1、 - 1 - 毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 注塑模具及其发展研究现状和应用技术 摘要：本文阐述了注塑模具的有关知识，介绍了注塑模具的发展现状及其技术，探讨了国内注塑模具今后的发展研究方向。 关键词：注塑模具；研究现状及技术；发展研究方向；冷流道；热流道 注塑成形是热塑性塑料成形的一种主要方法。它能一次成形形状复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的塑件。注塑成形的成形周期短、生产率高、易实现自动化生产。到目前为止，除氟塑料外，几乎所有的热塑性塑料都可以用注塑成形的方法成形，一些流动性好的热固性塑料也可用注塑方法 成形 1。 1 注塑模具 1.1 注塑模具的分类及常用塑料特点 基于注塑
2、材料，可将模具分为： 1、热塑性塑料注塑模具； 2、热固性塑料注射模具； 3、弹性体塑料注塑模具 (如橡胶硅胶模具 )； 4、结构泡沫塑料注射模具； 而且注塑模具又可分为两板模和三板模；最常用的为热塑性塑料注塑模具。其中两种常用塑料的特点如下： 1）热塑性塑料特点：这类塑料在加热时软化，温度升高至一定程度时呈熔融状态，成为可流动的粘稠流体，借助模具和压力可制成一定形状的制品，冷却后可保持已成型的形状。再次加热时又可变软、熔融、重新塑制成型。 它在加热、冷却成型过程中只有物理变化而无化学变化。平时大多数常用的塑料属于此类型，也是塑胶制品的特点决定是否开注塑模具的标准。 2）热固性塑料特点： 这类
3、塑料在第一次受热时软化，冷却后固化成型并呈现出刚硬状态。重新加热时不再软化，当温度升高到一定程度时会发生分解。这是因为在注塑成型过程中塑料产生了化学变化，线形分子变成了体形分子，树脂 转变为既不软化又不溶解，不再变化的形状，不再具有可塑性，其质地一般硬且脆。常用的热固性塑料有 PF、 UF、 MF、 EP、 UP 等 1。 1.2 注塑模具的特点 与冲压模具、压铸 模具等其他种类模具比较，注塑模具制造有 5 个明显的特点，分析如下： (1)型腔及型芯呈立体型面。塑件的外部和内部形状是由型腔和型芯直接成型的，这些复杂的立体- 2 - 型面加工难度比较大，特别是型腔的盲孔型内成型表面加工，如果采用
4、传统的加工方法，不仅要求工人技术水平高、辅助工夹具多、刀具多，而且加工的周期长。 (2)精度和表面质量要求高，使用寿命要求长。目前一般塑件的尺寸精度要求为 IT6-7，表面粗糙度 Ra0.2-0.1 m，相应的注塑模具零件的尺寸精度要求达到 IT5-6，表面粗糙度 Ra0.1 m 以下。激光盘记录面的粗糙 度要达到镜面加工的水平的 0.02-0.01 m 这就要求模具的表面粗糙度达到 0.01 m以下。长寿命注塑模具对于提高高效率和降低成本是很必要的，目前注塑模具的使用寿命一般要求 100万次以上。精密注塑模要用刚度大的模架，增加模板的厚度，增加支承柱或锥形定位元件以防止模具受压力后产生变形，
5、有时内压可以达到 100MPa。顶出装置是影响制品变形和尺寸精度的重要因素，因此应该选择最佳的顶出点，以使各处脱模均匀。高精度注塑模具在结构上多数采用镶拼或全拼结构，这要求模具零部件的加工精度、互换性均大为提高。 (3)工艺流程 长，制造时间紧。模具专家罗百辉认为，对于注塑件而言，大多是与其它零部件配套组成完整的产品，而且在很多的情况下都是在其它部件已经完成，急切等待注塑件的配套上市。因为对制品的形状或尺寸精度要求很高，加之由于树脂材料的特性各异，模具制造完成后，还需要反复地试模与修正，使开发和交货的时间非常紧张。 (4)异地设计、异地制造。模具制造不是最终目的，而是由用户提出最终制品设计，模
6、具制造厂家根据用户的要求，设计制造模具而且在大多数情况下，制品的注射生产也在别的厂家。这样就造成了产品的设计、模具设计制造和制品的生产异地进 行的情况。 (5)专业分工，动态组合。模具生产批量小，一般属于单件的生产，但是模具需要很多的标准件，大到模架，小到顶针，这些不能也不可能只由一个厂家单独完成，且制造工艺复杂，普通设备和数控设备使用极不均衡。 2 注塑模具的发展现状及其技术 2.1 注塑模具的发展现状 2.1.1 产品结构现状 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、 6.5 kg
