注射模具設(shè)計

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1、編號： 時間：2021年x月x日 書山有路勤為徑，學海無涯苦作舟 頁碼：第10頁 共10頁 鼠標外殼注塑模設(shè)計 王虎 工程技術(shù)學院 機械電子工程系 機械設(shè)計制造及其自動化 學號 2001111027 指導老師：程濤 【內(nèi)容提要】本文通過對鼠標的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢的調(diào)查及對鼠標外殼注塑模具要求的分析，針對女性用戶的需求特點和人體工程學的研究成果，提出相應的鼠標外殼設(shè)計方案，并利用計算機輔助設(shè)計Computer Aided Design（CAD）和計算機輔助工程Computer Aided Engineering（CAE）技術(shù)進行了鼠標外殼造型、結(jié)構(gòu)以及注塑模具的設(shè)計與分析，

2、以達到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品設(shè)計制造質(zhì)量、降低成本及靈活快速響應市場的目的。 【關(guān)鍵詞】鼠標、注塑模、pro/e、MSC、PLASTIC ADVISOR、EMX 【教師點評】 本文能基本反映該學生畢業(yè)設(shè)計所進行工作的主要內(nèi)容及相關(guān)結(jié)果、條理較為順暢、邏輯也較清晰，表明該學生具備較為扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識、熟練使用ProE等軟件工具和一定的從事科研活動和一定的語言表達能力。 點評教師：程濤 職稱：副教授 一、概述 ⒈ 塑性模具的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 由于塑料具有很多優(yōu)良的性能和特點，近年來它在各

3、領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應用。作為塑料制造業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)——塑料模具的設(shè)計與制造也得到了空前的發(fā)展，特別是作為塑料必備成型工具的塑料注塑模具，由于它成型效率高，易成型形狀復雜的制品，并科實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，得到迅速的法子，在我國其發(fā)展速度之快、需求量之大是前所未有的。 未來國內(nèi)外塑性模具的制造技術(shù)和成型技術(shù)有如下發(fā)展趨勢：1)在模具設(shè)計制造中廣泛應用CAD/CAE/CAM技術(shù)；2)高速銑削加工將得到更廣泛地應用；3)在塑料模具中推廣應用熱流道技術(shù)、氣輔注射成型和高壓注射成型技術(shù)；4)提高模具標準化水平和模具標準件的使用率；5)研究和應用模具的高速測量技術(shù)與逆向工程；6)虛擬技術(shù)將得到發(fā)展；7)模具自

4、動加工系統(tǒng)的研制和發(fā)展。 ⒉ 鼠標注塑模具的現(xiàn)狀 鼠標（Mouse），也有人喜歡稱之為滑鼠。鼠標的發(fā)明，給操作電腦的用戶帶來了大大的方便，減少了使用鍵盤的時間，加大了操作速度，自此，鼠標和電腦就結(jié)下了不解之緣，特別是操作系統(tǒng)發(fā)展到了Windows時代，鼠標既成關(guān)鍵的輸入設(shè)備。 從基本的運行程序、Copy文件、刪除文件到系統(tǒng)的設(shè)置與調(diào)試，鼠標均必不可少。鼠標在現(xiàn)代計算機中的作用越來越重要，其主要發(fā)展趨勢為人性化，多樣化，個性化。這對鼠標注塑模具設(shè)計和制造的要求也越來越高。傳統(tǒng)的手工設(shè)計與制造方式早己滿足不了注塑模具設(shè)計和制造的需要。采用CAD/CAE技術(shù)可以顯著地提高塑料產(chǎn)品和塑料模具設(shè)計

