注塑模的發(fā)展現(xiàn)狀及設(shè)計制造綜述

PAGEPAGE8注塑模的發(fā)展現(xiàn)狀及設(shè)計制造綜述一、模具及其在國民經(jīng)濟發(fā)展中的作用模具是工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)使用的重要工藝裝備，它以其自身的特殊形狀通過一定的方式使原材料成形（成型）?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，由于模具的加工效率高，互換性好，節(jié)省原材料，生產(chǎn)成本低，所以得到廣泛的應(yīng)用。模具技術(shù)已成為衡量一個國家制造水平的重要標志之一。模具技術(shù)能促進工業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展和質(zhì)量的提高，并能獲得極大的經(jīng)濟效益。模具是效益放大器，用模具生產(chǎn)的產(chǎn)品的價值往往是模具價值的幾十倍、上百倍。在美國模具被稱為點鐵成金的磁力工業(yè)，德國則認為其是所有工業(yè)中的關(guān)鍵工業(yè)；日本認為模具是促進社會繁榮富裕的動力。模具工業(yè)在我國已經(jīng)成為國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)工業(yè)之一。國民經(jīng)濟五大支柱產(chǎn)業(yè)——機械、電子、汽車、石油化工和建筑都要求模具工業(yè)的發(fā)展與之相適應(yīng)，都需要大量模具，特別是汽車、電動機、電器、家電和通信等類產(chǎn)品中60%～80%的零部件都要依靠模具成形。二、我國注塑模的現(xiàn)狀和差距我國模具行業(yè)近年來發(fā)展很快，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前模具生產(chǎn)廠點共有2萬多家，從業(yè)人員約50萬人，全年模具產(chǎn)值約360億元，總量供不應(yīng)求，出口約2億美元，進口約10億美元。當前，我國模具行業(yè)的發(fā)展具有如下特征：大型、精密、復(fù)雜、長壽命中高檔模具及模具標準件發(fā)展速度快于行業(yè)總體發(fā)展水平；塑料模和壓鑄模成比例增長；專業(yè)模具廠家數(shù)量及其生產(chǎn)能力增加較快；“三資”企業(yè)及私營企業(yè)發(fā)展迅速；股份制改造步伐加快等。從地區(qū)分布來看，以珠江三角洲和長江三角洲為中心的東南沿海地區(qū)發(fā)展快于中西部地區(qū)，南方的發(fā)展快于北方。目前發(fā)展最快、模具生產(chǎn)最集中的省份是廣東和浙江，其模具產(chǎn)值約占全國總產(chǎn)值的60%以上。我國模具總量雖然已位居世界第三，但設(shè)計制造水平總體上落后于德、美、日、法、意等發(fā)達國家，模具商品化和標準化程度也低于國際水平。我國塑料模具工業(yè)從起步到現(xiàn)在，歷經(jīng)半個多世紀，有了很大的發(fā)展，模具水平有了較大提高。在大型模具方面已能生產(chǎn)48英寸大屏幕彩電塑殼注射模具、615kg大容量洗衣機全套塑料模具以及汽車保險杠和整體儀表板等塑料模具；精密塑料模具方面，已能生產(chǎn)照相機塑料件模具、多型腔小模數(shù)齒輪模具及塑封模具。如天津津榮天和機電有限公司和煙臺北極星IK模具有限公司制造的多腔VCD和DVD齒輪模具，所生產(chǎn)的這類齒輪塑件的尺寸精度、同軸度、跳動等要求都達到了國外同類產(chǎn)品的水平，而且還采用最新的齒輪設(shè)計軟件，糾正了由于成型收縮造成的齒形誤差，達到了標準漸開線齒形要求。該公司還能生產(chǎn)厚度僅為0.08mm的一模兩腔的航空杯模具和難度較高的塑料門窗擠出模等等。