折叠式手机上翻盖注塑模具设计

折叠式手机上翻盖注塑模具设计 手机的造型日新月异、不断更新，翻盖型式已成为市场潮流。在翻盖手 机的主要塑料零件中，输入信息的按键、翻盖转轴机构、软排线、两侧音量 键及数码接口按键等大部分功能零件都集中在机身面盖内，面盖的结构复杂、 精度要求高，所以对模具的设计和制造有较高的要求。从各个工厂的手机模 具制作来看，面盖模具是手机塑件制造中的关键模具。 翻盖手机的塑料零件日趋复杂，其中前盖的结构不但复杂，而且精度要 求也高，导致模具设计制造的困难，但在这手机前盖模具设计方法上，有一 些比较新颖的设计想法。浇注系统选择前后两个扇形浇口，使熔体流人的速 度均匀、浇道的变短，能降低产品的内应力，防止空气带入腔体;前盖与翻盖的两个装配转轴孔的成形，采用特殊的侧面抽芯机构，降低了模具制造 成本，解决了位置小、结构上受限制，脱模机构设计困难的老大难问题;尝试用抽真空的办法辅助成型，在模具上设计排气槽和排气小孔，采用密封圈密 封，与抽真空设备连接，能有效地改善塑料熔体的注射充模条件，便于融熔 塑料的流动、排气，有效地提高了塑件质量和生产效率。 通过对折叠式手机上翻盖壳体的工艺分析，我分析了模具浇注系统的设 计方法，给出了最典型设计，实现了塑件产品的顺利顶出，解决了产顶 断裂的问题。 关键词: 手机 浇口 注塑模具 设计 手机模具 1 ........................................... 1 ............................................................. 2 ......................................................... 4 ................................................. 5 ................................................. 7 3.1成型零件的设计 ............................................. 7 3.2浇注系统的设计 ............................................. 7 3.3排气系统的设计 ............................................ 10 3.4抽芯系统的设计 ............................................ 11 3.5 顶出系统的设计 ........................................... 12 3.6分型面设计 ................................................ 13 .......................................... 16 4.1实验材料 .................................................. 16 4.2模具设计 .................................................. 17 4.3射出成型 .................................................. 18 .................................................... 19 5.1实验描述 .................................................. 19 5.2实验模具的制作流程 ........................................ 19 5.3模流分析 .................................................. 