手机注射件结构设计

手机注射件结构设计1V38C型手机的外壳结构设计及其面壳注塑模具设计

一、前言手机产品具有巨大的市场发展空间，同时，市场也处在高速发展阶段，这对于生产商、分销商以及零售商都是极为重要的发展阶段，是市场格局逐步形成的阶段。所以，在未来几十年，手机外壳的设计加工和相应的模具设计孕育着巨大的商机.2、企业背景某公司是一家主要生产手机配件及电脑键盘的中港合资企业，有从模具制造、注塑、喷涂、印字、刻字等全套塑胶成型工艺。公司现有员工700余人，公司拥有先进的生产设备，其中注塑机110台，模具制造设备36台（包括加工中心、电火花、线切割、车、铣、刨、磨床等设备），生产流水线8条，有插件线、波峰焊、组装等各种电子产品的能力，自动及手动超净无尘喷涂线6条。二、V38C型手机壳结构设计

1、V38C型手机壳结构分析V38C型手机壳的设计是在给定PCB（PrintedCircuitBoard）和电池的基础上进行的。PCB的最大尺寸为100.9*39.2*9.1mm，电池尺寸为55*34.4*5.3mm。二、V38C型手机壳结构设计1）手机壳材料选取V38C型手机外壳包括的零件有：面壳，底壳，电池盖，镜片，PC键，软胶键，测试孔塞。根据这些零件的使用环境、使用要求及成型工艺选材如下：面壳，底壳，电池盖均选用ABS+PC1）手机壳材料选取ABS（Acrylonitrile-butadienestyrene）：ABS塑料具有优良的综合性能，即优良的力学性能、电绝缘性、化学稳定性、成型工艺性。虽然ABS塑料本身不透明，但其着色性能很好。ABS塑料另一个重要特点是表面可电镀、喷漆、印刷、真空镀膜和绘画。1）手机壳材料选取PC（Polycarbonate）：即聚碳酸酯，呈淡黄色透明体，透光率在塑料重仅次于有机玻璃和聚苯乙烯，可以制作透明塑料制品。PC的吸水率很小，模塑收缩率小，成型后尺寸稳定性很好。其冲击强度是常用工程塑料中最好的品种之一。但PC由两个明显的缺点，一是疲劳强度低，另一点是制品易开裂。1）手机壳材料选取ABS＋PC：即丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物/聚碳酸酯混合物。其性能如下：物理性能：抗冲击性；高光泽；抗光性，可电镀，抗热性；高弯曲强度。化学性能：仅有限的抗水解性能；不抗酮，酯，氯化碳氢化合物。2、手机结构设计难点手机结构设计最困难的也就是第一步---外形设计。因为在给定PCB时，一般要尽量将手机做小，做薄；考虑到工艺性、美观和人机工程学，要保证其整体的曲线，不能出现尖角等；还要为后续工作留下足够的空间；最为重要的是它直接影响到整机的外观和各种性能。其次，扣位也是手机设计的难点。首先，扣位要便于安装、拆卸，其次，扣位的配合间隙也要把握好，特别是在无固定螺钉或螺钉较少时，否则，装配贴合处的间隙会扩大，甚至出现扣不住的现象。

3、整体外形设计

整体结构的设计，是整个手机设计的灵魂所在，其不仅决定了后面各种零部件结构的设计，还是整部手机外观设计的基础。因此，设计时应该力求曲面光滑、动感过渡。

1）侧面曲线设计:在设计侧面曲线时，考虑到手机的外壳厚（常取1.2mm）、外壳至PCB板的装配间隙尽可能取小（常取0.5mm），因此取其侧面外围曲线与PCB板外围曲线间距最小为1.7mm左右，为了满足外观要求，在手机侧面曲线顶部使用一段圆弧（R32）进行连接，并在其底部用大圆弧（R150）连接。其整体外围曲线如右图所示。

侧面曲线

3、整体外形设计2）面壳曲面设计：观察PCB图档可知，在PCB板上正面最高点为听筒、显示屏、话筒，所以为了保证装配，前壳曲面要比三者均高出壳厚1.2mm与间隙之和，而显示屏上方有独立的镜片（不小于0.6mm）、镜片座厚最小为0.7～0.9mm；而在听筒和话筒处，为使其更薄，在高度方向上间隙取0.2，即轮廓曲线要比PCB上高出1.4mm以上。面壳曲线

