U盘外壳塑料模具设计毕业论文[共56页]

西北工业大学毕业设计 摘 要U盘是当今社会日常中必不可少的工具。U盘产品的外壳造型很多，市面上不断出现着各种款式，我们选用这一款U盘外壳（材料ABS）进行模具设计。我们通过分析和研究，参照有关的技术文献，选定材料和有关技术参数，设计出这款U盘外壳的模具。毕业设计论文主要包括三部分内容：第一部分为注塑模具的工作原理及有关的应用、有关的设计原则，以及产品的有关介绍。第二部分为模具的设计计算：模具结构的设计，浇注系统的设计，注射机的选择等。第三部分为Pro/ENGINEER的应用,Pro/E许多方面的功能都在本次设计中用到，它为产品造型设计和模具设计提供良好的设计环境，它把产品设计过程与加工制造过程很好的结合起来。【关键词】 U盘，外壳，ABS，注射模具，Pro/ENGINEER ABSTRACTU disk is a daily tool, which is necessary in todays society. The shell of U disk products is continuous updating following on the market requirement. We choose this shell shape of the U disk to mold design. Through the analysis and research, and consult involved technical literature, then choose the material and involved technical parameter, designed this style of U disk shell shape mold.The design project is divided into three parts. The first part is about the working theory and application of a plastic injection mould, the principle of designing and the introduction of the production about plastic mould. The second part is about the designing and calculation of the mould. It including: the selecting of the injection machine, the structure designing of the plastic mould and the inject system of mould. Pro/ENGINEER was used in this practice, it provide a good design environment for products design and mold design. It combined the process of products design with manufacture.【KEY WORDS】 U disk , shells , ABS , injection mold, Pro/ENGINEER 目 录第1章 绪 论11.1 注塑模具概述11.1.1注塑模具设计的特点11.1.2 注塑模具的组成21.1.3 注塑模具的分类31.2 Pro/E注塑模具概述31.2.1 Pro/E概述31.2.2 Pro/E 注塑模具设计解决方案41.2.3 Pro/E模具设计的基本流程51.2.4 Pro/E注塑模具设计的应用61.2.5 基于Pro/ENIGEERING的 CAD/CAM的发展趋势71.3本次选题的意义9第2章U盘塑料外壳（塑件）造型设计102.1 参数化设计概述102.2基于Pro/ENIGEERING的参数化造型设计过程112.3 U盘塑料外壳效果图14第3章 注塑成型工艺的可行性分析153.1 U盘外壳（塑件）的选材及其材料性能分析153.1.1塑件材料的选用153.1.2塑件材料的性能163.2 注塑工艺过程分析及工艺参数的设定173.2.1 注塑工艺过程概述173.2.2 利用Moldflow分析设定及调整主要注塑参数183.3 塑件分析24第4章 基于Pro/ENIGEERING的注塑模具结构设计254.1 整体结构的确定254.2型腔数目的确定与排列方式264.2.1 型腔数目的确定264.2.2 排列方式274.3 基于Pro/ENIGEERING的分型面设计274.4 排气槽的设计294.5浇注系统设计304.5.1浇注系统的功能304.5.2基于Pro/ENIGEERING的流道系统设计324.5.3基于Pro/ENIGEERING的浇口设计334.6 冷却系统的设计344.7 顶出装置374.8 EMX模具专家系统的加载及浇注系统、推出机构的创建37第5章 成型零部件设计385.1 成型零件的结构设计395.2 成型零件工作尺寸的计算415.3注射机的选用及相关参数的校核455.3.1 注射机的选用455.3.2 注射机工艺参数的校核465.3.3型腔数的校核465.3.4其他相关参数的校核475.4导向机构的设计475.5脱模机构的设计485.5.1 脱模机构的设计原则485.5.2 脱模机构的形式及布置位置485.5.3 脱模力的计算及推出零件尺寸计算495.5.4 推杆直径的确定51第6章 总 结52参考文献53致 谢54诚信声明55 53 第1章 绪 论1.1 注塑模具概述塑料的注射成型过程，是借助螺杆或柱塞的推动，将已塑化的塑料熔体以一定的压力和速率注入闭合的模具型腔内，经冷却固化定性后的开模而获得制品。