5、制造效率，減少了設(shè)計者的勞動量，提高設(shè)計制造質(zhì)量，減少試模修模時間，從而縮短了從產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計、模具制造到產(chǎn)品模塑生產(chǎn)的整個周期，增強企業(yè)對市場需求的應變能力。 ⒊ 本文的主要工作內(nèi)容 本文主要通過熟練應用Pro/E、Mold flow、AutoCAD和MSC等計算機輔助工程軟件進行鼠標外殼及其注塑模的設(shè)計，以便更短的時間、更有效的手段設(shè)計出高質(zhì)量的、更符合人體工程學的鼠標。 二、基于Pro/E的小型塑性模具設(shè)計方法及流程 ⒈ 鼠標外殼模具設(shè)計環(huán)境與工具 本次設(shè)計主要運用到的軟件有PTC 公司的Pro/engineer 2001以及它的外掛程序EXPERT MOLDBASE EX

6、TENSION4.1(專家模座系統(tǒng))對鼠標塑件進行建模以及模具設(shè)計、模座裝配。 ⒉ 傳統(tǒng)模具設(shè)計方法 傳統(tǒng)普遍方法是用Pro/MOLDESING由輸了制作的三維實體模型建立起模具裝配模型，設(shè)計分型面，澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)，生成模具成型零件的三維實體模型，從而可方便且更準確完成塑料模具核心部分的設(shè)計工作。再利用Pro/E系統(tǒng)的布局及裝配模塊，我們還可以進行模具的頂出系統(tǒng)和三維總裝配設(shè)計，并最終利用工程圖模塊生成2D工程圖。 ⒊ 本畢業(yè)設(shè)計的模具設(shè)計方法 此次設(shè)計主要采用的是Pro/E +EMX+設(shè)計人員的模式對本鼠標外殼模具進行設(shè)計。主要步驟如下： (1) 通過Pro/e對產(chǎn)品建模，將產(chǎn)

7、品CAD模型裝配產(chǎn)生參照模型，然后對參照模型添加工件； (2) 模具模型上創(chuàng)建收縮； (3) 設(shè)計澆注系統(tǒng)，在工件中添加澆口、流道作為模具特征； (4) 設(shè)計并在工件中定義分型面； (5) 結(jié)構(gòu)件設(shè)計； (6) 鑄模的建立； (7) 裝配模座，從供應商中選取標準模座進行裝配； (8) 模擬開模，同時對模具零件進行干涉檢測； (9) 繪制圖紙，出模具裝配圖、爆炸圖和關(guān)鍵部件零件圖以及報表。 三、鼠標外殼設(shè)計 ⒈ 鼠標設(shè)計對象 從目前的鼠標市場來看，趨于男性化的鼠標樣式多于女性，并且在科技含量上，男性化鼠標有更廣泛的應用。綜觀國內(nèi)的鼠標市場，新穎獨特、讓人賞心悅目的女性鼠標真

8、是少之又少，而真正融合了科技與時尚兩大要素的女性專用鼠標則是更少。 初步確定設(shè)計一種女性專用鼠標，經(jīng)過調(diào)研參考，擬定鼠標外廓尺寸105mm×50mm×35mm（長×寬×高）。 圖1 手握鼠標 ⒉ 鼠標結(jié)構(gòu)特點 根據(jù)中國人人體工程學，對于人的上臂來說，它的自然形態(tài)應該是使尺骨和橈骨接近平行的狀態(tài)，這種狀態(tài)，也就是當上臂和手掌平放桌上的時候，上臂和手掌呈接近垂直的傾斜狀態(tài)，使用掌外側(cè)觸及桌面的形態(tài)。 因為這種形態(tài)下，上臂的主要肌肉和血管不會發(fā)生扭曲，所以即便長時間保持這個姿勢，也不會出現(xiàn)肌肉疲勞和缺氧情況。 而對于手腕結(jié)構(gòu)來說，多次的試驗證明，當人的手腕呈“仰起”狀態(tài)時，則