注塑模型腔制造精度可達0.02～0.05mm，表面粗糙度Ra0.2μm，模具質(zhì)量、壽命明顯提高，非淬火鋼模壽命可達10～30萬次，淬火鋼模達50～1000萬次，交貨期較以前縮短，但與國外相比仍有較大差距。成型工藝方面，多材質(zhì)塑料成型模、高效多色注射模、鑲件互換結(jié)構(gòu)和抽芯脫模機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計方面也取得較大進展。氣體輔助注射成型技術(shù)的使用更趨成熟，如青島海信模具有限公司、天津通信廣播公司模具廠等廠家成功地在29～34英寸電視機外殼以及一些厚壁零件的模具上運用氣輔技術(shù)，一些廠家還使用了C-MOLD氣輔軟件，取得較好的效果。如上海新普雷斯等公司就能為用戶提供氣輔成型設(shè)備及技術(shù)?，F(xiàn)在，熱流道模具已逐漸開始推廣，有的廠采用率達20%以上，一般采用內(nèi)熱式或外熱式熱流道裝置，以及具有世界先進水平的高難度針閥式熱流道裝置，少數(shù)單位采用具有世界先進水平的高難度針閥式熱流道模具。但總體上熱流道的采用率達不到10%，與國外的50%～80%相比，差距較大。三、塑料模具的制造特點1、型腔及型芯呈立體型面。塑料的外形和內(nèi)部形狀直接由型腔和型芯直接成型。型腔、型芯的形狀是塑料件的復(fù)映。這些復(fù)雜的立體表面加工難度大，特別是型腔的盲孔型內(nèi)成型表面加工，采用通用機床加工時，不僅要求工人技術(shù)等級高，輔助夾具、刀具多，而且加工周期長。2、精度要求高型腔、型芯尺寸精度一般為IT8～9，精密塑料模具的型芯型腔尺寸精度為IT6～7級，另外機構(gòu)的尺寸也要求非常準確，以使運動可靠。所以要求模具制造，盡量采用高精度的制造手段和測量手段。3、表面質(zhì)量要求高型腔、型芯的表面粗糙度一般為Ra0.2～0.1，有鏡面要求的表面粗糙度為Ra0.05一下，為達到粗糙度要求，型腔、型芯表面經(jīng)精加工后必須經(jīng)過嚴格的研磨、拋光。目前多數(shù)采用手工研磨和拋光，其手工加工的比例約占整副模具加工量的40%左右，精密型模具，由于多為鑲拼式結(jié)構(gòu)，手工加工量約占10%左右。為了提高模具的使用壽命，成型零件還需進行淬火。因此成型研磨、電加工等精密加工占的比例比較大。4、對刀具的性能要求越來越高由于模具的性能材料不斷提高，模具加工刀具也相應(yīng)提高，常用一些優(yōu)越性能的刀具材料和改進的刀具設(shè)計，另外為了提高加工效率，也對刀具進行重新改進，以適應(yīng)模具加工快節(jié)奏的要求。5、工藝流程長、制造時間緊注射模的成型部分是由定模、動模、滑塊等部件組成，而定模、動模又是若干零件的組合。為了保證相互間的形狀和位置精度，需要采取配制的方法進行加工。工種多、工序多、工藝流程長。由于注射模關(guān)系到產(chǎn)品的更新?lián)Q代以及推向市場的速度，一般給予模具的制造時間比較短，所以，模具制造時間緊，所以，要求模具制造盡量減少手工操作，并采用自動化技術(shù)，發(fā)展快速制模技術(shù)。6、模具制造一般屬于但減少批生產(chǎn)方式。四、塑件的結(jié)構(gòu)設(shè)計1、功能結(jié)構(gòu)設(shè)計塑件設(shè)計的核心問題，是要保證其使用功能要求。在充分分析塑件使用功能的基礎(chǔ)上確定塑件的整體結(jié)構(gòu)、各組成部分幾何形狀、尺寸、材質(zhì)和外觀要求及強度等。塑件的結(jié)構(gòu)，應(yīng)在滿足其功能要求的前提下，力求簡單、明快、可靠。因為簡單的塑件結(jié)構(gòu)容易滿足其功能要求，達到經(jīng)濟、適用、安全的目的。在設(shè)計塑件時，應(yīng)當了解它是單獨使用，還是與其它零件組合起來使用，在使用過程中它的主要功能和輔助功能是什么。