt.Key words cell phone casing， injection molding， UG， Mold Wizard， CAM.第一章 新款手机外壳造型设计1.1 手机外型的市场调研由于从来没有接触过手机外壳的设计，我们对手机的历史进行了研究，发现手机外壳形状跟随时尚在不断地变化，从最早的“砖头式”的“大哥大”到后来流行的直板式和翻盖式，再从直板式演化出滑盖式，从翻盖式演化出折叠式。同时消费者爱好的差异化及需求的多层次化越来越明显，对手机外观要求也越来越高，外形平庸或雷同的手机很快就无人问津，在商店里沦为“赠品”。而外观设计独特并符合流行时尚的手机在相当长的时间内都会成为主流。手机外观设计日趋白热化。手机设计者必须贴近生活把握潮流，通过手机形状尺寸和局部细节满足用户的个性化需求。我们的第一步是进行市场调查，首先研究同学们手机的优缺点，同时也利用课余时间去手机商店观摩各种各样的、从高档到低档的手机，从中汲取营养。通过调研我们发现传统经典手机造型以直线和圆弧为主，外形中规中矩，屏幕较小，不能反映出不同用户的不同要求，特别不能适应3G时代手机对大屏幕的要求；而大多数流行手机上都有自由曲面的元素，造型圆润线条流畅，柔中带刚，使人更容易感受到时尚的力量，激发观赏者产生羡慕和共鸣，我们觉得这一点与汽车设计非常类似：老式汽车造型比较单一，以实用为主，而现代汽车特别是中高档汽车呈流线型，造型刚柔相济气势夺人， “抓人眼球”，这些都是成功的案例，值得我们学习和借鉴。1.2 外型设计方案的选择 1、常见的设计方法（1）开拓创新设计法：不受传统观点束缚，大胆设想、自由发挥而创造出全新概念的产品，优点是如果为市场接受就能引导消费新潮流，迅速走红，缺点是“颗粒无收”风险比较大，走的是激进路线，在规模大实力强的手机公司中有一定的应用。（2）产品开发设计法：采用新技术和表现技法，创造出升级换代的新产品，应用比较普遍。对人的要求也比较高。（3）改进提高设计法：在原有产品基础上经过改进，提高而区别于同类产品的新产品，该方法的优点是比较稳妥，容易为市场所接受，缺点是没有市场冲击力，一炮打红的可能性不大。2、外形设计方案：不同消费者爱好的研究市场调查分析结构造型的改进和创意经典手机外形研究 用UG软件建立手机外壳的三维数字化模型图1.1 外形设计方案受知识储备和经验不足的限制，我们决定采用第三种即“改进提高设计法”来完成手机壳的外形设计。如图1.1所示，首先我们对几款经典的手机造型进行分析，从中了解外形设计的关键元素和市场背景，结合现阶段时尚的发展趋势，在经典手机外形中增加流行元素，设计一种外形时尚、使用方便的手机新产品。图 1.2是作为参照蓝本的诺基亚手机外壳的造型（左）与新产品造型（右）的对比。图 1.2图 1.3图 1.3是作为参照蓝本的诺基亚手机外壳的造型（左）与新产品造型（右）的纵向形状对比，由图可以看出，新款手机比较薄，顶部曲线不再由传统的圆弧和直线组成，而是由样条构成的自由曲面组成，线条非常流畅。图 1.4图 1.4是作为参照蓝本的诺基亚手机外壳的传统造型（左）与新产品造型（右）的横向形状对比，传统造型顶部横向截面为直线，新产品顶部横向截面为曲线造型，显得更加时尚有动感。3、手机外壳造型过程（1） 如图 1.5所示 首先在61图层建立三维坐标系，这是区别Auto CAD等二维软件的重要标志。然后在21层建立外轮廓的草图，参数化尺寸在修改时非常形象直观，大大提高了我们在外形设计时的工作效率，这也是UG软件的优势所在。图1.5（2） 如图 1.6和图 1.7所示，在22、23层用草图分别画出纵向和横向的NURBS样条曲线。NURBS曲线是为使用计算机进行3D建模而专门建立的一种非常优秀的建模方式，在高级三维软件当中都支持这种建模方式，应用非常广泛。图 1.6图 1.7我们用“通过点”的方式建立顶部的NURBS截面曲线和导轨曲线，可以通过控制点的坐标来控制NURBS曲线的形状。然后再通过通过扫描形成自由曲面，如图 1.8所示，能够比传统的直线和圆弧方式更好地控制物体表面的曲线度，从而能够创建出更逼真、生动的造型。 图 1.8接着我们用该扫描曲面切割拉伸实体，留下半部分，然后锐边进行圆角处理，如图1.9所示图1-9图1.10如图1.10所示，对实体进行抽壳处理，并做出与手机下盖相配合的卡口。图1.11如图1.11所示，用草图分别画屏幕形状和导航键的相关尺寸。图1-12如图1.12所示，用草图分别画出接听、停止和数字键的按键形状，画屏幕形状和导航键的相关尺寸。其中左右数字键的形状仍然维持原来的椭圆形状，但是与X轴呈一定的角度，这样的话数字键的造型显得比原来活泼，与接听、停止按键的形状也比较协调，增加了整体运动元素和美感。