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手机壳注塑模具设计与应用
手机壳注塑模具设计与应用
1.1塑料模具的现状及发展
1.1.1国外模具技术发展及目前水平
模具产品是工业产品制造的基础,模具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一。
西方发达国家为了适应工业产品品种多、更新快、市场竞争激烈的局面,加强了对生产周期短、精度高、寿命长、成本低的模具产品的研究和开发,近十多年来,国外先进国家的模具技术水平得到了飞速发展:
(1)CAD/CAM/CAE技术的应用
在欧美CAD/CAM/CAE已成为塑模企业普遍应用的技术。
在CAD的应用方面已经超越了甩掉图板,二维绘图的初级阶段。
目前3D设计己达到了70%、89%,Pro/E,UG,CI以TRON等软件的应用很普遍。
应用这些软件不仅可完成2D设计,同时也获得3D模型,为NC编程和CAD/CAM的集成提供了保证.应用3D设计,还在设计时进行装配干涉的检查,以保证设计和工艺的合理性。
在欧美的塑模企业中,为了提高CAD技术的效率,塑模标准件的采用率一般在80%以上。
(2)激光技术的应用日益受到重视
激光技术在模具制造中的应用主要是在快速成形与一些特殊模具的加工两个方面。
快速成形是根据CAD的数据,不借助任何机械加工工具,通过逐层增加材料的方法(如聚合、粘结、烧结等)快速制造出零件原型或零件实物,故也称快速原形制造(缩写为PRM)技术。
快速成形技术主要有立体光固造型(SLA),选择性激光烧结(SLS),分层实体制造(LOM)等。
该技术将CAD技术、激光技术、CNC技术、材料加工和材料科学技术有机地结合起来,给模具制造业带来了根本性的变革。
与传统的模具设计制造相比,它能比数控加工更快、更方便地设计并制造出各种复杂的原型,使模具的制造成本和生产周期减少1/2,明显提高生产率。
国内的一些大型企业集团,如海尔、春兰等公司已经应用激光快速成形于新产品开发等方面,并取得显著的经济效益。
(3)模具材料先进
随着模具工作条件的日益苛刻,对模具的质量,特别是钢的纯净度、等向性的水平提出了更高的要求。
为达此目的国外普遍采用电炉,炉外精炼工艺生产纯净度高的模具钢,对于大截面锻压模块和大型的钢材规定采用真空处理。
对于纯净度要求更高的模具钢,大部分采用电渣重熔,以进一步提高钢的纯净度、致密度、等向性和
本科毕业设计说明书(论文)第2页共47页均匀性,减少偏析。
因此,模具钢的质量有了较大提高。
为了加强竞争力量,适应经济全球化的发展趋势,国外模具钢的生产从分散趋向于集中,并多家公司进行跨国合并,为了更好地进行竞争,这些公司都建成了完善的技术先进的模具钢生产线和模具钢科学研究基地,形成几个世界著名的工模具生产和科研中心,以满足迅速发展的模具工业。
1.1.2国内模具技术发展及目前水平
我国模具行业近年来发展很快,据不完全统计,目前模具生产厂点共有2万多家,从业人员约50万人,全年模具产值约360亿元,总量供不应求,出口约2亿美元,进口约10亿美元。
当前,我国模具行业的发展具有如下特征:
大型、精密、复杂、长寿命中来看,以珠江三角洲和长江三角洲为中心的东南沿海地区发展快于中西部地区,南方的发展快于北方。
目前发展最快、模具生产最集中的省份是广东和浙江,其模具高档模具及模具标准件发展速度快于行业总体发展水平;塑料模和压铸模成比例增长;专业模具厂家数量及其生产能力增加较快;“三资”企业及私营企业发展迅速;股份制改造步伐加快等。
从地区分布产值约占全国总产值的60%以上.我国模具总量虽然已位居世界第三,但设计制造水平总体上落后于德、美、日、法、意等发达国
[1]家,模具商品化和标准化程度也低于国际水平。
本科毕业设计说明书(论文)第3页共47页2塑件的成形工艺性分析
2.1塑件材料的选择及其结构分析
(1)塑件(手机外壳)见图1.1。
图1.1塑件图
(2)塑件材料的选择:
选用ABS(即丙烯腈,丁二烯,苯乙烯共聚物)。
(3)色调:
黑色。
(4)生产批量:
大批量。
(5)塑件的结构与工艺性分析:
(a)结构分析
塑件为手机外壳的上半部分,应有一定的结构强度,由于中间有手机的按键及手机显示屏,后面有与后盖联接的塑料倒扣,所以应保证它有一定的装配精度;由于该塑件为手机外壳,因此对表面粗糙度要求不高。
(b)工艺性分析
精度等级:
采用5级低精度
脱模斜度:
塑件外表面40?
