注射模具设计

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第10页 共10页鼠标外壳注塑模设计王虎工程技术学院 机械电子工程系 机械设计制造及其自动化学号 2001111027指导老师：程涛【内容提要】本文通过对鼠标的发展现状、趋势的调查及对鼠标外壳注塑模具要求的分析，针对女性用户的需求特点和人体工程学的研究成果，提出相应的鼠标外壳设计方案，并利用计算机辅助设计Computer Aided Design（CAD）和计算机辅助工程Computer Aided Engineering（CAE）技术进行了鼠标外壳造型、结构以及注塑模具的设计与分析，以达到缩短产品开发周期、提高产品设计制造质量、降低成本及灵活快速响应市场的目的。【关键词】鼠标、注塑模、pro/e、MSC、PLASTIC ADVISOR、EMX【教师点评】本文能基本反映该学生毕业设计所进行工作的主要内容及相关结果、条理较为顺畅、逻辑也较清晰，表明该学生具备较为扎实的专业基础知识、熟练使用ProE等软件工具和一定的从事科研活动和一定的语言表达能力。 点评教师：程涛 职称：副教授一、概述 塑性模具的国内外现状及发展趋势由于塑料具有很多优良的性能和特点，近年来它在各领域得到了越来越广泛的应用。作为塑料制造业的支柱产业塑料模具的设计与制造也得到了空前的发展，特别是作为塑料必备成型工具的塑料注塑模具，由于它成型效率高，易成型形状复杂的制品，并科实现自动化生产，得到迅速的法子，在我国其发展速度之快、需求量之大是前所未有的。未来国内外塑性模具的制造技术和成型技术有如下发展趋势：1)在模具设计制造中广泛应用CAD/CAE/CAM技术；2)高速铣削加工将得到更广泛地应用；3)在塑料模具中推广应用热流道技术、气辅注射成型和高压注射成型技术；4)提高模具标准化水平和模具标准件的使用率；5)研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程；6)虚拟技术将得到发展；7)模具自动加工系统的研制和发展。 鼠标注塑模具的现状鼠标（Mouse），也有人喜欢称之为滑鼠。鼠标的发明，给操作电脑的用户带来了大大的方便，减少了使用键盘的时间，加大了操作速度，自此，鼠标和电脑就结下了不解之缘，特别是操作系统发展到了Windows时代，鼠标既成关键的输入设备。从基本的运行程序、Copy文件、删除文件到系统的设置与调试，鼠标均必不可少。鼠标在现代计算机中的作用越来越重要，其主要发展趋势为人性化，多样化，个性化。这对鼠标注塑模具设计和制造的要求也越来越高。传统的手工设计与制造方式早己满足不了注塑模具设计和制造的需要。采用CAD/CAE技术可以显著地提高塑料产品和塑料模具设计制造效率，减少了设计者的劳动量，提高设计制造质量，减少试模修模时间，从而缩短了从产品设计、模具设计、模具制造到产品模塑生产的整个周期，增强企业对市场需求的应变能力。 本文的主要工作内容本文主要通过熟练应用Pro/E、Mold flow、AutoCAD和MSC等计算机辅助工程软件进行鼠标外壳及其注塑模的设计，以便更短的时间、更有效的手段设计出高质量的、更符合人体工程学的鼠标。二、基于Pro/E的小型塑性模具设计方法及流程 鼠标外壳模具设计环境与工具本次设计主要运用到的软件有PTC 公司的Pro/engineer 2001以及它的外挂程序EXPERT MOLDBASE EXTENSION4.1(专家模座系统)对鼠标塑件进行建模以及模具设计、模座装配。 传统模具设计方法传统普遍方法是用Pro/MOLDESING由输了制作的三维实体模型建立起模具装配模型，设计分型面，浇注系统及冷却系统，生成模具成型零件的三维实体模型，从而可方便且更准确完成塑料模具核心部分的设计工作。再利用Pro/E系统的布局及装配模块，我们还可以进行模具的顶出系统和三维总装配设计，并最终利用工程图模块生成2D工程图。 本毕业设计的模具设计方法此次设计主要采用的是Pro/E +EMX+设计人员的模式对本鼠标外壳模具进行设计。