图1.13图1.13是最后成功的手机外壳造型，虽然还不是很完善，距离实用还有一定的距离，但这个方案倾注了自己的心血，是我们在工业设计领域迈出的第一步，就此我们也征求了老师和同学们对该方案意见和建议（模拟进行市场调查），得到了他们的肯定，因此我们很有成就感，进一步增强了我们从该专业领域工作的信心。在本次设计中，我们利用UG三维设计软件对产品造型进行了多次的修改和优化，所设计的手机外壳具有以下特色：1、所设计的手机外壳的外形尺寸为 1105011（mm），厚度较薄，外形比较小巧时尚。2、屏幕大，屏幕尺寸为6640（mm），符合3G时代手机上网和看电视的需要。按键也比较大，符合人体工程学的要求，即在比较小的表面上达到按键和屏幕尽量大的要求。这款机壳表面设计采用了工业产品设计中用到的黄金比例（0.618）分段，将数字键和功能键之间分隔开。数字按钮设计成椭圆形状，导航键设计成月亮形，有流畅感。3、另外还有一个很突出的特点是，手机壳表面按照人体工程学的原理，其曲线设计符合人的脸部轮廓形状，接听电话时手机壳表面与人的脸部吻合得非常好，使人感觉舒服，总之我们在主观上是想将用户当成上帝，但由于能力有限，还需要我们在今后的学习和工作中不停地去研究和努力。第二章 新款手机外壳模具设计2.1 手机外壳材料的选择和分析手机壳体是整个手机的支承骨架，由于现在消费者对于手机外壳不仅要求外观好看，还要求手感比较好，对于光滑程度要求也比较高。新品手机外壳的壁厚仅1.1毫米，外型又比较复杂，要求材料必须有比较高的强度和韧性。经过请教模具行业专业人员，并且根据手机的使用环境和要求进行多次的比较，最后确定PC+ABS作为手机上盖的材料，此材料是PC和ABS的混合材料要了解PC+ABS，首先要了解PC和ABS各自的特性:ABS是丙烯晴、苯乙烯和丁二烯的共聚物，A代表丙烯晴， 耐油，耐热，耐化学和耐候性，提供抗化学性和稳定性；B代表丁二烯，提供韧性和冲击性能；S代表苯乙烯， 有光泽和优良电气特性和流动性，提供刚性和加工性能。因此ABS具有优良的流动性能和良好的综合性能易于成型和机械加工。PC是聚碳酸酯，在工程塑料中冲击韧性最好具有优异的冲击性和透明性，优良的力学性能和电绝缘性能，尺寸稳定性高。PC+ABS：ABS和PC混合而成的材料，PC的含量占80%以上，密度1.15g/cm3左右，玻璃化转变温度130，熔融温度230270，流动性能比PC要好，成型加工相对容易。PC+ABS不但具有PC优良的韧性，极佳的光泽性，还具有ABS优良的加工性能，流动性也优于PC。PC+ABS还具有ABS所没有的耐燃性能，综合性能非常优异，同时PC+ABS的低翘曲，低收缩率和尺寸稳定性，使得PC+ABS原料做出的产品其尺寸稳定性比较高，产品不易变形。图 2.1是我们在网上所查找PC+ABS规格和性能参数资料，由图可以看出PC+ABS有几种牌号，我们选择了最适合手机外壳的“55XS”牌号。经过模具行业专业人员的确认是可行的。图2.12.2 手机外壳的工艺分析1、尺寸工艺分析手机外壳的尺寸既受外观设计造型的影响(这是目前主要的影响因素)，也受塑料注射成型工艺性的影响，如材料流动性好坏的制约，对流动性差的塑料薄壁制件，在注射成型时尺寸不能太大，以免塑料熔体充不满模具型腔或产生熔接痕，对塑件的外观和强度产生不利影响。经过综合考虑，我们将新型手机外壳的尺寸定为1105011mm，与目前流行手机相比属于中等偏上尺寸，不会出现塑料充不满模具型腔导致塑件不能正常成型的情况。2、手机外壳壁厚分析手机外壳壁厚对性能影响很大，壁厚越大，塑件在模具中需要冷却的时间就越长，生产节拍就会变慢，这对大批量生产的手机外壳来说会增加很多的成本。但壁厚太薄，强度和刚性就差，不耐压耐摔，容易在脱模、装配、使用过程中发生损伤及变形，就会影响在用户中的口碑；另外壁厚太薄也会导致模腔中流道狭窄，流动阻力加大，造成填充不满成型困难。手机外壳的壁厚原则上要求一致，壁厚不均匀，成型收缩时不均匀倾向会更明显，产生内部孔隙和内部应力，导致变形或者开裂。我们对市场上主流品牌手机外壳的壁厚作了调查，为了结果的准确性，我们去实训中心借了一把游标卡尺进行了精确的测量，通过对测量数据的分析，我们发现手机外壳厚度一般为 1mm1.5mm。从使用性能和市场推广的角度考虑，我们选用了1.1mm的厚度。手机外壳的壁厚比较小，对于注塑成型可能会增添一些难度，但是经过工艺和模具的优化设计还是可以达到要求的。3、 手机外壳拔模斜度 为了便于塑件从模腔中脱出，在平行于脱模方向的制品表面上，必须设有一定的斜度。根据ABS+PC的材料特性和手机外壳的尺寸特点，最后选择拔模斜度为1。