手机壳注射模具毕业设计

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摘 要

在现实生活里，手机已经成为人们的一个生活必须品。随着计算机技术和网络技术取得了突破性的成就，模具设计越来越多地使用CAD/CAM技术。在产品生产之前，使用这些新技术来进行模具的设计和改善，是现代设计必然趋势。

本设计主要是为让读者们能够清楚地了解到塑料注射模的设计过程，能够对模具设计过程中所使用的各种基本工具，例如Pro/ENGINEER，Moldflow Plastics Insight等等，具有一个基本的了解，并且能够熟悉地运用这些软件来进行注射模的设计。

本设计主要是针对Nokia2100手机前后盖的模具设计过程。由于手机前后盖都具有侧孔部分，所以本设计选用了侧向分型与抽芯机构。工件用分型面分割之后，分成凸模，凹模，前滑块和后滑块四个部分。其中，凹模是定模部分，凸模、前滑块和后滑块都是动模部分。注射结束后，凸模在力的作用下，连同动模套板一起向下运动，而塑件在推杆的作用下，从凸模上被推出来。除了侧抽芯机构和推出机构之外，还有浇注系统，冷却系统，排气系统等等。

本设计主要应用Pro/ENGINEER 2.0来进行手机塑料模具前后盖的零件设计和模具设计，通过对塑件的计算，运用EMX 来进行模架部分的设计，同时借助了第三方软件Moldflow Plastics Insight 5.0对注塑过程进行仿真分析，最后使用AUTOCAD 2004来对装配图和零件图进行一定的完善。

关键词：手机 模具设计 注射模 EMX MPI

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目 录

1 前言 1

1.1 设计目的与意义 1 2 文献综述 1

2.1 手机的发展和现状 1

2.2 我国模具工业的发展现状 2

2.3 采用注射模成形手机产品的优点 2 3 总体方案的确定 3

3.1 零件的选择 3

3.2 尺寸精度 3

3.3 尺寸计算 3

3.4 塑件的材料性能 4

3.4.1 ABS 4

3.4.2 PC 5

3.5 注塑机的确定 5

3.6 塑件分型面的选择 6

3.7 型腔数目 9 4 理论分析与设计计算 9

4.1 浇注系统的设计 9

4.2 脱模机构的设计 10

4.3 复位机构的设计 13

4.4 排气系统 14

4.5 导向机构的设计 14

4.6 定位圈的设计 15

4.7 成形零件的结构设计 15

4.8 成型零件工作尺寸的计算 18

4.9 模具型腔侧壁和底板厚度的设计 21

4.10 侧向分型与抽芯机构的设计 22

4.10.1 斜导柱的设计 24

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4.10.2 滑块的设计 25

4.10.3 楔紧块的设计 26

4.11 冷却系统和加热系统的设计 26

4.12 塑料注射机的校核 26

4.12.1 最大注射量的校核 26

4.12.2 最大注射压力校核 28

4.12.3 锁模力的校核 28

4.12.4 模具厚度H与注射机闭合高度的校核 28

4.12.5 开模行程校核 29

4.13 模具总装图和爆炸图 29 5 注塑工艺过程仿真 31

5.1 最佳浇口地位置 31

5.2 MPI的FLOW仿真分析 33

5.2.1 填充时间 33

5.2.2 最大压力 33

5.2.3 熔接痕位置 33

5.2.4 平均速度 33

5.2.5 熔料的最高温度 33

5.2.6 体积收缩率 34

5.2.7 气穴分布 34

5.3 MPI的COOL仿真分析 34

5.3.1 冷却管道的液流量 34

5.3.2 冷却管道的入口温度 35

5.3.3 平均温度和冷却时间 35

5.4 翘曲（Warp）分析结果 35 6 结论 36 致谢 37 参考文献 38 Abstract 39

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1 前言

1.1 设计目的与意义

随着我国制造业的迅速发展，一些新兴产业业取得了长足的进步。模具是工业生产的基础工艺装备，在机械、电子、汽车、航空以及通信等领域有着广泛的应用。随着人民生活水平的不断提高，日常生活中使用的物品越来越多地用到了模具。目前，模具生产水平的高低已经成为衡量一个国家制造水平高低的重要标志。

