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1、第一章 绪论1.1注塑成型与模具在现代工业中的地位 注塑成型是在一定温度下，通过注塑机螺杆搅拌完全熔融的塑料材料，在高压的推动下射入模具型腔，经过一段时间的保压、冷却定型后能够保持模具型腔所赋予的形状，从而得到制品。它具有成型周期短，能一次成型出外型复杂、外观质量好、尺寸精密、带有嵌件的塑料制品，而且生产效率高，易于实现自动化，故广泛用于塑料制品的生产。据统计，注塑成型制品占所有塑料制品的90%1。近年来，汽车、家电、办公 、化工、轻工、建筑、机械、冶金、电子通信等行业对塑料制品的需求与日俱增，从而带动了塑料模具的迅速发展2。而模具生产是衡量一个国家工业化水平的重要标志，是当代工业生产的重要手
2、段和工业发展方向。许多与塑料制品有关的现代工业的技术水平，在很大程度上取决模具工业的发展水平。因此模具工业对国民经济和社会的发展起到至关重要的作用。模具工业的薄弱将会影响到产品造型的更新和新产品的开发，努力提高模具工业生产水平，加强模具工艺及制造技术的研究，是发展工业生产的重要途径之一3。在一些发达的国家，模具工业的年产值及销量已经超越了机床行业的年产值及销量，像日本、韩国等国，生产塑料模具与生产冲压模具的企业的数量差不多；而在新加坡等国家，其生产塑料模的企业数量远远超过了生产其他模具的企业4。在我国的长三地区、珠三角地区，从事塑料模具设计制造、塑料制品生产的人员占制造业的比重相当大，而且企业
3、的规模也比较大。另外，像成都、重庆、安徽、北京、山东部分人员也从事着塑料模具行业的工作。所以，注塑模具工业在基础工业的地位越来越高，对国民经济的影响越来越大。模具工业既是我国国民经济的基础又是是我国国民经济五大支柱产业之一，而欧美、新加坡等工业发达的国家把模具工业称“磁力工业”。在美国，工业界把模具工业称作是美国“工业的基石”和“不可估量其力量的工业”；在德国，把模具工业看作是所有工业中的“关键工业”和“金属加工业中的帝王”；日本的模具协会认为“模具是整个国家工业发展的秘密”，还把它称作“进入富裕社会的原始动力”。放眼美、日、德等发达国家，他们在军事、汽车、电子等制造业中领先别国，模具工业起到
4、的作用是巨大的。目前模具工业的发展已经超过了新兴的电子工业5，6。汽车摩托车行业也是我国国民经济的五大支柱产业之一，为了适应快速发展的市场经济，汽车更新换代的时间就缩短，而汽车更新换代时约有80%的模具需要更换，一个车型大约需要400多套模具，其价值可达2亿到3亿元。生产一台电冰箱就要用到400万元模具；生产一台全自动洗衣机需3000万元模具；单台彩电共需700万元模具6。另外，还有跟我们日常生活息息相关的其他行业也需要大量的模具，可见模具在工业生产中的地位是非常重要的。国际模协秘书长罗百辉发布的模具产业发展与投资管理分析报告指出：到2017年中国模具产值将超过4500亿元。2012年中国塑料
5、模具总销售额已达630亿元，如果包括自产自用的模具在内，中国塑料模具的总销量已超过1000亿元，可谓规模庞大。 我国模具工业虽然起步比较晚，设计制造水平也落后于发达国家，但是随着我国工业生产和科技的快速发展，随着人们对产品造型及质量要求的提高，我国的模具工艺及制造技术将会出现更好的发展势头7。 1.2注塑模技术国内外差距 从20世纪开始，人们就用注塑成型工艺生产产品，随着工业技术的不断发展，很多国外发达国家的模具设计及制造也得到了快速发展，进入21世纪，我国的模具工业也取得了可喜的进步，但与发达国家比起来还有很大的差距。材料科学在我国取得较大的发展，从而带动了中国塑料，特别是工程塑料的快速发展