4、手机外壳圆角 塑料制品的内外表面的交接转折处，均应设计成圆角，转折处圆弧过渡可以减少塑料流动的阻力，避免因尖角引起的应力集中，改善制品的强度。对制品外观也起了美化作用。塑件转角处的圆角半径通常不要小于 0.51mm，在不影响塑件使用的前提下应尽量取大些，综合考虑以上因素后，我们选定圆角半径为1mm。5、手机外壳尺寸精度：由于原来我们所接触的大多为金属材料，对相应的国家标准比较熟悉，对塑料的了解很有限。但塑料制品感觉上有点类似金属加工中的铸造加工，属于不去除材料的粗加工类，精度明显不如一般的金属切削加工。与铸造工艺相似，注塑时收缩率也具有不均匀性和不确定性，受多种因素的影响，注塑件精度很难提高。但在另外一方面。手机外壳对外观要求高，同时也强调互换性，要求较高的尺寸精度，通过查阅相关的参考资料，结合新款手机外壳ABS+PC材料，我们选定精度等级为5 级。6、小结与感想 以上部分为手机外壳的工艺分析，目的是为了使手机外壳达到成型工艺的要求，使其所对应的模具结构简单合理。由于能力有限，只能在战争中学习战争，以后我们会进一步努力学习相关知识和经验，使设计的零件更趋合理。2.3手机外壳模具的组成手机外壳ABS+PC是热塑性塑料，故采用注射模注射成型，它是由注射机的螺杆或活塞，用一定的压力和速度使料筒内塑化熔融的塑料，经喷嘴、浇注系统注入型腔，经冷却定型而成型的模具。注射成型模具一般由动模和定模两大部分组成、动模安装在注射机的移动模板上，定模安装在注射机的 固定模板上。注射时动模与定模闭合构成型腔和浇注系统，开模时动模与定模分离以便取出塑件。根据模具中各零部件所起的作用，手机外壳注射成型模具又可细分为以下几个基本组成部分。（1）型腔 它通常由凸模或型芯（成型塑件的内形）、凹模（成型塑件的外型）组成。（2）浇注系统：是将熔融塑料由注射机喷嘴引向型腔的通道。通常浇注系统由主流道、分流道、浇口和冷料穴 4 个部分组成。（3）导向机构 它通常由导柱和导套（或导向孔组成），此外，对多腔或较大型注射模，其推出机构也设置有导向零件，以避免推板运动时发生偏移，造成推杆的弯曲和折断或顶坏塑件。（4）推出机构 在开模过程中将塑件及浇注系统凝料推出或拉出的装置。（5）排气系统 在注射过程中为将型腔内的空气以及塑料在受热和冷凝过程中产生的气体排除出去而开设的气流通道。排气系统通常是在分型面处开设排气槽，有的也可利用活动零件的配合间隙排气。（6）支承与紧固零件 主要起装配、定位和连接的作用。包括动模和定模座板、型芯或凹模固定板、垫块、支撑板、定位圈、销钉和螺钉等。2.4 手机外壳模具材料的选择注塑模具的制造材料必须根据模具的工作条件和性能要求， 选用性能可靠、工艺性好、工作寿命长、经济实用的钢材。手机外壳模具为热塑性塑料注射模，工作时承受温度、压力及摩擦力，而且塑料制品在压制时会放出腐蚀性的气体，侵蚀型腔表面。模具设计使用寿命要比较长（100000到1000000次），而且模具表面粗糙度要求高，这样手机外壳才能有良好的外观。手机壳是壁厚1MM左右的薄壁制品，因此在注塑成型时要求更高的压力和速度，更短的冷却时间，其充模时间小于0.5秒且注塑压力超过210MPa是很正常的。在这种苛刻的使用条件下碳钢不能满足要求，因此在征求业内工程师的意见后我们选用了3Cr2Mo（P20）钢。P20是我国引进的美国塑料模具常用钢，近似成分的外国钢号：美国为P20（AISI），法国是35CrMo8（NF），属预硬型塑料模具钢，与常用的模具碳素结构钢相比有着更好综合性能， 特别是良好的切削加工、镜面加工性能和更高的热硬度、耐磨性，淬透性高，可以使截面尺寸较大的钢材获得较均匀的硬度，而且具有很好的抛光性能，模具的表面光滑坚固耐用。一般先进行调质处理，硬度为3035HRC（即预硬化），再经冷加工制成模具后可以直接使用，这样既保证了模具的使用性能，又避免了热处理引起模具的变形，特别适合手机壳模具的制造。2.5 手机外壳模具设计手段的选择2.5.1模具传统设计与软设计的比较手机外壳自由曲面较多，结构要求高，而且还要根据市场流行趋势的变化随时更改造型和结构，传统模具设计采用手工绘图模式，设计过程繁琐，而且也很难用二维图纸去表达三维自由曲面造型和模具结构件之间的装配关系，已不再适应企业对产品的时间、质量、成本的要求。随着科学技术的快速发展，模具行业已经从传统手工模具制作中解放出来，以UG为代表的三维CAD系统在模具设计中占据着重要的位置。Unigraphics（简称UG）是集CAD/CAE/CAM一体的高端三维软件，广泛应用于航空航天、汽车造船、模具和电子等领域。UG 的模具设计模块提供了强大的塑料模具设计与分析工具，可以方便准确地完成塑料模具核心部分的设计工作，因此我们决定用UG软件为基础完成手机外壳的造型、模具设计和数控加工的工作。