当前，计算机技术和网络技术取得了突破性的成就，CAD/CAM技术、数控加工技术以及快速成型技术为模具技术的发展提供了强大的技术支持。同时，以高分子塑料为主的模具材料不断被开放出来，这些材料种类繁多，性能优良，价格低廉，这更为模具产业的发展提供了有力的帮助。

本设计主要是为让读者们能够清楚地了解到塑料注射模的设计过程，能够对模具设计过程中所使用的各种基本工具，例如Pro/ENGINEER，Moldflow Plastics Insight等等，具有一个基本的了解。本设计主要是对诺基亚2100型号的前后盖进行设计，从零件的尺寸确定，模具设计，模架设计，到最后的注塑仿真，向读者们展示手机塑料模具的整个设计过程。

随着Pro/ENGINEER的不断完善，借助于Pro/ENGINEER设计软件，我们可以比较轻松地完成一些复杂的设计工作，同时也可以全面地提高设计效率和设计质量。

使用EMX注塑模具设计专家系统可以轻松完成模具模架及配件的设计工作，并能模拟开模过程。EMX具有完整的滑块结构和完整的开模机构，为设计者带来极大的方便。设计完成后可以直接输出3D化模型。

Moldflow Plastics Insight是一款应用广泛的模拟仿真软件，使用该软件可以全面模拟注塑成型过程，并以图形的方式直观地显示分析结果，为设计参数的确定和优化提供理论依据，可以帮助设计者进一步修改模具设计方案。 2 文献综述

2.1手机的发展现状

手机已经成为人们的一个生活必须品，从最古老防身砖头到现在厚度不足

5.9mm的超薄，从简单的通话功能，到能上网能看电视、手机电影，甚至可以手

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机视频聊天。手机的功能在不断增多，而手机价格则在不断下降，它已经从一个奢侈品成为一件生活必需品，现在如果谁没有手机在年轻人眼里是一件不可想象的事情。2007年公布的数据显示中国的手机用户已经达到了5.4亿。根据研究近几年还将以每年43%的速度增长。

中国手机时代可以从1987年中国移动开始运营模拟移动移动电话业务开始。当时国内的手机市场基本都被摩托罗拉公司占领。第一款进入国内的手机就是摩托罗拉3200。体积大、重量沉，只有基本的通话功能外，不能实现任何增值服务，当然遇见某某坏人的时候，还可以用来当作防身武器。随着科技的飞速发展，只能单纯通话的手机很快就退出了市场。各手机制造商们也是费尽了脑汁，爱立信第一个制作出了可以自编铃声的GH398，第一个彩屏手机T68。诺基亚第一个推出了内置游戏的6110，第一个可以上网的手机7110。随后可以拍照的手机出现了，能够播放mp3的手机也出现了，在手机上看书、聊天、学习、工作、炒股已经不在是新闻。从此手机进入了娱乐时代。

2.2我国模具的发展现状

模具是工业生产的基础工艺装备, 被称为“工业之母”。75%的粗加工工业产品零件、50%的精加工零件由模具成型, 绝大部分塑料制品也由模具成型。作为国民经济的基础工业, 模具涉及机械、汽车、轻工、电子、化工、冶金、建材等各个行业, 应用范围十分广泛。模具技术水平的高低, 在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力, 因此模具工业的发展水平标志着一个国家工业水平及产品开发能力。