如果它是與其它零件組合起來使用，那么它的哪些部分、結(jié)構(gòu)形狀、尺寸受其它零件制約、不可變動，哪些部分可通過直觀判斷、試驗后加以修正。塑件各部分的強度可以通過選材、合理地分配材料、必要的強度和剛度計算、模擬或?qū)嵱脤嶒灥确椒ㄓ枰源_認。根據(jù)使用要求不同，在設(shè)計某些塑件時還要計算容積、重量、伸長，決定某些幾何參數(shù)，有的塑件要采用金屬嵌件，如齒輪、軸承一類塑件。為了提高剛度，例如對于玻璃纖維增強的塑件，應(yīng)盡量不設(shè)計成平面而設(shè)計成曲面，恰當?shù)乩媒睢櫿?、凸起部、夾層結(jié)構(gòu)和有方向性的玻璃纖維基材。為了保證更好地發(fā)揮塑件的功能作用，例如在設(shè)計儀表殼體、儀表板件等時，要考慮到在其上要安裝與運轉(zhuǎn)操作、情報傳達、安全警報、娛樂快適應(yīng)等有關(guān)的各種零件，因此在設(shè)計板面零件布局時要考慮操作者的視認性、操作性和安全性等。2、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計在塑件功能結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)加工制造的可能性和簡捷性，必須進行工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計。因此，在設(shè)計塑件時，要選擇合適的材料，以保證在使用過程中的可靠性及加工過程中的可行性，用以確定成型方法及成型工藝對塑件提出的工藝結(jié)構(gòu)要求。塑件工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要內(nèi)容如下：塑件內(nèi)外側(cè)壁應(yīng)有恰當?shù)拿撃Ｐ倍龋瑑?nèi)外表面結(jié)合處，即角隅處，加強筋端部和根部等以及所有能允許設(shè)計圓角的地方均應(yīng)設(shè)計成圓角。塑件壁厚要均勻，加強筋、凸臺、支撐面、邊緣、底部形狀的設(shè)計要保證其強度，利于其成型和脫模。金屬嵌件要滿足塑件使用功能要求，與塑件連接牢固性要求，成型時便與在模具中裝固，成型后容易從模具中脫出。塑件表面的花紋、圖案、文字、符號等的設(shè)計要考慮成型與脫模、使用中的損傷、模具加工等問題。此外處于塑件外形輪廓最大部分得分型線痕跡，不影響其工作特性及表觀質(zhì)量。因此在塑件工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要充分了解其在使用中的機能，又要熟悉材料的性能特點，成型工藝過程及特點。只有正確的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計，才能保證塑件順利成型、脫模，確保塑件質(zhì)量，避免塑件在成型中出現(xiàn)裂紋、凹陷、氣孔、銀紋、疏松、污斑等一系列成型缺陷，增強塑件的使用中的可靠性及持久性。除以上所述外，還應(yīng)對塑件的焊接、鉚接、電鍍、涂裝、印刷、壓花、機械加工等后續(xù)工序加以考慮，并在塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取相應(yīng)的措施，借以保證這些加工的順利進行，并確保加工質(zhì)量。3、造型結(jié)構(gòu)設(shè)計工業(yè)制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是一門技術(shù)與藝術(shù)相結(jié)合的多元交叉科學(xué)。塑件制品種類繁多，有像光盤、磁帶、薄膜、人造革、電影膠片、編織帶、地毯、地板等一類平面狀制品；有像餐具、玩具、家用電器、儀表等立體狀制品，還有塑料花、仿大理石、仿玉石制品，仿生制品等藝術(shù)品。