【资料】现代注塑模具制造方法

    摘要：文章主要介绍注塑模具的发展方向，以及传统注塑模具设计过程并与Pro/Engineer环境下设计注塑模具、基于并行设计的注塑工艺、模具计算机集成的实施方案等作比较，突出新技术方法及设计系统的优点及必要。

关键词：注塑模具、Pro/Engineer模具设计、Pro/Engineer运行硬件要求、并行设计、ＣＡＥ

一、注塑模具发展

1. 模具工业的发展：

近年来，模具的发展越来越多的被人们所重视，它凝聚了各类高新技术，能快速精密地直接把材料成型、焊接、装配成零部件、组件或产品，其效率、精度、流线、超微型化、节能、环保，以及产品的性能、外观等，都是传统工艺方法所望尘莫及的。

2. 当前注塑模具技术发展现状:

随着国民经济的发展，人们对塑料制品的需求日益提高，作为塑料制品成型加工中最为普遍的注塑成型工艺技术，在不断注入高新技术的基础上，近年来获得了长足的进步，如热流道技术、自干扰流动等，塑料注塑制品已成为国民经济建设、国防建设和人们日常生活中不可短缺的用品，且对其需求程度越来越大。国外技术先进的国家，模具制作已实行“无纸化”，模具师靠电脑设计，产品加工也就是向电脑输入数据，进行模具开发。我国塑料模具无论是在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都有了很大发展，但与国民经济发展需求和世界先进水平相比，差距仍很大。一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍大量进口。在总量供不应求的同时，一些低档塑料模具已供过于求，市场竞争激烈；一些技术含量不太高的中档塑料模具也有一些趋向于供过于求。国内模具制造企业相比外资模具企业的优势主要还是体现在成本优势上，但这种优势会越来越不明显。国内模具企业的劣势主要体现在管理水平的落后、技术水平的落后、生产设备的落后、人才培训机制的落后等。

由于我国塑料工业的快速发展，特别是工程塑料的高速发展，我国塑料模具的发展速度仍将继续高于模具工业的整体发展速度。在生产量高速增长的情况下，中国塑料模具水平也有很大提高。国内目前已能生产单套重量达60吨的大型模具、型腔精度达0.5μm的精密模具、一模7800腔的多腔模具及4m／min以上挤出速度的高速模具。模具寿命也有很大提高，己可以达到100万模次以上。

3. 注塑模具技术的发展趋势

大型化、高精密度、多功能复合型将是未来模具的发展方向，热流道模具在塑料模具中的比重将逐渐提高，并且随着塑料成型工艺的不断改进与发展，气辅模具及适应高压注射成型等工艺的模具也将随之发展。其中精密、大型、复杂、长寿命模具等高档塑料模具应加大研制与开发。

发展趋势为：

（1）模具产品将向着更大型、更精密、更复杂及更经济快速方向发展；模具生产将朝着信息化、无图化、精细化、自动化方向发展；模具企业将向着技术集成化、设备精良化、产品品牌化、管理信息化、经营国际化方向发展。

（2）模具企业及其模具生产正在向信息化方面迅速发展，这也是一种趋向。21世纪，信息越来越多，信息技术越来越先进发达，信息已与人们的生产和生活休戚相关。在目前的信息社会中，高水平的模具，现代模具企业，单单只是CAD/CAM的应用已远远不够。目前许多企业已经采用的CAE、PDM、CAPP、KBE、KBS、RE、CIMS、ERP等技术及其他许多先进制造技术和虚拟网络技术等都是信息化的表现。向信息化方向发展这一趋向已被行业所共认。

（3）高速加工、复合加工、精益生产、敏捷制造及新材料、新工艺、新技术将不断得到发展。

（4）随着人类社会的不断进步，模具必然会向着更广泛的领域和更高水平发展。现在，能把握机遇，开拓市场，不断发现新的增长点的模具企业和能生产高技术含量模具的企业日子普遍好过，任务忙不过来，利润水平和职工收入都很好，日子红红火火。因此，模具企业应把握这个趋向，使自己生产的模具向高水平发展，不断提高自己的综合素质和整体实力及进入国际市场的竞争力。

