手机外壳的注射模具设计

第27卷第5A期 2006年9月 江苏大学学报(自然科学版) JournalofJiangsuUniversity(NaturalScienceEdition) V01．27No．5A Sep．2006 手机外壳的注射模具设计 胡琳，楚艳玲 (深圳大学工程技术学院，广东深圳518060) 摘要：论述了运用计算机辅助技术进行手机外壳零件产品的模具设计流程，给出了运用Pro／EGI- NEER及其外挂工具Pro／E+EMX+MSC软件进行手机外壳零件产品造型及其注射模的具体设计 ，并对其作了可行性分析和工艺分析．以手机外壳零件的模具设计为实例，详细介绍了应用 Pro／E在设计实际中需要考虑的相关问，并用Pro／E设计出浇注系统和冷却系统各零部件结构， 再由EMX软件设计出模架的整个设计流程． 关键词：产品；造型；Pro／E；注射模；手机；外壳；设计流程 中图分类号：THl2文献标识码：A 文章编号：1671—7775(2006)05A一0009—04 Injectionmoulddesignformobiletelephoneshell HULin，CHUYan—ling (SchoolofEngineeringandTechnology，ShenzhenUniversity，Shenzhen，Guangdong518060，China) Abstract：TheapplicationofPro／ENGINEERininjectionmoulddesignforshellofmobiletelephonepro— ductionshellwasdiscussed．theinjectionmoulddesignwithPro／EandPro／E+EMX+MSCwasintro— duced，thefeasibleanalysisandtheproducttechniquesweremade．Anexampleforthedesignofmobile telophoneshellproductionwaspresentedonPro／E．Themouldofthemobilephoneshellwasdesigned， whichincludedtherunnerandwatercoolingsystem． Keywords：production；design；Pro／E；injectionmould；mobiletelephone；shell；designprocess 当前，整个工业生产的发展特点是产品品种多、 更新快、市场竞争剧烈．而模具将有如下10大发展 趋势：①愈来愈高的精度；②日趋大型化；③扩大 应用热流道技术；④进一步发展多功能复合模具；⑤ 日益增多高档次模具；⑥进一步增多气辅模具及高 压注射成型模具；⑦增大塑料模具比例；⑧增多挤压 模及粉末锻模；⑨广泛应用模具标准化和标准件；⑩ 大力发展快速模具制造技术． 21世纪多品种小批量生产方式占工业生产的 比例达到75％以上．由此可见，一方面是制品使用 周期缩短，另一方面花样变化频繁，要求模具的生产 周期愈短愈好．因此，开发快速成型模具将越来越引 起人们的重视和关注．Pro／ENGINER已成为全世界 最普及的3DCAD／CAM系统，广泛应用于机械、模 具、工业设计、汽车、自行车、航天等行业，可谓是全 方位的3D产品开发软件．在产品造型中，薄壳件模 具设计有80％的设计工作是在Pro／E下完成的．其 外挂工具Pro／EEMX中的模具设计功能也极强． 早期的模拟手机大都体积庞大、重量沉，以至于 第一台摩托罗拉进入中国时，人们称之为“大砖 头”．从GSM到CDMA手机的功能越来越多，短信、 铃声、图片等等，按照“形式追随功能”的原则，其形 态也随之发生变化．于是手机的形态、体积就由原来 的大砖头变得越来越小、越来越轻巧；造型也越来越 丰富，由早期的单一矩形朝着椭圆形、三角形等多样 化形态转变；手机外壳色彩也由黑色、灰色增加到 金、银、红、黄、蓝、绿等五颜六色；在使用方式上也由 翻盖式增加到推拉式、折叠式、旋转式、滑盖式等．