3、整体外形设计3）底壳曲面设计在PCB板背面，最高点为天线座、屏蔽罩、电池触点，且在屏蔽罩上方和触点上需放置电池，因此，底壳曲线要比PCB上的屏蔽罩高出壁厚（1.2mm）、电池厚（5.3mm）、电池与PCB板间厚（不小于0.5mm）和其他装配间隙之和，且电池底要不低于电池触点的最下端。并且将手机底壳的底部设计出一较明显圆弧，以增强手机的人性化。沿侧面曲线和两侧曲线作曲面并交截可得一封闭的形体，并在四周倒圆角（两头大、中间较小）使其圆滑过渡并与整体相适应，既得整体外形。

底壳曲线4、手机零部件设计

通过对整体结构的分隔切割，就可以得到手机的三大部件面壳、底壳、电池盖，并由此进一步细化内部结构，分割功能模块，改善结构，最终得到各个零部件结构。面壳是第一个细化结构的零部件，主要有镜片槽、听筒及话筒的孔槽、扣位、挡筋、螺孔柱、支承柱等。为了防止注塑件缩水，在结构设计时除了满足功能需求外，还要做到壁厚均匀，过渡圆滑。

面壳5、V38C型手机壳关键零部件分析

1）连接卡扣的分析

手机面壳与底壳的连接除了使用螺母外，还使用卡扣连接，这是为了增加面壳与底壳装配的可靠性。卡扣按可否拆卸分为A、B两类。A、B两类卡口1）连接卡扣的分析A类卡扣是不可拆卸的，但也可利用塑料的弹性强行拆卸，这样可能会使卡扣断裂。B类卡扣是可拆卸的，其导入角α的作用和A类的一样起到方便装配的作用，导出角起到方便拆卸的作用。手机面壳和底壳的连接卡扣选择A类卡扣，因为面壳和底壳不常拆卸。而电池盖与底壳需要经常拆卸更换电池，所以采用B类卡扣。

A类卡扣在面壳的母扣有两种形式a类母扣结构形式比b类的强度高。a类母扣的结构由于要保证壁厚的均匀将内侧挖空，在注塑成型时需要内侧抽芯，一般采用斜滑杆抽芯，这就需要在内侧向为斜顶留出足够的行程空间。但是在手机壳的结构设计时，必须使手机尽量小，这样在某些必须放置卡扣的位置可能没有足够的斜顶行程空间，这时就只能采用b类母扣结构，b类母扣内侧可直接脱模，不需侧抽芯。在V38C型手机壳结构设计时尽量采用了a类母扣结构。

母扣的两种形式

1）连接卡扣的分析另外，要保证成型后的卡扣公扣母扣能可靠连接，在设计时必须考虑装配后的公扣母扣之间有一定的间隙。根据经验，手机壳上的卡扣间隙为：a＝0.1mm～0.2mm，b＝0.1mm～0.3mm，c≥0.6mm，d＝0.1mm～0.3mm，e＝0.1mm～0.2，f＝0.1mm～0.2mm。如果在设计时不考虑间隙，成型后的公扣和母扣就不能互相扣入。但间隙太大卡扣就不能扣紧。

公扣、母扣装配关系

6、在手机外壳的设计过程中，要注意以下几个问题

1）加“R”角，圆滑过渡。

（1）成品的分模面处有尖角，应加“R”

（2）面与面接合角处有应力集中，应加“R”

2）

加“C”角，便于装配

为了便于装配，常在螺柱孔或定位柱的前端加“C”角

3）避免双台阶圆柱

（5）避免成品侧壁有凸起壁厚

7、基于PRO/E对V38C型手机壳进行三维建模

Pro/E共有约30个模块，其中Pro/PART、Pro/ASSEMBLE、Pro/MOLDDESIGN、Pro/DRAWING、Pro/MFG等模块比较常用。本设计将采用Pro/PART模块进行手机外壳各零部件的三维建模，Pro/ASSEMBLE模块进行手机外壳的装配，Pro/MOLDDESIGN模块进行手机外壳注塑模的设计，Pro/DRAWING模块进行工程图的绘制。

8、手机壳结构设计方法

一个产品的结构设计有两种方法。一种是自下向上（Down－Top）的设计方法，就是先设计好各个零部件，然后装配在一起。另一种是与之相对的自顶而下的设计方法，即Top－Down，其含义是先确定总体思路、设计总体布局，然后设置零部件，自上而下，逐步细化，从而完成一个完整的设计。比较可知，Top－Down更符合设计规律，能够更好地贯彻设计思路和总体目标，使设计达到预期的目的和要求。