主要步骤如下：(1) 通过Pro/e对产品建模，将产品CAD模型装配产生参照模型，然后对参照模型添加工件；(2) 模具模型上创建收缩；(3) 设计浇注系统，在工件中添加浇口、流道作为模具特征；(4) 设计并在工件中定义分型面；(5) 结构件设计；(6) 铸模的建立；(7) 装配模座，从供应商中选取标准模座进行装配；(8) 模拟开模，同时对模具零件进行干涉检测；(9) 绘制图纸，出模具装配图、爆炸图和关键部件零件图以及报表。三、鼠标外壳设计 鼠标设计对象从目前的鼠标市场来看，趋于男性化的鼠标样式多于女性，并且在科技含量上，男性化鼠标有更广泛的应用。综观国内的鼠标市场，新颖独特、让人赏心悦目的女性鼠标真是少之又少，而真正融合了科技与时尚两大要素的女性专用鼠标则是更少。初步确定设计一种女性专用鼠标，经过调研参考，拟定鼠标外廓尺寸105mm50mm35mm（长宽高）。图1 手握鼠标 鼠标结构特点根据中国人人体工程学，对于人的上臂来说，它的自然形态应该是使尺骨和桡骨接近平行的状态，这种状态，也就是当上臂和手掌平放桌上的时候，上臂和手掌呈接近垂直的倾斜状态，使用掌外侧触及桌面的形态。 因为这种形态下，上臂的主要肌肉和血管不会发生扭曲，所以即便长时间保持这个姿势，也不会出现肌肉疲劳和缺氧情况。而对于手腕结构来说，多次的试验证明，当人的手腕呈“仰起”状态时，则“仰起”的夹角在15度30度之间的时候，是最舒适的状态，超出这个范围，会导致前臂肌肉处于拉伸状态，而且也会导致血流的不畅（如图1所示）。 设计方案的比选根据前面的各项分析，进行鼠标造型设计产生方案一（见图2）。该方案主要特点是通过人体工程学在鼠标结构上设计可以随意更换彩壳。彩壳根据今年的流行色分别有紫色，蓝色和金色三种颜色，透明色的外壳还可以将自己喜欢的照片放置其中，DIY自己的鼠标。图2 鼠标造型方案一图3 鼠标造型方案二方案二造型比较奇特，其创意点在于鼠标与化妆盒一体化，使鼠标多了附加功能（如图3所示）。方案三（见图4）在符合人体工程学的基础上，定位使用对象为青少年，其创意点主要为卡通造型。可爱的卡通造型能带来感观上的刺激，造型漂亮、美观的鼠标一定能给人带来愉悦的心情。卡通造型的鼠标还能让小朋友爱不释手提高学习电脑的兴趣。图4 鼠标造型方案三深圳市场上的鼠标，其使用对象是以成年男性为主，青年女性为辅，并没有针对青少年消费者进行设计。女性用户通常注重对鼠标外观的造型色彩与青少年用户有相同之处，如卡通可爱的造型，绚丽的色彩图案以及适宜的大小尺寸。而且前两种方案造型由于由于功能的增加而导致结构增加、结构复杂，不利于相应模具的设计、制作及加工以及成本的上升，因此经过本小组与指导老师讨论分析，最后选定方案三进行模具设计。表1 方案比较分析表方案使用对象人机性功能性造型复杂程度方案1大众一般一般一般方案2女性一般较好较易方案3青少年及女性较好一般较难 鼠标塑件工艺分析尺寸和精度这里的尺寸是指塑料制件的总体尺寸大小，从所设计塑件的总体尺寸分析得知，其尺寸较为合理，不会太大，这样就可以避免塑料容体充不满模具型腔或使塑件不能正常成型，塑件材料为ABS,等级精度为：MT5。形状本塑件的几何形状除能满足功能使用外观要求外，还做到尽可能使其所对应的模具结构简单化，便于加工成型。壁厚通常热塑性塑料的注塑件壁厚一般在2-4mm范围内，分析设计塑件功能要求，确定塑件的壁厚为2mm。设计制品应尽量减少壁厚和壁厚不均匀，这样有利于缩短模塑周期，提高生产效率及节省材料。脱模斜度根据已选定的材料ABS，其脱模斜度宜为（401.5）。为使注塑开模后，塑件留在动模一侧的型芯上，取其脱模斜度为50 。加强筋等防止变形的结构设计为提高塑件的强度和刚度而又不至于使制品的壁厚过大，在适当的位置采用增设加强筋的方法。圆角塑件面与面之间一般采用圆弧过渡，这样不仅可以避免塑件尖角处的应力集中，提高塑件强度，而且可以改善熔体在型腔中的流动状况,有利于充满型腔,便于脱模。鼠标的内外圆角以及三个壁面结合处的转角都设计成圆角。 孔的设计用模具成型的孔，在满足使用要求的情况下，应尽量采用工艺上易于加工的孔。所设计的塑件分上壳与下壳部分，上下壳均有一个孔，用于孔轴的装配，起固定锁紧连接作用，孔径为3mm。上壳孔为螺丝定位，为了保证两个孔的安装，下壳的孔比上壳大0.5-1mm，壁厚同为2mm。成型方法主要依靠注射成型机（柱塞式和螺杆式）和注射模具来完成。ABS塑料的成型加工性能良好，选用螺杆式注塑机进行注塑成型。 