随 收稿日期：2006一02一07 作者简介：胡琳(1955一)，女．河北石家庄人，教授，硕士生导师(hulin@SZU．edu．cn)，主要从事工业设计及机电一体化产品的研究 楚艳玲(1981一)，女，广东从化人，技术员，主要从事机电一体化产品的设计及研究． 10 江苏大学学报(自然科学版) 第27卷 着技术的El臻完善给手机设计注入了新鲜的活力并 带来了打破传统的前卫概念，手机的体积、重量都朝 着轻、薄、小巧方向发展，功能也越来越丰富． 1 产品造型中注射模具的设计方法 随着数字化技术的深入发展，可穿戴的手机、手 表手机、整合在眼镜中的概念手机等的出现，对手机 的造型发展又是一次革命性的突破．现代手机的造 型设计可以说已经完全打破了传统的造型模式，朝 着时尚化、符号化的方向发展． 尽管注射模种类很多，但是一般情况下产品造 型中注射模具的设计都要求： 第一，要明确注射模的设计要求，即分析设计出 来的注射模应保证注射成型的制件(塑料制品)符 合图纸的形状与尺寸要求，模具结构简单，安装牢 固，工作安全可靠，便于制造，价格低廉． 第二，收集资料，分析制件的工艺性，如发现制 件的工艺性差，则在不影响制件的使用性能的情况 下，提出便于制件的修改意见，使制件设计、制件的 工艺、注射模设计与制造生产相互协调．实现的方法 主要有传统手工设计和CAD系统设计两种． 1．1传统的手工设计方法 手工设计方法就是靠人工去进行系统中各个环 节的设计和实现，它的流程如图1所示．手工方法的 好处就是比较灵活、不需要太大的初始投入，但手工 方法效率比较低，而且受不同程度和经验的人为限 制，往往返工率比较高，造成较大的浪费．尤其对于 技术含量高的注射成型来说，手工方法更容易造成 设计制造的失败．如果要有比较完善的计算分析，则 人工方法的工作量就非常大，甚至很难实现．这样就 不利于技术的推广普及． 图1传统的模具设计流程 1．2 CAD系统设计方法 CAD系统设计方法就是计算机辅助设计及辅 助分析方法．模具CAD系统主要是由计算机和一些 外部设备以及相应的软件组成．CAD技术已经广泛 应用于各种模具设计，以注射模为例，它以计算机软 件为工具，不仅包括资料查询、设计构思、模型建立、 分析计算、自动绘图、零件成型过程、充模过程模拟、 产品的整体造型、塑料零件设计、零件的装配、零件 的缩水处理、分型面的产生、浇口和浇道设计、注射 模拟、模具的分型、模架的选择设计、二维三维图的 出图这一系列的过程，而且包括对制造中的物流和 信息进行控制、管理和监督以及相对于物流系统是 “离线”工作的工艺准备、生产作业、数控编程 等．目前，它已被公认为现代注射模具技术的一个重 要方面，是注射模具生产实现自动化的保证．它的流 程如图2所示，大大提高了模具的设计和制造精度， 缩短了新产品的试制周期． 哥一罐兰型模辇构甲羹I 模具设计人员 I I 设计、分析软件 I l 绘图环境 l上 上 上 通用CAD／CAE系统@⑩@ 计算机系统 硬件基础软件 图2 CAD系统设计流程 2运用n0／E实现模具设计的流程蓑主嚣羞景篓淼蒜鬣昱蓉言拿 模具设计基于Pro／E环境下进行，所用到的外其强大的功能，已风靡欧美、13本及港台地区，大有 第5A期 胡琳等：手机外壳的注射模具设计 11 取代传统CAD／CAM／CAE系统而成为新一代的业 界标准之势．Pro／E全参数设计、特征基础模型、关 系数据库等特色都是其他3D模型工具所不可比拟 的．Pro／E与传统的CAD系统仅提供绘图工具有着 极大的不同，它提供了一个完整的解决，从工业 设计、机械设计、模具设计、加工制造、机构分析、有 限元分析到数据库管理，甚至产品生命周期的管理． Pro／E能够仿真注射模设计的过程．它能让注射模 具设计人员创建、修改和分析模具构件，并在模具设 计变化时，快速更新它们．其外挂工具Pro／EEMX 能大大缩短模具设计人员花费在创建、定制和细化 模架部件以及注射模具和压铸模具所需的模具组件 上的时间．该过程把模具设计人员从耗时、重复性的 模具细化工作中解放出来．可以说，Pro／E为业界专 业人士提供了一个艺术般的创作环境，让您的创意 得到淋漓尽致的表现．