这些年来, 中国模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展, 年模具生产总量仅次于日、美之后位居世界第三位。但目前我国模具生产厂点多数是自产自用的工模具车间( 分厂) , 商品化模具仅占1/3 左右。从模具市场来看, 国内模具生产仍供不应求, 约20%左右靠进口, 特别是精密、大型、复杂和长寿命的高档模具进口比例高达40%。由此可见, 虽然我国模具总量目前已达到相当规模,模具水平也有很大提高, 但在模具产品水平和生产工艺水平总体上要比德、美、日、法、意等发达国家至少落后十年, 主要表现在模具精度、寿命、复杂程度、设计、加工、工艺装备等方面与发达国家有较大的差距。国内模具的使用寿命只有国外发达国家的1/2 至1/10, 甚至更短, 模具生产周期却比国际先进水

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平长许多。此外, 模具的标准化、专业化、商品化程度低, 模具材料及模具相关技术比较落后, 也是造成与国外先进水平差距大的重要原因。CAD/CAE/CAM一体化先进技术已经在国内部分模具企业得到应用, 但要得到推广和普及仍很困难。

2.3 采用注射模成形手机产品的优点

（1） 注射成形工艺可由机床自动按照一定的程序完成，便于实现自动化，

生产效率较高，适于大批量生产。

（2） 注射一般可一次成形，减少了制品再加工程序。

（3） 可以制作形状较复杂的塑料制品。

（4） 模具通用简单，制品成本较低。

（5） 注射成形后的废品及废料可以重新加热注射，故节约材料。

（6） 操作易于掌握，不需要等级较高的技术操作。

3总体方案的确定

3.1 零件的选择

本设计所选择的手机是诺基亚 2100。

3.2 尺寸精度

影响塑件制品尺寸精度的因素是比较复杂的，如模具各部分的制造精度，塑料收缩率，成型工艺及模具加工表面质量等等。手机机壳属于高精度的塑件，故本设计选用3级的塑料精度，也就是公差等级为IT8。

3.3 尺寸计算

（1）前盖

直接使用Pro/E 的测量功能，测出体积 V＝4.87 cm3

重量 M=4.87×1.12＝5.4544 g

（材料采用PC/ABS，查找GE公司网页得知其密度为1.12）

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图 1 前盖

（2）后盖

直接使用Pro/E 的测量功能，测出体积 V＝6.50 cm3

重量 M=6.50×1.12＝7.28 g

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图 2 后盖

3.4 塑件的材料性能

PC／ABS合金在汽车、机械、家电、计算机、通讯器材、办公设备等方面获得了广泛应用，如移动电话的机壳、手提式电脑的外壳、以及汽车仪表盘〔板)等。资料显示：PC/ABS已广泛应用于制造手机外壳。

PC/ABS 聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和混合物。PC/ABS合金具有ABS的加工性和PC的抗冲击性、耐热性，有优异的流动性，热变形温度可达80～137℃，通常用于耐高温的电器中，如移动电话机的外壳。PC/ABS具有PC和ABS两者的综合特性。例如ABS的易加工特性和PC的优良机械特性和热稳定性。二者的比率将影响PC/ABS材料的热稳定性。PC/ABS这种混合材料还显示了优异的流动特性。收缩率在0.5%左右。

3.4.1 ABS

ABS ，英文全称为：acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer，中文：丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物。ABS是在聚苯乙烯树脂改性的基础上发展起来的一种新型工程塑料。它是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种单体的三元共聚物，具有综合的优良性能（坚固、坚韧、坚硬），价格便宜，原料易得，因此发展很快，

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是目前产量最大、应用最广的一种工程塑料。ABS是微黄色或白色不透明粒料，无毒、无味。

ABS由于是三种组分组成的，故它有三种组分的综合性能，而每一组分又在其中起着固有的作用。丙烯腈可使ABS具有较高的强度、硬度、耐热性及耐化学腐蚀性；丁二烯可使ABS具有弹性和较高的冲击强度；苯乙烯则可使ABS具有优良的介电性能。因此，在机械性能方面，ABS具有质硬、坚韧、刚性等特性。