1.1.1注塑模具设计的特点塑料注射模能一次性地成型，形状复杂，尺寸精确，或带嵌件的塑料制件。注塑件的生产中，通常以最终的塑料制品的质量来评价模具的设计和制造质量。注塑件质量，包括表观质量和内在质量。从塑件的形状和尺寸精度来衡量表观质量，包括注塑件的表面粗糙度和表观缺陷状况。常见的表观缺陷有：凹陷、气孔、无光泽、发白、银纹、剥层、暗斑纹、烧焦、翘曲、溢料飞边及可见融合度缝等。内在质量也就是性质质量，包括熔合缝强度、残余应力、取向、密度、收缩等。作为先进的模具，须在使用寿命期限内保证制品质量，并要有良好的技术经济指标。这就要求模具动作可靠，自动化程度高，热交换效率好，成型周期短。其次，合理选用模具材料，恰当确定模具制造精度，简化模具加工工艺，降低模具的制造成本亦十分重要。此外，注塑模具设计中，必须充分考虑到以下三个特点：（1） 塑料熔体大多数属于假塑性液体，能“剪切变稀”。它的流动性依赖于物料品种、剪切速率、温度和压力。因此须按其流变来设计浇注系统，并校验型腔压力及锁模力。（2） 视注射模为承受很高型腔压力的耐压容器。应在正确估算模具型腔压力的基础上，进行模具的结构设计。为保证模具的闭合、成型、开模、脱模和侧抽芯的可靠进行，模具零件和塑件的刚度与强度等力学问题必须充分考虑。（3） 在整个成型周期中，塑件-模具-环境组成了一个动态的热平衡系统。将塑件和金属模的传热学应用于模具的温度调节系统的设计，以确保制品质量和最佳技术经济指标的实现。 尽管注射模具的设计和制造的技术难度较高。但由于注射成型方法有其它塑料成型方法无法取代和比拟的有点，已引起人们普遍关注。注射模具设计理论及方法，以经历了从经验设计到理论设计的过程。我国正在加紧开发研制注塑模设计的CAE/CAD/CAM使用软件。1.1.2 注塑模具的组成下列以注射塑料模具为例，介绍塑料模具的典型结构。 注塑模具的组成包括以下几个部分：（1） 模具型腔模具型腔是成型注塑件形状的主要零件，它是由凸模和凹模组成的，一般分为三种。1) 整体式：采用自制模架或非标准模架，将凸模直接做在A版上，而将凹模直接坐在B版上。但是这种A版和B版所选用的钢材必须满足成型的要求，而且一般凸模加工困难，钢材消耗多。2) 整体嵌入式：这种模具一般采用标准模架，所以此形式应用广泛。它是将凸凹模做成镶块，安装在标准模架的A，B板上。3) 拼镶式型腔：对于复杂的模具型腔，为简化加工，凸凹模都采用拼装的形式。（2） 分型面分开模具取出制品（注塑件）或分开模具取出浇注系统、既可以接触又可以分开的面叫做分型面。分型面通常是平面，也有斜面或阶梯面。 一般的注塑模至少有一个分型面。分型面的选择对塑件的质量有直接的影响，因此要认真考虑分型面的位置。（3） 浇注系统浇注系统包括主流道、分流道、浇口、冷料穴，是指模具浇口套和注塑机喷嘴处到型腔位置的流道。（4） 冷却系统在工作中为了使制品冷却，一般采用冷却水道模具。（5） 排气系统 排气系统在注塑成型中排除型腔中的气体。排气系统是模具设计中的一个重要部分，但一般情况下可以利用模具零件的配合间隙排气，而无须特意设计排气系统。（6） 脱模机构脱模是在开模时使制品和浇注系统和模具相脱离。一般有3种方式：顶出机构、浇注系统脱出机构和侧抽芯机构。1.1.3 注塑模具的分类 注射机的结构形式根据所使用的注射机的不同可分为立式注射模、直角式注射模和卧式注射模。（1）立式注射模：竖直安装在立式注射机上，浇口自上而下注射。其优点是注射方向与开模方向一致，放置活动型芯和嵌件较方便。缺点是塑件顶出后必须手工取出，不易实现自动化。立式注射模多用于小型塑件的成型。（2） 直角式注射模：平卧安装在直角式注射机上，浇口自上而下，但垂直与开模方向， （3） 卧式注射模：安装在卧式注射机上，是注射成型中最常用的1.2 Pro/E注塑模具概述1.2.1 Pro/E概述1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/E诞生了。经过10余年的发展，Pro/E已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENIGEERING wildfire5.0。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/E还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。下面就Pro/E的特点及主要模块进行简单的介绍。主要特性 1，全相关性：Pro/E的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。基于特征的参数化造型：Pro/E使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。2，数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/E独特的全相关性功能，因而使之成为可能。