以女性翻盖手机键盘面板及 底盖部分为例，用Pro／E实现薄壳件模具设计的流 程如下． 2．1产品注射模具的设计 2．1．1产品造型设计 用Pro／E设计的翻盖手机的键盘面板及底盖造 型如图3所示，由于产品对象为青少年，特别是青 年女学生，采用蝴蝶形的显示屏幕形成一种良好的 视觉美感，按钮的形状也是心形和水滴形，给人以 优美、浪漫的曲线美感．键盘采用对称布置，使人有 一种端庄的简洁美感，显得美观大方．并将其下端设 计为带有圆角的矩形，更增加了女性的温柔感． 图3键盘面板及底盖造型 2．1．2参数设计 参照《塑料模具设计》⋯中相关内容进行设计 计算过程、参数选择、注射机选择、注射机校核过程 如下． 产品体积：采用美国GE公司的ABS+PC，型号 为Cycoloy1950．查资料得其密度为1．1g／mm3，收 缩率为0．0007． 键盘面板：塑件体积V．=3．08mm3 浇注系统体积坎=8．99mm3 塑件质量M1=VP=3．08×1．1=3．39g 浇注质量鸩=yp=7．04g 浇注总体积V=2Vl+K=15．15mm3 总质量M=2Ml+鸩=16．67g 底 盖：塑件体积V1=4．89mm3 浇注系统体积K=6．4mm3 塑件质量M1=场=4．89X1．1=5．38g 浇注系统质量鸩=Vp=7．04g 浇注总体积 V=2v,+K=16．18mm3 总质量M=2M1+鸩=17．798g 式中：P为塑料密度；V为体积；M为质量． 2．1．3注射机的确定及校核 因为Cycoloy1950的注射压力需要100MPa左 右，并且它的保压是70％一80％，还有注射的体积和 质量，故选择了JPHl50B注射机．其参数校核如下． (1)最大注射量：注射机的最大注射量应大于制 品的重量或体积(包括流道及浇口凝料飞边)，通常注 射机的实际注射量最好是注射机的最大注射量的 80％．所以选用的注射机最大注射量应为 0．8J]I‰≥M塑件+M浇 式中：M机为注射机的最大注塑量，单位g；蚝件为塑 体的质量，单位g；M浇为浇注系统质量，单位g． ‰≥等≯=訾珑省g 因选定的注射机注射量为23．2g，所以满足设计 要求． (2)锁模力校核：锁模力是注射机锁模装置施加 于模具的最大夹紧力．锁模力的作用在于平衡和克服 模腔压力产生的使模具沿分型面张开的力，保持模具 紧密锁和，防止溢料．注射机锁模力与模腔压力的关 系可用下式表示【2J： R≥肛模A 式中：R为注射机锁模力；K为安全系数，一般取1．1 ～1．2；P模为熔融型料在型腔内的压力(10—20 MPa)；A为塑件和浇注系统在分型面上的投影之和． F锁机>KP模A=1．1×20×57=1254kN 因选定的注射机为1500kN，故满足设计要求． (3)模具与注射机安装部分相关尺寸校核：① 模具闭合高度长宽尺寸与注射机模板尺寸和拉杆间 距相适合，故满足要求．②模具闭合高度校核：模具 实际厚度魄=200mm． 12 江苏大学学报(自然科学版) 第27卷 注射机最小闭合厚度Hmi。=180mm，即磊囔> 日。i。，故满足设计要求． 2．1．4模具结构设计 考虑到键盘面板结构比较复杂，采用一模两腔， 既可以节省材料，又使生产效率较高．浇注系统则采 用侧浇口浇注系统，以利于浇注，并可避免留下不美 观的浇口痕迹． 2．2浇注系统的设计 2．2．1主流道的设计 主流道是塑料熔融体进入模具型腔时最先经过 的部位，它将注射机喷嘴注出的塑料熔体导人分流 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． 浇口套的选用： 进料口直径D=d+(0．5—1)=3+1=4ITlm 式中，d为注塑机喷嘴口直径． 2．2．2分流道的设计 分流道截面形状可以是圆形、半圆形、矩形、梯 形和u形等，圆形截面流道的比表面积最小(流道 表面积与体积之比值称为比表面积)，塑料的温度 下降小，阻力亦小，流道的效率最高，所以选较圆形 分流道截面形状． 参考《塑料模具设计》⋯表6—1ABS和PC的 分流道推荐值，定出分流道直径为8mm．