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注塑模具及其發(fā)展研究現(xiàn)狀
摘要：注塑成型是熱塑性塑料成型的一種重要發(fā)法。它能一次成型形狀復(fù)雜、尺寸精確、帶有金屬或非金屬嵌件的塑料。注塑成型的成型周期短、生產(chǎn)效率高、易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。到目前為止，除氟塑料外，幾乎所有的熱塑性塑料都可以使用注塑成型的方法成形，一些流動性好的熱固性塑料也可用注塑方法成形【1】。本文闡述了注塑模具的有關(guān)知識，介紹了注塑模具的發(fā)展現(xiàn)狀，討論了國內(nèi)注塑模具今后的發(fā)展研究方向。
關(guān)鍵詞：注塑模具；研究現(xiàn)狀；發(fā)展研究方向；
1 注塑模具
1.1 注塑模具的特點
與沖壓模具、壓鑄模具等其他種類模具比較，注塑模具制造有五個明顯的特點，分析如下：
（1） 型腔及型芯呈立體型面。塑件的外部和內(nèi)部形狀是由型腔和型芯直接成型的，這些復(fù)雜的立體型面加工難得比較大，特別是型腔的盲孔型內(nèi)成型表面加工，如果采用傳統(tǒng)的加工方法，不僅要求工人技術(shù)水平高、輔助工夾具多、刀具多，而且加工的周期長。
（2） 精度和表面質(zhì)量要求高，使用壽命要求長。目前一般塑件的尺寸精度要求為IT6-7，表面粗糙度Ra0.2-0.1um,相應(yīng)的注塑模具零件的尺寸精度達到IT5-6，表面粗糙度Ra0.1um以下。激光盤記錄面粗糙度要達到鏡面加工水平的0.02-0.01um。這就要求模具的表面粗糙度達到Ra0.1um以下。長壽命注塑模具對于提高效率和降低成本是很必要的，目前注塑模具的使用壽命一般要求100萬次以上。精密注塑模要用剛度大的模架，增加模板的厚度，增加支撐柱或錐形定位元件以防止模具受壓力后產(chǎn)生變形，有時內(nèi)壓可以達到100兆帕。頂出裝置是影響制品變形和尺寸精度的重要因素，因此應(yīng)該選擇最佳的頂出點，以使各處脫模均勻。高精度注塑模具在結(jié)構(gòu)上多數(shù)采用鑲拼或全拼結(jié)構(gòu)，這要求模具零部件的加工精度、互換性均大為提高。
（3） 工藝流程長，制造時間緊。模具專家羅百輝認為，對于注塑件而言，大多是與其他零部件配套組成完整的產(chǎn)品，而且在許多情況下都是在其他部件已將完成，急切等待注塑件的配套上市。因為對制品的形狀或尺寸精度要求很高，加之由于樹脂材料的特性各異，模具制造完成后，還需要反復(fù)的試模與修正，使開發(fā)和交貨的時間非常緊張。
（4） 異地設(shè)計、異地制造。模具制造不是最終目的，而是由用戶提出最終制品設(shè)計，模具制造廠家根據(jù)用戶的要求，設(shè)計制造模具而且在大多數(shù)情況下，制品的注塑生產(chǎn)也在別的廠家。這樣就造成了產(chǎn)品的設(shè)計、模具設(shè)計制造和制品的生產(chǎn)異地進行的情況。
（5） 專業(yè)分工、動態(tài)組合。模具生產(chǎn)批量小，一般屬于單件的生產(chǎn)，但是模具需要很多的標準件，大到模架小到頂針，這些不能也不可能只由一個廠家單獨完成，且制造工藝復(fù)雜，普通設(shè)備和數(shù)控設(shè)備使用極不均衡。
1.2注塑模設(shè)計的特點
塑料注塑模能夠一次成型形狀復(fù)雜、尺寸精度或帶嵌件的塑料制件。在注塑生產(chǎn)中，通常以最終塑料制品的質(zhì)量來評價模具的設(shè)計和制造質(zhì)量。
注塑件質(zhì)量包括表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量。表面質(zhì)量的衡量標準為塑件的形狀和尺寸精度，包括注塑件的表面粗糙度和表面缺陷狀況。常見的表面缺陷有凹陷、氣孔、無光澤、發(fā)白、銀文、剝皮、暗斑紋、燒焦、裂紋、翹曲、溢料飛邊或可見熔合線等【2】。內(nèi)在質(zhì)量就是性質(zhì)質(zhì)量，包括熔合線強度、殘余應(yīng)力、密度和收縮等。
先進的模具必須在使用壽命期限內(nèi)保證制品質(zhì)量，并需要制備良好的技術(shù)經(jīng)濟指標。這就需要模具動作可靠，自動化程度高，熱交換效率好，成型周期短。其次，合理選用模具材料，恰當確定模具制造強度，簡化模具加工工藝，降低模具制造成本亦十分重要。
1.3塑料模具的分類及常用塑料的特點
基于注塑材料，可將模具分為：1、熱塑性塑料注塑模具；2、熱固性塑料注塑模具；3、彈性體塑料注塑模具（如橡膠硅膠模具）；4、結(jié)構(gòu)泡沫塑料注塑模具；而且注塑模具又可分為兩板模和三板模；最常用的為熱塑性塑料注塑模具【3】。其中兩種常用塑料的特點如下：
1）熱塑性塑料特點：這類塑料在加熱時軟化，溫度升高至一定程度時呈熔融狀態(tài)，成為可流動的粘稠流體，借助模具和壓力可制成一定形狀的制品，冷卻后可保持已成形的形狀。再次加熱時又可變軟、熔融、重新塑制成型。它在加熱、冷卻成型過程中只有物理變化而無化學(xué)變化。平時大多數(shù)的塑料屬于此類型，也是塑膠制品的特點決定是否開注塑模具的標準。