3，装配管理：Pro/E的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。1.2.2 Pro/E 注塑模具设计解决方案Pro/E的模具行业解决方案基于集成制造技术和并行工程技术，可以应用于各种模具的设计和制造。Pro/E的模具设计模块与Pro/E基础模块一起，为塑料模具设计人员提供快捷创建和修改完整模具零件部件的功能。模具设计具有易用，自动化强大的特点，用于设计和校验。Pro/E提供了注塑模具设计模块（Pro/MOLDESIGN）,提供了在Pro/E中仿真注塑工程，而且还提供了注塑模具设计专家EMX，能大大缩短模具设计人员花费在创造、制定和细化模架等部件的时间，提供工作效率。在Pro/E 中可以设计吹塑模、压铸模和塑料模等，在此简要介绍塑料模具的设计工具。 基础模块和主件模块：用于设计模具元件和装配模具元件。 塑料模具模块：用于设计注塑模具和吹塑模具型腔。 注塑模具设计专家： 用于各种模具的模架设计。 塑性顾问：用于塑料模具的铸模填充分析。1.2.3 Pro/E模具设计的基本流程1， 设计零件的创建与修改在模具设计中的第一步就是进行零件的设计和修改，简单零件的设计应用【拉伸】、【旋转】、【倒角】等命令就可以完成，一些复杂的三维制品的造型，还要用到【扫描】、【变剖面扫面】等命令。 2， 创建模具型腔创建模具型腔的步骤可以归结为以下几步。（1） 建立模具模型。（2） 设置收缩率。零件从温度较高的模具中取出冷却至室温后，其体积和尺寸发生收缩现象叫做收缩性。（3） 创建毛坯工件。创建模具的毛坯工件，就是创建一个完全包容参照模型的组件，通过分型面等特征可以将其分割为型芯或型腔等成型零件。（4） 设计浇注系统。浇注系统由主流道、分流道、浇口和冷料穴4部分组成。但不是每个浇注系统都必须有这4部分。如一模一腔亲切只有一个浇口进料时，没有必要设置分流道。（5） 冷却水道的设计。为了加快制品的冷却，需要在模具中设计冷却水道。（6） 设计分型面。分型面的设计是模具设计中一个非常重要的环节。模具的分型面是打开模具，取出塑件的面。分型面可以是平面、曲面或者阶梯面。（7） 分割体积块。在建立好分型面后，必须用分模面或者体积块将毛坯工件进行分割，使之成为凸凹模或型芯等。（8） 抽取模具零件。分割体积块后毛坯虽然被分割为凸凹模，但只是有体积无质量的三维曲面模型，而不是Pro/ENIGEERING 的实体零件，必须用这些体积块提取使之成为实体零件模型。（9） 铸模。这是模拟将材料填入凸凹模形成的空腔中，以形成浇注完成制品的过程。（10） 开模仿真。 具体的步骤在后面各个章节中做详细的介绍。3，模具设计专家EMX模具设计专家EMX (expert moldbase extension)是Pro/ENIGEERING系统的外挂程序之一，专门用来建立标准模座零件及斜滑块等其他附件，此外，在EMX系统中还能自动产生二维工程图和材料明细表。利用EMX可以大大提高模具型腔、型芯等的设计效率，完善开模功能，方便对模具设计过程的修改以及自动化配置，大大缩短模具设计周期。4，创建模具工程图在Pro/ENIGEERING中，设计出制品的三维造型之后，可以很方便的自动生成工程图，做相应的修改就可以生成完美的工程图，而不需要再在CAD等软件中作图。按照上述操作，Pro/ENIGEERING会自动生成TOP、RIGHT、FRONT等各个视图方向上的二维视图。图形隐藏或增加了某些线条，可以在【绘图视图】对话框中或用【草绘】工具栏上的工具作相应的修改。一副二维工程图的绘制不是一个简单的过程，要牵涉视图的选择、修改、标准、等，如果读者想用Pro/ENIGEERING生成工程图，可以参考有关Pro/ENIGEERING绘制二维工程图的书籍。1.2.4 Pro/E注塑模具设计的应用Pro/E是一个面向机械工程的CAD系统，该软件提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念，改变了机械CAD/CAM/CAE的传统观念，在CAD/CAM领域属于领先技术并取得成功。Pro/E包括Pro/ENIGEERING软件辅助注射模具设计（CAD）和Pro/ENIGEERING软件辅助模具制造(CAM):1.Pro/ENIGEERING软件辅助注射模具设计 (CAD)计算机辅助设计应用的新技术都是基于注塑工艺及注塑模型。注塑工艺包括开模方向、拔模斜度、分模线、分模面、收缩率以及浇注系统、生产工艺流程等。工艺选择的正确合适,不仅可保证零件尺寸、形状精确,提高生产率,也可降低成本。采用Pro/ENIGEERING软件进行计算机辅助注塑工艺设计和模仿生产操作,利用软件分析功能进行流道分析,温度分析和脱模干涉检查,减少了工艺设计过程的失误。2.Pro/ENIGEERING软件辅助模具制造 (CAM) 注塑模具加工的核心在于复杂型面零件的加工,Pro/ENIGEERING软件提供的Manufacturing模块可以对复杂面零件进行模拟加工,调整加工的各种参数,控制零件的精度,输出刀轨文件。在Pro/ENIGEERING的NC模块下,根据加工需要,可生成加工所需要的各种代码,输出到数控机床上进行直接加工上下模具,提高模具设计的准确性,降低模具设计成本,保证了产品的几何精度。