手機外殼的注塑模具設計摘要隨著信息技術的快速發(fā)展，智能手機已經(jīng)全面普及，手機已經(jīng)是人們生活中必不可少的物品，它為人們提供了方便快捷的通訊、信息獲取、社交、娛樂等各種功能，讓我們現(xiàn)代社會人與人之間的聯(lián)系和溝通更加方便。手機保護重要性也就突顯出來，手機外殼由此而生，而手機外殼是使用注塑成型方法生產(chǎn)，注塑成型方法在塑料加工中占據(jù)重要地位，通過使用UG軟件畫出三維模型進行模具設計，但是在注塑成型過程中塑件也存在一些缺陷，需要通過反復修模、試模才能做出好的效果，而moldflow軟件的出現(xiàn)能提供模流分析，提高模具設計質量，減少了模具設計試錯成本、縮短了生產(chǎn)周期時間。本設計以手機外殼為研究對象,研究其注塑模具的設計一整套方法。首先使用UG軟件來完成產(chǎn)品的三維模型，設計出模具整體，利用CAD軟件導出裝配工程圖和零件圖。本文根據(jù)手機外殼的特點設計出塑件的三維結構，對外殼的注塑模具包括模具結構總體、澆注系統(tǒng)、和冷卻系統(tǒng)等進行了具體的結構設計和三維實體建模。其次，進行注塑模具轉換工程圖，完成裝配圖和零件圖的繪制。最后使用moldflow軟件進行充填時間、流動前沿溫度、頂出時體積收縮率、回流冷卻介質溫度、回路管壁溫度、翹曲變形等技術參數(shù)分析，選擇運轉平穩(wěn)、冷卻效果好、生產(chǎn)效率高，精度高的方案，取得了不錯的效果。關鍵詞：手機外殼；模具設計；冷卻系統(tǒng)；模流分析

MobilePhoneShellInjectionMoldDesignAbstractWiththerapiddevelopmentofinformationtechnology,smartphoneshavebeenfullypopularized,andmobilephoneshavebecomeindispensableitemsinpeople'slives.Itprovidespeoplewithconvenientandfastcommunication,informationacquisition,socialcommunication,entertainmentandotherfunctions,makingthecontactandcommunicationbetweenpeopleinourmodernsocietymoreconvenient.Theimportanceofmobilephoneprotectionisalsohighlighted,themobilephoneshellisbornfromthis,andthemobilephoneshellisproducedbyinjectionmoldingmethod,injectionmoldingmethodoccupiesanimportantpositioninplasticprocessing,throughtheuseofUGsoftwaretodrawathree-dimensionalmodelformolddesign,butintheprocessofinjectionmoldingplasticpartsalsohavesomedefects,needtorepeatedlyrepairmold,testmoldtomakegoodresults,Theemergenceofmoldflowsoftwarecanprovidemoldflowanalysis,improvemolddesignquality,reducemolddesigntrialanderrorcosts,shortentheproductioncycletime.Thisdesigntakesthemobilephoneshellastheresearchobject,studiesitsinjectionmolddesignawholesetofmethods.Firstofall,UGsoftwareisusedtocompletethethree-dimensionalmodeloftheproduct,thewholemoldisdesigned,andtheassemblyengineeringdrawingandpartsdrawingareexportedbyCADsoftware.Thispaperdesignsthethree-dimensionalstructureoftheplasticpartsaccordingtothecharacteristicsofthemobilephoneshell,andcarriesonthespecificstructuraldesignandthree