掌上游戲機外殼的注塑模具設計-抽芯注射模含NX三維及7張CAD圖

掌上游戲機外殼的注塑模具設計-抽芯注射模含NX三維及7張CAD圖,掌上,游戲機,外殼,注塑,模具設計,注射,nx,三維,cad 掌上游戲機外殼的注塑模具設計 摘 要 此論文以掌上游戲機外殼作為設計模型，以塑膠模具設計與制造，模具加工工藝的相關知識作為依據，講述整個掌上游戲機外殼注塑模具設計過程。設計初期首先使用UG軟件進行掌上游戲機外殼的實體造型。然后用Moldflow模流分析軟件分析得到最佳注射點和注射方式。最后明確設計思路，確定成型工藝。在保證足夠強度并盡可能減少成本的前提下采用了無模仁設計，將型芯型腔直接做到AB板上。此結構可確保模具工作運行平穩(wěn)并保證配件之間的配合精度，缺點是增加了模具維修成本。此論文通過對掌上游戲機外殼塑膠模具的設計，幫助我總結并深化了所學的模具設計，模具加工工藝的相關知識，達到了我的設計意圖。 關鍵詞：掌上游戲機外殼；塑膠模具設計；無模仁設計；后?；瑝K Ⅰ 目 錄 前 言 1 1 掌上游戲機外殼產品設計 2 1.1 市場調研 2 1.2 掌上游戲機外殼設計要求 3 1.3 掌上游戲機外殼外形尺寸 4 1.4 掌上游戲機外殼材料選擇 4 1.5 脫模斜度 4 2 掌上游戲機外殼模流分析 5 2.1 分析最佳澆口位置 5 2.2 填充分析 5 2.3 填充時間分析 5 3 注塑機的選擇 6 3.1 注塑機選用的基本原則 6 3.2 分析產品，選擇注塑機 6 4 分型面設計與模架型腔設計，模架選擇 7 4.1 分型面設計 7 4.2 型腔設計與模架選擇 7 5 澆注系統(tǒng)設計 9 5.1 唧嘴（主流道）設計 9 5.2 定位環(huán)（主流道襯套）設計 9 5.3 分流道設計，澆口設計 10 5.4 冷料穴的設計 10 6 抽芯機構設計 11 6.1 滑塊（行位）設計 11 6.2 滑塊抽芯距離設計 11 6.3 鏟雞（鎖緊塊）設計 11 6.4 斜導柱角度設計 11 7 頂出系統(tǒng)設計 12 7.1 頂出系統(tǒng)概述 12 7.2 頂針（推桿）、司筒（推管）位置布置 12 8 回位系統(tǒng)設計 13 9 冷卻系統(tǒng)設計 14 9.1 水路設計原則 14 9.2 前模水路 14 9.3 后模水路 15 10 排氣系統(tǒng)設計 16 10.1 常見排氣方式 16 10.2 排氣深度 16 總 結 17 致 謝 18 附 錄 19 參考文獻 20 前 言 模具乃工業(yè)之母，是國民經濟中極其重要的組成部分，是制造加工行業(yè)的重要裝備，工業(yè)產品、零件的批量生產和開發(fā)都需要模具的參與。人們常見的工業(yè)產品有百分之六十到百分之九十的零件需要用模具成形?，F(xiàn)代模具正在向技術密集型和資金密集型方向發(fā)展，與高新技術互相依托，相輔相成，迅速發(fā)展。資料顯示，產業(yè)發(fā)展中，模具發(fā)展1億元就能帶動相關產業(yè)發(fā)展100億元，高達1:100的比例，由此可見模具發(fā)展對國民經濟的重大貢獻。 既然模具在國民經濟中扮演如此重要的角色，那么國家必然會投入大量資金用于發(fā)展模具行業(yè)。模具設備也將往超大型、超精密、長壽命、超高效方向發(fā)展。