8、手机壳结构设计方法Top－Down的另一个优点是可以实现同步工程，在一个团队完成一个大项目时，相互分工协作，同时进行设计，并保证各部分设计符合设计要求，从而保证总装配的正确。V38C型手机外壳的设计采用了Top－Down的设计方法，其在Pro/E中的实现过程如下：(1)首先，在Pro/E中新建一个空组件，并在组件中创建主控件（masterpart），在主控件中完成整个手机外型轮廓的构建，(2)在组件中创建一系列空零件(面壳、底壳、电池盖……)，其对齐方式均为坐标与组件坐标对齐。并用数据共享的方式将master主控件合并到各个零件。(3)在各个零件中将合并的主控件切开，留下该零件需要的部分(4)对各个零件的结构进行细化设计，完成整个设计。8、手机壳结构设计方法主控件

面壳

底壳9、设计完成后的装配图和爆炸图

9、设计完成后的装配图和爆炸图2、成型工艺方案确定

1）浇口位置的选择为了实现生产的自动化，提高生产效率，应使浇口在脱模时自动脱落，减少后续加工，因此选择点浇口。根据Pro/E的MPA(MoldPlasticAdvisor)确定浇口的最佳位置最佳浇口位置在图中的蓝色区域，根据生产经验选择图中所示的浇口位置。然后再利用Pro/E的MPA进行模流分析，材料选取ABS＋PC，模温90°，料温230°，注射压力150MPa。

2、成型工艺方案确定最佳浇口位置2、成型工艺方案确定2）工艺参数的确定

V38C型手机面壳采用的材料是ABS＋PC，ABS＋PC料的注塑工艺参数参考值如下：料筒温度喂料区50～70℃

区1230～250℃

区2250～260℃

区3250～270℃

区4250～270℃

区5250～270℃

喷嘴250～270熔料温度260～270℃料筒恒温200℃模具温度70～90℃注射压力80～150MPa2、成型工艺方案确定保压压力注射压力的40％～50％以避免制件发生缩壁；为了使制品的内应力最小化，保压压力应尽可能设置低。背压只要2～5MPa残料量2～5mm，取决于计量行程和螺杆直径预烘干80℃下烘干4小时

回收率可加入20％的回料，只要料没有发生热降解并进行过适当的预烘干

2、成型工艺方案确定根据以上参考，结合公司实际生产经验确定工艺参数如下：

加入20％的回料，采用多级注射；注射时间1.5s；冷却时间6.5s；保压时间2.3s；注射压力P1120MPaP2146MPaP3118MPa；料温区1250℃区2258℃区3245℃保压压力60MPa；模具温度90℃；

3成型设备的选择与校核

根据公司的实际情况及以往的经验，选取EH80型塑料注射成型机。该成型机的技术参数如下：

锁模方式液压锁模锁模行程470mm锁模力80t最小模厚180mm顶出力2.7t顶出行程80mm理论注射量60g注射压力1900kg/cm2喷嘴前端孔径φ1.7mm喷嘴球面半径SR10mm拉杆内距360×360塑化能力15.5g/s3成型设备的选择与校核1）最大注射量的校核注塑机的最大注射量按下式计算：式中――注射机规定的注射量（g）

――聚苯乙烯在常温下的比重（1.06g/mm3）

D――注射塑料在常温下的比重（g/mm3）根据Pro/E可计算得手机面壳和凝料的体积为8mm3，而ABS＋PC的密度为1.5g/,所以塑件的质量为W＝12g。根据以上公式，该注塑机的最大注射量：3成型设备的选择与校核b.2）注射压力校核该注射机的最大注射压力为1900kg/cm2＝186MPa。注射压力为150MPa。所以该注塑机的注射压力满足要求。C3）锁模力的校核锁模力等于制件和浇口流道系统在分型面上的投影之和乘以型腔内塑料压力。根据Pro/E计算得制件和浇注系统在分型面上的投影面积为3182mm2，模腔内压力取4kg/mm2,所需锁模力P＝3182×4＝12.7（t），小于注塑机的锁模力80t。所以该注塑机的锁模力满足要求。3成型设备的选择与校核4）开模行程校核该注塑机的最大行程与模具厚度有关，故注塑机的开模行程应满足下式：由上式，左边＝470－（275-180）＝375右边＝25＋100＋5＝130，左边>右边，该注塑机的开模行程满足要求。