分流道的 布置选用左右平衡的一模两腔． 2．2．3分型面的选择 定模和动模相接触的面称为分型面，分型面的 形状有平面、斜面、阶梯面和曲面等．由于工件采用 了一模两腔的结构设计，在做分型面的时候，必须先 Copy建立单个塑件的分型面，再做一个主分型面进 行Merge之后形成整个工件的分型面．通常在模具 设计当中，分型面的建立是至关重要的，只有分型面 建立之后才能分模，最终做出凸模和凹模，并最终模 拟开模情况，做出注射模型．本塑件的分型面如图4 所示． 一段细短流道，其截面积约为分流道的0．03—0．09 mm2，长度约为o．5—2mm，选用侧浇口较为合理． 侧浇口的端面为矩形，其一般尺寸如下：宽B=1．5 —5mm，厚h=0．5—2mm，长L=0．7～2mm．根据 成型的需要，定尺寸如下：宽B=3mm，厚A=1mm， 长L=2mm． 2．2．5排气系统的设计 不需要另外设计排气系统，利用型芯、顶杆、镶 拼件等的间隙排气就可以了． 2．2．6注塑模具成型零件的设计 直接与塑料接触构成塑件形状的零件称为成型 零件，其中构成塑件外形的成型零件成为凹模如图 5a所示，构成塑件内部形状的成型零件成为凸模 (型芯)如图5b所示．由于本模型没有侧向抽孔、凹 台以及凸台，所以选用比较简单的单分型面注射模 具． (b) 图5凹模与凸模 2．3产品的模具3D装配图与爆炸图 模座设计主要是根据EMX的模具零件库来选 择合适的凹凸模固定板以及零部件，然后再进行组 装，就可以设计出适合不同模具的模座了．模座的 3D装配图及爆炸图如图6a，图6b所示． (a) (b) 图6模座的3D装配图和爆炸图 3 结 论 以往的模具设计是一项绝大部分依靠经验的设 图4⋯分型面 芝孟至萎蒜雠黧震嚣嚣霎耋嚣 2．2·4浇口设计 及所花费的时间及最后成品的质量．而采用与传统 浇口又称进料口，是连接分流道与型腔之间的 (下转第16页) 16 江苏大学学报(自然科学版) 第27卷 (上接第12页) 模具设计不同的思路，运用Pm／E+EMX+MSC进出版社，2003． 行联合设计，这样可以减少试模时间，提高生产效 [2]黄圣杰，张益三PRO／E2001高级开发实例[M]．北 率，既弥补了经验不足的缺陷，又使得设计工作变得 京：电子工业出版社，2002· 比较简单快捷． 参考文献(References) [1]朱光力，万金保．塑料模具设计[M]．北京：清华大学 (责任编辑徐云峰) 手机外壳的注射模具设计 作者： 胡琳， 楚艳玲 作者单位： 深圳大学,工程技术学院,广东,深圳,518060 相似文献(10条) 1.期刊论文 胡琳.林晓丹.楚艳玲 运用Pro/E实现薄壳件产品模具设计的应用研究 -新技术新工艺2005(5) 详细论述了运用计算机辅助技术实现机电产品造型与薄壳件模具设计的具体过程,提供了使用Pro/E软件进行整个注塑模设计的流程,分析了在实际应 用中应注意的相关问题. 2.期刊论文 刘筱霞.张美艳.舒祖菊.LIU Xiao-xia.ZHANG Mei-yan.SHU Zu-ju Pro/E在产品造型设计中的应用 -包 装工程2008,29(3) 通过介绍台灯模型设计的全过程,说明运用Pro/E的全参数设计、特征基础、装配等特点,使设计工作直观化、高效化、精确化.充分证明在产品造型 设计中应用Pro/E软件进行外观造型的重要性. 3.期刊论文 沈萌红.关金生 基于Pro/E的三维参数化零件库的开发 -中国制造业信息化2003,32(7) 通过对Pro/E功能的描述,介绍了基于Pro/E的标准零件和典型零件库的开发方法,结合一个齿轮实例介绍了利用程序设计的方法开发典型零件的过程 和造型技巧,并且给出了一个齿轮渐开线齿廓快速创建方法. 4.学位论文 王恺 产品造型CAD/CAE/CAM集成方法研究 2009 产品造型作为新产品开发的重要环节，随着计算机的发展，CAD/CAE/CAM集成技术不断成熟越来越多的运用到产品设计中。应用计算机辅助进行产品 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