模具標準化程度也將不斷提高。在科學發(fā)展觀的指導下，我國模具行業(yè)必將進一步改革，專注于科技創(chuàng)新與效率的提高，模具工業(yè)的發(fā)展必將又好又快。 模具工業(yè)的發(fā)展必定需要大批的模具設計和模具加工人才。模具設計工程師是指從事模具數字化設計，在傳統(tǒng)設計基礎上，應使數字化設計軟件，提高模具設計質量，縮短模具設計周期的人員。模具設計是很復雜的工作，最基本的要求是每套模具之間必須恰到好處的配合。之間必須恰到好處的配合。同時產品設計到模具制造整個流程中，不能只重視產品設計，忽視模具制造難度，要從模具價格、質量、服務等全方位去考慮，做到產品設計，模具制造，制品加工一條龍。 通過此次畢業(yè)設計的撰寫，讓我又多了一次模具設計方面的實戰(zhàn)訓練。此次設計選取掌上游戲機外殼作為設計模型，以塑膠模具設計與制造，模具加工工藝的相關知識作為依據，講述整個掌上游戲機外殼注塑模具設計過程。掌上游戲機外殼內部結構較復雜，設計中涉及到較復雜的分模過程和滑塊機構，能很好幫我總結深化運用說學過的模具設計的知識 ，并鍛煉我發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。達到了我的設計意圖。 1 掌上游戲機外殼產品設計 1.1 市場調研 掌上游戲機，簡稱掌機，是一種方便攜帶的小型專業(yè)游戲機，是美國Mattel公司在1976年開發(fā)出來的，第一款上市游戲機名為Mattel Auto Race，首次將LED技術應用在電子游戲中的始祖。如圖1-1所示，這是一款相當經典的掌上游戲機?！? 掌上游戲機是一種相當受歡迎的兒童玩具，對孩子們智力的培養(yǎng)有一定的益處。兒童玩具品種繁多，掌上游戲機慢慢的得到了家長的肯定，它既能使孩子的動手能力迅速提高，又能培養(yǎng)孩子獨立思考的能力。 隨著孩子年齡增長，興趣越來越廣泛，兒童玩具范圍逐漸擴大，各種電動玩具、電子游戲機都非常受孩子們的歡迎。在眾多益智玩具中，彩屏掌上游戲機更受孩子的喜愛。 日系掌機一年在國內有幾百萬的銷量，說明這個市場是不小。 圖1-1 掌上游戲機 1.2 掌上游戲機外殼設計要求 掌上游戲機主要針對游戲玩家設計，其中未成年人居多，所以材料選擇上應使用無毒無害的塑膠材料。掌上游戲機種類繁多，所以要在外觀上下好功夫，外觀設計不能夸張，要結構合理，有強度，手感舒適，整體簡潔美觀，才能博得玩家們的喜愛，在同行中取得優(yōu)勢。此次設計的產品圖如圖1-2所示。 圖1-2 產品圖 1.3 掌上游戲機外殼外形尺寸 測量得出該產品外形尺寸為143×81×18.5（mm）,148×81×16（mm），壁厚為2.5mm. 1.4 掌上游戲機外殼材料選擇 綜合考慮掌上游戲機的使用人群，使用條件，使用環(huán)境，加工性能和制品成本，決定使用ABS作為掌上游戲機外殼材料。 ABS塑料是五大樹脂合成材料之一，有良好的抗沖擊性能和耐熱度。ABS塑料很容易加工，它制作出來的產品穩(wěn)定性極佳，擁有較高表面光澤度，是一種很好的應用材料，常應用于汽車和電子電器與建材等領域。 ABS的密度為1.03-1.07g/cm3，收縮率為0.05-0.08，常取0.05，此掌上游戲機外殼取0.06.ABS成型工藝參數見表1-3. 