9、“仰起”的夾角在15度－30度之間的時候，是最舒適的狀態(tài)，超出這個范圍，會導致前臂肌肉處于拉伸狀態(tài)，而且也會導致血流的不暢（如圖1所示）。 ⒊ 設(shè)計方案的比選 根據(jù)前面的各項分析，進行鼠標造型設(shè)計產(chǎn)生方案一（見圖2）。該方案主要特點是通過人體工程學在鼠標結(jié)構(gòu)上設(shè)計可以隨意更換彩殼。彩殼根據(jù)今年的流行色分別有紫色，藍色和金色三種顏色，透明色的外殼還可以將自己喜歡的照片放置其中，DIY自己的鼠標。 圖2 鼠標造型方案一 圖3 鼠標造型方案二 方案二造型比較奇特，其創(chuàng)意點在于鼠標與化妝盒一體化，使鼠標多了附加功能（如圖3所示）。 方案三（見圖4）在符合人體工程學的基礎(chǔ)上，定位

10、使用對象為青少年，其創(chuàng)意點主要為卡通造型?？蓯鄣目ㄍㄔ煨湍軒砀杏^上的刺激，造型漂亮、美觀的鼠標一定能給人帶來愉悅的心情。卡通造型的鼠標還能讓小朋友愛不釋手提高學習電腦的興趣。 圖4 鼠標造型方案三 深圳市場上的鼠標，其使用對象是以成年男性為主，青年女性為輔，并沒有針對青少年消費者進行設(shè)計。女性用戶通常注重對鼠標外觀的造型色彩與青少年用戶有相同之處，如卡通可愛的造型，絢麗的色彩圖案以及適宜的大小尺寸。而且前兩種方案造型由于由于功能的增加而導致結(jié)構(gòu)增加、結(jié)構(gòu)復雜，不利于相應模具的設(shè)計、制作及加工以及成本的上升，因此經(jīng)過本小組與指導老師討論分析，最后選定方案三進行模具設(shè)計。

11、表1 方案比較分析表 方案 使用對象 人機性 功能性 造型復雜程度 方案1 大眾 一般 一般 一般 方案2 女性 一般 較好 較易 方案3 青少年及女性 較好 一般 較難 ⒋ 鼠標塑件工藝分析 ⑴尺寸和精度 這里的尺寸是指塑料制件的總體尺寸大小，從所設(shè)計塑件的總體尺寸分析得知，其尺寸較為合理，不會太大，這樣就可以避免塑料容體充不滿模具型腔或使塑件不能正常成型，塑件材料為ABS,等級精度為：MT5。 ⑵形狀 本塑件的幾何形狀除能滿足功能使用外觀要求外，還做到盡可能使其所對應的模具結(jié)構(gòu)簡單化，便于加工成型。 ⑶壁厚 通常熱塑性塑料的注塑件

12、壁厚一般在2-4mm范圍內(nèi)，分析設(shè)計塑件功能要求，確定塑件的壁厚為2mm。設(shè)計制品應盡量減少壁厚和壁厚不均勻，這樣有利于縮短模塑周期，提高生產(chǎn)效率及節(jié)省材料。 ⑷脫模斜度 根據(jù)已選定的材料ABS，其脫模斜度宜為（40ˊ－1.5°）。為使注塑開模后，塑件留在動模一側(cè)的型芯上，取其脫模斜度為50′ 。 ⑸加強筋等防止變形的結(jié)構(gòu)設(shè)計 為提高塑件的強度和剛度而又不至于使制品的壁厚過大，在適當?shù)奈恢貌捎迷鲈O(shè)加強筋的方法。 ⑹圓角 塑件面與面之間一般采用圓弧過渡，這樣不僅可以避免塑件尖角處的應力集中，提高塑件強度，而且可以改善熔體在型腔中的流動狀況,有利于充滿型腔,便于脫模。鼠標的內(nèi)外圓角以及

13、三個壁面結(jié)合處的轉(zhuǎn)角都設(shè)計成圓角。 ⑺孔的設(shè)計 用模具成型的孔，在滿足使用要求的情況下，應盡量采用工藝上易于加工的孔。所設(shè)計的塑件分上殼與下殼部分，上下殼均有一個孔，用于孔軸的裝配，起固定鎖緊連接作用，孔徑為3mm。上殼孔為螺絲定位，為了保證兩個孔的安裝，下殼的孔比上殼大0.5-1mm，壁厚同為2mm。 ⑻成型方法 主要依靠注射成型機（柱塞式和螺桿式）和注射模具來完成。ABS塑料的成型加工性能良好，選用螺桿式注塑機進行注塑成型。 ⒌ 鼠標塑件材料選用及特性 鼠標原材料采用ABS，即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。ABS是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三種化學單體合成。每種單體都具有不同特

