注射模具設計

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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 鼠標外殼注塑模設計 王虎 工程技術學院 機械電子工程系 機械設計制造及其自動化 學號 2001111027 指導老師：程濤 【內容提要】本文通過對鼠標的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢的調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計方案，并利用計算機輔助設計Computer Aided Design（CAD）和計算機輔助工程Computer Aided Engineering（CAE）技術進行了鼠標外殼造型、結構以及注塑模具的設計與分析，

2、以達到縮短產品開發(fā)周期、提高產品設計制造質量、降低成本及靈活快速響應市場的目的。 【關鍵詞】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)設計所進行工作的主要內容及相關結果、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、領域得到了越來越廣泛的應用。作為塑料制造業(yè)的支柱產業(yè)——塑料模具的設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，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。 未來國內外塑性模具的制造技術和成型技術有如下發(fā)展趨勢：1)在模具設計制造中廣泛應用CAD/CAE/CAM技術；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、氣輔注射成型和高壓注射成型技術；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與逆向工程；6)虛擬技術將得到發(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，鼠標既成關鍵的輸入設備。 從基本的運行程序、Copy文件、刪除文件到系統(tǒng)的設置與調試，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計和制造的要求也越來越高。傳統(tǒng)的手工設計與制造方式早己滿足不了注塑模具設計和制造的需要。采用CAD/CAE技術可以顯著地提高塑料產品和塑料模具設計

5、制造效率，減少了設計者的勞動量，提高設計制造質量，減少試模修模時間，從而縮短了從產品設計、模具設計、模具制造到產品模塑生產的整個周期，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計，以便更短的時間、更有效的手段設計出高質量的、更符合人體工程學的鼠標。 二、基于Pro/E的小型塑性模具設計方法及流程 ⒈ 鼠標外殼模具設計環(huán)境與工具 本次設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計、模座裝配。 ⒉ 傳統(tǒng)模具設計方法 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)和三維總裝配設計，并最終利用工程圖模塊生成2D工程圖。 ⒊ 本畢業(yè)設計的模具設計方法 此次設計主要采用的是Pro/E +EMX+設計人員的模式對本鼠標外殼模具進行設計。主要步驟如下： (1) 通過Pro/e對產品建模，將產

7、品CAD模型裝配產生參照模型，然后對參照模型添加工件； (2) 模具模型上創(chuàng)建收縮； (3) 設計澆注系統(tǒng)，在工件中添加澆口、流道作為模具特征； (4) 設計并在工件中定義分型面； (5) 結構件設計； (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、爆炸圖和關鍵部件零件圖以及報表。 三、鼠標外殼設計 ⒈ 鼠標設計對象 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。 初步確定設計一種女性專用鼠標，經(jīng)過調研參考，擬定鼠標外廓尺寸105mm×50mm×35mm（長×寬×高）。 圖1 手握鼠標 ⒉ 鼠標結構特點 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。 而對于手腕結構來說，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 設計方案的比選 根據(jù)前面的各項分析，進行鼠標造型設計產生方案一（見圖2）。該方案主要特點是通過人體工程學在鼠標結構上設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?？ㄍㄔ煨偷氖髽诉€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構增加、結構復雜，不利于相應模具的設計、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構簡單化，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，分析設計塑件功能要求，確定塑件的壁厚為2mm。設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，塑件留在動模一側的型芯上，取其脫模斜度為50′ 。 ⑸加強筋等防止變形的結構設計 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。鼠標的內外圓角以及

13、三個壁面結合處的轉角都設計成圓角。 ⑺孔的設計 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計 注塑模CAE能判斷所設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，修改成型條件或對相關模具尺寸作修改，或者要求設計者修改輸入條件，直至設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——>邊界條件設置及應力載荷施加——>材料選擇及屬性的設置——>分析計算——>讀取結果。 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。在模型設計階段,輔以射出過程仿真,能迅速掌握產品生產特性。 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（其填充結果良好），再查看其填充質量分析預測，發(fā)現(xiàn)其結果中出現(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品質量（如圖7所示）。

18、 圖7 修改前填充質量預測分析 首先我對流道及鼠標上殼部分地方進行了修改，在轉角處設置了導圓，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)域的產品質量不好的原因經(jīng)過查找資料分析得知是該處的內部結構設計不合理，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，填充質量預測的結果得到改善（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，質量預測圖、填充時間圖、流鋒溫度圖都顯示本產品能順利的成型。 圖8 修改后的填充質量預測分析 五、鼠標注塑模設計 ⒈ 設計方案確定的主要內容 設計方案擬定后，

19、注塑模設計的主要內容：1)首先確定分型面，有側抽芯的要選定抽芯結構；2)確定型腔數(shù)合排形式以及型腔、型芯的結構；3)澆口位置、脫澆道結構的確定和排氣系統(tǒng)的確定；4)導向、定位結構的確定；5)推出結構和復位結構的選定；6)模架大小的選定和相關標準件的選定；7)注射機型號、規(guī)格的選定。上述內容確定后即可進行總裝配圖的設計和繪制。 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脫模機構設計，根據(jù)鼠標塑件分析使用頂桿脫模機構； ⑶合模導向機構設計，導向機構通常采用導柱導向，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 相關數(shù)據(jù)的校核 對鼠標外殼及其模具進行結構設計與計算，主要包括： (1) 計算制品的體積和重量 該產品為鼠標外殼，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?！罙 P模，根據(jù)《實用注塑模具設計》陸寧編著 P119頁表8-2查得ABS的推薦P模=35MPa，則有 P模×A=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最小）=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)模具結構的確定 為保證配合精度，據(jù)相關資料建議，模具采用一模兩腔三板式結構，點澆口澆注。由《塑料模具設計》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。 斜導柱抽芯機構的裝配技術要求：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，斜導柱外側與滑塊斜導柱孔留有y=0.2~0.5mm的間隙。 ⑶模具調試工藝分析 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，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 在本次設計中，我很好的采用優(yōu)化設計，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（CAD）和計算機輔助工程（CAE）技術進行了鼠標外殼造型、結構以及注塑模具的設計與分析，達到了縮短產品開發(fā)周期、提高產品設計制造質量、降低成本及靈活快速響應市場的目的，為模具設計提供了一種新方法。 【參考文獻】 [1] 王文廣，田寶善,田雁晨.塑料注塑模具設計技巧與實例.北京:化學工業(yè)出版社 [2] 馮炳堯等.模具設計與制造簡明手冊[Ｍ].上海:上海科學出版社 [3] 黃雁，彭華太.塑料模具制造技術.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.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