二、传统注塑模具设计过程

1. 塑件的工艺性分析

1.1塑件的原材料分析

1.2零件的尺寸精度分析

1.3表面质量分析

1.4外壳结构工艺性分析

2. 成型设备的选择与模塑工艺参数的编制

2.1计算塑件的体积与质量

2.2选用注塑机

2.3塑件注射成型工艺参数

3. 注塑模结构设计

3.1分型面选择

3.2流道设计

3.3浇口设计

3.4模架的选择

4. 推出机构

4.1 导柱、导套

4.2 推管、复位杆等

5.制件体积的计算

6.射机校核

6.1最大注射量的校核

6.2锁模力的校核

6.3最大注射压力的校核

7.模具工程图与零件制造工艺

7.1总装配图

7.2型芯零件图及工艺

三、Pro/Engineer环境下设计注塑模具

1.设计过程

典型的注塑模设计过程在Pro/ENGINEER环境下，注塑模设计过程包含以下步骤：

1.1创建塑料件模型（也称为三维造型）；

1.2创建毛坯，用来定义所有模具元件的体积；

1.3根据不同的收缩率、脱模斜度和塑件模型构建型腔、型芯的特征和尺寸；

1.4加进模具装配特征形成浇注系统，定义分模面及模块；

1.5定义模具开启的步骤及检查干涉；

1.6依需要装配模座，完成冷却系统设计；

1.7完成所有零件的零件图；

1.8根据加工需要，天生零件的NC代码。

2.模具型腔和型芯的设计

在设计过程中，首先通过对塑料件模型的不同部位尺寸设定收缩率、构建设计模型、产生型腔及型芯特征尺寸，然后使设计模型与型腔或型芯毛坯重叠，经过一系列面的天生、延伸及融合等操纵形成分模面，最后从毛坯中挖往设计模型，并从分模面切割产生型腔和型芯。

3.模具零件加工

4.其他功能

Pro/ENGINEER具有强大的接口功能，能通过IGES、STL、SET、STEP等格式与其他CAD/CAE/CAM软件实现数据文件的交换。在塑料产品开发中，通常利用这个接口与C-MOLD、MOLDFLOW、Z-MOLD等软件相连，利用它们的分析模块，对Pro/ENGINEER中的造型进行分析，以确定模具的结构及注塑工艺。

Pro/ENGINEER提供的Pro/PROGRAM是零件与装配自动化设计的一个重要工具，用户可经过非常简单的高级语言来控制零件特征的出现与否、尺寸的大小与零部件的出现与否、零部件的简易显示或完全显示以及零部件的数目等。当零件或装配件的Pro/PROGRAM设计完成后，读取此零件或装配件时，其各种变化情况即可利用交互方式得到不同的几何外形，达到产品设计要求。利用Pro/ENGINEER还可以方便地建立零件库。在注塑模设计中所需的通用件和标准件都可根据用户的要求建立，同时用户所设计的每副模具都可作为模具库的组成部分，以供后续模具设计应用。

四、Pro/ENGINEER运行硬件要求

统一的软件平台对硬件平台的一致性提出了要求，首先是硬件性能的一致性，在CAD、CAE、CAM阶段统一采用三维模型，就需要这三个阶段均采用高性能的图形工作站平台。其次，是品牌服务的一致性，全部环节采用同一家厂商的产品有利于获得稳定一致的维护、维修和技术咨询服务。当然，在不同阶段也需要根据需求采用不同的配置，以IBM IntelliStation M Pro 6218系列个人图形工作站为例（配置如表1所示）。M Pro 6218系列是IBM公司基于全新Intel i955X芯片组推出的新型个人图形工作站，基于新的芯片组、处理器，用户完全可以根据需求灵活搭配处理器、内存和专业图卡。针对模具行业的需求，显卡方面，仅需要将显卡分为高端和低端选择即可，高端采用FIREGL V7100或NV 3400/3450系列的显卡，低端采用FIREGL V3100或NV 450/1300/1400系列的显卡。按内存可分为高中低三档，高档选择2GB或以上的内存，中档在1GB内存，低档选择512MB内存。从处理器上划分，M Pro 6218系列可以灵活选用LGA775接口的处理器，包括：Intel Pentium 4 630（3.0GHz）、Intel Pentium 4 640（3.2GHz）、Intel Pentium 4 650（3.4GHz）和Intel Pentium 4 670（3.8GHz），Pentium 4 940 (3.2G)双核处理器。实际上，大部分模具设计、分析和制造工作在中低端配置上就可以完成。3.0GHz以上主频的处理器、1GB内存和FIREGL V3100/ NV 1400显卡属于模具行业的主流安全配置。