6、，这就使得中国塑料模具的发展速度将继续高于模具工业的整体发展速度，模具工业协会在2012年所做的统计表明，塑料模具的年增长率高达20%8。并且在今后的模具市场中，塑料模具所占的比重将会继续增长。近几十年来，科学家及工程师们经过不懈的努力，我国塑料工业取得了很大的进步，模具设计与制造的水平都显著提高9。一在一模多腔方面：我国已经能够生产出一模7800腔的塑封模。二、在大型或超大型方面：我国能够生产重达50t以上的注塑模48英寸彩电壳体注塑模、6.5Kg容量洗衣机注塑模、汽车仪表盘和汽车保险杠等注塑模。三、使用寿命方面：非淬火钢模具寿命达1030万次；淬火钢模具寿命达50100万次。四、在生产周期
7、方面：由以前的24月缩短到现在的34周。五、在加工制造精度方面：尺寸精度可达0.010.05mm,表面粗糙度可达Ra0.1m。六、在塑件壁厚方面：能生产厚度为0.08mm的航空杯。七、在成型工艺方面：气体辅助成型模具、精密装饰模具、叠层模具及双色注塑模具技术运用得到了进一步的发展。虽然近几年来，我国注塑模取得很大发展，但是与国外工业发达的国家比起来还远远不足，就拿热流道注塑模具来说，国外的使用率高达80%，但我国的热流道技术还未得到全面推广，长三角和珠三角地区仅有部分热流道模具标准件的生产企业。另外，我国在标准件设计、制造精度、模具寿命、生产周期等指标与发达国家相比确是望尘莫及。为了展示国内外
8、注塑模技术指标的差距，表1-1给我们展示出来。 表1-1国内外注塑模技术比较项目国内国外成型件精度/mm0.010.050.0050.01成型件表面粗糙度/m0.10.010.05非淬火钢模具寿命/万次10301060淬火钢模具寿命/万次50100160300热流道模具使用率/%2080标准化程度/%小于407080生产周期12个月2周左右除了在技术方面与国外发达国家存在差异，我国注塑模还存在以下不足：创新能力薄弱；整体效率较低；专业化、标准化、商品化程度低、协作差；模具材料质量与发达国家相比有一定的差距。1.3注塑CAD/CAE技术概述及发展趋势1.3.1注塑模CAD技术概述 CAD技术在现
9、代工业中地位是不言而喻的，它不仅让我们从繁琐的手工绘图中解放出来，而且还提高了绘图的效率，避免了一些手工绘图易出现的错误。更重要的是，它能完成许多手工无法完成的设计。注塑模具CAD技术发展经历了三个阶段：全手工设计阶段。在这一阶段，模具设计完全依靠设计人员的经验和根据已有的设计资料对注塑模具进行设计和分析成型工艺，不仅效率低而且质量很难得到保障。通用CAD/CAM系统设计阶段。CAD/CAM最早是用在汽车和航空航天工业中。随着市场需求的增大，它还是无法满足客户对“低价格、快交付、优质量”的要求。专用注塑模CAD阶段12。由于通用的CAD/CAM针对性不强，需要设计人员手工完成的工作较多。为了避
10、免这些缺陷，有人就开发了基于UG的MoldWizard，它是注塑模具设计的专业模块，模块中配有常用的模架库和标准件，用户可以根据自己的需要方便的进行调用，还可以利用参数化模块进行标准件的自我开发，很大程度上提高了模具的设计效率。另外还有基于Pro/E的EMX6.0也是专用的注塑模CAD软件。在2001年，欧美等国CAD软件的使用就达70%80%，软件使用覆盖率远高于我国10。为了与国际先进工业接轨，我国也致力软件的二次开发，来满足设计过程中的自动化和智能化需求。华中科技大学从1985年开始对注塑模CAD技术进行研究，推出了CAD/CAE/CAM一体化系统HSCAE6.0和H-MOLD；北航华正
11、软件工程研究所开发了CAXA系统；合肥工业大学在IPM-CAD平台上开发了三维IPMCADV4.0；上海交通大学集合人工智能技术进行了注塑模CAD系统的研究11.12。在国外，Jong等人用Pro/E开发了一个基于web的CAD模具集成设计系统，它用于并行模具设计；Kong等人开发了基于solidwoks三维参数化和基于理论知识框架结构的注塑模设计系统，如IMOLD、ESMOLD、IKMOULD 和IKBMOULD。Chan等人开发了三维CAD知识辅助注塑模设计系统（KIB）14。以上提到的这些CAD技术都在实际生产中得到了成功的运用。1.3.2 注塑模CAE的概述注塑模CAE技术主要用于在模