1?
20?
塑件内表面30?
1?
(脱模斜度不包括在塑件的公差范围内,塑件外形以型腔大端为准,塑件内形以型芯小端为准。
)2.2ABS的注射成型工艺
2.2.1注射成型工艺过程
本科毕业设计说明书(论文)第4页共47页
(1)预烘干--?
装入料斗--?
预塑化--?
注射装置准备注射--?
注射--?
保
压--?
冷却--?
脱模--?
塑件送下工序
(2)清理模具、涂脱模剂--?
合模--?
注射2.2.2ABS的注射成型工艺参数
(1)注射机:
螺杆式
(2)螺杆转速(r/min):
30,60(选30)
(3)预热和干燥:
温度(?
C):
80,85
时间(h):
2,3
(4)密度(g/cm?
):
1.02,1.05
(5)材料收缩率(?
):
0.3,0.8
(6)料筒温度(?
C):
后段150,157
中段165,180
前段180,200
(7)喷嘴温度(?
C):
170,180
(8)模具温度(?
C):
50,80
(9)注射压力(MPa):
70,100
(10)成形时间(S):
注射时间20,90
高压时间0,5
冷却时间20,120
总周期50,220
(11)适应注射机类型:
螺杆、柱塞均可
(12)后处理:
方法红外线灯、烘箱
温度(?
C)70
时间(h)2,4
2.3ABS性能分析
2.3.1使用性能
(1)综合性能良好,冲击韧度、力学强度较高,且要低温下也不迅速下降。
(2)耐磨性、耐寒性、耐水性、耐化学性和电气性能良好。
(3)水、无机盐、碱、酸对ABS几乎无影响。
(4)尺寸稳定,易于成型和机械加工,与372有机玻璃的熔接性良好,经过调
本科毕业设计说明书(论文)第5页共47页色可配成任何颜色,且可作双色成型塑件,且表面可镀铬。
2.3.2成型性能
(1)无定型塑料,其品种很多,各品种的机电性能及成型特性也各有差异,应按品种确定成型方法及成型条件。
(2)吸湿性强,含水量应小于0.3,,必须充分干燥,要求表面光泽的塑件应要求长时间预热干燥。
(3)流动性中等,溢边料0.04mm左右(流动性比聚苯乙烯、AS差,但比聚碳酸酯、聚氯乙烯好)。
(4)比聚苯乙烯加工困难,宜取高料温、模温(对耐热、高抗冲击和中抗冲击型树脂,料温更宜取高)。
料温对物性影响较大、料温过高易分解(分解温度为250?
C左右比聚苯乙烯易分解),对要求精度较高的塑件,模温宜取50?
C,60?
C,要求光泽及耐热型料宜取60?
C,80?
C。
注射压力应比加工聚苯乙烯稍高,一般用柱塞式注塑机时料温为180?
C,230?
C,注射压力为100MPa,140MPa,螺杆式注塑机则取
[2]160?
C,220?