19 5.4建立公母模 ................................................ 19 5.5射出成型 .................................................. 20 2 5.6应力分析 .................................................. 21 5.7实验结果 .................................................. 22 ........................................................ 23 .......................................................... 24 ........................................................ 25 3 当前，手机行业的竞争异常激烈，手机产品推出的速度和质量直接影响 该款手机的定价、利润、市场占有率以及产品的生命周期，甚至影响公司的 生存状况。影响手机的推进速度和质量主要集中在手机的结构件，而决定手 机结构件的推进速度和品质，关键是手机壳类注塑模具的制造周期和质量。 手机上翻盖作为折叠式手机五大外观结构件(上翻盖、下翻盖、前壳、后壳和电池盖)之一，模具的制造速度和质量直接影响手机产品的外观品质。上翻盖 的立体图如图1-1所示。 图1-1 上翻盖立体图 4 手机上翻盖外观简图如图2-1所示，材料为PC+ABS，大小为43. 2 mm X 72. 5 mm，产品壁厚为1. 5 mm，局部最小壁厚0. 3 mm，有8个扣位，两侧各3个，底部有2个，中间有1个较大的碰穿位，局部有11个小的碰穿孔位。外观要求高，不能有瑕疵，表面色泽均匀、清洁、无刮痕、毛刺及其它机械 损伤、断裂等表面质量，不能有明显色差、缩水、毛边、结合缝、污点等.高，不能有瑕疵，表面色泽均匀、清洁、无刮痕、毛刺及其它机械损伤、断裂等 表面质量，不能有明显色差、缩水、毛边、结合缝、污点等。 B—B D放大比例 图2-1 上翻盖简图 关键位置的尺寸:上翻盖和下翻盖的装配尺寸即扣位、止口、柱位方面的 5 尺寸;与装饰片的配合及热熔螺丝孔位的尺寸;与线路板的配合，内部尺寸控 制。 关键位置的尺寸:上翻盖和下翻盖的装配尺寸即扣位、止口、柱位方面的 尺寸;与装饰片的配合及热熔螺丝孔位的尺寸;与线路板的配合，内部尺寸控 制。 6 3. 1 在该模具设计中，根据批量50万次的要求，模芯材料选用S136钢材， 淬火到HRC52 -56，该钢材的特点是模具的表面光洁度可以很高，当然如果批 量较小的情况下，可以考虑使用NAK80等其他钢材。为了提高模芯的加工效 率，并有利于对模芯进行抛光处理，动、定模芯 选用镶件式结构。 3. 2 合理的进胶方式决定了模具结构的复杂程度，也决定了产品的质量，而 浇注系统的设计关键在于浇口的选择。手机上翻盖是外观件，浇 口不允许开设在产品的外表面，塑料材料是PCABS，流动性能一般，因此适合上翻盖常见的。 常见的几种浇口形式及特点 (1) 侧浇口: 该浇口形式结构简单，加工容易。但是从手机外侧显示屏处 往内看，会有浇口的痕迹，影响手机的美观。因此上翻盖进胶方式一般采用 侧浇口方法。 (2) 三板槟：点c注系统的废料;要采用三板槟。 (3) 潜i针： 潜i针或筋条上百L该方案存在的问题是产品顶出后需要对 浇口余料进行手工的修剪，去除产品上的浇口废料。 (4) 香蕉型浇口: 采用该方案一般浇口潜在产品内部的表面或筋条上，产 品顶出后浇口自动断开，不需要人工清理，生产效率较高，但是该口形式加 7 工比较复杂，需要采用镶拼的结构。 综上所述，考虑到手机生产批量大，为提高生产效率，避免产品顶出后 浇口位置的人工后处理，在该上翻盖模具的设计中，采用香蕉型浇口的进胶 形式，浇口的大小为沪1. 