注塑模的发展现状及设计制造综述

PAGEPAGE8注塑模的发展现状及设计制造综述一、模具及其在国民经济发展中的作用模具是工业产品生产使用的重要工艺装备，它以其自身的特殊形状通过一定的方式使原材料成形（成型）。现代工业生产中，由于模具的加工效率高，互换性好，节省原材料，生产成本低，所以得到广泛的应用。模具技术已成为衡量一个国家制造水平的重要标志之一。模具技术能促进工业产品的发展和质量的提高，并能获得极大的经济效益。模具是效益放大器，用模具生产的产品的价值往往是模具价值的几十倍、上百倍。在美国模具被称为点铁成金的磁力工业，德国则认为其是所有工业中的关键工业；日本认为模具是促进社会繁荣富裕的动力。模具工业在我国已经成为国民经济发展的重要基础工业之一。国民经济五大支柱产业——机械、电子、汽车、石油化工和建筑都要求模具工业的发展与之相适应，都需要大量模具，特别是汽车、电动机、电器、家电和通信等类产品中60%～80%的零部件都要依靠模具成形。二、我国注塑模的现状和差距我国模具行业近年来发展很快，据不完全统计，目前模具生产厂点共有2万多家，从业人员约50万人，全年模具产值约360亿元，总量供不应求，出口约2亿美元，进口约10亿美元。当前，我国模具行业的发展具有如下特征：大型、精密、复杂、长寿命中高档模具及模具标准件发展速度快于行业总体发展水平；塑料模和压铸模成比例增长；专业模具厂家数量及其生产能力增加较快；“三资”企业及私营企业发展迅速；股份制改造步伐加快等。从地区分布来看，以珠江三角洲和长江三角洲为中心的东南沿海地区发展快于中西部地区，南方的发展快于北方。目前发展最快、模具生产最集中的省份是广东和浙江，其模具产值约占全国总产值的60%以上。我国模具总量虽然已位居世界第三，但设计制造水平总体上落后于德、美、日、法、意等发达国家，模具商品化和标准化程度也低于国际水平。我国塑料模具工业从起步到现在，历经半个多世纪，有了很大的发展，模具水平有了较大提高。在大型模具方面已能生产48英寸大屏幕彩电塑壳注射模具、615kg大容量洗衣机全套塑料模具以及汽车保险杠和整体仪表板等塑料模具；精密塑料模具方面，已能生产照相机塑料件模具、多型腔小模数齿轮模具及塑封模具。如天津津荣天和机电有限公司和烟台北极星IK模具有限公司制造的多腔VCD和DVD齿轮模具，所生产的这类齿轮塑件的尺寸精度、同轴度、跳动等要求都达到了国外同类产品的水平，而且还采用最新的齿轮设计软件，纠正了由于成型收缩造成的齿形误差，达到了标准渐开线齿形要求。该公司还能生产厚度仅为0.08mm的一模两腔的航空杯模具和难度较高的塑料门窗挤出模等等。注塑模型腔制造精度可达0.02～0.05mm，表面粗糙度Ra0.2μm，模具质量、寿命明显提高，非淬火钢模寿命可达10～30万次，淬火钢模达50～1000万次，交货期较以前缩短，但与国外相比仍有较大差距。成型工艺方面，多材质塑料成型模、高效多色注射模、镶件互换结构和抽芯脱模机构的创新设计方面也取得较大进展。气体辅助注射成型技术的使用更趋成熟，如青岛海信模具有限公司、天津通信广播公司模具厂等厂家成功地在29～34英寸电视机外壳以及一些厚壁零件的模具上运用气辅技术，一些厂家还使用了C-MOLD气辅软件，取得较好的效果。如上海新普雷斯等公司就能为用户提供气辅成型设备及技术。现在，热流道模具已逐渐开始推广，有的厂采用率达20%以上，一般采用内热式或外热式热流道装置，以及具有世界先进水平的高难度针阀式热流道装置，少数单位采用具有世界先进水平的高难度针阀式热流道模具。但总体上热流道的采用率达不到10%，与国外的50%～80%相比，差距较大。三、塑料模具的制造特点1、型腔及型芯呈立体型面。塑料的外形和内部形状直接由型腔和型芯直接成型。型腔、型芯的形状是塑料件的复映。这些复杂的立体表面加工难度大，特别是型腔的盲孔型内成型表面加工，采用通用机床加工时，不仅要求工人技术等级高，辅助夹具、刀具多，而且加工周期长。2、精度要求高型腔、型芯尺寸精度一般为IT8～9，精密塑料模具的型芯型腔尺寸精度为IT6～7级，另外机构的尺寸也要求非常准确，以使运动可靠。所以要求模具制造，尽量采用高精度的制造手段和测量手段。3、表面质量要求高型腔、型芯的表面粗糙度一般为Ra0.2～0.1，有镜面要求的表面粗糙度为Ra0.05一下，为达到粗糙度要求，型腔、型芯表面经精加工后必须经过严格的研磨、抛光。