ABS树脂的缺点是耐热性不高，耐低温性不好，而且不耐燃、不透明，耐候性不好，特别是耐紫外线性能不好。由于以上的综合性能，因此广泛用来制造电视机、收音机的外壳、旋钮、电话机壳、话筒、把手、铰链、塑料铭牌等。

ABS的成型特性是:

（1）ABS粒料表面极易吸湿，使成型塑件表面出现斑痕、云纹等缺陷。为此成

型前必须进行干燥处理。

（2）ABS的比热容比聚烯烃低，在注射机料筒中能很快加热，因此塑化效率高，

在模具中凝固也比聚烯烃快，故模塑周期短。

（3）ABS树脂的表现黏度强烈地依赖于剪切速率，因此模具设计中大都采用点浇口形式。

（4）ABS树脂为非结晶形高聚物，所以成型收缩率小。

（5）ABS树脂的熔融温度较低，熔融温度范围宽，流动性好，有利于成型。

3.4.2 PC

PC是聚碳酸酯的简称，聚碳酸酯的英文是Polycarbonate，简称PC工程塑料， PC是一种综合性能优良的非晶型热塑性树脂，具有优异的电绝缘性、延伸性、尺寸稳定性及耐化学腐蚀性，较高的强度、耐热性和耐寒性；还具有自熄、阻燃、无毒、可着色等优点，大规模工业生产及容易加工的特性也使其价格极其低廉。它的强度可以满足从手机到防弹玻璃的各种需要，缺点是和金属相比硬度不足，这导致它的外观较容易刮花,但其强度和韧性很好。

3.5 注塑机的确定

本设计中，前盖的体积为4.87 cm3，后盖的体积为6.50 cm3，经查手册，两个塑件都选择注射机型号为：SYS-10，其主要技术规格如表1所示：

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表1 注射机技术参数

型号 柱塞注射注射锁模最大模具厚度模具喷

直径容量压力/ 力/

/mm /cm 3嘴定位孔径注射/mm 面积

/cm 2行程(球半直径)/mm /mm 10Pa10N 54最大 最小 /mm

SYS-10 φ22

10 1500 15 45 180 100 120 12 550.060

3.6 塑件分型面的选择

遵循确定分型面的一般原则：

（1）分型面应选择在制品的最大截面处。

（2）尽可能使制品留在动模一侧。

（3）有利于保证制品的尺寸精度。

（4）有利于保证制品的外观质量。

（5）尽可能满足制品的使用要求。

（6）有利于排气。

（7）尽量减少制品在合模方向上的投影面积。

（8）长型芯应置于开模方向。

（9）有利于简化模具结构。

（10）在选择非平面分型面时，应有利于型腔加工和制品的脱模方便。

要满足制品的主要要求，为保证工件的表面精度要求，以及简化模具设计，便于脱模等要求，把分型面设置为如下图所示位置：

（1）前盖

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图 3 前盖侧向分型面

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图 4 前盖顶向分型面

(2) 后盖

图 5 后盖侧向分型面

图 6 后盖顶向分型面

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由以上的图可以看出，前壳，后壳的分型面方法相差不大，都是由一个主分型面和两个滑块组成。

3.7 型腔数目

此设计为单型腔设计，主要优点有：塑件的形状和尺寸始终一致，单型腔模具机构简单紧凑，设计自由度大，工艺参数易于控制，分型面设计较方便，制造成本低，制造简单。

4 理论分析及设计计算

4.1 浇注系统的设计

注射模的浇注系统是指塑料溶体从注射机喷嘴进入模具开始到型腔为止，所流经的通道。它的作用是将溶体平稳地引入模具型腔，并在填充和固化定型过程中，将型腔内气体顺利排出，且将压力传递到型腔的各个部位，以获得组织致密，外形清晰，表面光洁和尺寸稳定的塑件。