對于這些制品，都要通過外部造型設(shè)計加以裝飾美化。因為人們通常都是在滿足功能要求下，總是喜歡購置外形美觀的制品。塑件造型設(shè)計系指按照美的法則，如對比與調(diào)合、概括與簡單、對稱與平衡，安定與輕巧、尺寸與比例、主從、比擬、聯(lián)想等對塑件外觀形狀、圖案、色彩及其相互的結(jié)合進行設(shè)計，通過視覺給人以美的感覺。對于單獨使用的塑件或殼體制品，一定要認真的進行造型設(shè)計，以滿足其使用機能要求，是現(xiàn)代制品設(shè)計的根本目的，滿足人的心理需要是制品使用功能設(shè)計的根本依據(jù)。“實用、經(jīng)濟、美觀”是制品造型設(shè)計的基本原則。在造型設(shè)計中還要體現(xiàn)環(huán)境、時代的要求，正確地使用水平線、垂直線、弧線等所形成的幾何構(gòu)型、比例尺度、起伏、棱角、機理、色彩等，使人們在使用塑件時有一種美的享受，同時又能保證使用者在使用它時感到方便、安全、可靠、舒適。五、模具制造技術(shù)的發(fā)展趨勢我國未來模具制造技術(shù)的發(fā)展趨勢可以歸納為以下幾點：1、CAD/CAM/CAE技術(shù)的全面推廣應(yīng)用模具CAD/CAM/CAE技術(shù)是模具技術(shù)發(fā)展的一個重要里程碑。由于產(chǎn)品的更新?lián)Q代日趨頻繁，產(chǎn)品精度要求越來越高，形狀越來越復(fù)雜，對模具的要求也越來越高。模具CAD/CAM/CAE技術(shù)是模具設(shè)計制造的發(fā)展方向。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和進步，現(xiàn)已基本具備了普及CAD/CAM/CAE技術(shù)的條件。2、模具標準化程度的不斷提高經(jīng)過一段時間的建設(shè)，我國模具標準化程度正在不斷提高。目前我國模具標準化使用覆蓋率已達到30%左右，國外發(fā)達國家一般為80%左右。為了適應(yīng)模具工業(yè)的發(fā)展，必將加強模具標準化工作，模具標準化程度將進一步提高，模具標準件生產(chǎn)也必將得到發(fā)展。3、優(yōu)質(zhì)材料及先進表面處理技術(shù)的應(yīng)用為了提高模具的使用壽命，提高產(chǎn)品的制造質(zhì)量，優(yōu)質(zhì)材料及先進表面處理技術(shù)將進一步受到重視，國內(nèi)外模具材料的研究工作者對模具的工作條件、失效形式和提高模具使用壽命的途徑進行了大量研究，并開發(fā)了許多適用性能好，加工性好，熱處理變形小的模具材料，如預(yù)硬鋼、耐腐蝕鋼等。模具熱處理和表面處理是能否充分發(fā)揮模具鋼材料性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。模具熱處理的發(fā)展方向是采用真空熱處理。模具表面處理除完善、普及常用表面處理方法如：滲碳、滲氮、滲硼、滲鉻、滲釩外，還應(yīng)發(fā)展設(shè)備昂貴、工藝先進的氣相沉積、等離子噴涂等技術(shù)。4、模具制造技術(shù)的高效、快速、精密化隨著模具制造技術(shù)的發(fā)展，許多新的加工技術(shù)、加工設(shè)備不斷出現(xiàn)，模具制造手段越來越豐富，越來越先進。快速成型制造（RPM）技術(shù)由美國首先推出，被公認為是繼NC技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。它是伴隨著計算機技術(shù)、激光成型技術(shù)和新材料技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的，是一種全新的制造技術(shù)?？焖俪尚图夹g(shù)根據(jù)零件的CAD模型，快速自動完成復(fù)雜的三維實體（模型）制造。