2.5.2 UG MoldWizard模块简介图2.2MoldWizard模块是UG软件中设计注塑模具的专业模块，为设计模具的型芯、型腔、滑块、推杆和嵌件提供了一体化的综合手段，如数据的读入和零件建模、家族模具、缩放控制、自动的模腔布局、分模功能、模架工具，是模具行业经验的结晶，分别对应于图2.2所示的MoldWizard工具条中的从左到右的按键，其排列顺序与实际的模具设计过程是一致的，无论是对初学者还是资深模具工程师都有极大的帮助。MoldWizard模块还提供了一些模具设计过程中非常实用的分析检测功能，其中包括拔模检测、厚度检测、分型面检测、投影面积计算，充模仿真、开模仿真、干涉检测等，在模具设计过程中，适当地应用这些分析检测功能，可使模具设计更为合理、准确，且能避免设计中不必要的重复劳动，对我们这种新手特别有用。 2.6 手机外壳模具设计过程详解2.6.1 手机外壳设计任务外壳尺寸：110mm50mm11mm外壳壁厚：1.1mm外壳材料为ABS+PC；外壳收缩率为0.0055；一模两腔布局产量15000个/年；产品外部表面光滑，无明显制件缺陷，如翘曲、缩痕、凹坑等；2.6.2初始化项目初始化项目过程是MoldWizard克隆模具装配体结构的复制过程。在NX7.5中，产品的初始化项目过程包括加载产品和初始化项目。多件模设计之初必须对产品进行初始化，过程包括：新建文件夹、加载产品模型。图2.3（1）在“注塑模向导”工具条上单击“初始化项目”按钮，弹出“初始化项目”对话框。（2）在对话框的“材料”下拉列表中选择“ABS+PC”，保留对话框中其他默认设置，单击“确定”按钮进入初始化项目进程，如图2.3所示。（3）经过一段时间的初始化项目过程后，完成了模具总装配体的克隆装配，在装配导航器中可看见模具总装配体结构。2.6.3 定义模具坐标系在进行模具设计时需要定义模具坐标系，模具坐标系与产品坐标系不一定一致，为了后续模具结构设计的方便，通常将坐标原点定义在模架动、定模板接触面的中心，坐标主平面（XY平面）定义在分型面上，而且为了使模具尺寸合理，坐标主平面常常定位在塑件Z方向的最低处。Z的正方向指向定模侧，即模具开模方向。设置模具坐标系2.6.4 定义模具收缩率收缩率是一副模具成功与否的关键技术参数，对此我们也下了很多功夫，以下是我们的一些学习成果：从模具中取出的成型制品，其温度高于常温，需经过数小时甚至几十小时才能冷却至常温，制品的尺寸会随着冷却而收缩，这一特性称为工程材料的收缩性，而收缩之后的尺寸与收缩之前的尺寸的比值用收缩率来表示。因此模具尺寸都需要加上收缩率的尺寸，才能使成型制品达到所要求的尺寸。收缩率的大小受多种因素影响，具有不均匀性和不确定性，主要因素有：塑料的品牌、塑件的形状、塑料在模具内的流动方向以及塑件的成型条件如模具结构和注塑过程的温度等，常常是一个经验参数。即使材料相同，但不同的含水量和填充料都可以影响收缩率，因此精确的收缩率在实际生产中是很难确定的的，手册上的数据只能作为我们的参考，需要根据实际情况多做试验，掌握规律才能得到比较科学的收缩率。在MoldWizard模块中产品模型收缩率的设置是使用“缩放体”工具来完成的。如图2.5所示，其中“类型”为设定制品放大比例的方式，本例采用“均匀”的比例，“要缩放的体”则指定手机外壳的三维模型，“缩放点”则是需要为设定比例而选取一个参考点，我们设为模具坐标系的原点。在“注塑模向导”工具条上单击“收缩率”按钮，程序弹出“缩放体”对话框，同时界面中的模型红色高亮显示。单击“缩放体”按钮，程序弹出“缩放体”对话框， MoldWizard提供了3比例收缩类型，分别为均匀、轴对称和常规，对话框中的收缩类型程序默认为“均匀”类型，这也是最常用的收缩方式。其它方式在一些比较特殊的场合也有应用。“比例因子”中规定制品放大的比例系数，本例采用统一的收缩率1.0055，即XYZ三个方向都一致，这是几家模具厂收缩率的几何平均值，可以满足一般的精度要求。2.6.5 定义成型工件成型工件（Work Piece）就是模具中的成型部分，是一个包括型芯和型腔的材料块。在MoldWizard中，将模胚定义为长方体或圆柱体实体特征，此特征需将产品模型完全包容。（1）在“注塑模向导”工具条中单击“工件”按钮，程序弹出“工件”对话框。（2）将工件类型设为“产品工件”，将工件方法设为“用户定义的块”，将定义类型设定为“距离容差”，（3）最后单击“确定”按钮，程序自动创建出模胚工件，如图2.6所示。在这里成型工件并不需要很精确的定义，只是为了下一步分型的方便。