鼠标塑件材料选用及特性鼠标原材料采用ABS，即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。ABS是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种化学单体合成。每种单体都具有不同特性：丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性；丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性；苯乙烯具有易加工、高光洁度及高强度。ABS具有如下特性：综合性能较好，冲击强度较高，化学稳定性，电性能良好；与372有机玻璃的熔接性良好，制成双色塑件，且可表面镀铬，喷漆处理；有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、透明等级别；流动性比HIPS差一点，比PMMA、PC等好，柔韧性好，适于制作一般机械零件，减磨耐磨零件，传动零件和电讯零件；注塑工艺分析，ABS材料具有吸湿性，要求在加工之前进行干燥处理；比重为1.05克/立方厘米；成型收缩率，0.4-0.7%，一般取0.5；成型温度，200-240；熔化温度，210280，建议温度为245；模具温度，2570；注射压力：5001000par；注射速度，中高速度。四、基于CAE的鼠标外壳注塑模设计注塑模CAE能判断所设计的模具是否能很好充模、能否在注塑机的允许压力范围内充模、充模时成型制品的剪切力是否过大、是否达到了充模的流动平衡，并能在达不到的情形下，修改成型条件或对相关模具尺寸作修改，或者要求设计者修改输入条件，直至设计者认为可以接受的方案为止。 MSC.Patran分析过程因为鼠标的主要手力部分是鼠标的按键，所以分析对象确定为鼠标按键。用MSC.Patran软件对塑件进行分析的过程为：读入鼠标按键STEP模型进行网格划分边界条件设置及应力载荷施加材料选择及属性的设置分析计算读取结果。读取鼠标按键模型的云纹图，如图5所示，在单元格3063处，按键受应力最大为3.41e003。图5读取鼠标按键模型的云纹图时在单元格3063处的受应力情况读取鼠标按键模型的变形图，如图6所示，在单元格1943处，按键受应力变形最大为2.76-005。图6读取鼠标按键模型的变形图在单元格1943处，按键受应力变形情况对上述鼠标按键有限元分析结果可知按键在工作情况下的应力不大，变形量也不会超过弹性范围。各项指标均达要求。 POR/E2001 PLASTIC ADVISOR塑料顾问分析过程Plastic Advisor (塑料顾问) 属于计算机辅助工程(CAE) 分析软件,专门用来仿真塑料射出成型。在模型设计阶段,辅以射出过程仿真,能迅速掌握产品生产特性。根据前面所说的分析过程，首先在材料表里选用好注塑原料ABS和其供应商，选用材料为美国通用公司的CYCOLAC GPM2，然后通过Plastic Advisor塑料顾问选取最佳注射区域中的一点，接着对鼠标上壳进行模流分析（其填充结果良好），再查看其填充质量分析预测，发现其结果中出现了红色区域：说明在这些地方可能会出现填充困难的情况，或者填充不理想从而影响产品质量（如图7所示）。图7 修改前填充质量预测分析首先我对流道及鼠标上壳部分地方进行了修改，在转角处设置了导圆，来降低对流体的阻力，发现效果不是很好，还是不能满足要求。造成红色区域的产品质量不好的原因经过查找资料分析得知是该处的内部结构设计不合理，导致料流不能很好的填充到位。所以在修改了加强筋的高度和盲孔的深度之后，填充质量预测的结果得到改善（如图8所示）。虽然仍然有小部分黄色区域出现，但注射压力图，质量预测图、填充时间图、流锋温度图都显示本产品能顺利的成型。图8 修改后的填充质量预测分析 五、鼠标注塑模设计 设计方案确定的主要内容设计方案拟定后，注塑模设计的主要内容：1)首先确定分型面，有侧抽芯的要选定抽芯结构；2)确定型腔数合排形式以及型腔、型芯的结构；3)浇口位置、脱浇道结构的确定和排气系统的确定；4)导向、定位结构的确定；5)推出结构和复位结构的选定；6)模架大小的选定和相关标准件的选定；7)注射机型号、规格的选定。上述内容确定后即可进行总装配图的设计和绘制。