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摘要
模具作为重要的工艺装备，在消费品、电器电子、汽车、飞机制造等工业部门有举足轻重的地位。
工业产品零件粗加工的75%、精加工的50%及塑料零件的90%将由模具完成。
我国模具行业近年来均增长速度为21%。
今后一段时期，对模具的需求主要集中在四个行业：
汽车行业、家用电器行业、电子及通讯行业和建材行业。
模具是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值要比模具自身的价值高几十倍。
如汽车行业，目前我国汽车产量超过400万辆，基本车型达到170种，新车型和改装车型将达430种，汽车换型是约有80%的模具需要更换，一个型号的汽车所需模具达数千副，价值上亿元；
家用电器行业中彩电、电冰箱、洗衣机、空调器、微波炉、录像机、摄影机、VCD、DVD等需用模具量大。
单台彩电需用模具约140副。
价值700万元。
目前，全世界模具年产值约为600亿美元，日、美等工业发达国家的模具工业产值已超过机床工业，从1997年开始，我国模具工业产值也超过了机床工业产值。
模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，因为模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。
模具行业日益受到国家和人们的关注和重视，国务院颁布的《关于当前产业政策的决定》也把模具行业列为机械制造工业改造序列的第一位。
1999年8月20日党中央和国务院发布的《关于加强技术创新发展高科技实现产业化的决定》中，明确提出了高新技术产业领域。
《决定》指出：
要在电子信息特别是集成电路设计与制造、网络及通信、计算机及软件、数字化电子产品等方面，在生物技术及新医药、新技术、新能源、航空航天、海洋等有一定基础的高新技术产业领域，加强技术创新，形成一大批拥有自主知识产权、具有竞争优势的高新技术产业。
在发布《决定》之前，1999年7月，国家计委和科学技术部发布了《当前国家优先发展的高新技术产业化重点领域指南（目录）》，《指南》中列入了电子专用模具、塑料成形新技术与新设备、快速原型制造工艺及成套设备、激光加工技术及成套设备、汽车关键零部件等。
例如，采用快速原型制造技术和设备，用分层实体堆积等方法，可以将复杂的CAD模型转化为实物，使模具和产品的设计、评价与制造周期大大缩短，企业就能快速抢占市场，取得竞争优势。
关键词；
【注塑机】【模具加工】【ｐroe建构】【漱口杯】
第一章绪论国内外发展现状
1.1模具工业概况
本课题主要的方向在于借助计算机的辅助设计软件ProE来实现注塑件与注塑模的设计，在讨论注塑模设计之前，先让我们了解国内外塑料模具工业的状况，塑料模具工业的发展方向。
模具工业是制造业中的一项基础产业，是技术成果转化的基础，同时本身又是高新技术产业的重要领域，在欧美等工业发达国家被称为“点铁成金”的“磁力工业”；
美国工业界认为“模具工业是美国工业的基石”;
德国则认为是所有工业中的“关键工业”;
日本模具协会也认为“模具是促进社会繁荣富裕的动力”，同时也是“整个工业发展的秘密”，是“进入富裕社会的原动力”。
日本模具产业年产值达到13000亿日元，远远超过日本机床总产值9000亿日元。
如今，世界模具工业的发展甚至己超过了新兴的电子工业。
在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其它各类模具约占11%。
[1]
塑料模具工业是随塑料工业的发展而发展的。
塑料工业是一门新兴工业。
自塑料问世后的几十年以来，由于其原料丰富、制作方便和成本低廉，塑料工业发展很快，它在某些方面己取代了多种有色金属、黑色金属、水泥、橡胶、皮革、陶瓷、木材和玻璃等，成为各个工业部门不可缺少的材料。
目前在国民经济的各个部门中都广泛地使用着各式各样的塑料制品。