精确的工件结构与尺寸可在模架与典型结构设计完成后再设计。2.6.6 模腔布局模腔布局功能主要是确定模腔在模具中的分布情况，分为矩形和圆形两种分布方式。 “矩形布局”就是模腔的布局呈并列样式，即以方阵的形式排列。矩形布局类型包括有两种布局方式：平衡与线形。“圆形布局”就是以图元上或屏幕中的一个点作为旋转参考点，再绕其旋转阵列分布模腔。圆形布局类型中也包含了两种布局方式：径向与恒定。在“注塑模向导”工具条上单击“型腔布局”按钮，程序弹出“型腔布局”对话框，如图2.4所示。一般情况下一模两腔或一模多腔的模腔布局形式是通过产品的结构、量产、客户要求以及经济效益等因素来决定的，主要用于塑件较小，生产批量较大的场合。该例中我们选择一模两腔，以矩形布局中的线形方式排布。经过调查，我们发现这种布局方式是手机外壳实际生产过程中常用的。该布局一个模塑周期能同时生产两个塑件，生产效率高。图2.42.6.7 编辑插入腔体 “编辑插入腔”对话框中创建模胚工件的方法有用户定义的块、型芯与型腔、仅型芯和仅型腔4 种，其中后面3种工件方法为标准型镶块设计。我们选择“TYPE=1”且圆角R为5的腔体插入形式，这主要是为了型腔零件与动模版的相互配合，降低加工难度.2.6.8 产品的分模设计过程产品的分模设计过程包括MPV模型验证、主分型面设计、抽取区域和自动补孔、创建型芯与型腔4个设计过程。1、分模面概述为了将塑件与浇注系统凝料等从密闭的模具内取出，以及为了安放镶件，将模具适当地分成两个或若干个主要部分，这些可以分离的接触表面，通称为分模面。分模面的设计是否得当对制件质量、操作难易、模具结构的复杂性都有很大的影响。因此，分模面的设计将从塑件在型腔中放置、分型面形状的确定、分型面位置的选择等方面做考虑。2、MPV模型验证MPV 是模具自动分型的一个重要而不可少的过程，它的主要作用是验证产品模型的可制模性，找出拔模角不足的表面部分和所有的凹陷区等。拔模角过小或者存在凹陷区都会阻碍塑件的脱模，严重时将会损坏塑件。还能识别型腔与型芯区域，并分配未定义区域到指定侧，为产品修改和后续的区域面抽取作准备。它操作步骤如下：（1）单击【注塑模向导】工具栏中的【Mold Parting Tools】图标，弹出如图2.5所示的【分型管理器】对话框，显示Mold Parting Tools工具栏图2.5（2）然后单击“区域分析Rigion Analysis” 点击图标，单击【确定】按钮进入【塑模部件验证】对话框，在该对话框中可以对模型的面、型芯与型腔区域进行检测，并提供相关的设置及信息，提前预测设计模具时需重点考虑的地方。选择“模制部件验证”对话框中的“面”选项卡，可看到系统共有71个面。选择“设置所有面的颜色”按键，软件将根据拔模角的正负和大小的不同，分别设置各个面的颜色便于观察，如小于3度的用黄色来表示。（3）切换到“区域”选项卡，查看型腔和型芯区域，并分配未定义的面，单击【塑模部件验证】对话框中的“区域”标签，进入【区域设置】对话框。单击“设置区域颜色”按钮，发现有未定义区域，性质为“交叉竖直面”在模型中以红色显示，依据模具的要求，必须将这些未定义区域的面定义到型腔区域或型芯区域中，直到未定义的区域数量为零，这也是模具设计过程中的关键部骤，一些较复杂的模具零件在这个环节难度是相当大的，需要进行仔细地选择和推敲。在该例中我们将未定义区域 “交叉竖直面”指派为型腔区域后单击【应用】按钮，此时手机外壳只有两种颜色：外表面的黄色表示与型腔的接触面，内表面的兰色表示与型芯的接触面，从而完成了模型验证。图2.12（4）单击【注塑模向导】工具栏中的【Mold Parting Tools】“定义区域” 图标，高亮选择“型腔区域”，并勾选【设置栏】内的“创建区域”和“创建分型线”两个选项，如图2.6所示，然后点击“确定”。一般情况下MoldWizard能够自动准确地识别分模线无需人工干预。但是在一些情况下（比如塑件的实体模型存在缺陷；或者由于CAD模型太过复杂），MoldWizard不能够很好地识别，对于这种情况，我们也可以使用MoldWizard提供的手动识别分模线的功能，经过尝试效果是一样的。图2.6（5）单击【注塑模向导】工具栏中的【Mold Parting Tools】“曲面补片” ，进入自动孔修补界面图标，如图2.14所示，在“类型”栏内选择“体”，软件自动选择手机外壳上环形封闭的边缘，图中显示已自动选择27个环形边缘，然后点击“确定”，所有的开口部分都已用曲面进行了修补，如果不加以修补，系统将无法作出决定：这些通孔是由型腔部分还是由型芯部分生成。（6）单击【注塑模向导】工具栏中的【Mold Parting Tools】“设计分型面” 图标，分型面是定模和动模相接触的面，形状有平面、斜面、阶梯面和曲面等。