目前多数采用手工研磨和抛光，其手工加工的比例约占整副模具加工量的40%左右，精密型模具，由于多为镶拼式结构，手工加工量约占10%左右。为了提高模具的使用寿命，成型零件还需进行淬火。因此成型研磨、电加工等精密加工占的比例比较大。4、对刀具的性能要求越来越高由于模具的性能材料不断提高，模具加工刀具也相应提高，常用一些优越性能的刀具材料和改进的刀具设计，另外为了提高加工效率，也对刀具进行重新改进，以适应模具加工快节奏的要求。5、工艺流程长、制造时间紧注射模的成型部分是由定模、动模、滑块等部件组成，而定模、动模又是若干零件的组合。为了保证相互间的形状和位置精度，需要采取配制的方法进行加工。工种多、工序多、工艺流程长。由于注射模关系到产品的更新换代以及推向市场的速度，一般给予模具的制造时间比较短，所以，模具制造时间紧，所以，要求模具制造尽量减少手工操作，并采用自动化技术，发展快速制模技术。6、模具制造一般属于但减少批生产方式。四、塑件的结构设计1、功能结构设计塑件设计的核心问题，是要保证其使用功能要求。在充分分析塑件使用功能的基础上确定塑件的整体结构、各组成部分几何形状、尺寸、材质和外观要求及强度等。塑件的结构，应在满足其功能要求的前提下，力求简单、明快、可靠。因为简单的塑件结构容易满足其功能要求，达到经济、适用、安全的目的。在设计塑件时，应当了解它是单独使用，还是与其它零件组合起来使用，在使用过程中它的主要功能和辅助功能是什么。如果它是与其它零件组合起来使用，那么它的哪些部分、结构形状、尺寸受其它零件制约、不可变动，哪些部分可通过直观判断、试验后加以修正。塑件各部分的强度可以通过选材、合理地分配材料、必要的强度和刚度计算、模拟或实用实验等方法予以确认。根据使用要求不同，在设计某些塑件时还要计算容积、重量、伸长，决定某些几何参数，有的塑件要采用金属嵌件，如齿轮、轴承一类塑件。为了提高刚度，例如对于玻璃纤维增强的塑件，应尽量不设计成平面而设计成曲面，恰当地利用筋、皱折、凸起部、夹层结构和有方向性的玻璃纤维基材。为了保证更好地发挥塑件的功能作用，例如在设计仪表壳体、仪表板件等时，要考虑到在其上要安装与运转操作、情报传达、安全警报、娱乐快适应等有关的各种零件，因此在设计板面零件布局时要考虑操作者的视认性、操作性和安全性等。2、工艺结构设计在塑件功能结构设计的基础上，为实现加工制造的可能性和简捷性，必须进行工艺结构设计。因此，在设计塑件时，要选择合适的材料，以保证在使用过程中的可靠性及加工过程中的可行性，用以确定成型方法及成型工艺对塑件提出的工艺结构要求。塑件工艺结构设计的主要内容如下：塑件内外侧壁应有恰当的脱模斜度，内外表面结合处，即角隅处，加强筋端部和根部等以及所有能允许设计圆角的地方均应设计成圆角。塑件壁厚要均匀，加强筋、凸台、支撑面、边缘、底部形状的设计要保证其强度，利于其成型和脱模。金属嵌件要满足塑件使用功能要求，与塑件连接牢固性要求，成型时便与在模具中装固，成型后容易从模具中脱出。塑件表面的花纹、图案、文字、符号等的设计要考虑成型与脱模、使用中的损伤、模具加工等问题。此外处于塑件外形轮廓最大部分得分型线痕迹，不影响其工作特性及表观质量。因此在塑件工艺结构设计时，要充分了解其在使用中的机能，又要熟悉材料的性能特点，成型工艺过程及特点。只有正确的工艺结构设计，才能保证塑件顺利成型、脱模，确保塑件质量，避免塑件在成型中出现裂纹、凹陷、气孔、银纹、疏松、污斑等一系列成型缺陷，增强塑件的使用中的可靠性及持久性。除以上所述外，还应对塑件的焊接、铆接、电镀、涂装、印刷、压花、机械加工等后续工序加以考虑，并在塑件结构设计上采取相应的措施，借以保证这些加工的顺利进行，并确保加工质量。3、造型结构设计工业制品的结构设计，是一门技术与艺术相结合的多元交叉科学。塑件制品种类繁多，有像光盘、磁带、薄膜、人造革、电影胶片、编织带、地毯、地板等一类平面状制品；有像餐具、玩具、家用电器、仪表等立体状制品，还有塑料花、仿大理石、仿玉石制品，仿生制品等艺术品。对于这些制品，都要通过外部造型设计加以装饰美化。因为人们通常都是在满足功能要求下，总是喜欢购置外形美观的制品。