-dimensionalsolidmodelingoftheinjectionmoldoftheshell,includingtheoverallmoldstructure,thepouringsystem,andthecoolingsystem.Secondly,theinjectionmoldconversionengineeringdrawingiscarriedouttocompletethedrawingofassemblydrawingandpartsdrawing.Finally,moldflowsoftwarewasusedtoanalyzetechnicalparameterssuchasfillingtime,flowfronttemperature,volumeshrinkageduringejection,refluxcoolingmediumtemperature,looppipewalltemperature,warpingdeformation,etc.Theprogramwithsmoothrunning,goodcoolingeffect,highproductionefficiencyandhighprecisionwasselected,andgoodresultswereachieved.Keywords：Mobilephonecase；Molddesign；Coolingsystem；Modeflowanalysis

目錄TOC\o"1-3"\h\u230941緒論 緒論1.1選題背景及其意義模具是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的關鍵工藝裝備。從廣義上講，塑料模具決定著產(chǎn)品的質量和經(jīng)濟效益以及新產(chǎn)品的研發(fā)潛力；在電子、長途客車、異步電機、家用電器、儀器、儀表、冰箱、洗衣機、無線通訊等產(chǎn)品中，我們國家有60%-80%的零件是由塑料模具成型的。我們國家塑料模具的基本情況分為10種不同類型。此外，沖壓模具和發(fā)泡成型模具兩大類占一大部分。以年營業(yè)收入計算，目前我們國家沖壓模約占百分之五十，塑料發(fā)泡模約占百分之二十，拉深模（實用工具）約占百分之十。放眼全世界諸多機械工業(yè)在相對發(fā)展很快的國家及地區(qū)中，塑料材料發(fā)泡成型通常占所有塑料模年營業(yè)收入的百分之四十以上，差距較大[1]。隨著時間的推移和我們國家經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，小型、高精度、結構復雜的塑料包裝的生產(chǎn)已成為注塑模具面臨的重大挑戰(zhàn)[2]。同時，長途客車、數(shù)碼電子產(chǎn)品、通用家用電器等行業(yè)的前景對產(chǎn)品重量上的要求，而泡沫塑料在重量上的優(yōu)勢與非金屬和金屬復合材料相比，這使得注塑模具的研發(fā)需要承受相當大的壓力。傳統(tǒng)的注塑模具設計和生產(chǎn)很大程度上依賴于熟練工匠的精湛技藝和專業(yè)設計師的經(jīng)驗。設計的合理性是借助測試塑料模具來驗證的，嚴重的制造缺陷一定要借助對塑料模具的反復修模來糾正。這樣，不僅塑料模具的質量難以保證，而且模具設計和產(chǎn)品制造的成本高、周期長。尤其是從某種角度看來，這對于中大型、高精度、復雜結構的注塑模具，解決問題的難度就顯得更加突出。顯然，注塑模具的傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)不能滿足當代模具生產(chǎn)的具體要求，目前在生產(chǎn)型企業(yè)的激烈競爭中正在慢慢被淘汰。隨著時間的推移，計算機科學技術的迅速發(fā)展，工業(yè)相對發(fā)達的國家自從20世紀80年代以來，開始迅速全方面采取選用CAD/CAE/CAM設備和技術是在塑料模具的設計和生產(chǎn)當中，進一步提高了注塑模具制品的設計和制造的工作效率；進一步提高了零件加工的質量和精度要求；進一步提高塑料模具的標準化程度；縮短注塑模具的開發(fā)和生產(chǎn)周期；降低加工成品的成本，能夠激發(fā)塑料模具工程設計人員創(chuàng)新思維的積極性和創(chuàng)造力。注塑模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的具體流程圖框如圖1-1所示[3]。注塑模具CAD/CAE/CAM技術在模具行業(yè)中的整體作用也變得更加受到重視。