1.2.5 基于Pro/ENIGEERING的 CAD/CAM的发展趋势基于Pro/ENIGEERING的模具CAD/CAM发展趋势：集成化、智能化、标准化、网络化。1， 集成化集成通常是指以统一产品数据模型及工程数据库为基础，在系统之间及系统内部实现信息传递、响应、分析及反馈，从而达到系统及各模块之间的无缝组合。随着CAD及相关技术的不断深入，对集成的概念也不断深化，目前对集成的认识是以信息集成为基础成为基础的多集成的概念，实现多集成的目的，是在TQCSE（T-Time，Q-Quality，C-Cost，S-Service，E-Environment）目标下，寻求全局最优秀决策，实现可持续发展的策略。2， 智能化智能化制造系统就是将人工智能融合进CAD/CAM系统的各个环节中，通过模拟专家的只能活动来取代或延伸制造环境中应由专家完成的那部分活动。在智能制造系统中，系统既有部分人类专家的“智能”。例如系统能自动监视自身的运动状态，能够自动调整自身参数来适应外部环境，使自己始终在最佳状态下进行。智能制造系统的研究和应用主要取决于人工智能技术的发展。将人工智能技术、知识工程和专家技术引入到CAD/CAM领域中，形成智能化的CAD/CAM系统。3， 标准化随着CAD/CAM技术的快速发展和广泛应用，技术标准化问题愈显重要。CAD/CAM标准体系是开发应用CAD/CAM软件的基础，也是促进CAD/CAM技术普及应用的手段。4， 网络化网络技术包括与软件的实现、各种通信协议及制造自动化协议、信息通信接口、系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动化的基础。特别是在当前情况下，要实现基于Internet的Tele-Design和Tele-Manufacturing(异地设计与异地制造)技术。利用虚拟现实技术、多媒体技术及计算机可实现产品设计制造过程中的几何仿真、物理仿真、制造过程仿真及使用过程仿真、它们采用多种介质来存储、表达、处理多种信息，融文字、语音、图像及动画为一体，给人一种真实感及临境感。在现代社会，塑料制品的使用越来越广泛，在很多方面，它已成为金属制品的替代物。塑料模具成型作为成型方式中的一种，是家用电器、汽车和航空航天等领域中塑料制品的重要生产工具。由于模具成型方式具有生产效率高，产品质量稳定，可节约材料及生产成本低等特点，发展模具工业已成为当代促进塑料制品及机电产品优质廉价生产的重要手段。对于注塑模具设计，传统的设计方法主要依靠模具设计师的直觉和经验，模具通常经过反复的试模和修正才能投入生产，模具的设计周期长，成本高。而ProE软件具有3D实体造型、单一资料库以及以特征作为设计单位等特点，通过提供参数化设计，可使设计者随时计算出产品的体积、面积、质心、重量、惯性矩等，而且不论在3D或2D图形上做尺寸修改，其相关的2D或3D实体模型及装配、制造等也自动修改。由于Pro/ENIGEERING在设计中导入制造的概念，可随时对特征做合理、不违反集合的顺序调整、插入、删除、重新定义等修正动作。Pro/ENIGEERING所提供的上述功能满足了现代产业中并行工程的需要。Pro/ENIGEERING提供的设计理念将设计、制造、装配以及生产管理融为-体。赋予设计完整的概念。它提供的强大功能尤其是曲面造型功能为工程技术人员和生产管理人员在短期内完成高质量的产品开发提供了强有力的工具。Pro/ENIGEERING软件在塑料注射模具设计中的便捷、高效,为企业节约了模具开发时间、成本,提高了企业的竞争力,为企业带来了巨大的经济效益。1.3本次选题的意义U盘是人们经常用来下载存储有关文件和资料的一种高科技类产品，U盘的外壳造型很多，我们用这一款外形美观的U盘外壳进行模具设计。由于市场的特殊性，有备U盘外壳产品外形的过时，模具设计使用期限为10万次，批量生产。U盘的外壳分很多种，在此只详细介绍塑料外壳的模具设计，U盘外壳是采用注塑模具设计方法来实现的。不仅仅是U盘外壳，手机外壳，鼠标壳等等都是采用此种办法，此次选题的意义不仅仅在于如何设计出一套的U盘外壳的模具，更在于通过一个实例来学习注塑模具设计的方法，熟悉注塑模具设计的过程，了解三维设计软件Pro/E，模具设计专家EMX5.0,塑性分析软件MOLDFOLW等先进CAD/CAE技术，并最终使三者融合来深化自己对注塑模具设计的认识。我们都知道在注塑产品的开发过程中，模具的设计和制造决定了塑料件的最终质量和成本。所以我国模具设计及制造发展方向上提到，积极的开发和推广应用模具CAD/CAM/CAE技术，提高模具设计的效率和模具制造过程的自动化程度。加快研究和自主开发三维CAD/CAM/CAE软件，同时搞好引进软件的二次开发，提高软件智能化、集成化程度。我们在学习模具成型工艺知识的同时，也必须充分利用计算机辅助技术，由此看出本次设计是非常有意义的。第2章U盘塑料外壳（塑件）造型设计2.1 参数化设计概述参数化设计是Revit Building的一个重要思想，它分为两个部分：参数化图元和参数化修改引擎。Revit Building中的图元都是以构件的形式出现，这些构件之间的不同，是通过参数的调整反映出来的，参数保存了图元作为数字化建筑构件的所有信息。参数化修改引擎提供的参数更改技术使用户对建筑设计或文档部分作的任何改动都可以自动的在其它相关联的部分反映出来，采用智能建筑构件、视图和注释符号，使每一个构件都通过一个变更传播引擎互相关联。