12、具设计之前对塑料熔体的流动状况、压力分布、翘曲变形、塑件应力和冷却过程进行模拟，从而获得最佳的模具充填结构和注塑成型工艺参数。注塑模CAE技术的成功运用，将会大大提高试模的成功率，设计出质量良好的模具，缩短模具的生产周期。近几十年来，模具CAE技术发展迅速。60年代，Toor、Ballman和Copper最先用数值模拟的方法计算了塑料熔体的充模过程；70年代，人们开始使用计算机对熔融塑料在圆形、管形和长方形模具型腔内的流动状况进行分析；到80年代初，设计人员将自己的经验集合有限元分析来进行模具设计，减少了试模时间，提高了模具质量；2000年后，CAE技术得到了推广并且在实际使用中不断改进、提高
13、和完善15。注塑模CAE技术是在80年代由实验阶段进入实用化阶段，目前国际上的主流商业化CAE软件有：美国AC-Tech公司的C-MOLD；澳大利亚Mlodflow公司的MPA、MPI和MPX；美国和意大利Plastic&Computer公司的TMCONCEPT系统；瑞士Kistler公司研发的Autoflow系统；德国IKV塑料工程研究所研究的CADMould系列；加拿大McGill大学开发的MCKAM-系统；美国Application的注塑模流动分析软件Moldfill和冷却分析软件Moldcool4.12.15。由此可以看出，CAE技术在发达国家如美国、德国得到较广泛的应用。在国内，郑州
14、大学模具研究所从上世纪80年代末也开始致力于注塑模具及注塑成型加工技术的研究，开发了具有自主知识产权的Z-Mold系统。上海交通大学目前也投入到智能化的CAD/CAE系统的开发中来。中国科技大学开发了一个AutoCAD和SPA有限元计算模块。另外，浙江大学、东南大学、南昌大学、华南理工大学、四川大学、合肥工业大学也在注塑成型方面进行了多个方向的研究，并且也取得了一定的成效3.4.15。但跟发达国家比较起来，我国无论是在研究方面还是在应用方面都有很大差距。1.3.3 CAD/CAE发展趋势如今模具制造业的基本特征是：智能化、集成化、网络化和柔性化，企业与企业之间要在激烈的竞争中立于不败之地，就必
15、须提高生产率和产品质量，缩短设计制造周期，降低生产成本，保证模具寿命满足要求，这就不光对模具材料提出更高的要求，还要最大限度的使用先进的技术手段来对模具进行设计与制造。这就使得CAD/CAE技术的应用成为必然趋势，而CAD/CAE的发展趋势主要表现在7.16.17：(1)开放性企业可以通过二次开发平台开发自身需求的内部资源，制定自己的企业标准和开发适于自己的应用程序。另外还可以应用开发环境和基于其他系统进行信息交换。（2）网络化和协同设计Internet技术使企业间的资源共享、合作更加方便、快捷，并且能够实现跨国模具设计。这样不仅能充分利用各自优势而且还能节省生产成本，缩短设计周期。（3）多学科、多功能综合设计 未来产品的设计不仅用到机械科学的理论与知识，而且还将会集合电磁学、光学、控制理论等知识。开发一个新产品需要进行全性能的优化设计以求达到模具产品在动静态特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、设计生产周期、成本方面的最佳组合。（4）虚拟化设计人员在虚拟的平台上进行产品设计、检查设计效果、直接参与装配模拟，使用不同的虚拟工具进行破坏试验，以便于发现设计中的不足。（5）集成化将设计、制造到管理及产品生命周期的全过程进行集成，再将信息集成、智能集成、串并行工作机集成及人员集成，更适合未来制造系统的需求。（6）标准化