表1-3 ABS成型工藝參數 干燥溫度（℃） 70~80 干燥時間（hr） 1.5 模具溫度（℃） 45~80 殘料量（mm） 2~8 熔膠溫度（℃） 190~235 背壓（MPa） 9~18 注射壓力（MPa） 90~140 鎖模力（ton/in2） 2~2.5 注塑速度 中等 回料轉速（rpm） 70~100 螺桿類別 標準螺桿（直通式噴嘴） 1.5 脫模斜度 ABS塑料收縮率0.06，該產品脫模斜度周全圈均勻都為3度，加強筋無脫模角度，設計脫模角度為0.5度。 2 掌上游戲機外殼模流分析 2.1 分析最佳澆口位置 在進行產品設計分析后得知，外觀面要求光整，不能有進膠點，所以確定進膠方式為潛進膠。Moldflow分析結果顯示最佳澆口位置位于游戲機外殼中間位置的側面，根據經驗可以判斷這個澆口位置是合理的，但最終澆口位置還需在此基礎上做進一步分析和改善。 2.2 填充分析 澆注系統(tǒng)設計的好壞將很大的影響到產品的成型性能，使用Moldflow進行填充分析是為了輔助得到最佳澆注系統(tǒng)設計方案，尋找最佳澆口位置。填充分析結果見圖2-1和圖2-2. 圖2-1 填充末端凍結層因子 圖2-2 填充末端壓力 2.3 填充時間分析 Moldflow分析中填充時間分析是一個非常重要的結果。根據本次填充時間結果圖的展示，將澆口位置設置在游戲機外殼中間位置的側面，充填時間差短，澆口位置安排合理。分析結果如圖2-3所示。 圖2-3 填充時間分析 3 注塑機的選擇 3.1 注塑機選用的基本原則 注塑機選用的四個最基本原則如以下四點所示。 1）產品成型精度，直接關系到注塑機的選購與配置要求就是產品所要求的精度高低。根據預算成本和公司機器規(guī)格表，選用合適的注塑機。 2）鎖模力，單位以噸表示。估算鎖模力的主要方法是投影面積乘以因塑料而異的常數。計算出鎖模力后，可以根據公司機器規(guī)格表，選用上一檔次的機器。 3）射出量，中文單位為盎司（港譯為安士）。工廠通常都是根據自己產品的質量來選擇合適射出量的注塑機。因為塑膠結構密度比不同，所以要計算出產品和流道料的總質量選擇注塑機有效射出量的在百分之二十在百分之八十之間的型號。 4）容模量，指注塑機能容下最大的塑膠模具的長×寬×高，由注塑機哥林柱之間的間距來決定，根據設計的模具的大小來選擇合適的注塑機。 3.2 分析產品，選擇注塑機 使用UG軟件測量得出掌上游戲機外殼的體積為V=59.3cm3. 計算外殼的質量，ABS塑料密度p=1.03-1.07g/cm3，因為一次注射成型出掌上游戲機正反外殼，所以采用一模兩腔的結構，又因外觀面不能進膠，所以采用潛頂針的進膠方式，估算澆注系統(tǒng)塑膠料體積為V=40cm3. 外殼和澆注系統(tǒng)塑膠料的總質量約為100cm3，從實際注塑量應在額定注塑量的20%-80%之間考慮，初選臥式注塑機型號XS-ZY-250. 表3-1 臥式注塑機XS-ZY-250參數 螺桿直徑（mm） Φ50 模具厚度最大（mm） 350 理論注射容積（cm3） 250 模具厚度最?。╩m） 250 注射壓力（MPa） 130 噴嘴球半徑（mm） 18 鎖模力(KN) 1800 噴嘴孔半徑（mm） Φ4 模板行程（mm） 350 定位孔直徑（mm） 125 4 分型面設計與模架型腔設計，模架選擇 4.1 分型面設計 產品初期分型面正常確定在產品外形最大輪廓處，為了便于產品順利脫模，盡量使塑件開模時留在動模一邊，但在設計過程中分型面的位置是不斷調整的。 