2 mm，见图3-1,为了使设计更趋合理，使用Moldflow公司的MPI分析软件进行分析，浇口铸件、预测填充时间、注塑压力等的分 布状况如图3-2、图3-3、图3-4所示。结果显示:该浇口的位置和形式可以得 到合理的填充状态，熔接线的状况可以接受。 图3-1 局部图 8 图3-2 浇口铸件分析示意图 图3-3 填充时间分析 9 图3-4 注塑压力分析 3. 3 手机类零件对熔接线的控制比较重要，因为熔接线的位置直接影响手机壳类 零件的机械性能，从而影响整机的跌落实验结果，如果浇口形式、大小}il/n}天亦}"I}}下一霎} ;}I款注塑的压力、泪接线改变，而k容易引起烧焦系到是 否能够因此面排气的方法，排气槽Y}IcIxX}J,*}x}J}为. 0. 02mmX4 mmXS mm,}a]隔约12 mm，封胶段长度为12 mm，其余全分型面的排气深度为0. 2 mm,型腔排气形式如图8所示。 当然，在其它排气形式上，还利用顶针，碰穿位内部设置排气槽和斜顶 运动部件进行排气。 10 图3-5 型腔排气示意图 3. 4 产品的内部有8个内扣位，为实现这些区域的出模，采用斜顶机构来成 型这些扣位。由于上翻盖产品较小，产品内部筋条较多，空间小，斜顶的宽 度和厚度方向一般只能设计到S-7 mm，如果采用普通的整体式斜顶结构，细 长的斜顶在运动过程中很容易断裂，因此，把斜 顶设计短一些，改变普通的斜顶滑动方式，斜顶的根部设计成T型结构，斜顶导杆加工出T型槽，与斜顶的T型头构成滑动配合，并利用导杆固定件把 它固定在顶针板上。顶出时，斜顶一方面在T型槽自由滑动，一方面沿着模 芯斜顶槽滑动，使得扣位顺利脱开斜顶，斜顶部件的结构如图3-6所示。此外，产品在顶部有小圆角，形成倒扣现象，对于这一区域的出模，采用行位的机 构来实现。 11 图3-6 斜顶结构示意图 1 斜顶 2斜顶导柱 3导杆固定件 35 为了使产品顺利顶出，利用已经设计的8个斜顶，同时又在产品的合适位置布置一些顶针和推管，使得产品顶出时尽可能平衡，保证产品的外观质 量。 考虑到注塑生产过程需要利用机械手夹取产品，设计了二次顶出机构， 即先使斜顶和顶针一起顶出，在扣位脱离斜顶一个安全距离后，顶停止顶出 动作，而顶针和推管在顶出力用下继续顶出。 动、定模部分的分离。顶出时，由于注塑机顶杆通过螺纹与底部的顶针 固定板相连，带动顶针和推管对产品进行顶出，同时通过二次顶出机构推动 12 顶部的顶针固定板同步运动，顶部的顶针固定板带动斜顶做顶出运动，顶出 到设定的距离后，顶部的顶针固定板脱离二次顶出机构，斜顶不再向前运动， 但底部的顶出板仍然带动顶针和推管向前顶出产品，直到到达注塑机的设定 顶出距离，机械手取出产品.然后顶杆后退，拉动底部的顶针固定板返回一定 的距离，等高螺钉和二次顶出机构发生作用，使得顶部的顶针固定板回退， 带动斜顶完成回位，当顶针板回到指定的位置时，行程开关25给出信号，顶出结束紧接着，动定模开始合模，并通过斜导柱驱动滑块回位，完成整个工 作过程。 以玻璃酒瓶模具为研究对象，以软件Pro/E为工具，对玻璃酒瓶模具的分型面设计技术。 13 14 图3-7 模具结构 1.导杆固定块 2.科顶导杆 3.导杆定位决 4.料顶 5.动模镶件 6.动模芯 7.定模芯 8.浇口套 9.模架 10.定位圈 11.模脚 12.定模镶针13.清块镶件 14.抖导柱 15楔紧块 16.耐磨块 17.滑块 18，定位器 19.限位螺打 20,21,22,23.二次顶出机构零件 24.垃圾钉 25.行程开关 26.等高螺针 27.隔水片 进行了探索性研究，提出了其创建方法，取得了成功，并用于生产，如 图3-8所示。为玻璃酒瓶模具CAD/CAE/CAM的一体化技术成功应用于玻璃 酒瓶模具解决了关键技术问题，缩短了玻璃模具设计制造周期，大大提高玻 璃酒瓶模具制造行业的经济效益。