【正文】 1 我國模具行業(yè)的發(fā)展狀況和趨勢 經(jīng)過 1990 年代的高速發(fā)展，中國的模具產(chǎn)業(yè)已經(jīng)達到一定的水平，生產(chǎn)能力也有了相當大的提高，模具市場的規(guī)模也正在逐步擴大。過去十 年，中國模具工業(yè)（ 主要集中在汽車、電子信息以及電器） 以每年 15%左右的增長速度快速發(fā)展。 到 2021 年，全國模具生產(chǎn)廠點已達 3 萬多家，從業(yè)人員 50多萬人；模具銷售總額高達 610 億元，比上年增長 25%；模具生產(chǎn)企業(yè)總體上任務飽滿、訂單充足。 2021 年，業(yè)界預測中國汽車的年度銷售數(shù)量將會比前一年增長 15%，年度銷售數(shù)量將會達到 640 萬臺。而汽 車零部件市場比汽車整車的市場更大，可以預測汽車相關(guān)模具產(chǎn)業(yè)將會有高速發(fā)展。 與 2021 年相比， 2021 年中國的模具生產(chǎn)值增加了 125%，以 610億人民幣居世界第三位。其中，出口比前一年增加了 150%，達到了 億美元。 目前，國內(nèi)模具行業(yè)正隨著我國制造業(yè)特別是汽車和電子產(chǎn)業(yè)的持續(xù)高速發(fā)展而逐漸步入 黃金期 。 近年來，模具行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐加快，主要表現(xiàn)為大型、精密、復雜、長壽命模具和模具標準件發(fā)展速度高于行業(yè)的總體發(fā)展速度；塑料模和壓鑄模比例增大；面向市場的專業(yè)模具廠家數(shù)量及能力增加 較快。隨著經(jīng)濟體制改革的 不斷深入，“三資”及民營企業(yè)的發(fā)展較快 [11]。 在注塑模具方面， 2021 年，注塑模具比例進一步上升，熱流道模具和氣輔模具水平進一步提高，注塑模具在量和質(zhì)方面都有較快的發(fā)展，我國最大的注塑模具單套重量已超過 50 噸，最精密的注塑模具精度已達到 2 微米。在 CAD/CAM技術(shù)得到普及的同時， CAE 技術(shù)應用越來越廣， CAD/CAM/CAE 一體化得到發(fā)展，模具新結(jié)構(gòu)、新品種、新工藝、新材料的創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)，專利數(shù)量增多 [12]。 據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，未來我國模具發(fā)展趨勢包括 10個方面 [13]： ⑴ 、 模具日趨大型化。 ⑵、 模具的精度將越來越高。 10 年前精密模具的精度一般為 5 微米，現(xiàn)已達到 23 微米， 1 微米精度的模具也將上市。 ⑶、 多功能復合模具將進一步發(fā)展。新型多功能復合模具除了沖壓成型零件外，還擔負疊壓、攻絲、鉚接和鎖緊等組裝任務，對鋼材的性能要求越來越高。 ⑷、 熱流道模具在塑料模具中的比重也將逐漸提高。 ⑸、 隨著塑料成型工藝的不斷改進與發(fā)展，氣輔模具及適應高壓注塑成型等工藝的模具也將隨之發(fā)展。 ⑹ 、標準件的應用將日益廣泛。模具標準化及模具標準件的應用將極大地影響模具制造周期，還能提高模 具的質(zhì)量和降低模具制造成本。 ⑺ 、快速經(jīng)濟模具的前景十分廣闊。 ⑻ 、隨著車輛和電機等產(chǎn)品向輕量化發(fā)展，壓鑄模的比例將不斷提高。同時 2 對壓鑄模的壽命和復雜程度也將提出越來越高的要求。 ⑼ 、以塑代鋼、以塑代木的進程進一步加快，塑料模具的比例將不斷增大。由于機械零件的復雜程度和精度的不斷提高，對塑料模具的要求也越來越高。 ⑽ 、模具技術(shù)含量將不斷提高。 從應用趨勢方面分析，受用戶要求模具的生產(chǎn)周期縮短影響；快速經(jīng)濟模具的開發(fā)將被重視，模具標準件的應用將日漸廣泛，且采用計算機控制和機械手 操作的快速換模裝置、快速試模裝置技術(shù)也會得到發(fā)展和提高。 注塑 模具設計 與制造 技術(shù) [8] 質(zhì)量、成本（價格）、時間（工期）已成為現(xiàn)代工程設計和產(chǎn)品開發(fā)的核心因素，現(xiàn)代企業(yè)大都以高質(zhì)量、低價格、短周期為宗旨來參與競爭市場。先進制造技術(shù)的出現(xiàn)正急劇改變著制造業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過程 ，對模具行業(yè)也是如此。模具行業(yè)必須在設計技術(shù)、制造工藝、生產(chǎn)模式等諸方面加以調(diào)整以適應這種要求。 注塑模具的可視化設計 現(xiàn)在我們對產(chǎn)品設計的要求是快速、準確。隨 著 軟件技術(shù)的發(fā)展，三維設計（ 3D）的誕生使模具實現(xiàn)了可視化、 面向裝配的設計。模具由二維設計（ 2D）到三維（ 3D 實現(xiàn)了模具設計技術(shù)的重大突破。 ⑴ 模具三維設計直觀再現(xiàn)了未來加工出的模具本體，設計資料可以直接用于加工，真正實現(xiàn)了 CAD/CAM 一體化和少、無圖樣加工； ⑵ 模具三維設計解決了二維設計難以解決的一系列問題，如干涉檢查、模擬裝配、 CAE 分析等； ⑶ 模具三維設計能對模具的可制造性加以評價，大大減少了設計失誤。 注塑模具的快速制造 ⑴ 基于并行工程的模具快速制造 近 些年來，為了滿足工期的要求，模具企業(yè)大都在自覺與不自覺中應用“并行”的概念來組織生產(chǎn)、銷售工作。并 行工程應用的明確提出是對 現(xiàn) 有模具制造生產(chǎn)模式的總結(jié) 與提高。并行工程、分散化網(wǎng)絡制造系統(tǒng)為模具快速制造提供了有效的實施平臺。 并行工程的基礎(chǔ)是模具的標準化設計。標準化設計是由三方面要素組成：統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫和文件傳輸格式是基礎(chǔ)；實現(xiàn)信息集成和數(shù)據(jù)資源共享是關(guān)鍵；高速加工等先進制造工藝是必備條件。 ⑵ 應用快速原型技術(shù)制造快速模具（ RP+RT） 在快速原型（ Rapid Prototyping,RP）技術(shù)領(lǐng)域中，目前發(fā)展最迅速、產(chǎn)值增長最明顯的就是快速模具 (Rapid Tooling,RT)技術(shù)。 應用快速原型技術(shù)制造快速模具（ RP+RT），在最終生產(chǎn)模具之前進行新產(chǎn)品試制與小批量生產(chǎn)，可以大大提高產(chǎn)品開發(fā)的一次成功率，有效地縮短開發(fā)時間、降低成本。這就是 RP+RT 3 技術(shù)產(chǎn)生根本原因。 ⑶ 高速切削技術(shù)的應用 高速切削（ High Speed Machining,HSM）在模具領(lǐng)域的應用主要是在加工復雜曲面方面。其中高速銑削（也稱為硬銑削 Hard Milling,HM）可以把復雜形面加工得非常光滑，幾乎或者根本不再需要精加工，從而節(jié)約了點火花（ EDM） 加工和拋光時間及有關(guān)材料的消耗，及大地提高了生產(chǎn)效率，并且形面的精度不會遭到破壞。 制造模式的改變 —— 信息流驅(qū)動的模具制造 先進制造生產(chǎn)模式對模具工業(yè)的影響主要體現(xiàn)在信息的流動。