設計期間涉及到滑塊，滑塊一側分型面需要跟著滑塊走，被迫抬高的另一側可以在最大輪廓處做一個整位來提高分型面，方便脫模。分型面如圖4-1所示。 圖4-1 產品分型面 4.2 型腔設計與模架選擇 根據產品結構分析，采用一出二（一模兩腔）結構，一次注射形成正反外殼。前期采用鑲嵌模仁的設計方式，設計模仁的長寬高分別為200mm，250mm，80mm，如圖4-2所示。在此模仁基礎上選用龍記大水口CI3340模架。后期設計滑塊是發(fā)現(xiàn)模胚尺寸嫌小，需要再此放大模胚，這樣使得成本大幅上升且不利于加工，因此，在保證足夠強度并盡可能減少成本的前提下采用了無模仁設計，將型芯型腔直接做到AB板上。此結構可確保模具工作運行平穩(wěn)并保證配件之間的配合精度，缺點是增加了模具維修成本。外觀面不能進膠，所以此產品采用潛頂針進膠的進膠方式，控制正反外殼之間的距離為28.34mm. 分析產品分布，初步確定模架選用龍記大水口CI2530. 因后?；瑝K的存在，故將產品以產品中心向一側偏移10mm，以平衡模具，這樣做也避免了放大模具，從而節(jié)約了成本。如圖4-3所示。 圖4-2 前期模仁設計 圖4-3 型腔設計 5 澆注系統(tǒng)設計 5.1 唧嘴（主流道）設計 主流道是與分流道相連的一段帶有錐度的流動通道，是注塑機噴嘴在模具中的延續(xù)，結構如圖5-1所示。 主流道外形設計為圓錐形，取2度錐角，表面粗糙度取Ra=0.4um. 主流道末端設計圓角過度，半徑取1mm. 主流道長度為L=48mm. 唧嘴為標準件，材料常用T10A. 圖5-1 唧嘴 圖5-2 定位環(huán) 5.2 定位環(huán)（主流道襯套）設計 模具定位環(huán)的作用是在模具上注塑機時，要保證模具的澆口套與注塑機噴嘴位置完全重合，形成密封。模具定位環(huán)是標準件，根據模架大小和唧嘴大小，采用Φ100的定位環(huán)，結構如圖5-2所示。 5.3 分流道設計，澆口設計 掌上游戲機外殼表面要求光整，所以不能在表面設置進膠點，經過分析采用潛頂針進膠的進膠方式，將塑膠潛入到頂針上，再由頂針進入外殼內部的骨位上，完成進膠，結構如圖5-3所示。 由于此產品采用潛頂針進膠的進膠方式，所以澆口形狀被限制為頂針截面，半圓形。如圖5-4所示。 圖5-3 進膠系統(tǒng) 圖5-3 頂針（澆口形狀） 5.4 冷料穴的設計 冷料穴是用來存儲兩次注射停頓時而產生的冷料頭及熔體流動的冷料，防止熔體冷料進入型腔，影響產品成型質量。此次模具冷料穴設置在主流道末端。 6 抽芯機構設計 6.1 滑塊（行位）設計 由于在產品中存在側孔和倒扣，為了能死產品在脫模過程中順利脫模，必須采用側向分型與抽芯機構。 經過分析，此產品采用滑塊加鏟雞的抽芯機構，該種機構簡單，加工簡單，動作可靠，生產率高，將上下模的上下運動轉化為左右運動來完成抽芯動作。 6.2 滑塊抽芯距離設計 滑塊抽芯距離正常取產品倒扣距離加2-5mm，此產品倒扣距離為2.8mm，故抽芯距離設計為7mm. 6.3 鏟雞（鎖緊塊）設計 鏟雞設計原則主要由有以下幾點： 1)鏟雞用來壓住滑塊，要有足夠的強度； 2)鏟雞壓住的位置要大于膠位位置； 3)注塑壓力大時要有反鏟。 