构件的移动、删除和尺寸的改动所引起的参数变化会引起相关构件的参数产生关联的变化，任一视图下所发生的变更都能参数化的、双向的传播到所有视图，以保证所有图纸的一致性，毋须逐一对所有视图进行修改。从而提高了工作效率和工作质量。用CAD方法开发产品时，零件设计模型的建立速度是决定整个产品开发效率的关键。产品开发初期，零件形状和尺寸有一定模糊性，要在装配验证、性能分析和数控编程之后才能确定。这就希望零件模型具有易于修改的柔性。参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。在CAD中要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键。参数化模型表示了零件图形的几何约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类：其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。因此，参数化模型中建立的各种约束关系，正是体现了设计人员的设计意图。参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的应用价值。目前，参数化设计中的参数化建模方法主要有变量几何法和基于结构生成历程的方法，前者主要用于平面模型的建立，而后者更适合于三维实体或曲面模型。 应用参数化设计进行三维实体造型的CAD软件主要有solidworks,UG, Pro/E等，此次设计过程中我们采用Pro/E4.0。2.2基于Pro/ENIGEERING的参数化造型设计过程Pro/ENIGEERING在造型设计当中，可很方便地利用“装配”功能进行U盘外壳各个零部件的组合，从而达到整体要求的效果。这需要先对U盘外壳塑件各零部件进行设计，而且各零部件的配合尺寸、公差等都有严格的要求。如果把U盘外壳塑件各个零部件都一一做出需要很大的工作量和时间，而且将占用很多的论文空间，而本文是针对塑件的上壳而做的模具设计，在次仅将U盘上壳塑件的设计过程介绍一下，至于其它个零部件本文在次不做赘述。下面是基于Pro/ENIGEERING的U盘上壳的设计过程：1、 采用【拉伸】命令，以Front为基准面，拉伸上壳基体。(如图2.1) 图2.1 创建基体2、 采用【拉伸】命令，进行抽壳。(如图2.2) 图2.2 抽壳3、 采用【拉伸】命令，开芯片口。(如图2.3) 图2.3 芯片口4、 采用【拉伸】命令，画上下壳装配孔。(如图2.4) 图2.4 装配孔5、 采用【拉伸】命令，画芯片定位槽。(如下图2.5) 图2.5 芯片定位槽6、 采用【倒圆角】命令。(如图2.6) 图2.6 外壳棱边2.3 U盘塑料外壳效果图运用Pro/ENIGEERING photolux渲染器所渲染的U盘外壳外观造型最终效果图如图2.8-2.10所示。 图2.8 U盘整体效果图一 图2.9 U盘整体效果图二 图2.10 U盘整体效果图三以上均为经过Pro/ENIGEERING三维造型并渲染后的U盘整体效果图，外壳采用银白色设计，给人第一印象大方，简约，很有市场潜力。第3章 注塑成型工艺的可行性分析3.1 U盘外壳（塑件）的选材及其材料性能分析3.1.1塑件材料的选用由于U盘塑料外壳较小，生产中常用ABS塑料生产。ABS塑料，化学名称 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，ABS树脂是五大合成树脂之一，其抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能优良，还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点，容易涂装、着色，还可以进行表面喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工，广泛应用于机械、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑等工业领域，是一种用途极广的热塑性工程塑料。ABS树脂是目前产量最大，应用最广泛的聚合物，它将PS，SAN，BS的各种性能有机地统一起来，兼具韧，硬，刚相均衡的优良力学性能。ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。在此我们选用ABS材料的原因正式在于它具有较好的冲击力，硬度较高，耐磨，流动力好，不易变形等特点。3.1.2塑件材料的性能 1、一般性能ABS外观为不透明呈象牙色粒料，其制品可着成五颜六色，并具有高光泽度。ABS相对密度为1.05左右，吸水率低。ABS同其他材料的结合性好，易于表面印刷、涂层和镀层处理。ABS的氧指数为1820，属易燃聚合物，火焰呈黄色，有黑烟，并发出特殊的肉桂味。 2、力学性能 ABS有优良的力学性能，其冲击强度极好，可以在极低的温度下使用；ABS的耐磨性优良，尺寸稳定性好，又具有耐油性，可用于中等载荷和转速下的轴承。ABS的耐蠕变性比PSF及PC大，但比PA及POM小。ABS的弯曲强度和压缩强度属塑料中较差的。ABS的力学性能受温度的影响较大。 3、热学性能 ABS的热变形温度为93118，制品经退火处理后还可提高10左右。