基于UG的三通管塑料模具设计文献综述

文献综述

一、前言部分

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。但是从第10届国际模具技术和设备展览会上可以看出我国的塑料模已从过去的单纯仿制、加工粗糙，发展到现在已大量运用先进技术和理论知识，并且积累了丰富的制模经验。更重要的是这已不是个别的企业，而是涌现出大批具有相当水平的模具企业，是我国模具水准的整体提升。模具水准的提高不仅需要先进的制造技术和成熟的经验，更要依赖优秀的质量管理体系，具备所有这些条件才能使我国的塑料模具一步一步走向世界，走向成功。再介绍一下国外的情况，首先说下塑料模具方面，下面以“欧洲模展上的先进模具技术”的考察报告以基准来简单介绍一下在EuroMold 2001 上展出的模具大部分为塑料模，许多模具巧妙的设计、高超的加工技术和卓越的质量令人赞叹。例如，Sermo 、EN GEL 等公司展出了多零件、多色、多材料注射模，回转台注射成型和带分度板座的注射成型系统。利用这些模具和技术可实现同一模具中成型多种零件，并且可实现多种颜色、多种材质塑料的注射成型。MHT 公司展出了1 模144 腔的高效瓶坯模具，其特点不仅腔数多，而且注射周期短，生产效率高，该模具每小时可制造瓶坯达60 000 个。Solvay公司展出了其表面涂层专利技术，可使模具表面层硬度达1750～3400HV，厚度为5μm，大大提高了模具的耐磨性和使用寿命。Synventive Molding Solutions公司的动态进料技术是塑料模技术中的一个亮点，这是一项控制熔融塑料在热流道系统中流动的专利技术。所谓动态进料，就是可为每个浇口分别设定注射时间、注射压力等参数，根据这些设置进行注射，可以获得平衡的注射和最佳的质量保证。为实现上述目的，装置内每个热流道喷嘴有一个针阀，用以调节塑料的流动。针阀可通过液压驱动活塞动态地、

无级地移动，针阀的位置决定了注射的流量和压力。在流道内有压力传感器，可连续记录流道内的压力变化，并将压力曲线与预置的压力曲线进行比较，通过液压系统控制针阀位置，调整压力至预先设定的值。动态进料技术的另一优点，就是允许使用可换模具，即可使用一标准模具，对于不同制件只要更换模芯，而不必调整热流道系统。这样就可以减少使用的模具数。动态进料装置也允许使用多模成型，同时允许每个模具使用不同的模芯。对于单副模具，即具有一个模芯和多个浇口时，用户可分别调节各个浇口的注射量、注射时间和压力，从而保证复杂注射零件的质量。总体说来，我们的塑料模具制造水平与世界先进水平的差距还是很大的[1]。

注塑成型工艺方面，多材质塑料成型模、高效多色注射模、镶件互换结构和抽芯脱模机构的创新设计方面也取得较大进展。气体辅助注射成型技术的使用更趋成熟，如青岛海信模具有限公司、天津通信广播公司模具厂等厂家成功地在29～34英寸电视机外壳以及一些厚壁零件的模具上运用气辅技术，一些厂家还使用了C2MOLD 气辅软件，取得较好的效果。如上海新普雷斯等公司就能为用户提供气辅成型设备及技术。现在，热流道模具已逐渐开始推广，有的厂采用率达20 %以上，一般采用内热式或外热式热流道装置，以及具有世界先进水平的高难度针阀式热流道装置，少数单位采用具有世界先进水平的高难度针阀式热流道模具。但总体上热流道的采用率达不到10 % ，与国外的50 %～80 %相比，差距较大[4]。

二、主题部分

1注塑模具制造的特点：

1.1型腔及型芯呈立体型面.塑件的外部和内部形状是由型腔和型芯直接成型的，这些复杂的立体型面加工难度比较大，特别是型腔的盲孔型内成型表面加工，如果采用传统的加工方法，不仅要求工人技术水平高、辅助工夹具多、刀具多，而且加工的周期长[15]。