同时，为今后酒厂加速产品更新换代、新 产品开发、玻璃酒瓶模具专用CAD/CAE/CAM系统开发和先进制造技术(快速原形、逆向工程、流动分析)应用奠定了基础。 图3-8 已加工成性磨具 15 4.1 （1）塑料材料 塑料材料种类很多，各有其独特应用。一般依成型加工性质的不同，可 分为热塑性与热固性两大类，热塑性塑料又可分为结晶与非结晶两类。结晶 是分子排列，冷却后成为结晶构造。冷却速度越慢，结晶度越高。结晶 性塑料在熔点温度时会急趋的比容下降，非结晶性塑料则无此现象。热塑性 塑料可重复地进行加热液化、冷却固化的过程具有可逆性。然而结晶性的热 塑性塑料结构坚实，密度、刚度、硬度较非结晶大，但透明度较低，且结晶 化在成型品中的位置不同与程度不同时，易产生扭曲和弯翘。热固性塑料在 加热初期，粘度降低，但随着温度增高，其分子不断地聚合成庞大的立体网 状结构，而固化为不溶于溶剂且坚硬的物质，再加热也不再软化。网状结构 越致密，塑料越硬，耐热性与耐溶剂性越好。常见的热固性塑料有酚-甲醛（电木）、尿素、环氧树脂。本实验利用ABS塑料颗粒原料来射出成型。 （2）模具材料 模具素材的适合对模具的寿命及加工性大有影响，这取决于模具需要的 条件，加工设备。近年因生产批量大，塑料用模具也要求淬火，因此本实验 以S45C钢材为名称CAD/CAM系统UG NX（UG NX）切削仿真系统Vericut模流分析系统Moldex3D切削中心机CNC车床CNC五轴加工机CNC放电加工机CNC线切割机射出成型机CNC立式铣床应力偏光分析仪用途 建构3D曲面图切削模拟模拟射出成型模座加工、电极头加工制作模具顶出销公母模 16 仁加工、曲面加工公母模仁加工公母模仁加工塑料成品射出电极头加工残余 应力分析表1实验机械及仪器主要部位零件，用P20材料。1.2实验设备实验设备应用软件，配合实验机械及仪器来操作应用。 4.2 （1）模具的基本结构 （2）浇道分析与设计 浇道的作用在于连接注入口及模穴浇口，主要用于多进浇口大件模具或 多模穴模具，目的在于使塑料同时到达各模穴，使充填速度均匀。 （3）型腔 射出成型模具主要由型腔赋予成型品的最终形状，因此型腔可定义做模 具中赋予成型品形状的零组件。 （4）模穴与模心一般而言，模穴的主要要求为填料快速，容易脱模，表 面须光滑模心的要求则为须维持整个模穴温度均匀。 （5）注入口及注 入口的衬套注入口或竖浇口的目的在于将来自喷嘴射出的熔融塑料导入 模具的浇道系统。外围衬套则称为注入口衬套。 （6）对位圈或定位圈 对位圈的目的在于导正射出机喷嘴位置与模具注入口，避免出料不顺。 有时除了定位的功能外，在模具外壁薄而射出压力高时，往往需借助对位圈 来保持注入口衬套与模具的对中。 （7）注料系统 对多型腔模具而言，需要一注料系统将塑料平均分配到每个模穴中。注 17 料系统主要由浇道及浇口两大部分所组成。 （8）浇口设计 影响浇口设计的因素：浇口系连接模穴与浇道的位置，通常是模具中最 细小的部份，模具设计上一大问题。塑料流经浇道或浇口时，由于截面积甚 小所受到的流动阻力甚大，因此大的压降会消耗许多射出的压力且塑料温度 亦会因剧烈的粘滞加热而明显上升。因此过小的浇口设计有可能造成过热及 塑料的热破坏或裂解；浇口太大又会使塑料因冷却结果提早在浇口位置冻结， 使保压无法持久，且不利浇道系统剪除；再有浇口位置对加工成品的机械强 度及外型美观也有决定性的影响。进浇位置直接决定了塑料在模具内充填的 起始条件、熔接线位置以及产品的性质。因此，适当的浇口位置设计是模具 设计的重要目标。传统上进浇口位置与浇口尺寸、方式的决定是由实验来进 行的，即所谓的试误法，经不断地试模找出较佳的进浇位置。但对较复杂的 模具或精密模具，经验法则难以使用。因此近年来许多研究人员致力于计算 机辅助工程分析方面研究，希望结合高分子加工原理与数值计算，计算机绘 图的技术，发展出模具设计的辅助软件，如国际上知名的MOLDFLOW， C-FLOW，以及CAE-MOLD，MOLDEX3D系统软件等。 