14、性：丙烯腈有高強度、熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性；丁二烯具有堅韌性、抗沖擊特性；苯乙烯具有易加工、高光潔度及高強度。ABS具有如下特性： ⑴綜合性能較好，沖擊強度較高，化學穩(wěn)定性，電性能良好； ⑵與372有機玻璃的熔接性良好，制成雙色塑件，且可表面鍍鉻，噴漆處理； ⑶有高抗沖、高耐熱、阻燃、增強、透明等級別； ⑷流動性比HIPS差一點，比PMMA、PC等好，柔韌性好，適于制作一般機械零件，減磨耐磨零件，傳動零件和電訊零件； ⑸注塑工藝分析，ABS材料具有吸濕性，要求在加工之前進行干燥處理；比重為1.05克/立方厘米；成型收縮率，0.4-0.7%?，一般取0.5％；成型溫度，200-240℃；

15、熔化溫度，210～280℃，建議溫度為245℃；模具溫度，25～70℃；注射壓力：500～1000par；注射速度，中高速度。 四、基于CAE的鼠標外殼注塑模設(shè)計 注塑模CAE能判斷所設(shè)計的模具是否能很好充模、能否在注塑機的允許壓力范圍內(nèi)充模、充模時成型制品的剪切力是否過大、是否達到了充模的流動平衡，并能在達不到的情形下，修改成型條件或?qū)ο嚓P(guān)模具尺寸作修改，或者要求設(shè)計者修改輸入條件，直至設(shè)計者認為可以接受的方案為止。 ⒈ MSC.Patran分析過程 因為鼠標的主要手力部分是鼠標的按鍵，所以分析對象確定為鼠標按鍵。用MSC.Patran軟件對塑件進行分析的過程為：讀入鼠標按鍵STEP

16、模型——>進行網(wǎng)格劃分——>邊界條件設(shè)置及應力載荷施加——>材料選擇及屬性的設(shè)置——>分析計算——>讀取結(jié)果。 讀取鼠標按鍵模型的云紋圖，如圖5所示，在單元格3063處，按鍵受應力最大為3.41e－003。 圖5讀取鼠標按鍵模型的云紋圖時在單元格3063處的受應力情況 讀取鼠標按鍵模型的變形圖，如圖6所示，在單元格1943處，按鍵受應力變形最大為2.76-005。 圖6讀取鼠標按鍵模型的變形圖在單元格1943處，按鍵受應力變形情況 對上述鼠標按鍵有限元分析結(jié)果可知按鍵在工作情況下的應力不大，變形量也不會超過彈性范圍。各項指標均達要求。 ⒉ POR/E2001 P

17、LASTIC ADVISOR塑料顧問分析過程 Plastic Advisor (塑料顧問) 屬于計算機輔助工程(CAE) 分析軟件,專門用來仿真塑料射出成型。在模型設(shè)計階段,輔以射出過程仿真,能迅速掌握產(chǎn)品生產(chǎn)特性。 根據(jù)前面所說的分析過程，首先在材料表里選用好注塑原料ABS和其供應商，選用材料為美國通用公司的CYCOLAC GPM2，然后通過Plastic Advisor塑料顧問選取最佳注射區(qū)域中的一點，接著對鼠標上殼進行模流分析（其填充結(jié)果良好），再查看其填充質(zhì)量分析預測，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果中出現(xiàn)了紅色區(qū)域：說明在這些地方可能會出現(xiàn)填充困難的情況，或者填充不理想從而影響產(chǎn)品質(zhì)量（如圖7所示）。

