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1、1 引言1.1模具行业的发展模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，随着塑料工业的迅速发展，以及塑料制品在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用，产品对模具的要求也越来越高，传统的模具设计方法已无法适应当今的要求，与传统的模具设计相比，计算机辅助工程（CAE）技术无论是在提高生产率、保证产品质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，都具有极大的优越性。美国 MOLDFLOW上市公司是专业从事注塑成型 CAE软件和咨询公司，自1976 年发行了世界上第一套流动分析软件以来，一直主导塑料成型CAE 软件市场。 MOLDFLOW一直致力于帮助注塑厂商提高其产品设计和生产质量，MOLD
2、FLOW的技术和服务提高了注塑产品的质量，缩短了开发周期，也降低了生产成本，MOLDFLOW已成为世界注塑CAE的技术领袖。利用CAE技术，可以在模具加工前，在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压和冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题并及时进行修改，而不是等到试模后再返修模具。这不仅是对传统模具设计方法的一次突破，而且在减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低成本等方面，都有着重大的技术、经济意义。塑料模具的设计不但要采用CAD技术，而且还要采用CAE技术，这是发展的必然趋势。近十多年来，国外先
3、进国家的模具技术水平得到了飞速发展：(1)CAD/CAM/CAE技术的应用在欧美 CAD/CAM/CAE已成为塑模企业普遍应用的技术。在 CAD的应用方面已经超越了甩掉图板，二维绘图的初级阶段。目前3D设计已达到了 70%、89%， Pro/E ，UG，CI 以 TRON等软件的应用很普遍。应用这些软件不仅可完成2D 设计，同时也获得3D模型，为 NC编程和 CAD/CAM的集成提供了保证。应用3D设计，还在设计时进行装配干涉的检查，以保证设计和工艺的合理性。在欧美的塑模企业中，为了提高CAD技术的效率，塑模标准件的采用率一般在80%以上 1 。(2) 激光技术的应用日益受到重视激光技术在模具
4、制造中的应用主要是在快速成形与一些特殊模具的加工两个方面。快速成形是根据 CAD的数据 , 不借助任何机械加工工具, 通过逐层增加材料的方法( 如聚合、粘结、烧结等 ) 快速制造出零件原型或零件实物 , 故也称快速原形制造 ( 缩写为 PRM) 技术。快速成形技术主要有立体光固造型 (SLA) , 选择性激光烧结 (SLS) , 分层实体制造 (LOM) 等。该技术将 CAD技术、激光技术、 CNC技术、材料加工和材料科学技术有机地结合起来 , 给模具制造业带来了根本性的变革 2 。与传统的模具设计制造相比 , 它能比数控加工更快、 更方便地设计并制造出各种复杂的原型, 使模具的制造成本和生产
5、周期减少 1/ 2 ,明显提高生产率。国内的一些大型企业集团, 如海尔、春兰和科龙等公司已经应用激光快速成形于新产品开发等方面, 并取得显著的经济效益。(3) 模具材料先进随着模具工作条件的日益苛刻，对模具的质量，特别是钢的纯净度、等向性的水平提出了更高的要求。 为达此目的国外普遍采用电炉外精炼工艺生产纯净度高的模具钢， 对于大截面锻压模块和大型的钢材规定采用真空处理。对于纯净度要求更高的模具钢，大部分采用电渣重熔，以进一步提高钢的纯净度、致密度、等向性和均匀性，减少偏析。 因此，模具钢的质量有了较大提高。为了加强竞争力量，适应经济全球化的发展趋势， 国外模具钢的生产从分散趋向于集中， 并多家
6、公司进行跨国合并，为了更好地进行竞争， 这些公司都建成了完善的技术先进的模具钢生产线和模具钢科学研究基地，形成几个世界著名的工模具生产和科研中心，以满足迅速发展的模具工业。1.1.1国内模具技术发展及目前水平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
7、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 3 。全球制造业正以垂直整合的模式向中国及亚太地区转移, 中国正成为世界制造业的重要基地。 制造业模式的变化 , 必将产生对新技术的需求 , 也必将导致 CAD技术的发展。 同时 , 由于网络技术的大面积
8、应用 , 正如 10 年前由于成本的大幅度下降 , 使得微机进入千家万户改变我们的生活一样 , 网络应用的普及将在更大程度上改变制造业的模式。随着中国加入 WTO, 逐渐成为世界制造业的重要基地 , 将要求我国的产品要有创新性 , 并且要有更高的质量、 更低的成本并在更快的时间内提供给市场 4 。作为产品制造的重要工艺装备、 国民经济的基础工业之一的模具工业将直接面对竞争的第一线 , 模具工业除其需要“高技艺”的从业人员外 , 还需要更多的“高技术”来保证。1.2注射模具设计要求1.2.1塑件分析注射模的一般设计程序与普通热塑性注塑模基本相同， 所不同的是在设计之前要选择成型工艺方法、设备和模