C,70MPa,100MPa为宜。
(5)易产生熔接痕,模具设计时应注意尽量减小浇注系统对斜流的阻力,模具设计时要注意浇注系统,选择好进料口位置、形式。
摧出力过大或机械加工时塑件表面呈“白色”痕迹(但在热水中加热可消失)。
(6)ABS在升温时粘度增高,塑料上的脱模斜度宜稍大,宜取1?
以上。
(7)在正常的成型条件下,壁厚、熔料温度及收缩率影响极小。
2.3.3ABS主要技术指标
(1)热物理性能见表2.1。
表2.1热物理性能
-1-1密度(g/cm?
)K)比热容(J?
kg1.02,1(051255,1674
导热系数线膨胀系数
31.2,8.613.85.8-1-1-2-5-1(W?
m?
K×10)(10K)
滞流温度(?
C)130
本科毕业设计说明书(论文)第6页共47页
(2)力学性能见表2.2。
表2.2力学性能
屈服强度(MPa)50抗拉强度(MPa)38
断裂伸长率(,)35拉伸弹性模量(GPa)1.8
抗弯强度(MPa)80弯曲弹性模量(GPa)1.4
抗压强度(MPa)53抗剪强度(MPa)24
无缺口261冲击韧度
布氏硬度9.7R121
(简支梁式)缺口11
(3)电气性能见表2.3。
表2.3电气性能
1314表面电阻率(Ω)1.2×10体积电阻率(Ω?
m)6.9×10
6击穿电压(KV/mm)\介电常数(10Hz)3.04
6介电损耗角正切(10Hz)0.007耐电弧性(s)50,852.4ABS成型塑件的主要缺陷及消除措施
主要缺陷:
缺料、气孔、飞边、出现熔接痕、塑件耐热性不高(连续工作温度为70?
C左右热变形温度约为93?
C)、耐气候性差(在紫外线作用下易变硬变脆)。
消除措施:
加大主流道、分流道、浇口、加大喷嘴、增大注射压力、提高模具预
[3]热温度。
本科毕业设计说明书(论文)第7页共47页3模具结构形式的拟定
3.1确定型腔数量及排列方式
一般来说,精度要求高的小型塑件和中大型塑件优先采用一模一腔的结构;对于精度要求不高的小型塑件(没有配合精度要求),形状简单,又是大批量生产时,若采用多型腔模具可提供独特的优越条件,使生产效率大为提高。
型腔的数目可根据模型的大小情况而定。
该塑件对精度要求不高,为低精度塑件,再依据塑件的大小,采用一模两型的模具结构。
型腔的排列方式见图3.1。
图3.1型腔排列方式
3.2模具结构形式的确定
(1)多型腔单分型面模具:
塑件外观质量要求不高,尺寸精度要求一般的小型塑件,可采用此结构。
(2)多型腔多分型面模具:
塑件外观质量要求高,尺寸精度要求一般的小型塑件,可采用此结构。
该塑件外观质量要求不高,是尺寸精度要求较低的小型塑件,因此可采用多型腔单分型面的设计。
从塑件上容易看出模具的分型面位置、摧出机构的设置以及浇口的位置。
分型面为单分型面垂直分型。
本科毕业设计说明书(论文)第8页共47页
最常用的浇口形式有:
第一是侧浇口。
这种浇口形式注射工艺工人比较熟悉,在制造上加工比较方便,但不得因素是浇道流程长,热量损耗大,因此容易产生明显的拼料痕迹。
如果要得到改善,则需加大浇道尺寸,但随之浇道部份的回料增多。
其次塑料的进料口部分需去毛刺,这样既增加了去毛刺的工时,又损坏了周围的美观。
第二是点浇口。
塑料注射时,在点浇口以高速注入型腔,一部份动能转变为热能,因此塑料在会合时的热量损耗比侧浇口少,所以会合处熔合较好,熔接痕不太明显。
其缺点是塑件的正面将留下点烧口的痕迹,影响塑件的美观,并且为了取出点浇口的浇道剩料,型腔必须移动。
由于型腔重量较大,所以不方便移动。