1.2精度和表面质量要求高，使用寿命要求长。目前一般塑件的尺寸精度要求为IT6~7，表面粗糙度Ra0.2~0.1μm，相应的注塑模具零件的尺寸精度要求达到IT5~6，表面粗糙度Ra0.1μm以下。激光盘记录面的粗糙度要达到镜面加工的水平的0.02~0.01μm这就要求模具的表面粗糙度达到0.01μm以下.长寿命注塑模具对于提高高效率和降低成本是很必要的，目前注塑模具的使用寿命一般要求100万次以上.精密注塑模要用刚度大的模架，增加模板的厚度，增加支承柱或锥形定位元件以防止模具受压力后产生变形，有时内压可以达到100MPa。顶出装置是影响制品变形和尺寸精度的重要因素，因此应该选择最佳的顶出点，以使各处脱模均匀。高精度注塑模具在结构

上多数采用镶拼或全拼结构，这要求模具零部件的加工精度、互换性均大为提高[15]。

1.3工艺流程长，制造时间紧。对于注塑件而言，大多是与其它零部件配套组成完整的产品，而且在很多的情况下都是在其它部件已经完成，急切等待注塑件的配套上市。因为对制品的形状或尺寸精度要求很高，加之由于树脂材料的特性各异，模具制造完成后，还需要反复地试模与修正，使开发和交货的时间非常紧张[15]。

1.4异地设计、异地制造。模具制造不是最终目的，而是由用户提出最终制品设计，模具制造厂家根据用户的要求，设计制造模具而且在大多数情况下，制品的注射生产也在别的厂家。这样就造成了产品的设计、模具设计制造和制品的生产异地进行的情况[15]。

1.5专业分工，动态组合。模具生产批量小，一般属于单件的生产，但是模具需要很多的标准件，大到模架，小到顶针，这些不能也不可能只由一个厂家单独完成，且制造工艺复杂，普通设备和数控设备使用极不均衡[15]。

2模具制造技术的发展方向：

基于以上模具制造的五个特点，对现代模具制造业提出了相应的要求。当前模具制造的发展方向主要表现为以下五个方面[13]：

2.1从一般的机加工方法，发展至采用光机电相结合的数控电火花成形、数控电火花线切割以及各种特殊加工相结合，例如电铸成形、粉末冶金成形、精密铸造成形、激光加工等。从而可以加工出复杂的型腔和型芯，以及保证较高的加工精度要求。目前慢走丝线切割和电火花放电加工精度要求。目前慢走丝线切割和电火花放电加工精度可达到±1.5μm，加工表面粗糙度可达到Ra0.004μm，基本上达到了精面要求[13]。

2.2先进的技术支持条件。模具的服务对象主要是电器、汽车厂家，产品的更新换代快，而且模具的设计已经从二维发展为三维，实现了可视化设计，不但可以立体、直观地再现尚未加工出的模具体，真正实现了CAD/CAM一体化，而且三维设计解决了二维设计难于解决的一些问题，诸如：干涉检查、模拟装配等[13]。

2.3模具快速制造技术。当前快速制造有三个发展方向：分别是基于并行工程的注塑模具快速制造、基于快速原型技术的注塑模具快速制造和高速切削技术[13]。

2.3.1基于并行工程的注塑模具快速制造这种生产方式。是以注塑模具的标准化设计为基础的，它主要体现为经营管理、模具设计为基础的，它主要体现为经营管理、模具设计和模具制造的三个体系的标准化。为了实现标准化，需要解决三项关键技术：一是统一数据库和文件传输格式；二是充分利用和开发Internet和Intranet，实现信息的集成和数据资源的共享；三是解决生产的组织、协调和专业分工，确定各个部门和层次的项目分解和利益分配的基准和算法[13]。

2.3.2 基于快速原型技术的注塑模具快速制造。直接从CAD模型生产工模具被认为是一种可以减少新产品成本和开发周期的重要的方法，近些年来，这种将CAD技术、快速成型（RP）和快速工模具制造（RT）等高新技术相结合，已经对传统的注塑模具的制造产生了重大的冲击。CAD技术的应用在很大程度上代替了实物的评估和试验，减少了新产品研制过程中的迭代次数，从而加快了新产品的开发速度[13]。