MoldWizard中由分模线生成分模面的方法有很多，如延伸（Extrude），边界平面(BoundedPlane)、扫描(Swept)和延展曲面(Enlarged Surface) )等，分别适合不同的需要。经常会出现分模线不在同一曲面上的情况，这时我们只能先将分模线分段，然后利用以上不同的方法分别对各段分模线生成各自的分模面，最后将这些分模面缝合成一个完整的分模面。本例中结合分析塑件的形状，可知分型面为曲面，为了有利于脱模，设置分型面时应使塑件留在动模的一侧。由于分开手机壳底部充电插头孔和顶部电源开关按键孔的存在，该部分的分型线并不在一个曲面上，因此必须将这些位置的分模线处理成过渡曲线才能实现分模，如图2.15所示，在编辑分型线一栏中选择“select transition curves”， 选择充电插头孔和顶部电源开关按键孔部位的曲线作为过渡曲线（绿色线条），同时在“方法”栏中选择“有界平面”选项，然后左键移动球形圆点扩大分型面，直到其超过成型工件（长方体）的范围，然后点击“确定”，分型面上的凸起部分即为电源开关位置，加工有一定的难度。图2.6（7）单击【注塑模向导】工具栏中的【Mold Parting Tools】“定义型腔和型芯” 图标，分别高亮显示“型腔区域”和“型芯区域”，按“确定”完成型腔和型芯的定义，结果如图2.7。型芯与型腔也称为凹模和凸模，型芯是成型产品内表面的部件，型腔是成型产品外表面的部件，是构成模具模腔的重要组成部分。由于型芯与型腔直接与高温高压的塑料熔体相接触，并且脱模时反复与塑件摩擦，因此必须具有足够的强度、刚度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及足够低的表面粗糙度，它的质量直接关系到制件的质量，而型芯与型腔的结构设计则是保证质量的关键。图2.78） 加载模架塑料膜的模架包括动模座板、定模座板、动模板、定模板、支撑板、垫板等。动模座板和定模座板是动模和定模的基座，作用是固定凸模或型芯、型腔、导柱等零件。因此座板的轮廓尺寸和固定孔必须与成型设备上模具的安装板相适应。座板还必须具有足够的强度和刚度。支撑板是垫在固定板背面的模板。它的作用是防止型芯或凸模、型腔、导柱、导套等零件脱出、增强这些零件的稳固性并承受型芯和型腔等传递而来的成型压力。垫板的作用是使动模支撑板与动模座板之间形成用于推出机构运动的空间，或调节模具总高度以适应成型设备上模具安装空间对模具总高的要求。塑料注射模模架现已标准化和系列化，在设计时只需根据塑件的结构和尺寸直接选用相应的国家标准即可，选用标准模架简化了模具的设计和制造，缩短了模具的生产周期，方便了维修，而且模架的精度和动作的可靠性容易得到保证。我们是通过查阅手册从UG系统模架库中调用龙记模架，龙记标准模架由国内著名的厂商香港龙记集团生产，包括有大水口模架（大型模架）、简化型细水口模架和细水口模架（中小型模架），符合国家标准，在国内使用极其广泛，购买和使用都非常方便，在“注塑模向导”工具条上单击“模架”按钮，程序弹出“模架管理”对话框，如图2.8所示。在“目录”一栏选择（LKMSG），“类型”一栏选择“C”，即选择CI型三板式龙记大水口模架，规格则根据型腔和型芯的大小选择3030系列。图2.8显示模架的选择完全满足了使用要求。图2.8第三章 手机外壳注射模的数控加工3.1手机外壳注射模数控加工的必要性手机外壳注射模精度要求高，形状也比较复杂，其中的关键部件是型芯和型腔，由于存在大量的复杂自由曲面，用普通的机械加工难以完成。必须采用数控加工，对于我们数控专业的学生既是一个挑战，更是一个很好的机遇，使我们的专业知识学有所用。因此我们在指导老师的帮助下申请了学校团委的“大学生科技创新计划项目”，不但在经费上有了保证，而且学院机加工实训中心也给了我们人力和物力上的支持，提供了学院最好的一台数控加工中心和配套的山特维克刀具，另外还可以优先使用线切割，电火花机床。其它零件的形状比较简单，因此可以放在普通机床上加工，这样能充分发挥普通机床生产成本低，操作灵活的长处，实现数控设备和普通设备的优势互补。 3.2数控加工软件（UG）的特点数控编程的核心是刀位点的计算。对于复杂的产品，其数控加工刀位点的人工计算十分困难，特别是一些具有复杂曲面的零件采用手工编程则工作量太大，是一个无法完成的任务，必须采用软件自动编程。软件自动编程过程中数学处理、程序编写和模拟检验等工作由软件自动完成的，可以绘制刀具中心运动轨迹，代替人工完成大量繁琐的数值计算，提高编程效率几十倍乃至上百倍，解决了手工编程无法解决的复杂形状零件的编程难题。