2）熱固性塑料特點：這類塑料在第一次受熱時軟化，冷卻后固化成型并呈現(xiàn)出剛硬狀態(tài)。重新加熱時不再軟化，當溫度升高到一定程度時發(fā)生分解。這是因為在注塑成型過程中塑料發(fā)生了化學(xué)變化，線性分子變成了體形分子，樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)榧炔卉浕胁蝗芙?，不再變形的形狀，不再具有可塑性，其質(zhì)地一般硬且脆。常用的熱固性塑料有PF、UF、MF、EP、UP等【1】。
2 注塑模具的發(fā)展現(xiàn)狀
2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀
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。在大型模具方面已經(jīng)生產(chǎn)48英寸大屏幕彩電塑殼注塑模具、6.5kg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【5】；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【5】。如天津津榮天和機電有限公司和煙臺北極星I.K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Ra0.2um,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【4】。
成型工藝方面，多材質(zhì)塑料成型模、高校多色注射模、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的在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)，一些廠家還是用了C-MOLD氣輔軟件，取得較好的效果【6】。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不到10%，與國外的50%～80%相比，差距較大。
2.2 CAD/CAE/CAM的應(yīng)用現(xiàn)狀
隨著輕工業(yè)及汽車制造業(yè)的迅速發(fā)展，模具設(shè)計日益受到人們的廣泛關(guān)注，已形成一個行業(yè)。但我國模具行業(yè)缺少技術(shù)人員，存在品種少、精度低、制造周期短、壽命短、供不應(yīng)求的現(xiàn)狀。一些大型、精密、復(fù)雜的模具還不能自行制造，每年需要花幾百萬、上千萬美元從國外進口，制約了模具工業(yè)的發(fā)展，所以大力發(fā)展模具工業(yè)勢在必行。
為了提高模具企業(yè)的設(shè)計水平和加工能力。中國模具協(xié)會向全國模具行業(yè)推薦適合模具企業(yè)使用的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)。模具設(shè)計和加工使用的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，不要求系統(tǒng)十分龐大，但對某些方面要求較高，如曲面造型、三軸數(shù)控加工等。一些國外的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，雖然具有強大的三維曲面造型、結(jié)構(gòu)有限元分析、計算機輔助制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理能力等，但價格昂貴，一般企業(yè)難于承受。目前在國內(nèi)應(yīng)用的主要軟件有美國PTC公司的CAD/CAE/CAM集成化系統(tǒng)PRO/ENGINEER、美國EDS公司的CAD/CAM軟件UG-Ⅱ【8】、法國MATRA-DATAVISION公司的集成化軟件【8】、美國SOLIDWORKS軟件【8】、美國CV公司的CADDS5軟件、美國SDRC公司集成化CAD/CAE/CAM軟件【10】、英國DELCAM公司CAD/CAM軟件DUCT，以色列CTMATRON公司的三維CAD/CAM軟件CTMA-TRON【11】、美國AC-TECH公司的注塑模CAE分析軟件C-MOLD、澳大利亞MOLDFLOW公司的注塑模CAE分析軟件MF，國內(nèi)華中理工大學(xué)模具技術(shù)國家重點實驗室的注塑模CAD/CAE/CAM集成化系統(tǒng)HSC3.1、北京航空航天大學(xué)軟件工程研究所CAD/CAM軟件CAXA和河南工業(yè)大學(xué)注塑模CAE分析軟件Z-MOLD等【12】。
對于國內(nèi)一些大型模具企業(yè)，他們的CAD/CAM應(yīng)用狀況多停留在購買國外先進的CAD/CAM系統(tǒng)和設(shè)備上，但在其上進行的二次開發(fā)較少，資源利用率低。對于國內(nèi)一些中小型模具企業(yè)，則很少應(yīng)用CAD/CAM，有些僅停留在以計算機代替固板繪圖。所以有必要改善國內(nèi)模具企業(yè)的CAD/CAM應(yīng)用狀況，使它們真正做到快速、準確地對市場做出反映使制造出的模具產(chǎn)品質(zhì)量高、成本低，即達到敏銳制造的目的。