前盖和后盖的体积，形状相差不大，所以采用相同的浇注系统。

主流道是塑料熔融体进入模具型腔时最先经过的部位，是指从注射机喷嘴与模具接触处开始，到有分流道支线为止的一段料流通道，它将注塑机喷嘴注出的塑料熔体导入分流道或型腔。其形状为圆锥形，便于熔体顺利地向前流动，开模时主流道凝料又能顺利地拉出来，锥角通常取2°～4°，在此取2°。由于主流道要与高温塑料和注塑机喷嘴反复接触和碰撞，通常不直接开在定模板上，而是将它单独设计成主流道衬套(即是浇口套)镶入定模板内。

浇口套的计算:

进料口直径：D=d+(0.5～1)mm=2.5＋0.5＝3mm

式中d为注塑机喷嘴口直径。

球面凹坑半径：R=r+(1～2)mm=12+2＝14mm

式中r为注塑机喷嘴球头半径。

主流道长度L根据定模座板厚度确定，在能够实现成型的条件下尽量短，以减少压力损失和塑料耗量。通常L不能超过60mm ,本设计取L=32mm 。

主流道大端与分流道相接处又过度圆角，以减小料流转向时的阻力，其圆角半径取r=2 mm 。

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所选浇口套的立体图如下图所示：

图 7 浇口套及其二维图

分流道是主流道与型腔进料口之间的一段流道，主要起分流和转向作用，是浇注系统的断面变化和溶体流动转向的过渡通道。

分流道截面采用最常用的梯形截面形状，优点为热量损失较少，加工比较容易，流动阻力较小，属于比较常用的截面形式。

浇口又称进料口，是连接分流道与型腔之间的一段细短流道，是整个浇注系统的最薄弱点和关键环节。

一般情况下，浇口采用长度很短而截面很窄的小浇口。当熔融塑料通过狭小的浇口时，流速增高，并因摩擦使料温也增高，有利于填充型腔。同时，狭小的浇口适当保压补缩后首先凝固封闭型腔，使型腔内的熔料即可在无压力状态下自由收缩凝固成型，因而塑件内残余应力小，可减小塑件的变形和破裂。狭小的浇口便于浇道凝料与塑件的分离，便于修整塑件，成型周期较短。但是，浇口截面尺寸不能过小。过小的浇口，压力损失大，冷凝快、补给困难，会造成塑件缺料、缩孔等缺陷，甚至还会产生熔体破裂形成喷射现象，使塑件表面出现凹凸不平。

此设计采用点浇口，它是一种尺寸很小截面为圆形的直接浇口的特殊形式。特点是进料口小，去浇口后残留痕迹小，可减少熔接不良现象，浇口可自动拉断，塑件光泽，表面清晰。适用于成型熔体粘度随剪切速度提高而明显降低的塑料和粘度较低的塑料，如各种塑料的壳、盒、盖等塑件。

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4.2 脱模机构的设计

在注射成型的每一循环中，塑件必须由模具的型腔或型芯上脱出，脱出塑件的机构称为推出机构，也常称为脱模机构。

脱模机构的设计原则:

（1）尽量使塑件留在动模一边。

（2）保证塑件不因推出而变形和损坏。

（3）保证塑件外观良好。

（4）结构可靠。

脱模力是指将塑件从动模一侧的主型芯上脱出时所需要的外力，是设计推出机构的主要依据之一。

塑件在模具冷却定型时，由于体积收缩，其尺寸逐渐缩小而将型芯包紧而产生的力，叫做型芯包紧力。对于不带通孔的壳体类塑件，脱模时所要克服大气压力，叫做真空吸力。此外，还要克服机构本身运动的摩擦阻力及塑料与钢材之间的粘附力。

开始脱模的瞬间所要克服的阻力最大，称为初始脱模力，以后脱模所需的力称为相续脱模力，后者要比前者小。所以在计算脱模力的时候，总是计算初始脱模力。影响脱模力大小的因素很多，如型芯成型部分的表面积及其形状；塑料的收缩率以及对于型芯的摩擦系数；塑件的壁厚及同时包紧型芯的数量；成型时的工艺参数等。根据这些因素来精确计算脱模力是相当困难的，所以下面根据主要影响因素进行粗略计算。