2.3.3高速切削技术（High Speed Machining）的应用。高速切削技术制造模具，具有切削效率高，可明显缩短机动加工时间，加工精度高，表面质量好，因此可大大缩短机械后加工、人工后加工和取样检验辅助工时等许多优点[13]。

在某注塑模的高速铣削中，材料硬度为56~58HRC，原来采用电火花加工（EDM），每个零件需时90min，采用直径为12mm球头铣刀，主轴转速1500r/ min、工作台进给1500r/ min进行高速加工，加工每个零件只需5min，工效提高了18倍[13]。

2.4发展新的塑料模具材料及模具表面技术。主要是发展易加工、抛光性好的材料，预硬易切削钢（一般28~35HRC之间)、耐蚀钢、硬质合金钢以及时效硬化型钢、冷挤压成型钢。表面工程可以弥补模具材料的不足，降低模具材料的研发及加工的费用。近年来迅速发展起来的激光表面强化技术、物理气相沉淀技术（PVD）、化学气相沉淀技术（CVD）、热喷涂技术等新的表面技术，而传统的表面技术（如热扩散、电镀）也有很大的完善与发展，如电镀技术已经发展到复合电镀技术[13]。

2.5基于信息注塑模具的制造新模式。与注塑模具制造活动有关的信息包括产品的信息和制造信息。现代制造过程可以看作是原材料或毛坯所含的信息量的增值过程，信息流驱动将成为制造业的主流。它包括两个层面：一是通过企业内部的局域网，完成模具报价、人员的安排、制品原始数据、模具加工工艺、质量检测、试模具与交付等任务；二是通过企业外部的互联网完成企业与用户、与外协企业之间的信息交换，这种制造方式必须通过动态联盟（Virtual Organization）这种新的生产模式来实现的。动态联盟分三层：紧密层、合作关系层和松散层[13]。

3新兴特殊注射成型技术对模具制造的发展要求：

注射成型技术作为塑料加工成型方法中最重要的方法之一，已经得到相当广泛的应用。据统计，注塑制品约占整个塑料制品的20%~30%，而在工程塑料中有80%以上的制品是采用注塑成型加工的。但随着塑料制品应用的日益广泛，不同的领域对塑料制品的开头精度、功能成本等方面提出了很多更高的要求，因此在传统注塑成型技术的基础上，又发展了许多特殊的新兴注塑成型技术，如低压注射成型、熔芯射击成型、装配注射成型、磁场定向注射成型、单色多模注射成型、气体辅助注射成型、薄壳注射成型技术等。因些必须改变注塑模具的设计和制造体系，才能够满足成型要求[19]。

另外，随着微机电系统的产业生命线的进展，微细型注塑模具设计与制造技术的研究近年来得到了人们的重视，随着MEMS产业化的进程，微注塑成型技术有着巨大的潜力和发展空间。微型注塑成型通常用于医疗、电信、计算机、电气等领域，医疗和电子器械越来越小型化，因此对人们希望制件可以做得越来越小。微型注塑成型有许多优点，如工模具的成本可以更低，而且原料的成本也大大的降低，研究适合微型注塑模具和微型注塑机的成型理论和制造方法，寻找和研制适合微型塑料制件生产的塑料原料，以及开发相应的检测仪器设备，已经成为目前国内外的研究热点[19]。

4我国塑料模具工业和技术今后的主要发展方向：

4.1提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计制造水平及比例。

4.2在塑料模设计制造中全面推广应用CAD/CAM/CAE技术。基于网络的CAD/CAM/CAE一体化系统结构初见端倪，CAD/CAM软件的智能化程度将逐步提高；塑料制件及模具的3D设计与成型过程的3D分析将在我国塑料模具工业中发挥越来越重要的作用。