五、基于并行设计的注塑工艺与模具计算机集成的实施方案

目前，注塑模具的开发过程中广泛采用串行开发流程，存在着模具设计和制造规划、注塑工艺设计等工作由实施阶段的不同部门承担的现象。图1是这种模具开发方式的基本流程：

很显然这种开发模式存在着下列问题:

（1）使得模具设计在早期不能全面的考虑下游的可制造性、可装配性、质量保证、注塑工艺等多种因素。容易出现设计方案的反复，甚至返工，造成浪费。

（2）设计过程缺少信息集成，缺乏统一的信息模型。与CAD. CAM有关的部门没有解决好在设计工作、制造工作、计算机系统之间共享数据的问题。对于注塑产品来讲就是如何协调好塑件结构、注塑模具、模具制造和注塑工艺四个因素。

（3）缺乏全局性的优化目标，一般难以获得最佳的注塑产品质量。

1.注塑产品设计开发周期分析

并行工程强调整个产品生命周期的并行设计，产品生命周期是指产品从设计到使用生命结束的过程。对于注塑工艺来讲，着力解决的主要问题仍然是产品开发周期的各个要素之间的关系，包括塑件设计、模具设计、模具制造、塑件制造几个阶段，这几个阶段的关系如图2示，通过分析，可以得出以下几点认识：

  （1）在注塑产品的开发周期过程中，各环节相互关联；

（2）产品功能、结构设计与模具的设计与制造、注塑成型加工、使用都有关系，产品设计在一定程度上决定了产品的性能、质量和成本；

（3）模具设计与模具制造、装配、制品注塑生产都有关系，影响模具的可制造、可装配性、生产的方便性、效率，并最终影响制品质量、成本； （4）制品生产的工艺条件影响制品质量，间接影响制品的使用性能。

2.注塑模具并行设计方法

设计是一个需要多种专门知识和实践经验，包含分析、综合、评价等过程，直到实现合理正确的目标的一种创造性活动。从信息加工的角度来看，设计是人们对某一领域知识的创造、检索、整理、表示、传播以及在客现世界中的再现，是一个设计对象的描述信息逐步增加的过程。将并行设计方法用于指导模具设计，是近几年不少学者致力开发的一个热点。根据对所采用的方法的处理和所采用的技术路线的不同，有学者将注塑模具并行设计方法归为两类:基于束的并行设计和基于模拟的并行设计。

2.1基于约束的井行设计把与设计有关的制造性约束、装配性约束、测试条件约束、可维护性约束、可重用、重组性约束等施加与产品的设计过程，使所设计的产品具有期望的性能，称为基于约束的并行设计。基于约束的并行设计方法实质是增加了过程需求约束的产品设计约束满足问题。以过程需求约束表示并行设计中对周期下游因素的考虑。约束并行设计的特点是开发周期中的每一阶段都需遵循一定的双向传递的规则，产品开发上游阶段的决策，在一定程度上影响着下游的结果，而下游的修改也直接反馈到上游，并做出相应的处理。

2.2基于模拟的并行设计通过CAE系统.对产品制造等下游过程进行仿真，并将分析评价结果反馈给设计，使不合理设计因素能够在设计阶段得以修改，这样的并行设计过程称为基于模拟的并行设计。注塑工艺中有许多复杂问题是无法通过约束问题求解的，这些问题只有采用建立在严格实验和数学模型基础上的注塑工艺CAE系统，通过仿真模拟来发现，并进而提出解决方案。通过模拟软件，对产品制造等下游过程进行仿真，将分析结果反馈给设计，确定不合理的设计因素。将产品开发下游中可能遇到的问题提前在设计阶段发现并解决。例如，用注塑流动分析软件C-MOLD分析模具设计方案，可以判断出流动熔接线的位置，如果熔接线位置不合理，将修改浇口位置或数量，从而将熔接线位置移动到合适的位置，使得在传统设计中，只能在试模阶段发现的问题，在设计阶段就得以发现并解决。另外基于模拟的并行设计方法可以结合注塑工艺的某一优化目标进行模拟，以获得最佳的注射工艺方案，而这些在基于约束的并行设计方法中，是难以实现的。注塑产品的注射充填过程的复杂性决定了计算机辅助工程(CAE)在并行设计中的重要性，即将CAE引入注塑产品的并行设计中来，用CAE模拟的结果指导产品开发的全过程，实施基于模拟的注塑工艺及模具的并行设计。