ABS在-40时仍能表现出一定的韧性，可在-40100的温度范围内使用。 4、电学性能 ABS的电绝缘性较好，并且几乎不受温度、湿度和频率的影响，可在大多数环境下使用。 5、环境性能 ABS不受水、无机盐、碱及多种酸的影响，但可溶于酮类、醛类及氯代烃中，受冰乙酸、植物油等侵蚀会产生应力开裂。ABS的耐候性差，在紫外光的作用下易产生降解；于户外半年后，冲击强度下降一半。 6、ABS塑料的加工性能ABS同PS一样是一种加工性能优良的热塑性塑料，可用通用的加工方法加工。 ABS的熔体流动性比PVC和PC好，但比PE、PA及PS差，与POM和HIPS类似；ABS的流动特性属非牛顿流体；其熔体粘度与加工温度和剪切速率都有关系，但对剪切速率更为敏感。 ABS的热稳定性好，不易出现降解现象。ABS的吸水率较高，加工前应进行干燥处理。一般制品的干燥条件为温度8085，时间24h；对特殊要求的制品(如电镀)的干燥条件为温度7080，时间1818h。ABS制品在加工中易产生内应力，内应力的大小可通过浸入冰乙酸中检验；如应力太大和制品对应力开裂绝对禁止，应进行退火处理，具体条件为放于7080的热风循环干燥箱内24h，再冷却至室温即可。3.2 注塑工艺过程分析及工艺参数的设定 3.2.1 注塑工艺过程概述整个模具的注塑过程包括：模具合拢、模具锁紧、模腔填充、塑件保压、模具冷却、模具分开、产品脱模和注塑延时。1、模具合拢：注塑机的锁模系统将模具合上。锁模系统一般系用直接油压式或油压机械锁链式两种。2、模具锁紧：当模具合拢后注塑机的锁模系统将所需的锁模力作用在模具上，使模腔在填充过程中，高压的塑料不会将模具涨开。3、模腔填充：注塑机螺杆推进把融熔塑料压到模腔，螺杆推进通常是不旋转的，在此过程压力损失相对很少，并且螺杆的推进速度也可以随设置的不同而多次改变，这要视产品的实际注塑工艺需要而定。4、塑件保压：当塑料基本上填满模腔后（通常是在模腔填充到95%-98%的时候）螺杆保持一定的设置压力（保压压力），作用在融熔的塑料中，使得模腔内产品更饱和，尺寸更稳定，但是，过大的保压压力会增加产品成形后的内应力。5、模具冷却：冷却水在模具内部的冷却系统中循环，带走融熔塑料的热量，也使得产品在模具内冷却定形。在此过程的同时，螺杆通过转动并后退，使新的原料进入射台熔胶筒内并加热，为下个注塑周期作好准备。6、模具分开：当冷却达到设定的时间后，锁模系统将模具分开。7、产品脱模：产品在脱模系统的作用下与模腔分离，常用的有自动脱模系统，直接顶出脱模系统，压力齿轮转动脱模系统和气压脱模系统等。8、注塑延时：模具仍然保持分开状态，产品自动脱落或被认为机械装置等取走。此过程有两种形式，一种是人为控制时间长短，即手动注塑或半自动注塑，当人为给出一定信号后，注塑机才开始下一周期工作。另一种是全自动注塑，即注塑延时的长短已设置好，注塑机在达到预设的时间后会自动进行下一个周期工作。在以上的几个注塑过程中，模腔填充，保压和冷却阶段对注塑产品的质量影响最为直接和重要。融熔的塑料以一定速度进入模腔，并在一定直至脱模。因此，这些阶段的各项参数设定也极为重要。 3.2.2 利用Moldflow分析设定及调整主要注塑参数生产制造塑件前注塑机的参数设定原则和调整方法包括以下几个方面的内容：（1）塑料预热温度大部分塑料在进入射料缸前，常常有预热处理过程。目的有两方面：一是为了塑料的加热烘干；二是为使熔料更均匀地进入射料缸。塑料在注射时，一般需求吸水率不超过0.1%，要求严格时，往往不超过0.04%，这就要求塑料在注塑前有预热烘干过程。塑料的吸水率不仅影响塑件的表面质量，也影响其内部结构的各种性能，如强度、密度、表面粗糙度等。对于大部分的工程塑料，都具有吸水性，即使是烘干的塑料，暴露在空气中也会再次吸湿，因此需要预热烘干过程。但是，如果温度过高，烘干的塑料会分解降质或软化结块而无法生产。所以，各种塑料的烘干其特定的参数范围。另外，塑料在进入射料缸前的预热温度对熔料的均匀及其后的成品重量和尺寸稳定性也很重要，当改变塑料预热温度时，可以发现以下两种现象：注塑周期内螺杆复位的时间也随之变化，复位时间随着温度的增大而变得稳定。塑件填充饱和后，螺杆前剩余的塑料（垫料）的体积也变得稳定。应用Moldflow分析得到在流动前沿处的温度如图3.1所示。 图3.1 流动前沿处的温度分布图（2）熔胶温度塑料进入射料缸内，通过加热，达到融熔注射温度后才能进行注塑。一般来说，温度越高，塑料的流动性越好，但也越容易过热分解，所以在注塑行业中，通常应用“高温注塑薄壁，低温注塑厚壁”这种方法。熔胶温度越高，在射料缸内停留时间越长，塑料越容易分解，例如：某些ABS塑料的注塑件，在刚注塑成形时无质量问题，但储存时间长后，会出现黄色或棕色的斑纹，这就是塑料在射缸内时间过长而高温分解所导致的。在熔胶温度调换时，应由最低设置值开始逐渐上升温度。如果注塑周期较长或在高温下操作，可将首段（靠近塑料入口）的温度调至较低数值，这样可防止塑料过早熔化或分解。应用Moldflow分析得到塑件温度曲线图如图3.2所示。 图3.2 塑件温度曲线图（3）模具温度在注塑过程中，模具的温度对塑件的质量影响也很大。一般来说，刚开始注塑时，模具温度太低，不利于产品的成形。实践证明，当模具温度提高时，塑件的无收缩量会增加，但若能配合好注塑的压力或射速，仍可生产出尺寸稳定的制品，因为模温的提高有利于融熔塑胶的填充，但相应会增加注塑周期时间。