近几年来由于工程塑料制件的强度和精度等得到很大的提高，因而各种工程塑料零件的使用范围正在不断扩大，预计今后随着微型电子计算机的普及和汽车的微型化，塑料制件的使用范围将会越来越大，塑料工业的生产量也将迅速增长，塑料的应用将覆盖国民经济所有部门，尤其在国防和尖端科学技术领域中占有越来越重要的地位。
目前，世界的塑料产量已超过有色金属产量的总和。
[2]
塑料模具一种用于压塑、挤塑、注射、吹塑和低发泡成型的组合式塑料模具，它主要包括由凹模组合基板、凹模组件和凹模组合卡板组成的具有可变型腔的凹模，由凸模组合基板、凸模组件、凸模组合卡板、型腔截断组件和侧截组合板组成的具有可变型芯的凸模。
模具凸、凹模及辅助成型系统的协调变化。
可加工不同形状、不同尺寸的系列塑件。
用塑料模具生产的主要优点是制造简便、材料利用高、生产率高、产品的尺寸规格一致，特别是对大批量生产的机电产品，更能获得价廉物美的经济效果。
塑料模具的现代设计与制造和现代塑料工业的发展有极密切的关系。
随着塑料工业的飞速发展，塑料模具工业也随之迅速发展。
在我国，随着国民经济的高速发展，模具工业的发展也十分迅速。
整体来看，中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进步，但与国民经济发展的需求、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需大量进口。
在总量供不应求的同时，一些低档塑料模具却供过于求，市场竞争激烈，还有一些技术含量不太高的中档塑料模具也有供过于求的趋势。
加入WTO，给塑料模具产业带来了巨大的挑战，同时带来更多的机会。
由于中国塑料模具以中低档产品为主，产品价格优势明显，有些甚至只有国外产品价格的15～13，加入WTO后，国外同类产品对国内冲击不大，而中国中低档模具的出口量则加大；
在高精模具方面，加入WTO前本来就主要依靠进口，加入WTO后，不仅为高精尖产品的进口带来了更多的便利，同时还促使更多外资来中国建厂，带来国外先进的模具技术和管理经验，对培养中国的专业模具人才起到了推动作用。
2006年，中国塑料模具总产值约300多亿元人民币，其中出口额约58亿元人民币。
根据海关统计资料，2006年中国共进口塑料模具约10亿美元，约合83亿元人民币。
由此可以得出，除自产自用外，市场销售方面，2006年中国塑料模具总需求约为313亿元人民币，国产模具总供给约为230亿元人民币，市场满足率为73.5%。
进口的塑料模具中，最多的是为汽车配套的各种装饰件模具、为家电配套的各种塑壳模具、为通信及办公设备配套的各种注塑模具、为建材配套的挤塑模具以及为电子工业配套的各种塑封模具等。
出口的塑料模具以中低档产品居多。
由于中国塑料模具价格较低，在国际市场中有较强的竞争力，所以进一步扩大出口的前景很好，近几年出口年均增长50%以上就是一个很好的证明。
[3]
1.2我国模具工业发展和技术现状
模具是制造业的重要工艺基础，在我国，模具制造属于专用设备制造业。
中国虽然很早就开始制造模具和使用模具，但长期未形成产业。
直到20世纪80年代后期，中国模具工业才驶入发展的快车道。
近年，不仅国有模具企业有了很大发展，三资企业、乡镇（个体）模具企业的发展也相当迅速。
据不完全统计，近10年全国（未含港、澳、台统计数字，下同）模具生产及进出口发展情况如表1、表2：
中国模具工业概况
由表可见，虽然中国模具工业发展迅速，但与需求相比，显然供不应求，其主要缺口集中于精密、大型、复杂、长寿命模具领域。
由于在模具精度、寿命、制造周期及生产能力等方面，中国与国际平均水平和发达国家仍有较大差距，因此，每年需要大量进口模具。
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C-MOLD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。