3. 注塑工艺与模具设计的并行实施和计算机集成

注塑模开发主要分为三个阶段，即模具设计，模具制造，和注塑生产。每一个阶段都有其本身的特点，包含有许多子任务，在时间上和空间上体现了串行和反复的特点，实施并行设计的主要目的之一是尽可能的减少反复环节的次数和时间，即通过加大设计阶段的功能，将本来在制造或试模阶段才能发现的诸如工艺或不符合产品功能要求等由于设计而造成的问题.加以发现和避免，从而，在整体上缩短开发周期，提高产品质量，而设计阶段的功能的强化则通过CAD. CAM和CAE技术的并行实施来实现。

图3是本文所提出的注塑工艺及模具计算机集成的系统框图，按照这个方案，注塑产品开发及模具设计过程主要包括产品定义、模具设计、零件加工工艺规划和注塑1艺CAE及工艺参数优化几个设计部分。其中，注塑产品定义主要是根据产品性能要求或根据图纸等技术资料的要求对产品的属性，如几何形状、材料性能等在CAD系统中进行描述，建立制件的三维几何模型，井从中将CAE系统分析需要的几何和拓扑信息(如材料属性)等有关信息输入到CAE分析系统中。同时根据零件的几何特征而由设计人员完成的模具概念设计 (如浇口位置、流道布置及冷却方案构思等)信息也传输到注塑工艺CAE分析子系统中，CAE子系统完成模具设计方案和冷却及流动系统的优化。运用CAE系统进行1_艺方案评价的过程，是一个优化的过程，一般是由模具设计子系统提供多种方案，根据CAE的分析评价结果筛选出其中最优的方案提供给设计子模块。根据CAE及优化子模块得出的流道系统及冷却系统方案及有关参数，模具设计子模块完成模具结构的具体设计，然后将设计结果提供给零件加工工艺规划和数控编程子模块，完成零件的工艺规划和加工的数控编程。对按工艺要求不合理的设计部分，及时反馈到设计子模块进行必要的修改，直到获得合理的设计方案。由于图形化数控交互编程技术在CAD系统中的成功应用，目前很多CAD系统已经实现了CAD/ CAM的无缝集成，所以在同一系统中将产品定义、模具设计、加工工艺规划和数控编程等设计过程集成起来在技术上是可行的，将上述三个子模块的成称为注塑模具设计CAD/CAM集成 (图中内虚线框示)。有些CAD系统提供了部分CAE功能模块，如UG系统中内嵌的Part Adviser. Pro/Engineer系统中的Quick Fil等只能进行简易流动分析，而对于注塑工艺和模具设计的总体分析评价和优化来讲，这些模块的功能显然是不足的，所以在注塑模具和工艺集成系统中CAE子系统是功能完善的独立系统，它和设计子系统的信息传输只能通过标准格式数据文件来实现。全功能注塑工艺CAE系统与CAD/CAM系统的无缝集成目前尚没有实现。系统中最终输出的结果是经过CAE系统分析评价的针对该种模具设计方案的最优注射工艺参数文件和零件加工的工艺文件和NC代码。

4.结论

并行设计的基本思路是将下游某过程提前到设计阶段集中研究，具体的实施方法各异。将多个下游过程作为一个整体同时进行并行设计时，信息如何协调一致地共享是其核心问题。以上是本文所提出的基于并行设计方法的注塑工艺与模具计算机集成的实施方案，这种实施方式的突出特点是强化模具设计阶段的功能，一旦设计阶段完满结束，接下来开发过程的下游阶段就在上游设计信息的指导和支持下实施的，一次设计成功成为可能。

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