模温的控制主要通过模具冷却系统中冷却液的温度和冷却液的流量来实现，还可采用冷却机或模温机加以控制。应用Moldflow分析得到模具温度分布图如图3.3所示。 图3.3 模具温度分布图（4）压力油的温度导致模具填充变化的因素之一是注塑机的性能参数，所以注塑机的操作油温一般都是在40-50，主要通过注塑机的冷却系统控制，有些注塑机没有油温控制装置，可以在生产前预先把油浸升到合适的温度，如果在注塑过程中，油温过高，则压力明显降低，严重影响产品的质量。（5）锁模力模具在设计时，有了锁模力的设计值。在注塑前，必须在注塑机上调置好锁模力。对于不同的模具，锁模力的大小是不同的。在调置锁模力时，并非锁模力越大越好，而是要结合模具和注塑机的大小，以及模具和产品的设计形式来考虑，从经济和技术上分析，锁模力的数值应是愈小愈好，但必须满足产品注塑的需要。例如在锁模力较低的条件下，可以减少注塑机和模具的磨损程度，减少能源消耗和维修费用。并用，较小的锁模力可用以下方法：先将注塑机调至模具所能承受的最大锁模力并生产出产品，然后以5t的差额逐渐降低锁模力再生产，测量出每种锁模力下的成品重量，画出曲线图，找出最佳的锁模力参数。应用Moldflow分析得到锁模力分布图如图3.4所示。 图3.4 锁模力分布图（6）模具填充速度和压力 模具填充速度(又称称速度)是熔料被注进模腔的线性速度,在注塑的填充阶段必须控制好熔料的射速以达到产品的最佳性能。注射速度的设定应在产品设计时完成，在产品壁厚设计和塑料特性容许的情况下应设计较快的射速，通常来说，薄壁注塑件需要快的注射速度以确保填充饱满，而厚壁注件则需要慢的射速以防止空穴的形成。但是过快的射速容易使原料过热当塑件浇口或排气不好时，熔料以调速注射经过浇口，熔料内产生很大的剪切应力，使熔料结合模腔内难排出的空氯，甚至产生燃烧而碳化变黑，而射速过慢产品会出现填充不满等缺陷。 在实际生产中，无论使用什么数值的注射速度，都应尽可能在一个较大的范围内，以便于生产。根据不同经验的技术员，同一产品的注射速度了悄同。但是，可采用分段注塑，在填充阶段以不同的速度将熔料注入模腔，这样往往可以避免塑件的某些外现缺陷，如蛇纹、飞边、毛刺、燃烧等现象，并用控制熔料的分段射速还可以影响产品的分子排列和内应力的大小，甚至提高生产速度和效率。为了确保注塑机的注射速度达到及保持所要求的数值，要求注射压力足够。若注射压力太低，熔料进入模具时所产生的阻力使注射速度不能达到设置的数值，因此，在设定注射压力时，其数值应比熔料所产生的阻力高1.5Mpa，熔料进入模具时所产生的阻力使注射速度不能达到设置的数值，可从注塑机缸的压力表中得知。过低的注射压力使注射周期时间产生变化。因此，若设置好注射压力和速度，注射周期的时间变化不会超过0.85。应用Moldflow分析得到模具充填时间图和压力图分别如图3.5和图3.6所示。 图3.5 模具充填时间图 图3.6 模具充填结束的压力分布图（7）保压压力及保压时间 保压压力是指模腔刚被注满时所采用的压力。它的作用是使模腔内的熔料能在受压的情况下冷却定形，这样，产品的外观发展尺寸公差才可得到保证，塑件的最后定形，很大程度取决于保压的压力大小和保压时间长短。在一般注塑时，模腔填充到95%-98%时，转为保压阶段。当模腔填充不足90%时就提前进入保压阶段，这时的保压压力，除了要负责把模具填满外还需要把熔料压实以便获得合格的成品，这使得塑件在注塑的后期，其重量和尺寸大小等受保压压力影响很大，不容易稳定。若在模腔填充95%-98%时转入保压阶段，这样大大减少保压的压力降。对一般塑件生产来说，保压压力是注射压力的25%-65%。在实际生产中，某些特殊产品，如薄壁产品，精密度高的齿轮注件，PMMA树脂厚壁产品，保压压力可达注射90%以上，甚至高出注射压力。又如某些容易产生毛刺飞边的产品，保压阶段可用极低射速和超出注射压力的高保压压力同时作用来避免产品的毛刺问题。 保压作用使得塑件在该时间内注满模腔，并使塑件更充实，尺寸更稳定。一般保压时间不应过长，能充分压实塑件便可以了，所以保压时间和注件壁厚，射胶速度，浇口设计，熔料温度以及模具温度有关，注件越厚，熔胶温度以及模具温度越高，相对保压时间越长。保压时间的最终选定可用以下方法：首先把保压时间设为0，以差额为0.5s逐渐增加保压时间，并注塑塑件，记录下每次注塑的塑件的重量，画出曲线图，找出正确的保压时间参数。（8）螺杆转速的设定当一次注射和保压完成后,螺杆开始旋转并向后退。新的塑料原料在此阶段落入到射料缸内加热，并被螺杆均匀搅拌推至前端。塑料在此过程中，除受到加热系统加热外，其软化升温所需的热能，部分来自螺杆的转动，转动愈快，温度愈高，虽然螺杆的旋转速度可以达到一个很高的数值，但实际生产中并不常采用高的螺杆旋转速。而应根据塑料的种类和注射塑的实际需要调节。螺杆的旋转速度显著影响注塑成形过程的稳定程度和作用在塑料上的热量。当螺杆转速较高时，传送到塑料的摩擦（剪切）能量提高了塑化效率，但同时增加了熔料温度的不均匀度，还有可能使熔料产生局部过热现象，相反，螺杆转速越低，熔料的温度越均匀，但是生产周期有可能延长。应用Moldflow分析得到推荐的螺杆转速XY图如图3.7所示。 图3.7 推荐的螺杆转速XY图（9）螺杆后退（倒缩或卸压）螺杆后退动作在螺杆旋转完成后产生，其主要作用是防止射嘴的熔料滴漏现象，避免使用带节流阀的射嘴。另外，对于一些塑料（如聚熔烃、PET等）螺杆后退的应用能改善注射过程的稳定性。