塑件造型设计系指按照美的法则，如对比与调合、概括与简单、对称与平衡，安定与轻巧、尺寸与比例、主从、比拟、联想等对塑件外观形状、图案、色彩及其相互的结合进行设计，通过视觉给人以美的感觉。对于单独使用的塑件或壳体制品，一定要认真的进行造型设计，以满足其使用机能要求，是现代制品设计的根本目的，满足人的心理需要是制品使用功能设计的根本依据。“实用、经济、美观”是制品造型设计的基本原则。在造型设计中还要体现环境、时代的要求，正确地使用水平线、垂直线、弧线等所形成的几何构型、比例尺度、起伏、棱角、机理、色彩等，使人们在使用塑件时有一种美的享受，同时又能保证使用者在使用它时感到方便、安全、可靠、舒适。五、模具制造技术的发展趋势我国未来模具制造技术的发展趋势可以归纳为以下几点：1、CAD/CAM/CAE技术的全面推广应用模具CAD/CAM/CAE技术是模具技术发展的一个重要里程碑。由于产品的更新换代日趋频繁，产品精度要求越来越高，形状越来越复杂，对模具的要求也越来越高。模具CAD/CAM/CAE技术是模具设计制造的发展方向。随着计算机技术的发展和进步，现已基本具备了普及CAD/CAM/CAE技术的条件。2、模具标准化程度的不断提高经过一段时间的建设，我国模具标准化程度正在不断提高。目前我国模具标准化使用覆盖率已达到30%左右，国外发达国家一般为80%左右。为了适应模具工业的发展，必将加强模具标准化工作，模具标准化程度将进一步提高，模具标准件生产也必将得到发展。3、优质材料及先进表面处理技术的应用为了提高模具的使用寿命，提高产品的制造质量，优质材料及先进表面处理技术将进一步受到重视，国内外模具材料的研究工作者对模具的工作条件、失效形式和提高模具使用寿命的途径进行了大量研究，并开发了许多适用性能好，加工性好，热处理变形小的模具材料，如预硬钢、耐腐蚀钢等。模具热处理和表面处理是能否充分发挥模具钢材料性能的关键环节。模具热处理的发展方向是采用真空热处理。模具表面处理除完善、普及常用表面处理方法如：渗碳、渗氮、渗硼、渗铬、渗钒外，还应发展设备昂贵、工艺先进的气相沉积、等离子喷涂等技术。4、模具制造技术的高效、快速、精密化随着模具制造技术的发展，许多新的加工技术、加工设备不断出现，模具制造手段越来越丰富，越来越先进。快速成型制造（RPM）技术由美国首先推出，被公认为是继NC技术之后的一次技术革命。它是伴随着计算机技术、激光成型技术和新材料技术的发展而产生的，是一种全新的制造技术。快速成型技术根据零件的CAD模型，快速自动完成复杂的三维实体（模型）制造。采用这种方法制造模具，从模具的概念设计到制造完成，仅为传统加工方法所需时间的1/3和成本的1/4。今年来国外发展起来的高速洗削加工，其主轴转速可达40000～100000r/min，进给速度可达到30～40m/min，加速度可达1g，换刀时间可提高到1～2s；加工模具的硬度可达到60HRC，表面粗糙度可达Ra<1μm。高速切削加工与传统加工相比具有加工效率高，温升低（加工工件温度只升高3℃），热变形小等优点，目前正向进一步敏捷化、智能化、集成化方向发展。高速洗削加工促进了模具加工技术的发展，特别给汽车、家电行业中大型型腔模具制造注入了新的活力。电火花洗削加工技术用高速旋转的简单管状电极进行三维或二维轮廓加工（像数控铣一样），因此不再需要制造复杂的成形电极。这显然是电火花成形加工领域的重大发展，国外已有使用这种技术加工模具的机床。5、逆向工程技术的应用采用逆向工程技术可以快速、正确地把复杂的实物复制出来，同时也可以通过实物制造模具进行复制。目前我国已有许多模具厂家拥有高速扫描机和模具扫描系统，该系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望模型所需的诸多功能，大大缩短了模具的研制周期。逆向工程将在今后的模具生产中发挥越来越重要的作用。6、模具研磨抛光的自动化、智能化模具表面的精加工是模具加工中未能很好解决的难题之一。模具表面质量对模具使用寿命、制件外观质量等均有较大的影响，目前我国仍以手工研磨抛光为主，不仅效率低（约占整个模具寿命周期的1/3），而且工人劳动强度大，质量不稳定，制约了我国模具加工向更高层次发展。因此，研究抛光的自动化、智能化是重要的发展趋势。日本已研制出数控研磨机，可实现三维曲面模具的自动化研磨抛光。