鼠标模具主要工艺参数确定确定鼠标模具各主要工艺参数，如浇注系统的设计，使用点浇口浇注系统、采用平衡对称式布置流道；脱模机构设计，根据鼠标塑件分析使用顶杆脱模机构；合模导向机构设计，导向机构通常采用导柱导向，其主要零件是导柱和导套；模具温度控制，对于热塑性塑料注射成型模具，当遇到成型流动性差的塑料（如成型高结晶的塑件），及采用热流道时均需要对模具进行加热；模具型腔数的确定，根据鼠标的塑件工艺分析，采用一模两腔；分型面的确定，选取鼠标上壳尺寸最大处，即其上壳下部边缘处；抽芯方式，根据鼠标的塑件工艺分析，采用斜导柱分型抽芯方式。 相关数据的校核对鼠标外壳及其模具进行结构设计与计算，主要包括：(1) 计算制品的体积和重量该产品为鼠标外壳，使用材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），查实用塑料成型工艺得知其密度为1.05 g/cm，收缩率取为0.5%。采用PRO/E对产品三维实体进行了体积计算，得出下列尺寸鼠标上壳单个塑件：体积=21230.42（毫米3）；曲面面积=23083.752（毫米2）；密度=0.00105（克/毫米3）；质量 = 22.3 克；A：两个塑件体积为V塑 = 42.46084(cm)；B: 两个塑件的重量为M塑件 =V塑 = 44.583882（g），其中=1.05 g/cm。最大注塑量校核注塑机的最大注塑量应大于制品的重量或体积（包括流道及浇口凝料和飞边），通常注塑机的实际注塑量为最大注塑量的80%，本设计中选用的注塑机最大注塑量为V注=155cmV实注=80%V注=80%60=124cm在pro/e中分析得一次合开模所需注塑量V需=42.46084cm，因此V实注V需，所以符合最大注塑量的要求。锁模力校核F锁机P模AP模，根据实用注塑模具设计陆宁编著 P119页表8-2查得ABS的推荐P模=35MPa，则有P模A=356637.8N=232.323KNF锁机 =1200 KN P模A232.323KN锁模力符合要求，校核完毕。模具与注塑机安装部分相关尺寸校核模具长宽拉杆面积：模具长宽为350330mm S，其中Smax 为最大模座行程。所以开模行程符合要求。(6)注塑机的确定查塑料模具设计表5-3并根据制品的体积和重量，选择注塑机型号为JPH120A。 (7)模具结构的确定为保证配合精度，据相关资料建议，模具采用一模两腔三板式结构，点浇口浇注。由塑料模具设计附录提供的模架图，选取模架型号为小水口3550。 模架后期工艺分析模具零件的加工工艺加工阶段划分:粗加工、半精加工、精加工、光整加工；加工顺序: 先粗后精、先主后次、基面先行、先面后孔。模具装配工艺分析根据鼠标塑件工艺分析，选用斜导柱抽芯方式。斜导柱抽芯机构的装配技术要求：1)闭模后，滑块的上平面与定模平面必须留下有x=0.20.8mm的间隙；2)闭模后，斜导柱外侧与滑块斜导柱孔留有y=0.20.5mm的间隙。模具调试工艺分析试模工艺：试模准备，包括模具准备，试模材料准备，试模机床的选定；试模工艺条件的选定，这与成型的工艺条件有关，如注射模的试模工艺条件包括注射压力、注射量、注射速度和注射速率、注射料的温度；试模缺陷分析，包括飞边、顶出白印、熔接痕、缩痕、银丝痕、烧焦、注射不足、制件表面不光亮、制件翘曲等；出具试模报告，提出解决问题的措施；实施修模，准备第二次试模。六、全文总结在本次设计中，我很好的采用优化设计，针对女性用户的需求特点和人体工程学的研究成果，利用计算机辅助设（CAD）和计算机辅助工程（CAE）技术进行了鼠标外壳造型、结构以及注塑模具的设计与分析，达到了缩短产品开发周期、提高产品设计制造质量、降低成本及灵活快速响应市场的目的，为模具设计提供了一种新方法。【参考文献】1 王文广，田宝善,田雁晨.塑料注塑模具设计技巧与实例.北京:化学工业出版社2 冯炳尧等.模具设计与制造简明手册.上海:上海科学出版社3 黄雁，彭华太.塑料模具制造技术.广州:华南理工大学出版社4 申开智.塑料成型模具 (第二版).北京;中国轻工业出版社5 王兴天.注塑成型技术.北京:化学工业出版社 6 王文俊.实用塑料成型工艺.北京:国防工业出版社 7 朱光力，万金保.塑料模具设计.北京:清华大学出版社指导老师：程涛职 称：副教授第 10 页 共 10 页