一般来说，需要螺杆后退时，数值在4-10mm范围内，但不是所有的塑料生产都需要该动作的。10、背压 当螺杆转动时，受热塑化的塑料在螺杆作用下被向前推，经过止流阀而到达螺杆的前面。由于熔料的向前推进，熔料也产生反作用力，作用在螺杆的前面。由于熔料的向前推进，熔料也产生反作用力，作用在螺杆和止流阀上，使螺杆向后退，以便有更多的熔料向前推进。这时，如设置背压，就使得油缸有一定压力作用在螺杆上，提供了螺杆后退的阻力。背压越大，螺杆复位时间越长，螺杆前端熔料产生的压力必须大于背端才可以使螺杆后退。必须指出，不是所有的注塑生产都必须使用背压的，但若采用背压，能使塑料充分熔化及混合均匀，并有以下优点：有利于熔料内挥发性气体排出。使附加剂（如色粉、滑石粉、阻燃剂、增强剂等）和熔料混合更均匀。使塑料塑化更均匀，以获得精确的成品控制，背压的调节不宜太长，中要熔料有适当的均匀性，能完成塑化并且没有气泡便可以了。在实际操作中，可以上述工艺参数设定方法为基础，并综合考虑各影响因素，确保产品的质量并降低生产成本。3.3 塑件分析模具工程师在拿到产品图或产品模型时，首先要分析的就是产品的工艺性，即此产品的结构、精度条件是否适合于模具加工，有没有需要需要修改的地方。比如：塑件的壁厚是否均匀？有无一定的脱模斜度？表面质量与尺寸精度要求是否合理？哪些结构尺寸用模具不容易保证而需要模塑成型后续加工，等等。U盘外壳物理性质上要求强度高，耐磨性高，表面质量要求美观，无斑点，无熔接痕，通常使用ABS作为材料。表面粗糙度至少也得在Ra1.6，而此时的模具制造精度则要求达到Ra1.5。根据文献1制作表3-1，以对塑件和塑件原材料进行分析。表3-1 原材料分析塑料品种结构特点使用温度化学稳定性ABS线性结构非结晶型小于70较好热塑性塑料比较稳定性能特点：成型性能好，机械加工性好，耐冲击性好，韧性和机构强度较好，有一定的耐磨性，透明性、耐湿性、尺寸稳定性都较好，但耐热性较差，吸水性较大，价格便宜。要求表面光泽的塑件应长时间预热干燥。该塑件是U盘外壳，要求外表美观，无斑点，无熔接痕，表面粗糙度可取Ra1.6，塑件内部则没有较高的粗糙度要求。由于该塑件整体外型比较简单，采用直板和圆弧的结合，并且是壳类制品，尺寸较小，利用Moldflow对塑件分析，结果显示塑件成型性能良好。第4章 基于Pro/ENIGEERING的注塑模具结构设计注射模具设计应力争达到塑件质量与经济性的完美统一。先进的注射模设计应该具有合理的注塑工艺和结构，既有良好的可操作性，可靠性和完整性，又有零件的良好可加工性，并便于装配和修模。4.1 整体结构的确定根据塑件的结构和开模方式，选用模具为两板模。采用整体嵌入式模具。故模架以龙记（LKM）大水口模架为标准，模架的参数如表4-1所示：名 称参 数型号ECI 规格3030动、定模座板高度25mm动模板高度70mm定模板高度60mm垫块高度90mm推杆固定板高度20mm推板高度25mm 表4-1 LKM大水口模架参数 模具的结构图如图4.1所示 图4.1 LKM大水口系统模架图4.2型腔数目的确定与排列方4.2.1 型腔数目的确定最经济型腔数目的确定，实质上是注塑件生产成本的经济核算。但在注射模设计初始方案决定阶段，由于浇注系统等技术参数尚属未知，下述型腔数的确定是一种估算的预测方法，一些参数要凭经验来假定。在模具设计完成后，可根据这个方法再细化，进行生产总成本和每个塑件成本的核算。影响最经济型腔数的因素，有技术参数和经济指标两个方面。技术参数有锁模力、最小和最大注射量、塑化能力、模版尺寸和流变参数。这里只考虑注塑机锁模力和最大注射量两个主要参数。技术经济指标是从制品尺寸精度和经济效果考虑。对一模多腔整体嵌入式的注射模，影响型腔数的重要因素有如下四个：（1） 注射剂锁模力（2） 注射剂的注射量（3） 塑件精度（4） 经济效果的限制在此考虑到生产成本，初选型腔为一模八腔，后面第五章进行相关计算校核。4.2.2 排列方式塑件采用一模八腔，其分布图如图4.2所示。 图4.2 塑件的分布图 4.3 基于Pro/ENIGEERING的分型面设计在注塑模中，用于取出塑件或浇注系统凝料的面，通称为分型面。常见的取出塑件的主分型面，与开模方向垂直。也有采用开模方向一致的侧向主分型面。分型面大都是平面，也有倾斜面，曲面或者台阶面。分型面的选择不仅关系到塑件的正常成型和脱模，而且涉及到模具结构与制造成本。在选择分型面时，应遵循以下原则：（1） 分型面应选择在塑件的最大截面处。否则，可能会无法脱模和加工型腔。无论塑件以何方位布置型腔，都应将此作为首要原则。（2） 尽可能的将塑件留在动模一侧。因为在动模一侧设置和制造脱模机构简单易行。（3） 有利于保证塑件的尺寸精度。（4） 有利用保证塑件的外观质量。分型面上的型腔壁面稍有间隙，熔体就会在塑件上产生飞边。飞边影响塑件的外观质量。因此在光滑平整表面或圆弧曲面上，应尽量避免选择分型面。（5） 考虑满足塑件的使用要求。注塑机在模塑过程中，有一些很难避免的工艺缺陷，如拔模斜度、分型面上的飞边以及顶杆与浇口痕迹。在分型面设计时，应从使用角度避免这些工艺缺陷影响塑件功能。（6） 尽量减少塑件在合模平面上的投影面积。以减小所需锁模力。（7） 长型芯应置于开模方向。当塑件在互相垂直方向都需设置型芯时，将较短的型芯置于侧抽芯方向，有利于减小抽拔距。（8） 有利于排气。应将分型面