采用這種方法制造模具，從模具的概念設(shè)計到制造完成，僅為傳統(tǒng)加工方法所需時間的1/3和成本的1/4。今年來國外發(fā)展起來的高速洗削加工，其主軸轉(zhuǎn)速可達40000～100000r/min，進給速度可達到30～40m/min，加速度可達1g，換刀時間可提高到1～2s；加工模具的硬度可達到60HRC，表面粗糙度可達Ra<1μm。高速切削加工與傳統(tǒng)加工相比具有加工效率高，溫升低（加工工件溫度只升高3℃），熱變形小等優(yōu)點，目前正向進一步敏捷化、智能化、集成化方向發(fā)展。高速洗削加工促進了模具加工技術(shù)的發(fā)展，特別給汽車、家電行業(yè)中大型型腔模具制造注入了新的活力。電火花洗削加工技術(shù)用高速旋轉(zhuǎn)的簡單管狀電極進行三維或二維輪廓加工（像數(shù)控銑一樣），因此不再需要制造復(fù)雜的成形電極。這顯然是電火花成形加工領(lǐng)域的重大發(fā)展，國外已有使用這種技術(shù)加工模具的機床。5、逆向工程技術(shù)的應(yīng)用采用逆向工程技術(shù)可以快速、正確地把復(fù)雜的實物復(fù)制出來，同時也可以通過實物制造模具進行復(fù)制。目前我國已有許多模具廠家擁有高速掃描機和模具掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供了從模型或?qū)嵨飹呙璧郊庸こ銎谕Ｐ退璧闹T多功能，大大縮短了模具的研制周期。逆向工程將在今后的模具生產(chǎn)中發(fā)揮越來越重要的作用。6、模具研磨拋光的自動化、智能化模具表面的精加工是模具加工中未能很好解決的難題之一。模具表面質(zhì)量對模具使用壽命、制件外觀質(zhì)量等均有較大的影響，目前我國仍以手工研磨拋光為主，不僅效率低（約占整個模具壽命周期的1/3），而且工人勞動強度大，質(zhì)量不穩(wěn)定，制約了我國模具加工向更高層次發(fā)展。因此，研究拋光的自動化、智能化是重要的發(fā)展趨勢。日本已研制出數(shù)控研磨機，可實現(xiàn)三維曲面模具的自動化研磨拋光。六、注塑模具的CAD/CAE/CAM的概述利用計算機對注塑模具進行輔助設(shè)計(CAD)、輔助制造(CAM)和輔助工程(CAE)的技術(shù)分析，可以提高模具設(shè)計和制造的水平，縮短塑件研制周期，對注塑模技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。注塑成型模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的流程，考慮到注塑模CAD/CAE/CAM系統(tǒng)要求有較高的幾何造型功能，塑件設(shè)計和模具設(shè)計采用美國PTC公司的Pro／E軟件作為注塑模CAD的開發(fā)平臺。注塑模CAE采用澳大利亞Moldflow公司的注塑模分析軟件Moldflow,該軟件具有強大的分析功能，可進行注塑過程的流動、保壓、冷卻、翹曲等多種分析。通過分析，模擬了塑料在模具中由熔融態(tài)到凝固態(tài)的一系列過程，預(yù)測塑料充填的效果，如充填不滿、有氣泡、熔接縫、應(yīng)力集中、冷卻后的翹曲變形等各種問題。設(shè)計人員根據(jù)這些結(jié)果，更改不合理的設(shè)計，使設(shè)計的塑件用料最省，質(zhì)量最優(yōu)。通過分析，也得出了塑料充模的最佳工藝條件，保證試模一次成功。注塑模CAM采用MasterCAM軟件，MasterCAM是一個功能強大的CAD/CAM應(yīng)用軟件，幾乎可以完成所有形狀零件的加工?？梢越邮斩喾N轉(zhuǎn)換格式的文件進行處理。所支持的加工方法包括平面銑削、二軸仿形銑、多坐標銑削、車削、線切割等，后處理的程序能夠支持多種類型的數(shù)控機，該軟件提供較強的模擬加工功能，除可觀察刀具加工軌跡外，此軟件還提供實體加工功能，即可觀察從坯料開始到加工結(jié)束過程中實體表面的去除過程。