4.3推广应用暖流道技术、气辅注射成型技术和高压注射成型技术。气助注射成型可在保证产品质量的前提下。大幅度降低成本。气体辅助注射成型比传统的普通注射工艺有更多的工艺参数需要确定和控制体辅，而且其常用于较复杂的大型制品。模具设计和控制的难度较大，因此，开发气体辅助成型流动分析软件，显得十分重要。

4.4开发新的塑料成型工艺和快速经济模具。以适应多品种、少批量的生产方式。

4.5提高塑料模标准化水平和标准件的使用率。首先要制订统一的国家标准。并严格按标准生产；其次要逐步形成规模生产、提高商品化程度、提高标准件质量、降低成本；再次是要进一步增加标准件规格品种。

4.6应用优质模具材料和先入的表面处理技术对于提高模具寿命和质量显得十分必要。

4.7研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程。采用三坐标测量仪或三坐标扫描仪实现逆向工程是塑料模CAD/CAM的关键技术之一。研究和应用多样、调整、廉价的检测设备是实现逆向工程的必要前提。

4.8“十一五”期间我国塑料模具发展方向，塑料模具占模具总量近40%，而这个比例仍不断上升。塑料模具中为汽车和家电配套的大型注塑模具，为集成电路配套的精密塑料模具。为电子信息产业和机械及包装配套的多层、多腔、多材质、多色精密注塑模。为新型建材及节水农业配套的塑料异型材挤出模及管路和喷头模具等，目前虽然已有相当技术基础并正在快速发展，但技术水平与国外仍有较大差距，每年进口达几亿美元，因此”十一五”期间应重点发展[19]。

5目前存在问题由于我国模具行业起步比较晚，与国外相比，有一定的差距，主要表现在：

5.1模具设计人员缺乏我国模具人才一直缺乏。模具人才的培养需要较大规模的硬件设备和高水平的师资力量。模具设备动辄上百万，投入大，回收慢，而且师资缺乏。更重要的是，学模具设计需要的时间很长，一般要2到3年的实践才可以成为一名合格的模具技术人员，而且模具制造环境脏且累，很少有年轻人选择学这个行当。今年模具设计人才由为紧缺，很多企业的人事经理对模具设计人才和数控加工人才表现出极大的热情。他们表示，懂绘图软件，会看图纸，会使用AUTOCAD和PRO/E等绘制模具图纸和加工图纸，有一定经验的模具设计人才和懂加工工艺，会使用MAST-ERCAM和UG编写套路，有一定经验的数控加工人才，是目前社会较缺乏，企业最急需的人才。但由于模具设计设备投入资金大，要求教师实践经验丰富，因此专业培训机构很少。如今在广东，仅有为数不多的几家培训中心开设了模具设计课程，但是在专业内容的设置上还存在很大的缺陷。

5.2国内模具制造水平档次低于国外模具制造厂家，制造工艺条件参差不齐，不少厂家因为设备不配套，很多工序依靠手工完成，严重影响了精度和质量。国家模具大多采用2Cr13和3Cr13作精密热处理，而国外则采用专用模具材料DINI2316，其综合机械性能，耐磨耐腐蚀性能及抛光亮度均明显优于国产材料。这从根本上影响了国产模具的外观质量和使用寿命。模具就其本质来言属于共装，生产出合格制品才是最终目的。因此，模具的质量，性能依赖试模结果检验。国内模具厂因要求交货时间短，试模设备局限，往往把质量检验工作放在用户处试模，易给用户造成大量的损失和浪费。而且由于修模受时间和场地的限制，往往难以调试出最佳的状态。而国外一些发展交好的企业都拥有自己的试模场所和设备，可以模拟用户的工作条件试模，所以能在最短的时限达到很好的效果。在确保品质的前提下，降低成本无疑是努力的方向。但目前一些厂商只关心价格，而忽视了模具的技术质量，对用户而言合理的质量价格比是最优选择，所以进口模具价格比国产的高8到10倍仍有其市场空间。