第三种是综合上述两种浇口形式的优缺点,采用剪切浇口。
因为塑件侧壁距离横浇道较远,因直接在侧壁进料是很难实现的,因此又增设了工艺输助浇口,从而使浇注系统进一步完善。
这种浇口形式主要有以下优点:
一是塑件表面无浇口痕迹,并且外表面无明显的熔接痕,所以外观质量较好。
二是浇口的位置和数量可视塑件的质量而增加、减少或改变浇口的位置、模具修改也比较方便。
三是在塑件顶出的同时,浇口剪断并脱落,可节省去毛刺工序,并有得于机床自动化。
从塑料流程尽量一致的原则出发,采用了两个剪切浇
[4]口处都设有顶杆,用以切断剪切浇口,其工艺辅助浇口可手工去除。
本科毕业设计说明书(论文)第9页共47页4注塑机型号的确定
除了模具的结构、类型和一些基本参数和尺寸外,模具的型腔数、需用的注射量、塑件在分型面上的投影面积、成型时需要的合模力、注射压力、模具的厚度、安装固定尺寸以及开模行程等都与注射机的有关性能参数密节相关,如果两者不相匹配,则模具无法使用,为此,必须对两者之间有关数据进行较核,并通过较核来设计模具与选择注射机型号。
4.1注射机型号的确定
根据塑件的体积初步选定用XS-Z-60(卧式)型注塑机。
SZ-60/40(卧式)型注塑机的主要技术规格见表4.1。
表4.1注塑机的主要参数
理论注射容积(cm?
)60螺杆直径(mm)30
注射压力(MPa)180注射速率(g/s)70
塑化能力(g/s)35螺杆转速(r/min)0,200
锁模力(kN)400拉杆有较距离(mm)220×300
移模行程(mm)250模具最大厚度(mm)250模具最小厚度(mm)150锁模形式双曲肘模具定位孔直径(mm),80喷嘴球半径(mm)SR10
喷嘴口孔径(mm),3模板尺寸(mm)200×3154.2注射机及型腔数量的校核
(1)主流道的体积约为:
2V(cm?
)=3.14×0.63×2.5=3.988
(2)分流道与浇口的体积约为:
V(cm?
)=13×1.1304=14.6952
本科毕业设计说明书(论文)第10页共47页
(3)该模具总共需填充塑件的体积约为:
V(cm?
)=2×3.9420934+3.988+14.6952=26.5672
4.3注射机及参数量的校核
4.3.1注射量的校核
注射机一个注射周期内所需注射量的塑料熔体的总量必须在注射机额定注射量的80%以内。
在一个注射成形周期内,需注射入模具内的塑料熔体的容量或质量,应为制件和浇注系统两部份容量或质量之和,即
V=nV+Vzj
或M=nm+mzj式中:
V(m)——一个成形周期内所需射入的塑料容积或质量(cm?
或g)。
n——型腔数目。
V(m)——单个塑件的容量或质量(cm?
或g)。
zz
V(m)——浇注系统凝料和飞边所需塑料的容量或质量(cm?
或g)。
jj
故应使
nV+V?
0.8Vzjg
或nm+m?
0.8m(4.1)zjg
式中:
V(m)——注射机额定注射量(cm?
或g)。
gg
根据容积计算
nV+V=26.5672?
0.8Vzjg可见注射机的注射量符合要求
4.3.2型腔数量的确定和校核
型腔数量与注射机的塑化率、最大注射量及锁模力等参数有关,此外,还受塑件的精度和生产的经济性等因数影响。
可根据注射机的最大注射量确定型腔数n
Kmm,2Nn,(4.2)m1
式中:
K——注射机的最大注射量的得用系数,一般取0.8;
m——注射机允许的最大注射量;N
m——浇注系统所需塑料的质量或体积(g或cm?
);2
本科毕业设计说明书(论文)第11页共47页
m——单个塑件的质量或体积(g或cm?