Pro/E軟件提供了豐富的接口函數(shù)，可通過IGES、STL、STEP、DXF、DWG等標準輸出格式與其他CAD/CAM/CAE軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。在Pro/E軟件中設(shè)計好模具后，可將有關(guān)信息通過*.STL格式傳入Moldflow進行注塑分析,根據(jù)分析結(jié)果決定是否修改模具設(shè)計，直至修改和分析結(jié)果符合要求為止。模具設(shè)計優(yōu)化后，可在Pro/E中提取加工信息，通過IGES或DXF文件傳入MasterCAM進行模具CAM加工，生成數(shù)控程序后傳入數(shù)控機床進行模具的制造。1、注塑模具CAD的應(yīng)用以Pro/E作為注塑模CAD的開發(fā)平臺，其具有造型能力強，直觀方便的優(yōu)越性，而且可在Pro/E中進行模擬裝配和干涉檢查。利用Pro/E的模具型腔功能進行塑件三維實體設(shè)計，輸入收縮率后，確定分模方向以及分型面設(shè)計，抽取模具元件生成模具型腔和型芯。設(shè)計澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)，生成模具成型零件的三維實體模型，由于軟件存在著相關(guān)性，當塑料制件的尺寸發(fā)生改變時，模具成型零件的尺寸也會發(fā)生相關(guān)的變化。利用Pro/E強大的特征造型功能完成其他零件的設(shè)計以及模具開啟和干涉檢查，再利用Pro/E系統(tǒng)的布局及裝配模塊，可以進行模具的頂出系統(tǒng)和三維的總裝配設(shè)計，并最終利用工程圖模塊生成二維工程圖。其間將使用Pro/E的外掛軟件EMX4.0來進行模具標準元件的導(dǎo)入，以使設(shè)計更快速，修改更方便。2、注塑模具CAM的應(yīng)用在Moldflow中分析符合要求后，可開始進行注塑模的CAM。在Pro/E中提取相關(guān)的加工信息，通過IGES或DXF傳入MasterCAM軟件中即可進行模擬加工。MasterCAM是數(shù)控加工自動編程常用的軟件，它提供刀具選擇、加工路徑規(guī)劃、切削用量設(shè)定等功能，設(shè)置有關(guān)參數(shù)，編輯好后處理文件，就可以自動生成加工程序并傳輸至數(shù)控機床完成加工，可提高工作質(zhì)量和效率。七、目前國內(nèi)行業(yè)存在的主要問題發(fā)展不平衡，產(chǎn)品總體水平較低。雖然個別企業(yè)的產(chǎn)品已達到或接近國際先進水平，但總體來看，模具的精度、型腔表面的粗糙度、生產(chǎn)周期、壽命等指標與國外先進水平相比尚有較大差距。包括生產(chǎn)方式和企業(yè)管理在內(nèi)的總體水平與國外工業(yè)發(fā)達國家相比尚有10年以上的差距。工藝裝備落后，組織協(xié)調(diào)能力差。雖然部分企業(yè)經(jīng)過近幾年的技術(shù)改造，工藝裝備水平已經(jīng)比較先進，有些三資企業(yè)的裝備水平也并不落后于國外，但大部分企業(yè)的工藝裝備仍比較落后。更主要的是，企業(yè)組織協(xié)調(diào)能力差，難以整合或調(diào)動社會資源為我所用，從而就難以承接比較大的項目。大多數(shù)企業(yè)開發(fā)能力弱，創(chuàng)新能力明顯不足。一方面是技術(shù)人員比例低、水平不夠高，另一方面是科研開發(fā)投入少；更重要的是觀念落后，對創(chuàng)新和開發(fā)不夠重視。模具企業(yè)不但要重視模具的開發(fā)，同時也要重視產(chǎn)品的創(chuàng)新。供需矛盾短期難以緩解。近幾年，國產(chǎn)塑料模具國內(nèi)市場滿足率一直不足74%，其中大