18、 圖7 修改前填充質(zhì)量預測分析 首先我對流道及鼠標上殼部分地方進行了修改，在轉(zhuǎn)角處設(shè)置了導圓，來降低對流體的阻力，發(fā)現(xiàn)效果不是很好，還是不能滿足要求。造成紅色區(qū)域的產(chǎn)品質(zhì)量不好的原因經(jīng)過查找資料分析得知是該處的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，導致料流 不能很好的填充到位。所以在修改了加強筋的高度和盲孔的深度之后，填充質(zhì)量預測的結(jié)果得到改善（如圖8所示）。雖然仍然有小部分黃色區(qū)域出現(xiàn)，但注射壓力圖，質(zhì)量預測圖、填充時間圖、流鋒溫度圖都顯示本產(chǎn)品能順利的成型。 圖8 修改后的填充質(zhì)量預測分析 五、鼠標注塑模設(shè)計 ⒈ 設(shè)計方案確定的主要內(nèi)容 設(shè)計方案擬定后，

19、注塑模設(shè)計的主要內(nèi)容：1)首先確定分型面，有側(cè)抽芯的要選定抽芯結(jié)構(gòu)；2)確定型腔數(shù)合排形式以及型腔、型芯的結(jié)構(gòu)；3)澆口位置、脫澆道結(jié)構(gòu)的確定和排氣系統(tǒng)的確定；4)導向、定位結(jié)構(gòu)的確定；5)推出結(jié)構(gòu)和復位結(jié)構(gòu)的選定；6)模架大小的選定和相關(guān)標準件的選定；7)注射機型號、規(guī)格的選定。上述內(nèi)容確定后即可進行總裝配圖的設(shè)計和繪制。 ⒉鼠標模具主要工藝參數(shù)確定 確定鼠標模具各主要工藝參數(shù)，如 ⑴澆注系統(tǒng)的設(shè)計，使用點澆口澆注系統(tǒng)、采用平衡對稱式布置流道； ⑵脫模機構(gòu)設(shè)計，根據(jù)鼠標塑件分析使用頂桿脫模機構(gòu)； ⑶合模導向機構(gòu)設(shè)計，導向機構(gòu)通常采用導柱導向，其主要零件是導柱和導套； ⑷模具溫度控

20、制，對于熱塑性塑料注射成型模具，當遇到成型流動性差的塑料（如成型高結(jié)晶的塑件），及采用熱流道時均需要對模具進行加熱； ⑸模具型腔數(shù)的確定，根據(jù)鼠標的塑件工藝分析，采用一模兩腔； ⑹分型面的確定，選取鼠標上殼尺寸最大處，即其上殼下部邊緣處； ⑺抽芯方式，根據(jù)鼠標的塑件工藝分析，采用斜導柱分型抽芯方式。 ⒊ 相關(guān)數(shù)據(jù)的校核 對鼠標外殼及其模具進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算，主要包括： (1) 計算制品的體積和重量 該產(chǎn)品為鼠標外殼，使用材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），查《實用塑料成型工藝》得知其密度為1.05 g/cm3，收縮率取為0.5%。 采用PRO/E對產(chǎn)品三維實體進行了體

21、積計算，得出下列尺寸 鼠標上殼單個塑件：體積=21230.42（毫米^3）；曲面面積=23083.752（毫米^2）；密度=0.00105（克/毫米^3）；質(zhì)量 = 22.3 克； A：兩個塑件體積為V塑 = 42.46084(cm3)； B: 兩個塑件的重量為M塑件 =ρV塑 = 44.583882（g），其中ρ=1.05 g/cm3。 ⑵最大注塑量校核 注塑機的最大注塑量應大于制品的重量或體積（包括流道及澆口凝料和飛邊），通常注塑機的實際注塑量為最大注塑量的80%，本設(shè)計中選用的注塑機最大注塑量為 V注=155cm3 V實注=80%×V注=80%×60=124cm3 在p