3 國內(nèi)今后的發(fā)展研究方向
今后我國模具工業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢主要有以下10個方面：
（1） 精密塑料件成型工藝與模具結(jié)構(gòu)的改進。為了確保塑料件的尺寸精度、幾何形狀精度、外觀和內(nèi)在質(zhì)量并節(jié)約材料，高壓注射和氣體輔助注射成型工藝以及相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)改進，必將逐步在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。
（2） 模具的大型化和集成化。今后用模具成型零件將日漸大型化。為了提高生產(chǎn)率，一模多腔（有的已達到幾百腔）、一模多工序復(fù)合加工、一模出多個零件及組件，這種大型化、集成化的模具日益增多。
（3） 復(fù)合加工技術(shù)，將機械-電-化學(xué)-超聲波-激光等技術(shù)綜合應(yīng)用于模具加工，可取得比單一工藝加工更好的效果，有利于提高加工效率和質(zhì)量。
（4） 快速經(jīng)濟模具?？焖俳?jīng)濟模具由于制造工藝簡單、精度易控制、價格便宜、制造周期短，特別適用于多品種少批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。
（5） 熱流道技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛。由于采用熱流道技術(shù)的模具可提高制件的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，并能大幅度節(jié)約制件的原材料，因此它的應(yīng)用在國外發(fā)展很快，有的塑料模具制造企業(yè)熱流道模具已占80%以上。協(xié)同設(shè)計將成為模具設(shè)計的主要方向。
（6） 在模具制造中選用優(yōu)質(zhì)模具和應(yīng)用表面處理技術(shù)。在整個模具價格構(gòu)成中，材料費占的比例不大，一般只占20%左右。因此，選用優(yōu)質(zhì)鋼材和應(yīng)用相應(yīng)的表面處理技術(shù)提高壽命，會越來越受到模具企業(yè)的重視。
（7） 在模具設(shè)計制造中計算機應(yīng)用技術(shù)將得到進一步發(fā)展，計算機技術(shù)輔助設(shè)計和輔助制造（CAI/CAM）技術(shù)是模具技術(shù)發(fā)展的一個重要里程碑。進一步開發(fā)軟件提高設(shè)計制造的自動化程度是今后上網(wǎng)主攻方向。模具CAD技術(shù)應(yīng)用的ASP模式，將成為發(fā)展方向。
（8） 采用高速銑削和超加工技術(shù)。由于調(diào)整銑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，因此模具加工已越來越多的采用高速銑削。國內(nèi)已開始應(yīng)用。
（9） 研磨拋光技術(shù)向自動化方向發(fā)展。用帶來磨具磨損補償送進裝置的數(shù)控自動化研磨來逐步代替手工勞動，是今后的發(fā)展方向。日本仔這方面已經(jīng)取得了初步的成績。當然，自動化研磨機不可能代替全部手工勞動，研磨拋光也還有許多其它行之有效的辦法。
（10） 模具加工系統(tǒng)的研制和發(fā)展。模具自動加工系統(tǒng)具有如下特性：多臺機床合理組合；配有隨行定夾具或定位盤；有完整的數(shù)控極具、刀具庫；有完整的數(shù)控柔性同步系統(tǒng)；有質(zhì)量監(jiān)測控制系統(tǒng)【9、13】。
4 結(jié)語
綜上所述，從我國國情出發(fā)，認真面對模具工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，加快模具CAD/CAM技術(shù)的推廣，建立起一套軟件開發(fā)、使用評價維護體系，形成區(qū)域規(guī)模優(yōu)勢，相互交流與協(xié)作，組成行業(yè)集團，盡快與國際接軌，參與國際競爭。同時把協(xié)同創(chuàng)新設(shè)計、激光等先進技術(shù)應(yīng)用到模具行業(yè)中去。我們有理由相信，隨著中國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，模具行業(yè)將逐漸與國際CAD行業(yè)接軌，適應(yīng)國際CAD/CAM的要求，創(chuàng)造出具有中國特色的模具設(shè)計制造模式。
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