具有速度快交互性好、使用简便刀路质量高、便于检查和修改等优点，UG软件就是其中最为优秀的软件之一。从使用过程看，给我们感受最深的是UG的设计、加工和分析模块都能做到参数化关联， 产品三维CAD造型包含了数控编程所需要的完整的产品几何信息，UG软件的CAM模块可在CAD模型的基础上进行加工轨迹的计算，而且当我们对手机造型进行优化和修改后，只要简单地在CAM模块中重新生成一下程序即可，无需重新编程。节省了大量的时间。虽然UG软件能够自动进行数控编程，但是数控加工工艺和工装设计和选用必须人工完成，因此数控程序的优劣在相当程度上取决于编程人员的经验。我们在制定利用各种机会请教专业人士和指导老师，并对自己的方案反复修改和优化，并用UG自带的三维模拟功能进行仿真，最后我们将程序输入斯沃仿真软件中进行FANUC系统数控加工仿真，结果是可行的，然后我们再进行实际加工，尽可能减少错误率。3.3手机外壳注射模数控加工的过程图3.1、成型零件毛坯如图3.1，绿色部分为毛坯，内部着色部分为要加工出的型芯零件，毛坯规格为：200mm160mm32mm，毛坯经过磨床的精加工，保持各面间的直角，侧面和底面部分尺寸已经没有余量，顶部余量1.5mm。考虑到粗加工时切削力和振动非常大，因此夹具采用液压强力虎钳。我们的重点是解决上部型面部分的加工。下面是我们的数控编程操作步骤，经实践证明是可行的2、如图3.1所示，对数控编程来说首要的任务是设立坐标系。由于底面是型芯的安装基准，因此我们在“MCS_MILL”中选择坐标原点为底面左上角，便于对刀，图中可以清楚地看到加工坐标系XM-YM-ZM的标志。接着在“铣削几何体”对话框中的“指定部件”中选择型芯模型，在“铣削几何体”对话框中的“指定毛坯”中选择绿色的毛坯模型，UG软件可以自动地对所选择的型芯模型进行过切保护，该功能对模具等成本高又是单件加工的零件特别有利。3、为粗加工选择合适的刀具，我们选择直径为16的机夹式刀具，此种刀具比整体式刀具更经济。刀片报废后只需更换新刀片即可，刀杆可以一直使用；在刀片损坏较轻的情况下，还可以重磨后再涂层。同时在相同大小、相同加工状况下，拥有比整体式刀具略高的每齿进给量，加工效率更高。如图3.2所示，点击创建刀具父节点图标创建名为D16R0.8的刀具，在“刀具5参数中”中输入刀具参数直径为16，下半径（底部圆角半径）为0.8，这是因为底部圆角半径对粗加工刀具的寿命影响非常大，在允许情况下应选择较大圆角半径的圆弧形刀角立铣刀为好。图3.2 不过有圆角的刀具切削刃与工件的接触长度大于直线刃刀具的接触长度，因此切削阻力显著增加，而且由于在圆角处受到径向力作用，在刀具悬伸较长刚性较差的场合，刀具容易弯曲而发生振颤，因此对数控机床动力和刀具刚性的要求都比较高，所以我们在模具工厂参观和实习时就发现重型机床比较多（BT50型），而我们学校一般使用的是BT40型轻型机床，BT50型重型机床虽然费用较高，在有些情况下也存在“大马拉小车”的情况，但它与大圆角半径刀具的一起使用可以大幅度提高模具粗加工的效率，节省了相当的加工费用，看来存在的东西确实有它存在的理由，需要我们去发现、分析和学习。图3.34、如图3.3所示，我们采用型腔铣进行粗加工，切削模式选用“跟随部件”，“刀具平直百分比”设为刀具直径的50%，如果超过这一数值就会严重影响刀具寿命，据了解在生产实际中，除非是加工有色金属，最大步距不应超过75%，否则就会得不偿失了，据我们自己分析，最大步距如果超过刀具直径的50%，在刀具每一转的切削过程中就会交替进行顺铣和逆铣，交变冲击应力变化比较大，硬质合金刀具就会出现早期疲劳破坏，应该尽量避免。图3.4如图3.4所示，由于在粗加工时刀具负荷很大已经接近满负荷了，在切削方向急剧变化的转弯处，刀具负荷会进一步增加，导致刀具受损或断裂，因此我们在编程时，在拐角处就采用圆弧过渡的刀轨形状，并适当的降低拐角处的进给速度，刀具所承受的冲击负荷明显下降，直观的效果就是在拐角处切削的声音不再那么刺耳，机床振动也明显减小，刀具寿命增加，而加工时间的增加也非常有限。图3.4上部所示为第一层切削时的刀轨，下部所示为第5层切削时的刀轨，每层切削厚度0.3毫米，拐角处都呈圆弧状。图3.55、在该过程中还有一个非常重要的任务，即创建IPW（In-Process Workpiece）中间过程文件，即毛坯经过以上工序的加工后所剩余的部分），IPW作为后续工序的毛坯非常高效和经济，将大大减少空刀现象，这是UG软件的一个很实用的功能，我们通过对IPW 的观察来确定目前的加工状态，可以检验刀轨的正确与否，检查刀具路径有无明显过切或者加工不到位的地方，同时检查是否发生与工件及夹具的干涉。