4. 3 射出成型法的基本步骤有三个：熔化、流动及凝固，首先将固体塑料材 料加热溶解成液态，而后将其射入模具中，再行冷却、凝固即成。 18 5. 1 目前国内CAD/CAM商业软件功能强大，除具有各种曲面架构的CAD与各种加工的CAM模块外，同时亦有各种选择模块包括工程分析（CAE）、读入与输出、Triangle格式最好。本研究采用UG NX版MoldWizard模块，其主要是以建构复杂的曲面的模具有相当强的功能。CAE部份利用数控加工中心进行公、母模仁曲面加工出任意复杂形状，完全摆脱传统切削加工的限 制，可在制模前以Vericut仿真软件作出公、母模仁，做外型与尺寸的确认了 解零件间的干涉情况，并能及时在设计上作适当的调整。除了以Moldex3D分析找出最佳化射出条件外，了解模具破坏机构与因素。本文的制造流程不仅 在制模时效与成本上节省不少，精密度亦较其它制造程序较易控制。完成最 精密的模具后，成型技术更不可缺少，所以在成型技术上，利用压力、温度、 时间做参数来探讨其成品的优缺点，加以修正改进。 5. 2 从运用CAD/CAM系统采UG.NX Mold Wizard模块来设计曲面的建立与 编修建构成品与模具几何模型，数控技术进行手机上盖塑料射出模具制作， 以模流分析软件获得射出成型的加工修件，并对模具的寿命评估，达到缩短 制程时间、降低成本及提高质量的目标。 5. 3 试模程序在塑料模具中扮演着相当重要的地位，模具根据的模流分析在 19 产品设计完成阶段即可通过模流分析软件仿真模具射出成型的情形，决定模 具的设计方式，模流分析所产生的参数可当作试模时的参考，降低模具设计 的失败率以及试模时间与次数。本研究是以Moldex3D分析充填过程，为模流设定参数，分析的建议结果相对照，由于作为寿命评估，故射胶压力大，以 加速模具磨耗，充填过程中压力分布、温度分布、波前图与模流方向图，从 波前图与模流方向图中可观察熔接线位置，分析图中显示厚度相当均匀，表 面没有明显熔接线。 5. 4 本研究所设计的CAD模型是手机壳的外型，是采用UG NX软件来设计，它对于曲面的建立与编修及加工具有强大的功能。 5. 5 将公、母模与模座组合完成后，并利用模流分析所得知结果，设定射出 条件。射出机机型为台中精机Ve-80，射出材料采用ABS塑料颗粒材料。 图5-1模具结构 20 1.定位环 2.注入口衬套 3.导销 4.模仁 5.顶出板 6.顶出销 7.C板 8.挟槽 9.顶出器套盖 10.注入口顶器 11.顶出器固定板12.支撑板13.B板14.A板 15.顶部挟板图 5.6 偏光仪是量测应力变化的实验仪器，其主要设备包括偏光板、四分的一 波板及光源，把光弹模型置于光弹性实验仪其中时，可用来检验应力的方向。 反射式光弹分析仪与穿透式光弹很类似，首先利用可塑性光弹分析材料披覆 在像一面镜子一样平滑的待测物表面。再用一光束经一面偏光板照射物体， 经物体面上的反射光投射回同一面偏光板。光源若使用白光的话，光弹条纹 是彩色的条纹，可以根据应力条文对照表来得到某一种颜色的条纹代表某阶 段的条纹。在单色的光弹条纹中，粗线的地方代表该点的主应力方向x轴（或y轴）平行。因此两道光的相位差，因而造成光场的明暗条纹，光场的条文可 以肉眼观察，条纹越密集的地方，表示应力越大，亦即应力集中的地方（也 是材料发生破坏时最先开始的位置）。当光穿入透明均向板材料（环氧树脂或 电木等材料，构成暂时双折射的特性，板受应力立即产生双折射现象，但如 将所加应力移走时此现象即消失）中，则速度会随材料的应力状态而产生轻 微的变化。对于均质等向性的材料，两个偏光光波沿着主应力方向偏，此两 方向的速度并不相等，其差值与主应力值的差成正比关系。 5.7 借助新技术与观念应用在手机壳模具的制作与设计分析，其各阶段的成 品所得结果做进一步讨论。 