圖1-1注塑模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的流程框圖1.2注塑成型的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀在20世紀60年代末，我國踏上了CAD/CAE技術的研究之旅，這一階段的標志性成就是線框模型CAD系統(tǒng)的誕生。然而，我國對于模具CAD/CAE技術的系統(tǒng)研究，直至20世紀70年代末才真正拉開帷幕。與預想不同的是，鑒于技術限制，在最初階段只進行了二維系統(tǒng)的研究。在90年代后，我國才開始真正開發(fā)和研究專業(yè)的三維CAD/CAE軟件。此后，我國多個大中型研究機構在不斷努力下，研發(fā)出性價比高的操作系統(tǒng)，而且對國外首屈一指的操作系統(tǒng)進行改良。近些年來，國內(nèi)研究人員在注塑模的技術的理論探索和工程應用方面獲得了諸多成績：華中科技大學獨立開發(fā)設計出了經(jīng)得起市場檢驗的一款注塑軟件，名字叫HSCAE的注塑CAE軟件。同時，華中理工大學也自主研發(fā)了一款在國內(nèi)是第一套集成操作系統(tǒng)，名叫HSCZ.O的集成CAD/CAE/CAM操作系統(tǒng)。鄭州工業(yè)大學完全獨立研發(fā)出一款名叫Z-MOLD的軟件，臺灣國立清華大學開發(fā)出一款全球運算能力最強的模流分析軟件，名字叫做Moldex3D軟件[4-7]。上海交大、浙大和合工大三所大學聯(lián)合在開發(fā)注塑成型CAD/CAE/CAM集成操作系統(tǒng)方面也獲得了許多成績[8]。目前，我們國家在注塑成型領域中選用最多的兩款軟件分別是HSCAE和Moldflow，在這兩款軟件中，Moldflow軟件選用率最高[9]。此外，注塑模具CAD/CAE軟件也被普遍作用于優(yōu)化模具設計、提高產(chǎn)品質量。劉玲等[10]，一般情況下，使用Moldflow軟件并結合CAD軟件，得出結果后，進行優(yōu)化手機后蓋注塑模具結構，使其模具設計周期大大減少了，成本費用也得到降低。肖國華等[11]，對于平板電腦外殼注塑成型批量大、外觀要求高、難以加工的問題，我們借助Moldflow軟件對模具澆注系統(tǒng)和注塑工藝進行優(yōu)化調(diào)整。這樣，產(chǎn)品的總翹曲變形減少到了0.2毫米左右，產(chǎn)品的翹曲變形缺陷成功得到了改善。梅明亮等[12]，利用Moldex3D電腦軟件對智能手機結構注塑成型進行模擬，重新設計了注塑模具澆注系統(tǒng)，探索出了一種方便快捷修復模具方法。1.2.2國外研究現(xiàn)狀國外注塑模操作系統(tǒng)經(jīng)歷時間的推移，注塑模CAD/CAE/CAM技術的逐步推進，正在高速發(fā)展。從20世紀60年代開始，CAD操作系統(tǒng)開始根據(jù)結構模型為基礎進行逐步開發(fā)。20世紀70年代，在操作系統(tǒng)開始研發(fā)在曲面進行上建模；20世紀80年代，三維實體技術應用的突破帶來了新的發(fā)展；20世紀90年代，曲面建模技術和參數(shù)化實體應用得到了系統(tǒng)的完善，為注塑模具CAD/CAE/CAM一體化技術的使用給予了有力的保障。從理論上講，20世紀60年代，Ballman、Toor和Copper對模腔內(nèi)熔融塑料的流動進行了數(shù)值計算[13]。20世紀70年代，Dusinberre和Hieher研發(fā)了一款名叫AustinC和WangHP的二維數(shù)學模型，是一個塑料熔體在模腔內(nèi)流動的二維數(shù)學模型，在這一現(xiàn)有的基礎上借助有限元分析計算熔體冷卻溫度場[14]。自20世紀80年代中期以后，計算機輔助設計、制造和計算機輔助工程已經(jīng)全面應用在項目設計與生產(chǎn)、制造塑料模具和動態(tài)模型分析等的方方面面。20世紀80年代末，許多科學家團隊借助有限元方法分析模腔內(nèi)熔融塑料的動態(tài)流動，用來確定塑料熔體在什么位置流動[15]。20世紀90年代末，諸多研究人員在對模具凸型模內(nèi)填充熔融塑料的具體方法、快速冷卻效果較弱和成型后有嚴重缺陷分析上等方面在理論知識基礎研究上，開始了對模具CAD/CAE關鍵技術開發(fā)[16-19]。軟件開發(fā)主要運用了注塑模計算機輔助設計技術，比如著名的商業(yè)軟件Moldflow、美國軟件C-MOLDI、I-DEAS和德國軟件CADMOLD等[20-21]。1.3研究內(nèi)容本課題以手機外殼作為分析與研究的對象，對其注塑模具的設計方法進行研究，基于Moldflow仿真軟件建立有限元分析模型，并且對手機殼的注塑成型過程進行數(shù)值模擬，采用正交試驗設計法對其注塑工藝參數(shù)進行優(yōu)化，主要研究內(nèi)容可以概括為以下兩個方面：詳細描述了注塑模具總體流程，重點敘述了手機外殼注塑設計流程，其中包括手機外殼的工藝分析、分型面的選擇、凹凸模具結構設計、側抽芯機構的設計、澆注系統(tǒng)選擇、注塑機的選型、冷卻系統(tǒng)的設計等。