此產品注塑壓力中等，故不需要反鏟，所以此產品鏟雞采用鑲拼結構，將鏟雞通過3顆螺絲與前膜固定，既保證了強度，也方便加工。 6.4 斜導柱角度設計 斜導柱角度正常取5-25度，要有強度，不重要的位置要避空，經過計算，斜導柱設計為15度時，抽芯距離為7mm，滿足要求。 圖6-1 滑塊 7 頂出系統(tǒng)設計 7.1 頂出系統(tǒng)概述 頂出系統(tǒng)在塑膠模具中，為使產品和流道廢料從模具中順利脫出，保證生產的持續(xù)運行所設置的相關機構。如側向分型抽芯、推桿、拉料桿、推塊、推管等。 7.2 頂針（推桿）、司筒（推管）位置布置 由于此外殼內部骨位較多，所以需要較多的頂針和司筒均勻頂出，考慮產品大小和骨位間隙，統(tǒng)一采用Φ4mm頂針，材料采用SKD61.具體布置位置如圖7-1所示。 圖7-1 頂針司筒圖 8 回位系統(tǒng)設計 此產品采用龍記大水口CI-2530模架，屬于中小型模具，故選用彈簧回位機構，將四根外徑30mm，內徑16mm，長70mm的彈簧分別加在四根回位桿上用以回位，經濟實用，易更換。 圖8-1 彈簧回位機構 9 冷卻系統(tǒng)設計 9.1 水路設計原則 1）快速，均勻冷卻，加工簡單； 2）一般采用橫向布置； 3）水路離產品10-20mm； 4）離鑲件頂針最小4mm； 5）離螺絲最小5mm； 6）水路間距為直徑5倍； 7）水路直徑一般是8mm,10mm（6mm和12mm很少采用）； 8）不能與其他配件相撞； 9）水嘴好安裝（直徑25-30mm范圍內無其他配件）。 9.2 前模水路 為了縮短成型周期，提高生產效率，本著快速均勻冷卻，加工簡單的原則，故設計前模水路直徑為8mm，前模水路設計為一字型，后期滑塊設計好后發(fā)現(xiàn)鏟雞的3顆固定螺絲占據了不小的范圍（如圖8-1，左側上下6顆螺絲為鏟雞螺絲），故在模具中間范圍設計兩條一字型水路，兩側設計為b字型水路。前模水路如圖9-1所示。 圖9-1 前模水路 9.3 后模水路 后模水路設計起來比較前膜水路是稍復雜的，因為后模水路會與頂針，鑲件，螺絲等相干涉。 如圖8-2所示，掌上游戲機上殼左側頂針設計合理，留有足夠的間隙過水路，所以在頂針之間設計兩條一字型水路，加工簡單，冷卻效果好。 掌上游戲機下殼骨位較多，需要較多頂針和司筒頂出，所以頂針司筒之間沒有足夠的空間過水路，故下殼范圍內采用b字型水路，加工簡單，冷卻效果好。后模水路如圖9-2所示。 圖9-2后模水路 10 排氣系統(tǒng)設計 排氣系統(tǒng)主要由排氣槽構成，作為一個通道給型腔內的空氣或塑料被注塑時所產生的氣體，在注塑時可排出型腔。在模具注射中如果不能完全順利的排除模具內部氣體，制品可能會出現(xiàn)填充不足、壓縮空氣表面灼傷、制品內應力過高和熔接線等問題。 10.1 常見排氣方式 1）流道開排氣槽排氣； 2）分型面開排氣槽排氣； 3）鑲件和鑲針配合間隙排氣； 4）頂針和司筒配合間隙排氣； 5）透氣鋼排氣。 10.2 排氣深度 排氣槽尺寸以氣體能順利排除不溢料為原則，ABS料排氣槽深度選用0.03mm，如圖10-1所示。 圖10-1 排氣槽 本此設計采用的排氣結構是： 1）利用AB板分型面排氣（分型面上開設排氣槽）； 2）頂針和司筒配合間隙排氣。 