9、具类型，而这一过程正是新型注塑模具设计的关键，其次才是模具的具体设计。通常，在大多数注塑件能够采用两种或多种注塑工艺方法和模具类型来注塑成型，但还应该从材料性能、各种工艺类型和相应模具特点及其所能成型制品的质量、 经济性、制约条件等角度综合考虑， 以得出最佳或相对较好的方案。在任何情况下设计模具，是针对具体模具塑件设计相应的模具，因此首先遇到的问题是如何选择确定塑料品种和注塑工艺路线，最终确定模具类型。确定类型是一个复杂的总和过程，首先要从模具设计的最终目的塑件要求成型合格制品来考虑，分析塑件的形状结构特点、壁厚、尺寸大小和尺寸精度、外观要求、质量和质量偏差要求、强度和刚性要求、装配要求、使用
10、环境条件要求等因素，在此基础上依据塑料材料性能初步筛选出可以考虑采用的塑料品种、 注塑工艺路线和相应的注塑机类型及相应的模具类型。1.2.2塑件的成型性能塑料的基本性能包括力学性能、热性能、电学性能、光学性能、耐老化性能、卫生性能、耐磨性、抗疲劳性、抗蠕变性等。但这里设计重点是讨论与成型加工有关的性能。本设计所涉及的模具可用于成型热塑件塑料、热塑性和热固性增强塑料、热固性塑料、弹性体（包括热塑性弹性体等），下面对直接影响模具设计的成型加工性能分别加以叙述。(1) 收缩率各类材料收缩率大小顺序为：弹性体，纤维增强或填料填充的弹性体，热塑性塑料，纤维增强或填料填充的热塑性塑料，热固性塑料，纤维增强
11、或填料填充的热固性塑料。软质弹性体收缩率大于硬质弹性体，软质热塑性塑料收缩率通常大于硬质热塑性塑料。材料的收缩率在很大程度上决定了制品所能达到的精度，影响模具浇注系统和成型零件设计，有时甚至决定了注塑工艺方法和模具类型，比如收缩率大的塑料不能用于精密注塑。塑件的收缩率具有复杂性和多变性， 因为影响收缩率的因素除配方和注塑工艺条件外，还有与模具浇口设计（数量、位置、形状、尺寸） 、塑件壁厚、型腔中的拐角、加强筋、嵌件、型芯结构尺寸有关。 制品成型过程的收缩率通常有以下几个部分决定：熔体充满型腔后有熔体到固体阶段的熔体冷却收缩 （对热塑性塑料）和固化相变收缩，这一部分收缩量较大，但由于保压过程补充
12、了收缩量，所以模具设计不考虑这一部分收缩。塑件固化后在模内及模外冷却到室温的收缩，即由线胀系数决定的收缩，这一相比较简单， 可以测出。由结晶（对结晶性聚合物） 引起的收缩。 由取向引起的收缩。后两项变化无常，他们随注塑工艺条件，浇口形状、尺寸、数量和布置、型腔形状结构尺寸，冷却速度（对热塑性材料）或交联固化速度等因素而变化，设计时需要结合经验和试验确定。(2) 流动性在浇注充模时，热固性塑料和部分热塑性塑料流动性较好，弹性体和大多数热塑性塑料流动性中等或较差。物料的流动性相对模具细节设计有诸多影响，浇注系统形式，浇口形状、尺寸、数量和布置，配合间隙，排气问题等设计都与流动性有关，冷却或加热系统
13、、型腔形状与壁厚等因素又能影响物料的流动性，从而影响上述细节设计。流动性的好坏涉及到流动过程中在流动通道各处剪切梯的大小，即影响到取向，进而影响收缩率的变化。设计是需要把物的重点：一是分析充模过程物料流动方向，二是流动性对模具设计细节的影响范围和影响程度。流动性好，则浇注系统阻力可以大一些，成型零件之间配合精度要高一些，排气问题需要特别考虑。流动性差，则要尽可能减少浇注系统阻力， 对配合精度和排气要求不高， 但冷却系统的设计需要注意，过度冷却会影响充模及熔接强度。(3) 结晶性结晶通常是对具有结晶性的热塑性塑料弹性体（包括橡胶）而言。结晶问题主要影响制品的收缩率，不同材料有不同的收缩率，同一种
14、材料的收缩率受配方、注塑工艺条件、模具温度和冷却速度、制品出模温度、制品脱模后的冷却环境和条件、制品冷却到室温后的存放时间影响变化。与结晶相关的模具设计细节主要是冷却系统设计，即冷却要均匀有效，以确保塑件在完成大部分结晶后脱模，因为制品在模内冷却收缩是夹持冷却收缩，有利于尺寸稳定，而在模外冷却是自由收缩，难以确保制品形状和尺寸的稳定，特别是一些塑料的后结晶现象明显，如聚乙烯塑件，在模外冷却到室温后的几天内仍会因缓慢结晶而收缩。(4) 热敏性热固性塑料、部分热塑性塑料、橡胶在注塑过程中对热有不同程度的敏感性，这里的热对模具设计而言有两方面的含义：剪切生热和长时间受热。剪切生热主要关系到浇注系统设
15、计特别是浇口形状、尺寸、数量和浇口布置，比如使用点浇口时，浇口数量越多，剪切就越弱，剪切发热就越少。受热时间的长短主要关系到浇道设计是否合理，是否能最大限度地减少树脂的滞带量和滞留时间。(5) 热性能与固化特性热塑性塑料和塑性弹性体的熔点（或熔体流动温度）、结晶温度、热变形温度影响模具冷却系统的设计， 热固性塑料和橡胶固化特性影响模具加热系数的设计。此外，制品脱模时的软、硬、脆特性将直接影响模具脱模顶出系统的结构形式和尺寸的设计。123模具类型在确定注塑工艺路线后，相应的模具大类型也就确定。每一类模具中又有若干类不同的结构原理的模具，需要根据塑件原材料、形状结构、尺寸精度、制品批量以及设备情况进行细致的分析平衡， 确定出事宜的模具