首先采用UG、CAD軟件進行三維注塑模具的設計與裝配工作，并導出裝配工程圖和零件工程圖。最后使用moldflow軟件進行充填時間、流動前沿溫度、頂出時體積收縮率、回流冷卻介質溫度、回路管壁溫度、翹曲變形等技術參數(shù)分析，選取最終的注塑模具設計方案。2手機外殼工藝分析2.1產(chǎn)品建模2.1.1UG軟件簡介UG軟件是一款應用廣泛的CAD/CAM系統(tǒng)，具備強大的功能和交互性，被廣泛運用于模具、汽車、航天、航空、計算機零部件等多個領域。該軟件不僅可以用于模型的構建和曲面造型，還能進行運動仿真、模具設計和數(shù)控加工等操作。2.1.2三維模型建立使用UG12.0建模環(huán)境進行手機外殼的三維建模，建模過程涵蓋了拉伸、加厚、片體等命令。具體手機外殼模型可參考圖2.1。圖2.1手機外殼三維模型2.2產(chǎn)品結構分析首先對產(chǎn)品進行結構分析，產(chǎn)品為薄壁型塑料產(chǎn)品，薄壁厚度為2mm,整體長156.9mm、寬76.8mm、高9.6mm。手機外殼外部結構比較單一，手機上有音量鍵和耳機插孔和充電線插孔所設計的多處側孔（如圖所示2.2），手機需要手機殼進行保護并且不影響原本的功能，而考慮到在注塑成型后，會與分型面形成垂直，不能直接脫模，需要使用側抽芯機構來進行脫模。圖2.2手機外殼多處側孔2.3產(chǎn)品材料選擇分析產(chǎn)品手機殼的實際用途和工作場景，塑件不僅需要滿足正常的使用，還要求所選擇的塑料有較好的機械強度、所選材料要有足夠的硬度、且需要具有較好的耐磨性，原材料所具有的綜合機械性能需要達到一定的標準，故原材料選定為PC＋ABS材料。強度高：注塑PC＋ABS具有出色的力學性能，具有高強度和剛度，能夠使其承受較大的力和壓力，不容易產(chǎn)生變形或損壞。熱穩(wěn)定性：聚碳酸酯顯示出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，可以在高溫下保持其機械性能和尺寸穩(wěn)定性。耐候性：PC＋ABS在不同的惡劣環(huán)境下依舊能保持其原有的性能和外觀不受影響的能力。加工性能好：注塑PC＋ABS產(chǎn)品具有優(yōu)良的質量和加工性能。借助注射成型工藝等特定方法，能夠制造各種形狀和尺寸的復雜零件。2.3.1注塑工藝要求在干燥且高溫的環(huán)境下，氣體分子非常容易揮發(fā)。在一般情況下，干燥處理的室溫控制在110～120攝氏度之間，時間控制在8～12小時左右。模具的環(huán)境溫度應在80-120℃之間。結合產(chǎn)品的特性，合理選擇模具溫度進行注塑，將成型周期縮短的同時，還能保證各項關鍵性能指標。采用螺桿注射機時，注射機注射強度一般為70~140MPa。2.3.2表面質量要求手機保護殼用于裝配，它們對美觀、質量、表面光潔度和機械性能有較高的使用要求[22-23]。塑料零件在注塑過程完成后需要具備良好的表面光澤度和較小的尺寸誤差。外觀要求：一般精度要求，無拔模斜度和粗糙表面；精度要求：表面平整度通常需≤0.25mm；尺寸公差要求±0.05mm；裝配要求：系統(tǒng)部件夾緊后不得有明顯彎曲變形或接觸不良現(xiàn)象。另一方面，相應的配合間隙應該≤0.15毫米。3模具結構總體設計3.1分型面的確定產(chǎn)品注射成型過程結束后，一定要將塑料部件從塑料模具中拿出。此時凸模與凹模分開的接觸面稱為叫做分型面，分型面設計的原則如下[24]:應選擇產(chǎn)品外形最大輪廓處作為分型面；確保產(chǎn)品的精度達標；制作產(chǎn)品模具時最好將塑件留在動模上，以便塑件能順利脫模；保證產(chǎn)品的外觀完整光滑；方便模具制造加工；對成型面積和鎖模力；考慮排氣效果；對側抽芯的影響。該產(chǎn)品屬于尺寸較小、精度較高的塑件，外觀漂亮，質量要求比較高?？紤]到塑件在能順利脫模而不損害塑件的美觀和質量前提下，選擇塑件下方的表面為是分型面。這樣既能夠滿足分型面最大截面積的基本原則，又能使外觀非常美觀。分型面的位置如圖3.1所示。圖3.1分型面位置3.2凹凸模具的結構設計在選定塑件模具凸型模的數(shù)量時，需要綜合考慮塑件的體積大小、結構的復雜程度和生產(chǎn)批量。在基本原則下，考慮到塑件側孔比較多，有6處，而且手機殼體積偏大，為了方便成型，擬定凸型模數(shù)目定為一模兩腔，為了保持澆口位置的統(tǒng)一性，和凸型模布局的平衡性，能夠順利注入成型材料，采用對稱模（如圖所示圖3.2）的方式對凸型模進行排布。