22、ro/e中分析得一次合開模所需注塑量V需=42.46084cm3，因此V實注>V需，所以符合最大注塑量的要求。 ⑶鎖模力校核 F鎖機>P模×A P模，根據(jù)《實用注塑模具設(shè)計》陸寧編著 P119頁表8-2查得ABS的推薦P模=35MPa，則有 P?！罙=35×6637.8N=232.323KN F鎖機 =1200 KN >P?！罙＝232.323KN 鎖模力符合要求，校核完畢。 ⑷模具與注塑機安裝部分相關(guān)尺寸校核 模具長×寬<拉桿面積：模具長×寬為350×330mm <注塑機拉桿間距410×360mm；所以符合要求。模具閉合高度檢驗，模具高度為Hm=235mm，而本注塑機允許的模

23、具高度范圍為160～700mm，所以符合要求。 (5)開模行程校核 對于單分型面注射模S ≥H1+H2+（5--10），其中H1為頂桿頂出長度，H2為塑件高度連同澆注系統(tǒng)。所以有 S≥16+30+（5~10），并取S=55；本注塑機Smax=S機-（H模-H最?。?240>S，其中Smax 為最大模座行程。所以開模行程符合要求。 (6)注塑機的確定 查《塑料模具設(shè)計》表5-3并根據(jù)制品的體積和重量，選擇注塑機型號為JPH120A。 (7)模具結(jié)構(gòu)的確定 為保證配合精度，據(jù)相關(guān)資料建議，模具采用一模兩腔三板式結(jié)構(gòu)，點澆口澆注。由《塑料模具設(shè)計》附錄提供的模架圖，選取模架型號為小水

24、口3550。 ⒋ 模架后期工藝分析 ⑴模具零件的加工工藝 加工階段劃分:粗加工、半精加工、精加工、光整加工；加工順序: 先粗后精、先主后次、基面先行、先面后孔。 ⑵模具裝配工藝分析 根據(jù)鼠標塑件工藝分析，選用斜導柱抽芯方式。 斜導柱抽芯機構(gòu)的裝配技術(shù)要求：1)閉模后，滑塊的上平面與定模平面必須留下有x=0.2~0.8mm的間隙；2)閉模后，斜導柱外側(cè)與滑塊斜導柱孔留有y=0.2~0.5mm的間隙。 ⑶模具調(diào)試工藝分析 試模工藝：試模準備，包括模具準備，試模材料準備，試模機床的選定；試模工藝條件的選定，這與成型的工藝條件有關(guān)，如注射模的試模工藝條件包括注射壓力、注射量、注射速度和

25、注射速率、注射料的溫度；試模缺陷分析，包括飛邊、頂出白印、熔接痕、縮痕、銀絲痕、燒焦、注射不足、制件表面不光亮、制件翹曲等；出具試模報告，提出解決問題的措施；實施修模，準備第二次試模。 六、全文總結(jié) 在本次設(shè)計中，我很好的采用優(yōu)化設(shè)計，針對女性用戶的需求特點和人體工程學的研究成果，利用計算機輔助設(shè)（CAD）和計算機輔助工程（CAE）技術(shù)進行了鼠標外殼造型、結(jié)構(gòu)以及注塑模具的設(shè)計與分析，達到了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品設(shè)計制造質(zhì)量、降低成本及靈活快速響應市場的目的，為模具設(shè)計提供了一種新方法。 【參考文獻】 [1] 王文廣，田寶善,田雁晨.塑料注塑模具設(shè)計技巧與實例.北京:化學工業(yè)出版社 [2] 馮炳堯等.模具設(shè)計與制造簡明手冊[Ｍ].上海:上?？茖W出版社 [3] 黃雁，彭華太.塑料模具制造技術(shù).廣州:華南理工大學出版社 [4] 申開智.塑料成型模具 (第二版).北京;中國輕工業(yè)出版社 [5] 王興天.注塑成型技術(shù).北京:化學工業(yè)出版社 [6] 王文俊.實用塑料成型工藝.北京:國防工業(yè)出版社 [7] 朱光力，萬金保.塑料模具設(shè)計.北京:清華大學出版社 指導老師：程濤 職 稱：副教授 第 10 頁 共 10 頁