三、总结部分

去年下半年以来，中国宏观经济外部不确定因素增多，面对国际国内两个市场变化，模具出口企业订单有所减少，一些创新意识不强、缺乏核心竞争力的中小模具企业生存压力加大。由于今年上半年汽车产销同比增长为16.71%和18.52%，低于去年同期22%的增长速度，预计下半年车市状况仍不容乐观，对汽车模具发展必然产生较大冲击。我国模具工业与国外模具巨头相比还存在很大的差距，但总结下来，中国模具

工业落后几大因素分析大致有如下几点：

（1）是总量供不应求，缺少中高档模具；

（2）是企业组织结构、产品结构、技术结构和进出口结构不够合理；

（3）是模具产品水平低于国际水平，生产周期却高于国际水平；

（4）是开发能力较差，经济效益欠佳；

（5）是国家对模具工业的政策支持力度还有待加强；

（6）是人才严重不足，科研开发及技术攻关投入太少；

（7）是工艺装备水平不高，配套性不好，利用率低；

（8）是专业化、标准化、商品化程度低，协作能力差；

（9）是模具材料及模具相关技术落后。

面对问题与不足，我认为模具产业极需一批行业的领军企业和人物，迫切需要行业协会引领企业开拓市场，实施行业自律和建立价格体系进行公平竞争，而不是互相压价，恶性竞争。市场经济迫切需要行业协会成为一个坚强有力的、权威的机构，在服务政府、服务企业的同时，促进整个模具行业朝良性、健康向上的轨道发展。

国内外塑料模具技术比较表[9]

四、参考文献

[1] 葛正浩编著．UG NX 5.0塑料模具设计[M]．北京：化学工业出版社，2008．

[2] 屈华昌主编．塑料模设计[M]．第一版．北京：机械工业出版社，1993 ．

[3] 李倩等．PVC装饰板材挤出模设计[J]．模具工业，1999．

[4] 冯炳尧等．模具设计与制造简明手册[M]．上海科技出版社，1985．

[5] 屈华昌主编．塑料成型工艺与模具设计[M]．北京：机械工业出版社，1996．4．

[6] Roller D.Dimension-driven Geometry In CAD [J].Theory and Practice of Geometric Modeling, 1989, 509~523．

[7] Yoshida K.Classification of and Systemation of Shddt Metal Press Forming Process[J].Sci.Pap.IPCR.Vol42,No. 1514,1959,142~159．

[8] Swift H M.Plastic Instability Plane Stress [J].Mech. Phys of Solids, 1952 Vol. 1, No.1．

[9] 申开智．塑料成型模具[M]．中国轻工业出版社，2002．

[10] 周凤云主编．工程材料及应用(第二版)．武汉：华中科技大学出版社，2002．11．

[11]张克惠．斜滑块抽芯机构受力分析[J]．模具工业，1994．

[12] 陈嘉真主编．塑料成型工艺及模具设计[M]．第一版．北京：机械工业出版社，1995．

[13]俞汉青，陈金德．金属塑性成型原理[M]．机械工业出版社，2003．

[14] 周积．注塑模具设计培训教程[M]，清华大学出版社，2002．

[15]王群．UG/NX3．0注塑模具实例教程[M]，北京：机械工业出版社，2006．

[16] 王文平，池成忠．塑料成型工艺与模具设计[M]．北京大学出版社，2005．

[17] 唐志玉．塑料模具设计师指南[M]．国防工业出版社，1999．

[18]付宏生．注塑制品与注塑模具设计[M]．化学工业出版社，2003．

[19]屈华昌．塑料成型工艺与模具设计[M]．机械工业出版社，2000．

[20]王树勋．典型注塑模具结构图册[M]．中南工业大学出版社，1992．

[21] 王孝培．塑料成型工艺及模具简明手册[M]．机械工业出版社，2001．

[22] 陈华明．UG/NX50模具设典型案例详解[M]．北京：机械工业出版社，2008．1．

[23] 许鹤峰，陈言秋编．注塑模具设计要点与图例[M]．北京：化学工业出版社，1999．