六、注塑模具的CAD/CAE/CAM的概述利用计算机对注塑模具进行辅助设计(CAD)、辅助制造(CAM)和辅助工程(CAE)的技术分析，可以提高模具设计和制造的水平，缩短塑件研制周期，对注塑模技术的发展具有重要意义。注塑成型模具CAD/CAE/CAM系统的流程，考虑到注塑模CAD/CAE/CAM系统要求有较高的几何造型功能，塑件设计和模具设计采用美国PTC公司的Pro／E软件作为注塑模CAD的开发平台。注塑模CAE采用澳大利亚Moldflow公司的注塑模分析软件Moldflow,该软件具有强大的分析功能，可进行注塑过程的流动、保压、冷却、翘曲等多种分析。通过分析，模拟了塑料在模具中由熔融态到凝固态的一系列过程，预测塑料充填的效果，如充填不满、有气泡、熔接缝、应力集中、冷却后的翘曲变形等各种问题。设计人员根据这些结果，更改不合理的设计，使设计的塑件用料最省，质量最优。通过分析，也得出了塑料充模的最佳工艺条件，保证试模一次成功。注塑模CAM采用MasterCAM软件，MasterCAM是一个功能强大的CAD/CAM应用软件，几乎可以完成所有形状零件的加工。可以接收多种转换格式的文件进行处理。所支持的加工方法包括平面铣削、二轴仿形铣、多坐标铣削、车削、线切割等，后处理的程序能够支持多种类型的数控机，该软件提供较强的模拟加工功能，除可观察刀具加工轨迹外，此软件还提供实体加工功能，即可观察从坯料开始到加工结束过程中实体表面的去除过程。Pro/E软件提供了丰富的接口函数，可通过IGES、STL、STEP、DXF、DWG等标准输出格式与其他CAD/CAM/CAE软件实现数据交换。在Pro/E软件中设计好模具后，可将有关信息通过*.STL格式传入Moldflow进行注塑分析,根据分析结果决定是否修改模具设计，直至修改和分析结果符合要求为止。模具设计优化后，可在Pro/E中提取加工信息，通过IGES或DXF文件传入MasterCAM进行模具CAM加工，生成数控程序后传入数控机床进行模具的制造。1、注塑模具CAD的应用以Pro/E作为注塑模CAD的开发平台，其具有造型能力强，直观方便的优越性，而且可在Pro/E中进行模拟装配和干涉检查。利用Pro/E的模具型腔功能进行塑件三维实体设计，输入收缩率后，确定分模方向以及分型面设计，抽取模具元件生成模具型腔和型芯。设计浇注系统及冷却系统，生成模具成型零件的三维实体模型，由于软件存在着相关性，当塑料制件的尺寸发生改变时，模具成型零件的尺寸也会发生相关的变化。利用Pro/E强大的特征造型功能完成其他零件的设计以及模具开启和干涉检查，再利用Pro/E系统的布局及装配模块，可以进行模具的顶出系统和三维的总装配设计，并最终利用工程图模块生成二维工程图。其间将使用Pro/E的外挂软件EMX4.0来进行模具标准元件的导入，以使设计更快速，修改更方便。2、注塑模具CAM的应用在Moldflow中分析符合要求后，可开始进行注塑模的CAM。在Pro/E中提取相关的加工信息，通过IGES或DXF传入MasterCAM软件中即可进行模拟加工。MasterCAM是数控加工自动编程常用的软件，它提供刀具选择、加工路径规划、切削用量设定等功能，设置有关参数，编辑好后处理文件，就可以自动生成加工程序并传输至数控机床完成加工，可提高工作质量和效率。七、目前国内行业存在的主要问题发展不平衡，产品总体水平较低。虽然个别企业的产品已达到或接近国际先进水平，但总体来看，模具的精度、型腔表面的粗糙度、生产周期、寿命等指标与国外先进水平相比尚有较大差距。包括生产方式和企业管理在内的总体水平与国外工业发达国家相比尚有10年以上的差距。工艺装备落后，组织协调能力差。虽然部分企业经过近几年的技术改造，工艺装备水平已经比较先进，有些三资企业的装备水平也并不落后于国外，但大部分企业的工艺装备仍比较落后。更主要的是，企业组织协调能力差，难以整合或调动社会资源为我所用，从而就难以承接比较大的项目。大多数企业开发能力弱，创新能力明显不足。一方面是技术人员比例低、水平不够高，另一方面是科研开发投入少；更重要的是观念落后，对创新和开发不够重视。模具企业不但要重视模具的开发，同时也要重视产品的创新。供需矛盾短期难以缓解。近几年，国产塑料模具国内市场满足率一直不足74%，其中大