圖3.2凸型模排布本設計模具為中小型模具，建議使用凹型模具凸型模具組合方式。此類組合設計涉及多部件構成的模具內(nèi)、外型面。根據(jù)組合結構的差異，組合式模具可分為整體嵌入式、部分鑲嵌式、四壁組合式三種。本設計采取使用整體嵌入。分別制作外模部分和內(nèi)模部分，并將其壓裝入模板中，如圖3.3和3.4。將凹型模具或凸型模具從底部插入模板中，并且利用緊固螺絲與定模板以及支承結構相固定。此種構造方式提高了工作效率，更換維護簡便，并且可以毫不費力地達到外形與尺寸的準確性。圖3.3凸型模圖3.4凹型模3.3凹凸模具工作尺寸的確定塑模過程中，凹型模與凸型模的設計規(guī)格是以成型部件幾何形態(tài)作為依據(jù)計算出來的。注射成型過程中，決定凹型模與凸型模最終尺度的因素包括成型部件的精度、塑料材料的縮放率、精度偏差、刀具磨耗、以及加工工差等。塑料的平均收縮率由公式計算得:S=0.5×(Smax+Smin)×100%=0.5×(0.3%+0.8%)×100%=0.0055其中：S——塑料的平均收縮率，%；Smin、Smax——制品的最小與最大的收縮率，%；1.凹、凸型模徑向尺寸計算：凹型模徑向尺寸 (3-1)凸型模徑向尺寸 (3-2)lmlss塑料的平均縮放率;x修正系數(shù)，x=1/2~3/4，塑件尺寸較大、精度級別較低時取小值；當尺寸較小、精度級別較高，取大值，這里取0.75。?內(nèi)、?外塑件內(nèi)、外表面徑向基本尺寸的公差;δz模具的制造公差，一般取塑件公差?2.凹、凸型模高度尺寸計算：凹型模高度尺寸 (3-3)凸型模高度尺寸 (3-4)?ms塑料的平均收縮率;?sx修正系數(shù)，x=1/3~1/2，塑件尺寸較大、精度級別較低時，取小值；當尺寸較小、精度級別較高，取大值，這里取0.5。?內(nèi)、?外塑件凸起部分高度基本尺寸的公差;δz模具的制造公差，一般取塑件公差?將以上計算所得結果繪制成表3-1：表3-1成型件尺寸匯總表結構類別手機殼尺寸公式模具尺寸凸型模徑向尺寸158.978.8深度尺寸9.6凹型模徑向尺寸154.974.8高度尺寸7.63.4側抽芯機構的設計在手機殼設計里，如果有開合方向不相同的孔洞、槽或凸起部分，就需要在模具開啟之前先抽出橫向部件，以確保順利除模。這類結構，負責將橫向部件移動以脫離模具的動作，稱作側抽芯機構。3.4.1側抽芯機構類型的選擇手機外殼有多個開孔區(qū)域，以容納音量按鈕、耳機端口和充電口。由于模具的成型方向與手機殼的分型面垂直，模具脫模無法成功，這要求使用專門的側向成型和抽芯機構。對于手機外殼而言，整體外觀需求極其嚴格，不允許成型過程中留下可見痕跡。因此，斜柱滑塊機構不被考慮。對于側凹的形狀，選擇從內(nèi)部以斜推桿實現(xiàn)成型的方式。斜推桿抽芯機構在這里起到關鍵作用。設計中包含六個側凹，雖然有些相對較近，但通過設計三套不同類型的斜推桿，可以順利地成型所有六個側凹，詳見（3.5）圖示。圖3.5斜頂側抽芯結構3.4.2結構的設計推桿頂端需經(jīng)過特殊加工以形成一個突出的臺面，此設計是為了側邊凹槽的模具成型。推桿的尾端設計有槽口，目的是為了配合斜置固定支座的滑動作用。關于斜置推桿的設計細節(jié)，斜推桿結構如圖（3.6）所示。圖3.6斜推桿結構4澆注系統(tǒng)的設計塑料制品注塑中的澆注系統(tǒng)負責將熔化塑料從即時成型設備的出料口導向至注塑模的內(nèi)部空腔。澆注系統(tǒng)確保塑料熔料在向內(nèi)部空腔注入的同時，保持壓力分布均衡，從而使產(chǎn)品的質量良好和完美的形狀尺寸。因此，流道的精心設計在提升產(chǎn)品加工速度和最終品質方面發(fā)揮關鍵角色。4.1注射機選型塑料注射機是用于制造各種形狀的塑料制品的一種主要成型設備，它采用將熱固性料注入模具使其注塑成型。注射機的外形有立式、臥式和角式三種，其中臥式注射機（圖4.1）是最常見和廣泛應用的。圖4.1臥式注射機通過三維制圖軟件UG自帶分析功能測量（圖4.2）得:圖4.2UG測量數(shù)據(jù)塑件體積：V=30.6cm；因為是一模兩腔，所以V塑=61.2cm?？梢灾苯油ㄟ^計算澆注系統(tǒng)的體積來確定其重量。根據(jù)實際經(jīng)驗法，可以粗略計算澆注系統(tǒng)體積為塑件體積的0.2倍：V總=V塑+0.2×V塑=73.44cm3滿足注射量V機≥V總/0.80式中V機—額定注射量（cm3）V總—塑件與澆注系統(tǒng)凝料體積和（cm3）根據(jù)給出的數(shù)據(jù)，我們初步選擇了XS－ZY－250型臥式注射機作為注射機型號，并在表4-1中列出了其主要參數(shù)。