總 結 模具乃工業(yè)之母，模具設計是模具制造中至關重要的環(huán)節(jié)，嚴謹認真的作風以及一絲不茍的態(tài)度是一名模具設計師必備的工作態(tài)度。作為一名優(yōu)秀的模具設計師光有理論知識是完全不夠的，在模具設計與制造這個行業(yè)里，理論和實踐差別是比較大的。要從最基本的東西學起，先認識模具，熟悉各種的模具結構。模具設計這行是需要三五年的鉗工基礎的，其次是能夠熟練使用CAD和UG等制圖軟件。如果可以從事模具加工兩三年，就能學到很多模具設計師都學不到的工藝知識，從實踐走向理論，相信設計出來的模具的質量會更加好。經過數十套模具設計的鍛煉，便可以慢慢成為真正的有料的模具設計師了。模具設計師水平的高低不在設計的模具的數量，而在于設計出的模具的質量和對模具設計中難題的理解能力，分析能力和解決能力。 通過這次畢業(yè)設計的撰寫，讓我又多了一次塑膠模具設計方面的實戰(zhàn)訓練。初期尋找畢業(yè)設計產品的時候，我就告訴自己要找一個設計起來較復雜的，有挑戰(zhàn)性的塑料件，最后找到了一個掌上游戲機正反外殼的igs文件，我將它導入UG建立實體造型做我的畢業(yè)設計項目。 確定產品后，我此次掌上游戲機外殼塑膠模具設計便嚴格按照以下幾個步驟進行。（1）開始收集、分析、消化關于這些游戲機外殼產品的原始資料，包括產品設計、成型工藝、成型設備、機械加工及特殊加工資料以備設計模具時使用。（2）消化UG產品圖，分析產品的工藝性，尺寸精度等技術要求。消化工藝資料，分析成型方法，設備型號和模具結構（3）確定成型方法，選擇模架。（4）使用Moldflow進行模流分析軟件分析得到最佳注射點和注射方式。（5）設計型腔與分型面。（6）分析倒扣位置，選擇合適的抽芯機構。（7）設計頂出和回位機構，掌上游戲機外殼內部骨位相當復雜，需要很多的頂針和司筒均勻頂出，又考慮到后期的水路走向，所以謹慎合理布置。（8）分析模具工作時的溫度，頂針鑲件螺絲的位置，確定合適的水路形式。 完成2d排位之后，將設計好的CAD圖紙導入UG輔助進行3d分模，建立整個三維模具圖。最后編寫模具設計說明書，完善圖紙，打印成搞，整理歸檔。 致 謝 此次畢業(yè)設計是在專業(yè)老師的悉心指導下完成的，在設計階段得到了老師很大的幫助，老師嚴謹的教學風格和敬業(yè)精神深深的感染了我。同時，周圍的同學也給了我很多學習和生活方面的幫助。這篇畢業(yè)設計固然是我的勞動和汗水，但也凝聚了老師和同學們的心血。在此，我一并致以最衷心、最誠摯的感謝。 附 錄 圖1-1 掌上游戲機 圖1-2 產品圖 圖2-1 填充末端凍結因子 圖2-2 填充末端壓力 圖2-3 填充時間 圖2-4 氣穴分析 圖4-1 產品分型面 圖4-2 前期模仁設計 圖4-3 型腔設計 圖5-1 唧嘴 圖5-2 定位環(huán) 圖5-3 進膠系統(tǒng) 圖6-1 滑塊 圖7-1 頂針司筒圖 圖8-1 彈簧回位機構 圖9-1 前膜水路 圖9-2 后模水路 圖10-1 排氣槽 表1-3 ABS成型工藝參數 表3-1 臥式注塑機XS-ZY-250參數 參考文獻 [1] 楊峰.塑料模具設計. 北京：清華大學出版社，2005. 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