当塑件包紧型芯时，由于型芯一般具有脱模斜度，故在脱模力F脱的作用下，塑件对型芯的正压力降低了F脱sinɑ,这时摩擦阻力为：

F摩=fc ( F正-F脱sinɑ )

式中 F摩——摩擦阻力（N）；

fc——摩擦系数,查表得 fc = 0.6 ；

F正——因塑件收缩产生对型芯的正压力（N）；

F脱——脱模力（N）；

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α ——脱模斜度，因为材料是PC/Abs，所以取α=2°

根据受力图列出力的平衡

方程式为：

F= 0 Y

图

8 零件脱模的受力图

即 F摩cosɑ-F脱-F正sinɑ= 0

将上式代入F摩=fc ( F正-F脱sinɑ ) 可得：

F正cosa(f tana)F脱 = 1 fsinacosa

其中 F正——因塑件收缩产生对型芯的正压力（N），F正=p A

P ——因塑件收缩对型芯产生的单位正压力（MPa）,一般p=12～20MPa,

薄壁件取小值，厚壁件取大值，所要生产的塑件比较薄，故取

p=14MPa；

A ——塑件包紧型芯侧面积。

（1） 前盖：直接使用Pro/E 的测量功能，测出塑件包紧型芯侧面积 A＝765.26 mm2

所以，F脱=5926.79 N

（2） 后盖：直接使用Pro/E 的测量功能，测出塑件包紧型芯侧面积 A＝566.77 mm2

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所以，F脱=4389.52 N

本设计采用顶杆脱模机构，选用了直径为3.5的顶杆，如下图所示：

图 9 顶杆

4.3 复位机构的设计

为了使推出零件在合模后能回到原来的位置，推杆推出机构中通常还设有复位机构。本设计采用弹簧复位，利用弹簧的弹力使脱模机构复位。如下图所示：

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图 10 复位杆与复位弹簧

4.4 排气系统

型腔内气体的来源，除了型腔内原有的空气外，还有因塑料受热或凝固而产生的低分子挥发气体。塑料溶体向注射模型腔填充过程中，必须要考虑把这些气体顺利排出，否则，不仅会引起物料注射压力过大，溶体填充型腔困难，造成充不满模腔，而且，气体还会在压力作用下渗进塑料中，使塑件产生气泡，组织疏松，熔接不良。

由于前盖和后盖都属于复杂模具，所以它们都采用排气槽排气，排气槽一般开设在型腔最后被填充的地方，同时也利用型芯、顶杆、镶拼件、分型面等的间隙排气，达到充分排气的目的。

4.5 导向机构的设计

合模导向装置是保证动模和定模合模时正确定位和导向的装置，本设计采用导柱导向装置，主要零件为导柱和导套。

导向机构的作用

（1） 导向作用。

（2） 定位作用。

（3） 承受一定的侧压力。

（4） 承载作用。

（5） 保持机构的运动平稳。

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导柱是与安装在另一半模上的导套相配合，用以确定动模和定模的相对位置，保证模具运动导向精度的圆柱形零件。

导套是与安装在另一半模上的导柱相配合，用以确定动模和定模的相对位置，保证模具运动导向精度的圆套形零件。

因为前盖与后盖的体积相差不大，所以它们采用相同的模架，因此，它们采用相同的导向机构。由于模架的尺寸为400×400，所以本设计选用直径为30的导柱，然后选用相对应的导套，其结构如下图所示：

图 11 导柱与导套

4.6 定位圈的设计

为了便于模具在注射机上安装以及模具浇口套与注射机的喷嘴孔精确定位，应在模具上（通常在定模上）安装定位圈，用于与注射机定位孔匹配。定位圈除了完成浇口套与喷嘴孔的精确定位之外，还可以防止浇口套从模内滑出。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ny1m.html