表4-1XS－ZY－250設備主要參數(shù)注射量（cm3）250模板最大行程（mm）500螺桿直徑（mm）50模具最大厚度（mm）350注射壓力（MPa）130模具最小厚度（mm）200注射行程（mm）160定位孔直徑（mm）55鎖模力（KN）1800噴嘴孔直徑（mm）3.5最大成型面積（cm2）500噴嘴球孔徑（mm）184.2注射機的校核4.2.1注射壓力的校核塑料成型所需的注塑壓力受到多個要素的影響，其中包括塑料材質、零件形狀、噴嘴類型、注射機型號以及澆注系統(tǒng)的壓力喪失等。驗證注射壓力的主要目標在于確保注射機的最大注射壓力能滿足產(chǎn)品的成型要求。考慮到選用的塑料原料為PC＋ABS，并且產(chǎn)品實體框架良好，流體流動性表現(xiàn)良好，注射壓力范圍預計在100至140Mpa之間，處于注射機設備的適用范圍內(nèi)，因此符合要求。4.2.2模具閉合高度的校核鑒于可以調(diào)節(jié)注塑設備的活動部分和靜止部分之間的間隔，因此在放置模具時必須考慮規(guī)定的尺寸限制。據(jù)此，構建的模具的總高度必須遵循機器對于模具厚度上下限的明確要求,即 (4-1)注：Hm為所設計的模具厚度；Hmin為注射機最小模具厚度；Hmax為注射機最大模具厚度。通過查看表4-1，可以得知XS-ZY-250注射機的模具最大厚度為350mm，最小模具厚度為200mm。所設計的模具的總厚度為311mm，符合Hmin<H<Hmax條件。這樣的模具厚度滿足了注射機合模的要求。4.2.3模具開模行程的校核塑料成型過程中，注塑設備的成型模具分離距離有著特定的上限，此距離需小于設備規(guī)定的上限開模距離。我們選擇的注塑設備采納了液壓和機械驅動的合模技術，利用螺桿實線模具的打開和關閉，其開模極限距離與模具厚度無關。該注射機開模距離的計算公式為: (4-2)式中:S為設備允許開模極限距離；H1為塑件被推出的距離；H2為進膠的高度。即，開模距離要求:S>10+105+(5~10)mm=120~125mm根據(jù)表4-1的數(shù)據(jù)顯示，注射機的最大開合模距離為500mm，因此模具的開模距離應與注射機的最大開合模距離相匹配。4.2.4鎖模力校核在注塑過程中，鎖模力指的是施加于移動模板與塑料模具之間以保持其閉合的力量。這種壓力的形成因素主要是因為塑制品和澆注系統(tǒng)在分模線處的累積面積之和，以及與材料在模腔內(nèi)部創(chuàng)建的力量相乘而來。(在本論文所選用的塑料材料是PC＋ABS，根據(jù)有關資料，凸型模壓力p可選用40MPa)。該壓力應小于注射機的最大鎖緊力，以確保注塑過程中不會出現(xiàn)溢出和模具膨脹現(xiàn)象。鎖模力計算公式： (4-3)考慮到單一手機外殼的面積測算，當依照矩形的面積公式應用時，其計算值為12800平方毫米，將手機外殼以及與之相結合的模具冷料一起考慮，在模具分離表面的總接觸面積為：總面積=雙倍的外殼面積加上注模邊緣的增量，那么手機殼加上注塑凝料在分型面上總的投影面積：A總=12800×2+2×0.2×12800mm2=30720mm2。由此可以設計計算出本方案的鎖模力：F=pA總=30×30720mm2=921.6KN。F=921.6KN＜1800KN，所以注射機鎖模力滿足要求。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，本次設計的模具與所選注射機完全一致。在考慮注塑設備的關鍵性能指標時，模具的注射容量的極限、壓力能力的極限、模具的厚度、分模的運動距離和最大鎖模力，該設備XS-ZY-250型注射機完全滿足模具設計的性能指標。4.3主流道的設計在注塑成型的澆注環(huán)節(jié)中，主要輸送通道起著關鍵作用，它確保從注射機的出料端到模具入口處熔料的順暢通過。此通道直接與注料機的出料口對齊。輸送途中熔料保持一致的流向，不發(fā)生轉變。其設計參數(shù)，即外形和大小，對于決定熔料的輸送速率及整個成型操作所需時間有顯著影響。為保障主輸送通道與機器出料口的準確對接，避免任何溢出，通常情況下，此管道構造為漸細的圓錐體，以2至4度的錐度設計，旨在使溶料從機器出料口中完全噴入。要確保溶料順利進入且不外流，主輸送通道的最小直徑應略大于注料機出口直徑0.5至1毫米之間。設計中選用的注射機為XS－ZY－250臥式注射機，其噴嘴直徑為4mm，噴嘴球面半徑為18mm。主流道尺寸主流道小端直徑：d=注射機噴嘴尺寸+（0.5~1）mm=（4+0.5)mm=4.5mm主流道大端直徑：d=d+2Ltanα=7.6mm，式中=2°主流道如圖4.3所示圖4.3主流道截面圖主要的澆注接口套采用的是標準化的配件?？紤]到塑料注入時的主入口易于因接觸注射設備的出料端而受損，選擇材質就需要特別注意。