7、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 3； 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 3。如天津津荣天和机电有限公司和烟台北极星 I.K 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- 3 - 求。该公司还能生产厚度仅为 0.08 mm 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 0.05 mm,表面粗糙度 Ra
8、0.2 m,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 1 000 万次 2。 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 4。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
9、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。 2.1.2 CAD/CAE/CAM 应用现状 随着轻工业及汽车制造业的迅速发展 ,模具设计制造日益受到人们的广泛关注 ,已形成一个行业 .但我国模具行业缺少技术人员 ,存在品种少、精度低、制造周期短、寿命短、供不应求的现状。一些大型、精密、复杂的模具还不能自行制造 ,每年需要花几百万、上千万美元从国 外进口 ,制约了模具工业的发展 ,所以大力发展模具工业势在必行。 为了提高模具企业的设计水平和加工
10、能力。中国模具协会向全国模具行业推荐适合模具企业使用的 CAD/CAE/CAM系统 .模具设计和加工使用的 CAD/CAE/CAM系统 ,不要求系统十分庞大 ,但对某些方面要求较高 ,如曲面造型、三轴数控加工等 .一些国外的 CAD/CAE/CAM 系统 ,虽然具有强大的三维曲面造型、结构有限元分析、计算机辅助制造和产品数据管理能力等 ,但价格昂贵 ,一般企业难于承受 .目前在国内应用的主要软件有美国 PTC 公司的 CAD/CAE/CAM 集成化 系统 PRO/ENGINEER、美国 EDS 公司的 CAD/CAM软件 UG- 5、法国 MATRA-DATAVISION 公司的集成化软件 6
11、、美国 SOLIDWORKS 公司的 SOLID-WORKS 软件 7、美国 CV公司的 CADDS5软件、美国 SDRC公司集成化 CAD/CAE/CAM软件 8、英国 DELCAM公司 CAD/CAM软件 DUCT、以色列 CIMATRON 公司的三维 CAD/CAM 软件 CIMA-TRON9、美国 AC-TECH 公司的注塑模 CAE分析软件 C-MOLD、澳大利亚 MOLDFLOW 公司的注塑模 CAE 分析软件 MF,国内华中理工大学模具技术国家重点实验室的注塑模 CAD/CAE/CAM 集成化系统 HSC3。 1、北京航空航天大学软件工程研究所的 CAD/CAM软件 CAXA 和
12、郑州工业大学注塑模 CAE 分析软件 Z-MOLD 等 10。 对于国内一些大型模具企业 ,它们的 CAD/CAM 应用状况多停留在购买国外先进的 CAD/CAM 系统和设备上 ,但在其上进行的二次开发较少 ,资源利用率低 .对于国内一些中小型模具企业 ,则很少应用CAD/CAM,有些仅停留在以计算机代替固板绘图。所以有必要改善国内模具企业的 CAD/CAM 应用状况 ,使它们真正做到快速、准确地对市场做出反映 ,使制造出的模具产品质量高、成本低 ,即达到敏捷制造- 4 - 的目的。 2.1.3 产业组织结构现状 目前我国的模具生产企业可划分为四大类 ,即专业模具厂 ,专门生产模具外供 ;产品
13、厂的模具分厂或车间 ,以供给本产品厂所需的模具为主要任务；三资企业的模具分厂 ,其组织模式与专业模具厂相类似 ,以小而专为主；乡镇模具企业 ,与专业模具厂相类似。其中以第二类数量最多 ,模具产量约占总产量的 70%以上 3。 我国模具行业管理体制分散 ,目前有 19 个大行业部门制造、使用模具 ,却没有统一的管理部门。靠中 国模具工业协会来统筹规划、集中攻关 ,跨行业、跨部门管理困难很多 4。 模具适宜于中小型企业组织生产 ,而我国技术改造投资向大中型企业倾斜时 ,中小型模具企业的投资得不到保证。包括产品厂的模具车间、分厂在内 ,技术改造后不能很快收回其投资 ,不少模具企业技术改造后负债累累