)。
1
所以需要
0.86018.6832,,n,,83.942
n=2符合要求
4.3.3塑件在分型面上的投影面积与锁模力校核
注射成型时,塑件在模具分型面上的投影面积是影响锁模力的主要因素,其数值越大,需要的锁模力也就越大。
如果这一数值超过了注射机允许使用的最大成型面积,则成型过程中将会出现溢漏现象。
因此,设计注射模时必须满足下面关系:
nA+A,A12
2式中:
A——注射机允许使用的最大成型面积(mm)
其他符号意义同前。
注射成型时,模具所需的锁模力与塑件在水平分型面上的投影面积有关,为了可靠地锁模,不使成型过程中出现溢漏现象,应使塑料熔体对型腔的成型压力与塑件和浇注系统在分型面上的投影面积之和的乘积小于注射机额定锁模力,即:
(nA+A)p,F(4.3)12
式中符号意义同前。
所以需要
2×40×95+9×80=83200,A
2查得ABS的平均成型压力为30(cm/MPa)
(2×4×9.5+0.9×8)×30=83.2×30=2.5,F
符合要求
4.3.4最大注射压力校核
注射机的额定注射压力即为它的最高压力p,应该大于注射机成型时所调用的max
注射压力,即:
p,Kpmax0
很明显,上式成立,符合要求。
4.3.5模具与注射机安装部份的校核
喷嘴尺寸注射机头为球面,其球面半径与相应接触的模具主流道始端凹下的球面半径相适应。
模具厚度模具厚度H(又称闭合高度)必须满足:
本科毕业设计说明书(论文)第12页共47页
H,H,H(4.4)minmax式中:
H——注射机允许的最小厚度,即动、定模板之间的最小开距;min
H——注射机允许的最大模厚。
max
注射机允许厚度
150,H,250
[5]符合要求。
4.3.6开模行程校核
开模行程s(合模行程)指模具开合过程中动模固定板的移动距离。
注射机的最大开模行程与模具厚度无关,对于单分型面注射模:
S?
s=H+H+5—10mm(4.5)max12
式中:
H——摧出距离(脱模距离)(mm);1
H——包括浇注系统凝料在内的塑件高度(mm)。
2
开模距离取H=201
包括浇注系统凝料在内的塑件高度取H=402
余量取8
则有:
S?
s=20+20+28=68max
[6]符合要求。
5分型面位置的确定
分型面是决定模具结构形式的重要因素,它与模具的整体结构和模具的制造艺有
本科毕业设计说明书(论文)第13页共47页密切关系,并且直接影响着塑料熔体的流动特性及塑料的脱模。
5.1分型面的形式
该塑件的模具只有一个分型面,垂直分型。
5.2分型面的设计原则
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:
(1)分型面应选在塑件外形最大轮廓处
(2)确定有利的留模方式,便于塑件顺利脱模
(3)保证塑件的精度
(4)满足塑件的外观质量要求
(5)便于模具制造加工
(6)注意对在型面积的影响
(7)对排气效果
(8)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。
5.3分型面的确定
根据以上原则,可确定该模具的分型面见图5.1,5.2,5.3。
第一次分型:
本科毕业设计说明书(论文)第14页共47页
图5.1第一分型面
第二次分型:
图5.2第二分型面
(1)
分型面
图5.3第二分型面料
(2)
6浇注系统的形式和浇口的设计
浇注系统是指凝料熔体从注射机喷嘴射出后到达型腔之前在模具内流经的通道。
浇注系统分为普通流道的浇注系统和热流道的浇注系统两大类。
浇注系统的设计是注射模具设计的一个很重要的环节,它对获得优良性能和理想外观的塑料制件以及最佳的成型效率有直接的影响。
该模具采用普通流道浇注系统,普通浇注系统一般由主流道、分流道、浇口和冷
本科毕业设计说明书(论文)第15页共47页料穴等四部分组成。
6.1浇注系统
浇注系统的尺寸是否合理不仅对塑件性能、结构、尺寸、内外在质量等影响效大,而且还在与塑件所用塑料的利用率、成型效率等相关。
对浇注系统进行整体设计时,一般应遵循如下基本原则:
(1)了解塑料的成型性能和塑料熔体的流动性。
(2)采用尺量短的流程,以减少热量与压力损失。
(3)浇注系统的设计应有利于良好的排气。
(4)防止型芯变形和嵌件位移。
(5)便于修整浇口以保证塑件外观质量。
(6)浇注系统应结合型腔布局同时考虑。
(7)流动距离比和流动面积比的校核。
6.2主流道的设计
主流道的形状和尺寸最先影响着塑料熔体的流动速度及填充时间,必须使熔体的温度降低和压力降最小,且不损害其把塑料熔体输送到最“远”位置的能力。
在卧式注射机上使用的模具中,主流道垂直于分型面,为使凝料能从其中顺利拔出,需设计成圆锥形,锥角为2?