即便在小型的塑料成型工具中，可以將澆注接口套與導向環(huán)合二為一，但更多情況下還是推薦將這兩部分單獨制造，如此設計，既便于維護與替換，又可單獨對高質量金屬材料進行精細加工和硬化處理。設計者通常選用如T8A或T10A這樣的碳素工具鋼，并通過淬火工藝提高表面硬度到50至55HRC的水平。4.4分流道的設計在注塑成型的熔料導向結構中，負責將熔料從主要的匯流處轉發(fā)至各個澆注點的通道稱作次級流道。這通常安排在模具的分型面，負責將塑料熔料進行有效地分配與改變方向，確保其均勻進入每一個模腔。特別對于具備眾多模腔的模具設計來說，次級流道扮演著核心角色。其主要設計，主要受模具框架、制成品的體積大小及所采用塑料材質的影響。常見的次級流道剖面形式包括圓形、梯形、U形、半圓輪廓和矩形等幾種形式，如圖4.4所示。針對流動通道的剖面設計，擁有最佳的表面對體積比例的是圓形剖面，此種形態(tài)可減少冷卻速率，使得熱量和磨擦導致的損耗降至較低水平，并且在填充階段能夠減緩中心部位的凝固，有利于維持注塑壓力。相較于圓形，拋物面剖面會加劇熱能損失且使凝固的殘余物增多。盡管在特定場景下，梯形剖面能夠取代拋物面設計，但它依舊會導致更多的能量損耗和殘渣產(chǎn)生。對于半圓輪廓，加工時需借助于特殊的球形刀具，此形狀的表面積較梯形及U型略高。反觀矩形剖面因為較大的表面積導致阻力增加，在模具設計中很少選用。綜上所述，本論文最終選擇了圓形截面作為最佳方案。圖4.4分流道截面形狀4.5澆口的設計在模具的注射路徑中，導向凸型模的通道被稱作澆口，是澆注系統(tǒng)中面積最少且長度最短的通道。澆口的設計外形涉及到成品的重量與整體性質，控制著塑膠填充的運動，并在物件制成后幫助與澆注系統(tǒng)的斷開。澆口是指從分流道到模具凸型模的通道，在澆注系統(tǒng)中截面最小且最短。澆口的形狀和尺寸對塑件質量具有重要影響，對充模流動起控制作用，成型后的產(chǎn)品與澆注系統(tǒng)從澆口處分離。產(chǎn)品注塑時，注入方式多樣，常見的類型包括：直接澆口；側澆口；點澆口；潛伏澆口；耳型澆口；制造高要求的外殼時，例如手機配件，通常偏向不用點澆口法，最重要的是會影響產(chǎn)品美觀度。使用側澆口法時，在外殼的曲角可能留下注入痕跡，也會影響整體外觀。在這種情況下，為保持美觀，設計師們傾向使用潛伏式澆口法注入，如圖4.5示潛頂桿澆口，保持手機殼外觀整潔。在組裝手機配件時，這些注入點會被自然掩蓋，不損美觀。圖4.5潛頂桿式澆口5冷卻系統(tǒng)的設計設計中模具的冷卻系統(tǒng)扮演著關鍵角色，它決定了制造過程的速度以及最終產(chǎn)品的質量水準。優(yōu)化的冷卻系統(tǒng)有效減緩了模具內(nèi)部的熱量累積，減少塑料成型過程中的變形和應力集中，同時也能夠提高產(chǎn)品的表面質量和減少生產(chǎn)周期。5.1冷卻系統(tǒng)設計原則在設計模具制冷系統(tǒng)時，應該遵守特定的準則來進行優(yōu)化：在不受模具內(nèi)部結構限制的前提下，宜增設冷卻通道數(shù)目，并傾向于選擇更寬廣的橫截面通道。模具中的冷卻通道通常應位于通道直徑1倍以上、2倍以下的模具型壁距離處，且相互間距為直徑的3至5倍，以確保均衡冷卻及效率。冷卻路線規(guī)劃必須不干擾模具脫模，并與之形成有效搭配。澆口位置常常較為厚實，需關注冷卻情況。冷卻水溫入口與出口溫差在5℃范圍內(nèi)，嚴苛條件下不超過2℃。盡量將冷卻道路布局與塑膠伸縮走向相符合。冷卻通道設計時應避開熔接跡象易現(xiàn)的區(qū)域，并顧及潛在的機械干涉與封閉問題。冷水道的布局應簡化數(shù)控清洗流程與加工過程。5.2冷卻介質選擇模具冷卻過程中常用的介質包括機水、加壓空氣、低溫水和冷卻油。由于考慮到投入成本問題和材料取用的便捷性，優(yōu)選防氧化能力較強的機水作為冷卻介質。5.3冷卻回路的布置冷卻水路有直通式水路和環(huán)繞式水路。我們設計的模具使用了環(huán)繞式流道以控制溫度，這些流道被布置在模具外圍以提供相同的冷卻效果，而避免影響到置入的金屬部件、推桿或澆注系統(tǒng)。具體的冷卻路徑在圖5.1中有詳細展示。圖5.1冷卻回路6注塑成型Moldflow分析6.1Moldflow軟件簡介Moldflow是一款由美國公司MoldflowCorporation開發(fā)的注塑模流分析軟件。該軟件使用有限元分析方法來模擬注塑過程中塑料材料的流動和充填情況，幫助設計師和工程師優(yōu)化注塑模具設計，以確保產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率。Moldflow可以分析注塑過程中的溫度、壓力、流速、填充時間等參數(shù)，幫助用戶找出可能的問題，如熔體前熔合、填充不足、氣泡、翹曲等，從而提前做出調(diào)整，降低生產(chǎn)成本，減少產(chǎn)品缺陷。