與制造活動有關(guān)的信息包括產(chǎn)品信息和制造信息，現(xiàn)代制造過程可以看作是原材料或毛坯所含信息量的增值過程，信息流驅(qū)動將成為制造業(yè)的主流。目前，面向模具開發(fā)的CAD/CAPP/CAM/CAE、 DNC、 PDM、網(wǎng)絡集成等均是圍繞如何實現(xiàn)信息的提取、傳輸與物化，即使信息流得以暢通為宗旨。 Pro/E 模具設計的基本流程 目前，國際上占主流地位的注射模 CAD 軟件有 Pro/E、 IDEAS、 UGⅡ 、SolidWorks 等；結(jié)構(gòu)分析軟件有 MSC、 Analysis 等；注射過程數(shù)值分析軟件有MoldFlow 等；數(shù)控加工軟件有 MasterCAM、 Cimatron 等。 本次是運用 Pro/E 進行模具設計的 ,下面簡單介紹以下 Pro/E 模具設計流程。 Pro/E 模具設計的基本流程如圖 零件成品 (Design Model） 零件設計（ Part Design） 零件裝配（ Assembly Design） 模具裝配 （ Mold Assembly） 參照零件（ Reference Part） 工件（ Workpiece） 模型檢驗 （ Model Check） 厚度檢驗（ Thickness Check） 拔模檢驗（ Draft Check） 設置收縮率 （ Apply Shrinkage） 模流分析 （ Analysis of Mold Flows） 4 圖 Pro/E 模具設計的基本流程 課題意義 在傳 統(tǒng)塑料模具設計中，設計周期長，一般要二到三個月的時間；設計成本高，需要往返數(shù)次制模，修模；產(chǎn)品質(zhì)量不能保證，對流體在模腔內(nèi)的流動狀態(tài)，冷卻狀況缺乏了解。 本文以紙巾筒的注塑模具設計為例，運用 Pro/E 軟件智能分模，不但保證了模具的精確性，而且分模簡單，是設計者可以節(jié)約時間，集中精力拆模做型腔；運用 CAE 分析功能，對塑料注塑過程進行模擬分析， 包括充模流動模擬、保壓過程模擬、冷卻過程模擬及翹曲模擬分析。通過模擬分析可以預測制品填充不足、熔接線、氣泡和翹曲變形等缺陷，還可以測定最佳澆口數(shù)量和位置，測定注塑時注射壓力以及注射時間，溶體流動前鋒的溫度變化等系列參數(shù)；運用專家模架 系統(tǒng)，根據(jù)設計參數(shù)直接選取標準模架，構(gòu)造模具三維實體。這樣設計出來的模具具有更高的質(zhì)量，更大的準確性。 現(xiàn)代的模具設計在計算機的平臺上，運用 CAD/CAE/CAM 等軟件，使現(xiàn)代模具設計具有了高質(zhì)量，高效率，低成本等特點。 建立模具體積塊 (Mold Volume) 建立或分割 （ Create or Split） 模具開啟 （ Mold Opening） 干涉檢驗 （ Interference Check） 專家模具系統(tǒng) （ Expert Moldbase Extension） 2D 工程圖 (Drawing) CNC加工 建立分模面 （ Parting Surface） 5 功能設計 功能設計是要求塑件應具有滿足使用目的功能 ,并達到一定的技術(shù)指標 .該塑件是日用品 ,承受外力的幾率不大 ,如沖擊載荷 ,振動 ,摩擦等情況比較少 。塑件的工作溫度是室溫 ,這使得在材料選擇時對熱變形溫度 ,脆化溫度 ,分解溫度的要求降低 。作為一種日用品 ,生產(chǎn)批量應該是 中批中量或 大批大量生產(chǎn) ,這樣 ,就必須考慮生產(chǎn)成本和模具壽命 ,在材料的選擇時要綜合各種因素 。 