21 （1）模具制作（CAD/CAE/CAM） 本文CAD部分将用Unigrahics NX Mold Wizard模块来设计曲面及编建构 成品与模具几何模型，非常有利于CAM的三轴加工及数控加工，只要直接转 文件利用仿真软件Vericut仿真切割，继而实机制作。在CAE方面，将CAD图直接置入Mold Flow（MPI.4.0），再输入设定值，直接作分析，非常方便， 节省时间，置入过程中亦不会产生错误及遗漏数据。 （2）射出成型 本文利用成型射出成型机实际机器上做模温、射出压力、射出温度、射 出时间、射出流量的变化，完成手机壳成品，置放于偏光仪下做探讨。 22 为了达到较好的表面质量，采用模温机对模具的动、定模温度进行调整， 设置动模温度80 0C，定模温度为90 0C。同时，通过排气槽的设置，对注塑时压力、速度、温度和时间的调整，实现对熔接线的调整，达到很好的试模 效果。本模具在实际应用过程中，模具动作平稳可靠，顶出可靠，试模效果 理想，塑件的品质符合设计的要求。利用CAD的模具设计是从得到制品图后，设计模具构造、分面膜、横浇道、进浇口等，然后再决定温度控制、脱模等， 并依制品图来决定公模与母模的尺寸。成型品充填不足时，会发生气泡、气 孔、收缩下陷皱纹等，原因有成型空间内的成型压力不足、树脂的流动性不 足、排气不足等，成型压力不足包括：成型机的容量不足与成型条件的射出 压力不足。采取的对策是延长充填时间，升高高速充填、模具、树脂的温度 增大射出压力，增大浇口，将浇口位置移到肉厚部，增强通气孔等等。本文 主要借助数控加工机和射出成型机，再应用CAD软件Unigrahics NX版构建 手机模具的零件图，直接可转至Molddex3D作模流分析，节省重复建构图形文件时间，并缩短制造时间、提高精密度、降低成本、进行传统制造加工程 序的改善及射出成品技术的修正。 23 本研究论文是由李少海导师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的 科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，一直以来都在深深的感 染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，李少海导师都至始至终给 我以细心的指导和不懈的支持，这段时间来李少海老师不仅在学业上给我以 精心的指导，同时还在生活思想上给我以无微不至的关怀，在此向李少海老 师致以诚挚的谢意和崇高的敬意！ 在此，我还要感谢在一起愉快度过大学生活的5#324的各位兄弟们，正是由于你们的帮助和支持我才能克服一个又一个的困难和疑惑，直至本论文 完成，谢谢他们！ 感谢审阅过我毕业设计的老师们，没有你们的指正于修改，我的题目不 会完成的如此顺利，在此我要向您们鞠上一躬！ 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文顺利 完成，有多少可敬的师长，同学朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚 挚的谢意！最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢您们！ 最后我还要感谢机电系和我的母校西京学院三年来对我的栽培！ 24 [1]朱光力.塑料模具设计[M] 北京:清华大学出版社，2005 [2]申开智.塑料成北京:中国轻工业出版社，1998. [3]皿单岩.Moldflow模具分析技术基础 [M] 北京:清华大学出版社，2004, [4]杨裕国.玻璃制品及模具设计[M] 北京:化学工业出版社，2003. [5]黄圣杰.Pro/E野火版基础教程(、下册)[M].北京:人民邮电出版社，2004. [6]王雷等.Pro/E野火版模具设计基础与产品造型实例[M].北京:人民邮电出版社，2004. [7]阮锋等.Pro/ E模具设计与制造实用教程[ M].北京:机械工业出版社，2003. 25