Moldflow還提供了一系列功能，如實時模擬、虛擬實驗、設計評估和優(yōu)化等，幫助用戶更好地理解和優(yōu)化注塑工藝。該軟件已被廣泛應用于汽車、電子、醫(yī)療器械和消費品等領域，成為注塑行業(yè)中的重要工具之一。一般注射成型模流分析流程如圖6.1所示：圖6.1注射成型模流分析流程6.2模型的導入以及確定模型劃分網(wǎng)格類型在Moldflow中，模擬流程通?？梢赃x擇細化的等級，這包括中性面、雙層面和實體3D網(wǎng)格。每種類型的網(wǎng)格適用于不同的分析和場景。以下是這三種類型的概述和它們的優(yōu)缺點：中性面（Midplane）中性面計算速度快，適合薄壁零件，但細節(jié)有限，不適用于厚壁部件。雙層面（DualDomain）雙層面精度適中，兼具效率和適用范圍，比中性面更好地處理壁厚變化，但處理起來比中性面復雜。實體（3DSolid）實體3D精度最高，能精細模擬所有壁厚零件，尤其適用于厚壁零件和詳盡分析，但是預處理復雜且需要更多計算資源和時間。本文研究的手機外殼暫定選用雙層面進行模流分析，Moldflow劃分完網(wǎng)格后，需要對網(wǎng)格進行診斷，局部可能出現(xiàn)如縱橫比過大、自由邊、網(wǎng)格交叉和重疊等問題，特別是圓角，過度部位。網(wǎng)格生成之后需要對網(wǎng)格狀態(tài)進行統(tǒng)計，網(wǎng)格統(tǒng)計的結果就會以窗口的形式彈出，如圖6.2所示。圖6.2網(wǎng)格統(tǒng)計結果由圖可知，網(wǎng)格縱橫比最大為17.76，平均縱橫比為2.78，匹配百分比為90.0％，滿足翹曲分析要求，本文手機外殼適合用雙層面分析。6.3模流結果分析6.3.1流動分析（1）充填時間充填時間分析如圖6.3所示，方案一耗時1.063s，方案二耗時1.177s,從數(shù)據(jù)上看，方案一充填時間較快，兩個方案充填過程顏色層次的過渡鮮明、細膩柔和、熔體融合均勻，澆口兩側方向的充填時間都一致。（a）方案一 （b)方案二圖6.3充填時間示意圖流動前沿溫度通過分析熔體的流動前沿溫度可以判斷出進料流動前鋒的溫度變化,預測熔體結合線是否明顯。熔體的前沿溫度越高，則結合線越不明顯，則此處產(chǎn)生的熔接痕強度越高。從圖6.4中可以看出，方案一塑件前沿溫度變化約264.5~267.3℃，溫差△T=2.8℃；方案二塑件前沿溫度變化約264.6~266.9℃，溫差△T=2.5℃；方案一與方案二相比較，溫差更大，在充填過程中容易形成的結合線的區(qū)域不多，熔接痕強度相較高，但是出現(xiàn)前沿溫度溫差較大，容易導致該區(qū)域發(fā)生翹曲變形。（a）方案一 (b)方案二圖6.4流動前沿溫度示意圖頂出時體積收縮率如圖6.5（a）所示，方案一塑件表面顏色色差不大，表面體積收縮較為均勻，由于澆口選擇在塑件中心偏兩模中點處，熔體向兩端擴散，而離澆口最遠的兩端末尾是體積收縮率最大的地方，范圍在0.22%~3.214%，相差△V=2.994%。如圖6.5（b）所示，方案二塑件相較方案一表面體積收縮率較不均勻，在澆口處有明顯的高體積收縮率，體積收縮率最大的位置在澆口處和兩端末尾，范圍在0.4035%~3.991%，相差△V=3.5875%。兩個方案里，方案一塑件頂出時體積收縮率最小，整個塑件收縮率較為均勻。（a）方案一 （b）方案二圖6.5頂出時體積收縮率示意圖6.3.2冷卻分析在Moldflow中，冷卻分析是一個關鍵的步驟，通過它可以確認冷卻系統(tǒng)設計的有效性。冷卻系統(tǒng)的設計應該盡可能使模具和芯模的各個部分溫度保持一致，以便使得塑料零件在各個地方的冷卻速度和收縮能夠平衡，從而產(chǎn)生均勻的結果。此冷卻分析，對驗證所設計冷卻系統(tǒng)的適應性和邏輯性起著重要作用。（1）回流冷卻介質溫度如圖6.6所示，兩種方案的冷卻系統(tǒng)均設置了2條冷卻回路，回路直徑為8mm，冷介質是水，在入口處的溫度為25℃。一般要求回路中入口處溫度與出口處溫度相差不大于3℃，方案一溫度范圍為25.02℃~27.97℃，溫度相差△T=2.95℃，方案二溫度范圍為25.02℃~28.19℃，溫度相差△T=3.17℃，方案一冷卻系統(tǒng)滿足冷卻要求，方案二冷卻系統(tǒng)不滿足冷卻要求。（a）方案一 （b）方案二圖6.6回流冷卻介質溫度示意圖（2）回路管壁溫度如圖6.7所示，方案一的回路管壁溫度范圍為27.14℃~31.96℃，溫度相差△T=4.82℃，小于5℃，符合要求，方案二的回路管壁溫度范圍為27.37℃~36.44℃，溫度相差△T=9.07℃，大于5℃，不符合要求。（a）方案一 （b）方案二圖6.7回路