四、V38C型手机面壳注塑模具设计

1、模具总体结构设计根据V38C型手机面壳的结构特征与外观要求，模具需要内侧和外侧抽芯，结构较复杂，只能采用单型腔模具。另外为了能自动化生产，采用单点浇口的三板式注射模具。根据公司的具体情况，采用冷流道。需要设计三次分型的顺序脱模机构，模具总体结构如图所示：

1、模具总体结构设计2、浇注系统设计

1）主流道设计主流道与喷嘴接触处多做成半球形的凹坑，，二者严密配合，以避免塑料喷出。一般凹坑半径应比喷嘴头半径大1～2mm。根据所选的注塑机EH80，其喷嘴直径为1.7mm，喷嘴头半径10mm。所设计的主流道衬套凹坑半径11mm，小端直径3mm，锥角α为3°，根据模板厚度长度为30mm。

主流道衬套

2、浇注系统设计2）分流道设计在单模腔中，一般不需开设分流道，但该模具采用三板式的点浇模式，所以也要开设分流道。塑料沿着分流道流动时，要求通过它尽快充满模腔，流动中温降和阻力都要尽量小。梯形分流道和U型分流道易于加工，故常采用。经比较该模具采用梯形截面分流道。

常见分流道截面

2、浇注系统设计3）浇口设计

浇口是塑料熔体进入型腔的通道，对塑件质量有决定性的影响。由前所述，该模具采用点浇口。点浇口的直径可根据经验公式计算如下

由Pro/E计算得手机面壳表面积为1.316×103mm2所以直径取0.8mm，根据经验浇口长度为0.8mm。整个浇注系统（凝料）如图所示：

3、成型部分设计

1）分型面的设计应遵循以下原则：

1.

分型面应选在塑件的最大截面处。

2.

尽可能的将塑件留在动模侧，因为动模侧脱模机构简便易行。

3.

有利于保证塑件的尺寸精度。

4.

有利于保证塑件的外观质量。

5.

尽量减小塑件在合模平面上的投影面积，以减小锁模力。

6.

长型芯置于开模方向

7利于排气分型面

3、成型部分设计2）排气槽的设计注塑的气泡主要集中在分型面附近。因此该模具的排气槽也开在分型面上。根据经验在定模上开设长5mm，宽0.08mm的排气槽。

排气槽

3）成型零件结构设计

构成型腔的零件统称为成型零件，它主要由凸模、凹模、型芯、各种成型杆组成。由于型腔直接与高温高压塑料接触，因此要求它有足够的强度、刚度、硬度、耐磨性、精度及表面光洁度。光洁度在▽8以上，以保证制件美观、容易脱模。该模具的材料为9CrSi，淬火加中温回火热处理，硬度在HRC55以上。

该模具属于小型复杂模具，凸、凹模一般采用整体嵌入式，采用电火花、线切割等加工方法。整体式的优点是牢固不易变形，精度高。V38C型手机面壳凸、凹模如图所示

4）导向与脱模机构设计

（1）导向机构设计

导向机构是模具必不可少的部件，因为模具在闭合时要求有一定的方向和位置，所以必须设有导向机构。导向机构主要有定位、导向和承受一定的侧压力的作用。合模导向机构有导柱导向和锥面定位两种方式。

a、导柱导向机构设计该模具的导柱导套均是选用标准模架时选用的标准件。导柱直径20mm，长230mm

4）导向与脱模机构设计b、锥面定位机构设计增加锥面定位能承受较大的侧向压力，减少导柱所受侧压，增加导柱寿命，保证合模精度。该模具采用的锥面定位结构如图所示

4）导向与脱模机构设计（2）脱模机构的设计该模具采用简单的顶杆脱模机构，顶杆均是标准件，只需在头部加工出顶出面的异型面即可。在顶针定位时，应把顶针底部加工为可辨方向的，如图所示。因为顶针头是顶在异型面上的，不能旋转。顶杆

4）导向与脱模机构设计由于塑件较小，所以采用的顶针较细，直径分别为3.5mm，2.5mm，1.8mm，且顶针较多（25根），为了使顶出过程平稳在顶针板上安装了顶出导柱和导套，并在导柱上套了顶出限位环，以限制顶出行程（顶出行程为25mm）顶板导向机构

5）侧向分型与抽芯机