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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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)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(shí)，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(diǎn)
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(gè)明顯的特點(diǎn)，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(dá)到IT5-6，表面粗糙度Ra0.1um以下。激光盤記錄面粗糙度要達(dá)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(dá)到Ra0.1um以下。長壽命注塑模具對(duì)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(shí)內(nèi)壓可以達(dá)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(diǎn)，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(shí)間緊。模具專家羅百輝認(rèn)為，對(duì)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?yàn)閷?duì)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(shí)間非常緊張。
（4） 異地設(shè)計(jì)、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(jì)，模具制造廠家根據(jù)用戶的要求，設(shè)計(jì)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(jì)、模具設(shè)計(jì)制造和制品的生產(chǎn)異地進(jìn)行的情況。
（5） 專業(yè)分工、動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)件，大到模架小到頂針，這些不能也不可能只由一個(gè)廠家單獨(dú)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(jì)的特點(diǎn)
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(píng)價(jià)模具的設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度、殘余應(yīng)力、密度和收縮等。
先進(jìn)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(jì)指標(biāo)。這就需要模具動(dòng)作可靠，自動(dòng)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(dāng)確定模具制造強(qiáng)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(diǎn)
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(diǎn)如下：
1）熱塑性塑料特點(diǎn)：這類塑料在加熱時(shí)軟化，溫度升高至一定程度時(shí)呈熔融狀態(tài)，成為可流動(dòng)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(shí)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(shí)大多數(shù)的塑料屬于此類型，也是塑膠制品的特點(diǎn)決定是否開注塑模具的標(biāo)準(zhǔn)。
2）熱固性塑料特點(diǎn)：這類塑料在第一次受熱時(shí)軟化，冷卻后固化成型并呈現(xiàn)出剛硬狀態(tài)。重新加熱時(shí)不再軟化，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)發(fā)生分解。這是因?yàn)樵谧⑺艹尚瓦^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(gè)多世紀(jì)，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(jī)全套塑料模具以及汽車保險(xiǎn)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(jī)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(jī)電有限公司和煙臺(tái)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(dòng)等要求都達(dá)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(jì)軟件，糾正了由于成型收縮造成的齒形誤差，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(dá)10～30萬次，淬火鋼模達(dá)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(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面也取得較大進(jìn)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(jī)外殼以及一些厚壁零件的模具上運(yùn)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jì)日益受到人們的廣泛關(guān)注，已形成一個(gè)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(jìn)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(shì)在必行。
為了提高模具企業(yè)的設(shè)計(jì)水平和加工能力。中國模具協(xié)會(huì)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(jì)和加工使用的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，不要求系統(tǒng)十分龐大，但對(duì)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(qiáng)大的三維曲面造型、結(jié)構(gòu)有限元分析、計(jì)算機(jī)輔助制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理能力等，但價(jià)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jìn)的CAD/CAM系統(tǒng)和設(shè)備上，但在其上進(jìn)行的二次開發(fā)較少，資源利用率低。對(duì)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(jì)算機(jī)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(zhǔn)確地對(duì)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(dá)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(shì)主要有以下10個(gè)方面：
（1） 精密塑料件成型工藝與模具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。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(jìn)，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(dá)到幾百腔）、一模多工序復(fù)合加工、一模出多個(gè)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(jī)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(jì)模具?？焖俳?jīng)濟(jì)模具由于制造工藝簡單、精度易控制、價(jià)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(jì)將成為模具設(shè)計(jì)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(gè)模具價(jià)格構(gòu)成中，材料費(fèi)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(huì)越來越受到模具企業(yè)的重視。
（7） 在模具設(shè)計(jì)制造中計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)將得到進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造（CAI/CAM）技術(shù)是模具技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。進(jìn)一步開發(fā)軟件提高設(shè)計(jì)制造的自動(dòng)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(dòng)化方向發(fā)展。用帶來磨具磨損補(bǔ)償送進(jìn)裝置的數(shù)控自動(dòng)化研磨來逐步代替手工勞動(dòng)，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(dāng)然，自動(dòng)化研磨機(jī)不可能代替全部手工勞動(dòng)，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(dòng)加工系統(tǒng)具有如下特性：多臺(tái)機(jī)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(rèn)真面對(duì)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(píng)價(jià)維護(hù)體系，形成區(qū)域規(guī)模優(yōu)勢(shì)，相互交流與協(xié)作，組成行業(yè)集團(tuán)，盡快與國際接軌，參與國際競爭。同時(shí)把協(xié)同創(chuàng)新設(shè)計(jì)、激光等先進(jìn)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(jì)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(jì)制造模式。
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