14、,影响其发展。虽然大多数产品厂的模具车间、分厂技术力量较强 ,设备条件较好 ,生产的模具水平也较高 ,但设备利用率低。 我国模具价格长期以来与其价值不协调 ,造成模具行业“自身经济效益小 ,社会效益大”的现象。“干模具的不如干模具标准件的 ,干标准件的不如模具 带件生产的 ,干带件生产的不如用模具加工产品的”不正常现象严重存在 ,极大地挫伤了模具企业 (包括模具车间和分厂 )职工的积极性 4。这也是模具行业人才留不住、青年技术人员、青年工人不愿学技术的原因之一。 2.2 注塑模具的应用技术 注塑模具的主要应用技术有冷流道浇注系统技术、热流道浇注系统技术等。 2.2.1 两类流道系统的优缺点分析
15、 冷流道：每次注射成型后，流道的塑料熔体会冷却形成凝料。它一般由主流道、分流道、浇口和冷料穴等四部分组成。 冷流道的优点有： 1、能很好地满足美观需求，在加工用来透光的透明丙烯酸酯或是 聚碳酸酯时，可避免在塑件某些部分造成可见的带状效果。 2、结构简单，易于加工使用，交货时间短，最适用于附有水口的成套制品模具。 3、适用于对称结构塑件的加工，生产成本低，维修成本也低。 冷流道的缺点也较多。因为每次注射都会产生料柄，所以很浪费原料。如在生产小制品时，流道凝料的重量可能超过制品重量，大量的材料被浪费，特别是对于一些昂贵材料，损失会更大；冷流道在每次注射完成后都须取出凝料，很难提高生产效率；对于多型
16、腔模具，冷流道的浇口冷却时间会超过注塑成型部分的冷却时间，使加工的循环时间过长。 - 5 - 热流道：利用加热或者 绝热以及缩短喷嘴至模腔的距离等方法，使浇注系统里的熔料在注射和开模过程均保持熔融状态，在开模时无需取出浇注系统凝料而又能连续生产的模具流道。它一般由热喷嘴、分流板、温控箱和附件等几部分组成。其中，喷嘴有开放式和针阀式两种；分流板用于一模多腔或者多点进料的模具，有一字型、 H 型、 Y 型和 X 型等，结构上有外加热流道板和内加热流道板两大类；温控箱包括主机、电缆、连接器和接线插座等；流道附件通常包括：加热器和热电偶、流道密封圈、接插件及接线盒等。热流道在结构上比冷流道复杂得多。
17、与冷流道相比，热流道有很多突出的优点： （ 1）节约原料和降低制品成本是热流道模具最显著的特点。塑料在热流道模具内一直处于熔融状态，制品不需要修剪浇口，基本是无废料加工，又不需废料的回收、挑选、粉碎、染色等工序，缩短了成型周期，节约了生产成本。 （ 2）由于浇注系统里的塑料不凝固，流动时压力损失小，所以容易实现多浇口、多型腔模具及大型制品的低压注射，压力传递好，易于塑件成型，能克服塑件由于补料不足而形成的凹陷、缩孔变形等缺陷，提高了产品的质量。 （ 3）热流道由于没有浇注系统凝料，从而缩短了开合模行程，成型周期短，而且容易实现自动化操作。热流道系统的优 点很明显，但是也存在一些缺点。如加热系统
18、设计严格且非常复杂，必须确保注射过程中熔体在整个流道系统内保持熔融状态，使其在到达型腔之前不会固化；模具结构复杂，制造费用高；加热器组件易损坏且维修困难，一旦热流道出了问题，就必须将其从模具上拆下来进行修理，这个过程至少要 8 个小时，所以维修成本也高；对加工塑料的品种限制较大，且出现熔体泄漏时，对产品质量影响很大 11。 2.2.2 冷、热流道的合理选择 冷流道、热流道各有优缺点，热流道模具的优势更明显。一套模具到底选用哪种流道系统，我们设计人员需要权衡利弊，针对具体 应用情况，确保得到最佳的注塑成型工艺。 模具流道的选择首先应考虑所加工原料的特点 : （ 1）冷流道对材料的适用性较广，几乎
19、所有的塑料均可采用冷流道成型，但对某些昂贵材料和热固性塑料来说，原料浪费造成的损失较大。 （ 2）采用热流道成型塑件时，对塑件原材料的要求较高，要求塑料具有如下特点： 1）适宜加工的温度范围宽，粘度随温度的变化影响小，在较低温度下具有较好的流动性，在高温下具有较好的热稳定性。 2）对压力敏感，不施加注射压力时塑料不流动，但施加较低的注射压力塑料就会流动。 3）固化温度和热变形温度较高，塑件在比较高 的温度下即可固化。 4）比热容小，既能快速冷凝，又能快速熔融。 5）导热性能好，能把树脂所带来的热量快速传给模具，加速固化。从原理上讲，几乎所有的- 6 - 热塑性塑料都可采用热流道注射成型。但目前