材料選擇 通常 ,選擇塑件的材料依據(jù)是它所處在的工作環(huán)境及使用性能的要求 ,以及原材料廠家提供的材料性能數(shù)據(jù) .對于常溫工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)件來說 ,要考慮的主要是材料的力學性能 ,如屈服應力 ,彈性模量 ,彎曲強度 ,表面硬度等 .該塑件 屬于日常生活用品，沒有什么特別的要求，因此主要從容易成型方面選擇材料。查[1]P240表 124，選擇材料為聚丙烯， 具有良好的流動性，且價格便宜。 材料具體信息為 ： 材料： PP7533 生產(chǎn)廠家： Taiwan PP 塑料固體密度為 3/ cmg ，融化密度為 3/ cmg 。最大剪切應力為。收縮率為 %% 結(jié)構(gòu)設計 塑料制件的結(jié)構(gòu)工藝性是指塑件結(jié)構(gòu)對成型工藝方法的適應性 。 在塑料生產(chǎn)過程中 ,一方面成型會對塑件的結(jié)構(gòu) ,形狀 ,尺寸精度等諸方面提出要求 ,以便降低模具結(jié)構(gòu)的復雜程度和制造難度 ,保證生產(chǎn)出價廉物美的 產(chǎn)品 。另一方面 ,模具設計者通過對給定塑件的結(jié)構(gòu)工藝性進行分析 ,弄清塑件生產(chǎn)的難點 ,為模具設計和制造提供依據(jù) . 壁厚 通過查 [1]P259 表 132 得 PP 料的壁厚推薦值確定塑件各個部位的壁厚尺寸。 脫模斜度 由于塑件成型時冷卻過程中產(chǎn)生收縮 ,使其緊箍在凸?；蛐托旧?,為了便于脫模 ,防止因脫模力過大而拉壞塑件或使其表面受損 ,與脫模方向平行的塑件內(nèi) ,外表面都應具有合理的斜度 。在塑件的高度比較小時也可以不需要脫模斜度。 查[1] P259 表 132,聚丙烯的脫模斜度為 。， 1~30 ，由此確定塑件的脫模斜度。 加強肋 塑件上適當設置的加強肋可以防止 塑件的翹曲變形；沿著物料流動方向的加強肋還能降低充模阻力，提高 熔 體流動性，避免氣泡，縮孔和凹陷等現(xiàn)象的產(chǎn)生。 6 圓角 塑件上各處的輪廓過度和壁厚連接處，一般采用圓角連接，有特殊要求時才采用尖角結(jié)構(gòu)。尖角容易產(chǎn)生應力集中，在受力或受沖擊載荷時會發(fā)生破裂。圓角不僅有利于物料充模，同時也有利于融料在模具型腔內(nèi)的流動和塑件的脫模。 塑件的尺寸精度及表面質(zhì)量 尺寸精度 該塑件是一般 日 用品，所以 精度要求為一般精度即可，但是由于要保證兩半殼體的閉合，所以在凹槽和鎖位處應該對精度要求高些，對其要有公差配合要求，應選擇高精度。根據(jù)精度等級選用表， PP 的高精度為 3 級，一般精度為 4 級 ，未注公差尺寸等級為 6 級。該塑件為一般日常生活用品，所以取一般精度 MT4。但由于塑件直徑為 120mm 處要與紙巾筒下部相連，所以取高精度 MT3。各尺寸的公差值查 [1]P266 表 132。 塑件的表面質(zhì)量 塑件的表面粗糙度，除了在成型時從工藝上盡可能避免冷疤，波紋等疵點外，主要的由模具的表面的粗糙度決定。 塑件的表觀缺陷是其 特有的質(zhì)量指標，包括缺料，溢料與飛邊，凹陷與縮癟，氣孔，翹曲等。模具的腔壁表面粗糙度是塑件表面粗糙度的決定性因素，通常要比塑件高出一個等級。 由于該制品為一般 日常生活用品，對表面粗糙度要求不高，取塑件表面粗糙度為 ? m。 塑件 2D 圖 由以上對塑件要求的分析，繪制塑料制品圖，見圖紙 ZJTMJ02 和 ZJTMJ03。 7 3D建模及注射成型工藝性分析 塑件的 3D 模型 運用 PRO\E繪圖軟件繪制塑件的 3D圖，如下： 圖 紙巾筒蓋 圖 紙巾筒下筒 圖 紙巾筒 圖 層切面信息 塑件的注射成型工藝性分析