图3.5显示的就毛坯经过D16R0.8的刀具粗加工后的剩余材料（IPW文件的图像）。图3.56、如图3.5所示，接着用D8端铣刀对D16铣刀加工不到的部分，主要是拐角作进一步加工，注意图中绿色的部分即为加工区域，D16加工后残留的较大的拐角已经去除，为下一步D8端铣刀加工平面创造了条件(即余量均匀化)。 图3.67、如图3.6中的刀轨所示，用D8端铣刀对分型面中的平面部分进行半精铣，注意刀轨的拐角部分都是圆弧过渡的刀轨形状，避免加工方向和负荷的急剧变化。8、接着用D6R2刀具，以上一步的IPW模型为毛坯进行二次粗加工，如图3.7（刀轨图示）和图3.8（模拟效果图示）。用固定轴铣中的区域铣削方式对手机模具中平缓的曲面部分进行加，采用的是平行方式铣削，并且刀轨与X轴呈45度夹角，与刀轨0度或90度的加工方式相比，机床振动明显减少，模具表面粗糙度明显改善，因此这种加工方式在模具加工中是最常用的。我们分析：刀轨与X轴0度或90度时，机床只有X轴或Y轴参与切削；而刀轨与X轴呈45度夹角时，X轴和Y轴同时参与切削，负载平衡，机床的摩擦和磨损也比较均匀，加工效果好被广泛使用也是情理之中的事。图3.8模拟效果显示二次粗加工后的IPW（剩余材料模型）情况，比第一次粗加工产生的IPW要光滑得多，毛刺和台阶已经被去除。图3.7图3.89、用D8刀加工手机模具的侧面，侧面部分接近垂直（88.5度），因此我们采用UG软件中常用来加工陡峭曲面的等高铣削方式完成，图3.9就是加工后的效果。至此型芯部分的数控加工工作就基本完成了，局部的一些地方还会在后续工序进行电加工方面的处理。因型腔的加工过程与型芯大同小异，在这里我们就不再重复了。图3.9以下是第一道工序的NC程序开头部分，供参考G54 G17 G40 G49 G80 G00 G98G90 G10 L2 P0 X0 Y0 Z0 (*A-CA-D16R0.8-A with tool * D16R0.8 *)G91 G28 Z0.G91 G28 X0 Y0G17 G40 G49 G80T01 M06(Tool_Name=D16R0.8 RPM=0)(TD=16.00CR=0.80FL=20.00)G90 G00 X0.Y0.G00 X100. Y15.878G43 H01 Z42. M08Z34.704G01 Z31.704 F250.Y.678X182.366X199.901 F25.X199.966 Y.679第四章 疑难问题的探索与思考在手机外壳设计加工过程中，始终有一些难点问题在困扰我们，针对这些问题，一方面我们通过去图书馆和上网查阅了大量资料，另一方面我们抓住一切我们能够得到的机会向老师和有关企业的工程师请教，以便解决书本上表达不详细的生产实际问题，以下就是我们的一些体会和感想，希望能和大家交流。一、低转速、大切深的高效加工方式是否过时？1、经典教科书和工艺书的表述：粗加工的重点是提高效率，不同版本的教科书上都强调应首先选取尽可能大的切削深度，其次根据机床动力和刚性采用尽可能大的进给量，最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度，然后我们又去图书馆查阅了有关机械加工工艺书籍，在这一点上说法是相同的。2、参观学习中的困惑：我们在参观和实习过程中发现了一个值得思考的现象，即只有少数公司采用低转速、大切深的高效加工方式，典型的有机床厂，他们主要是加工机床床身和大型零件；而一般企业特别是模具公司基本采用的是小切深、大进给的高效加工方式，在现场我们也请教了操作工，他们的答复是公司规定就这么做，应该效率比较高吧？由于时间有限，我们请教工程技术人员也没有得到更多细致的解释，因此我们将该问题带回学校与老师一起研究。问题的分析与思考：在老师的悉心指导下，结合工程技术人员的提示，我们查阅了比较多的资料，形成了自己的一些看法：1）低转速、大切深的高效加工方式是可行的，但因为切削力是与切削深度呈正比，所以它有一个比较大的弱点，即对整个工艺系统包括机床、工件和刀具的刚性要求都相当高，机床厂用该种加工方式是因为其机床和工具都是大型的，对应的加工刀具也很大，完全可以满足刚性和要求。2）对于中小机床加工的中小零件而言，只要在机床、工件和刀具的链条中存在一个刚性薄弱环节，就会导致机床振动、工件变形和刀具偏移，加工过程难以持续。因此必须改变思路。从实习中获得的加工经验来看，当用小直径刀具加工较深的型腔（内轮廓加工）时最容易出现刚性不足的问题，而外轮廓加工则可以采用大直径刀具避免这一矛盾。3）从以上的分析看，低转速、大切深的高效加工方式对刚性要求高，应用范围所受限制较多，特别在模具行业，由于零件存在大量复杂的自由曲面，大切深的粗加工虽然 可以