20、热流道注射成型中应用最多的是聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚氯乙烯和 ABS 等，而且其中某些塑料对流道结构适应性较差。 模具流道的选择要考虑塑件的结构工艺性和精度等级对于形状简单，易于成型的低精度等级的塑件，主要考虑模具的设计与制造周期要短、加工成本要低，可选用冷浇道；反之，对于难成型的薄壁易变形的大型塑件，我们不妨选用热流 道更易保证产品质量。 模具流道的选择还应考虑产品的尺寸、加工数量和工期的长短。对于小尺寸、加工数量较大，且工期要求短的塑件，我们往往会设计多型腔模具，可以优先选择热流道，从而满足高效、高质量的要求。 模具流道的选择要综合评价该产品选用冷、热流道的成本收益，也就是考
21、虑流道经济性。 冷流道前期投资少，适合加工小批量的一般精度等级的普通树脂塑件，但对于大批量、高精度的昂贵树脂的加工来说，浪费原料，生产效率低，使得经济效益较差；热流道前期投资大，但在设计合理的情况下，这一系统却能产生更高的效益，加工过程的连续性和高 的加工速度能够在较短的时间内赚回整套系统的成本，这点对于那些精度要求高的薄壁的采用多型腔模具加工的树脂来说显得尤为突出。 3 国内今后的发展研究方向 今后我国模具工业的技术发展趋势主要有以下 10 个方面 :(1)精密塑料件成形工艺与模具结构的改进。为了确保塑料件的尺寸精度、几何形状精度、外观和内在质量并节约材料，高压注射和气体辅助注射成形工艺以及
22、相应的模具结构改进，必将逐步在生产中得到应用。 (2)模具的大型化和集成化。今后用模具成形零件将日渐大型化。为了提高生产率，一模多腔 (有的已达几百腔 )、一模多工序复合加 工、一模出多个零件及组件，这种大型化、集成化的模具将日趋增多。 (3)复合加工技术，将机械一电一化学一超声波一激光等技术综合应用于模具加工，可取得比单一工艺加工更好的效果，有利于提高加工效率和质量。 (4)快速经济模具。快速经济模具由于制造工艺简单、精度易控制、价格便宜、制造周期短，特别适用于多品种少批量生产的产品。 (5)热流道技术的应用将越来越广泛。由于采用热流道技术的模具可提高制件的生产效率和质量，并能大幅度节约制件
23、的原材料，因此它的应用在国外发展很快，有的塑料模具制造企业热流道模具已占 80%以上。协同创新 设计将成为模具设计的主要方向。(6)在模具制造中选用优质模具和应用表面处理技术。在整个模具价格构成中，材料费占的比例不大，一般只占 20%左右。因此，选用优质钢材和应用相应的表面处理技术提高寿命，会越来越受到模具企业的重视。 (7)在模具设计制造中计算机应用技术将得到进一步发展，计算机技术辅助设计和辅助制造(CAI/CAM)技术是模具技术发展的一个重要里程碑。进一步开发软件提高设计制造的自动化程度是今后- 7 - 的主攻方向。模具 CAD 技术应用的 ASP 模式 ,将成为发展方向。 (8)采用高速
24、铣削和超精加工技术。由于调整铣削可大 幅度提高模具制造的工效、降低成本及改善表面粗糙度，因此模具加工已越来越多地采用高速铣削。国内已开始应用。 (9)研磨抛光技术向自动化方向发展。用带来磨具磨损补偿送进装置的数控自动化研磨来逐步代替手工劳动，是今后的发展方向。日本在这方面已取得了初步成绩。当然，自动化研磨机不可能代替全部手工劳动，研磨抛光也还有许多别的行之有效的方法。 (10)模具加工系统的研制和发展。模具自动加工系统具有如下特性 :多台机床合理组合 ;配有随行定夹具或定位盘 ;有完整的数控机具、刀具库 ;有完整的数控柔性同步系统 ;有质量监测控制系统 3.12。 4 结语 综上所述，从我国国
25、情出发 ,认真面对模具工业发展的现状 ,加快模具 CAD/CAM 技术的推广 ,建立起一套软件开发、使用评价维护体系 ,形成区域规模优势 ,相互交流与协作 ,组成行业集团 ,尽快与国际接轨 ,参与国际竞争。同时把协同创新设计、激光等先进技术应用到模具制造中去。我们有理由相信 ,随着中国经济的不断发展 ,模具行业将逐渐与国际 CAD行业接轨 ,适应国际 CAD/CAE/CAM的要求 ,创造出具有中国特色的模具设计制造模式。- 8 - 参考文献 1 张荣清 .模具设计与制造 M.高等教育出版社， 2009.2 2 刘少达 .我国塑料模具工业的现状及发展趋势 J.模具技术， 2004.2 3 罗继相
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