6?
。
6.2.1主流道的尺寸
(1)主流道小端直径
主流道小端直径d=注射机喷嘴直径+2,3
=3+2,3取d=5(mm)。
(2)主流道的球半径
主流道的球半径SR=10+1,2取SR=12(mm)。
(3)球面配合高度
球面配合高度为3,5取3(mm)。
(4)主流道长度
主流道长度L,应尽量小于60mm,上标准模架及该模具结构,取
L=32(mm)
(5)主流道锥度
本科毕业设计说明书(论文)第16页共47页
主流道锥角一般应在2?
6?
,取α=4?
,所以流道锥度为α/2=2?
。
(6)主流道大端直径
主流道大端直径D=d+2Ltg(α/,)(α=4?
)
?
6.3(mm)
(7)主流道大端倒圆角
倒角D/8?
0.6(mm)
根据以上数据和注射机的有关参数,设计出主流道见图6.1。
图6.1主流道形式
6.2.2主流道衬套的形式
主流道部分在成型过程中,其小端入口处与注射机喷嘴及一定温度、压力的塑料熔要冷热交换地反复接触,属易损件,对材料要求较高,因而模具的主流道部分常设计成可拆卸更换的衬套式(俗称浇口套),以便有效地选用优质钢材单独进行加工和热处理。
一般采用碳素工具钢如T8A、T10A等,热处理要求淬火53,57HRC。
主流道衬套应设置在模具对称中心位置上,并尽可能保证与相联接的注射机喷嘴同一轴心线,主流道位置见图6.2。
本科毕业设计说明书(论文)第17页共47页
图6.2主流道的位置
主流道衬套的形式有两种:
一是主流道衬套与定位圈设计成整体式,一般用于小型模具;二是主流道衬套与定位圈设计成两个零件,然后配合在固定在模板上。
该模具尺寸较小,主流道衬套可以选用整体式。
设计出主流道衬套的尺寸见图6.3。
4?
图6.3主流道的具体尺寸
主流道衬套的固定形式见图6.4。
图6.4衬套的固定形式
本科毕业设计说明书(论文)第18页共47页6.3冷料井的设计
在完成一次注射循环的间隔,考虑到注射机喷嘴和主流道入口这一段熔体因辐射散热而低于所要求的塑料熔体的温度,从喷嘴端部到注射机料筒以内约10mm,25mm的深度有个温度逐渐升高的区域,这时才达到正常的塑料熔体温度。
位于这一区域内的塑料的流动性能及成型性能不佳,如果这里相对较低的冷料进入型腔,便会产生次品。
为克服这一现象的影响,用一个井穴将主流道延长以接收冷料,防止冷料进入浇注系统的流道和型腔,把这一用来容纳注射间隔所产生的冷料的井穴称为冷料井(冷料穴)。
6.3.1主流道冷料井的设计
主流道冷料井设计成带有摧杆的冷料井,底部由一根摧杆组成,摧杆装于摧杆固定板上,与摧杆脱模机
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