热流道模具开始推广，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，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不到10%,与国外的50~80%相比，差距较大。
在制造技术方面，CADCAMCAE技术的应用水平上了一个新台阶，以生产家用电器的企业为代表，陆续引进了相当数量的CADCAM系统，如美国EDS的UGII、美国ParametricTechnology公司的ProEngineer、美国CV公司的CADS5、英国Deltacam公司的DOCT5、日本HZS公司的CRADE、以色列公司的Cimatron、美国AC-Tech公司的C-Mold及澳大利亚Moldflow公司的MPA塑模分析软件等等。
这些系统和软件的引进，虽花费了大量资金，但在我国模具行业中，实现了CADCAM的集成，并能支持CAE技术对成型过程，如充模和冷却等进行计算机模拟，取得了一定的技术经济效益，促进和推动了我国模具CADCAM技术的发展。
近年来，我国自主开发的塑料模CADCAM系统有了很大发展，主要有北航华正软件工程研究所开发的CAXA系统、华中科技大学开发的注塑模HSC5.0系统及CAE软件等，这些软件具有适应国内模具的具体情况、能在微机上应用且价格较低等特点为进一步普及模具CADCAM技术创造了良好条件。
限制我国模具工业发展的因素还有模具钢材等附属因素，目前国内模具钢按其材质及用户使用情况来看，可以分为低、中、高档三个方面。
低档市场，主要是一些日用五金、日用塑料生产企业所用的模具。
对模具钢没有特别的要求，只求价格低廉。
不需要国有大钢厂的产品，更不需要进口产品，通常选择乡办或民营企业的产品。
中档市场，以国内中型模具制造企业为主。
对模具钢的要求较严，确保材质稳定、价格适中，基本采用国产模具钢。
但注重产地，一般以上钢五厂、抚顺特钢、大治特钢、长城钢厂等国企产品为主。
其价格为进口模具钢的13左右。
高档市场，主体是外资（包括港资、台资企业）及出口为主的模具制造厂家。
对模具钢质量要求较高，通常采用国际招标的方式组织货源或由母国提供。
所以绝大部分为进口产品，少量使用中国的高品质材料。
其模具钢进口价格比国产的高2倍左右。
从模具钢市场分布格局来看，高档市场这一占主导地位的模具钢市场，迄今为止国内产品的占有率很少，而这一市场将是国内模具业发展的趋势，潜在市场很大。
据市场调研，国产模具钢与国外相比，确实存在一定的差距。
比如国产的通用性模具钢H13、D2、LD、P20、PMS、SKD61等品种内在质量均能达到美国模具钢通用标准ASTMA681，属国际一般水平，基本上能满足国内外一般模具用户的使用。
但对高标准模具钢用户提出的高要求，如冲击韧性、碳化物低偏等残余元素控制、高质量长寿命要求等，目前还无法满足。
如冷作模具钢要求在低温条件下具备耐磨损、抗塑性交形、抗崩角、抗整件开裂、可机加工性和可磨削性等各种性能。
而塑胶模具用钢要求具有高光洁度表面、耐腐蚀、耐磨损、高热传导性、机加工性、抛光性、蚀刻性能等。
据国内外塑料模具技术比较显示，国外的淬火钢模具寿命在160－300万次，国内只有50－100万次，非淬火钢模具寿命国内也只有国外的一半。
钢材质量是造成这一状况的其中一个原因。
如一些特钢厂采用普通废钢加生铁电炉的冶炼方式，缺乏优质铁水，导致生产成本高，在残余元素控制上与国外有一定的差距。
[4]
另外，国产模具钢新品种少。
近年来，国外一些著名模具钢生产企业研制开发了许多模具钢新品，如Q90M热作模具钢、高强韧性模具钢、DH13、DH53、火焰淬火模具钢、粉末冶金冷作模具钢等，这些高性能模具钢成了当前国际模具市场的典型品牌产品。
现在国外一些特殊钢生产企业紧跟国际模具制造业发展的趋势，以节能、节材、缩短工模具制造周期为出发点，确立模具钢向品种、规格多样化、精料化和制品化方向发展的战略，开发模具钢的深度加工和经淬火回火处理。
采用这种模块、模板，可使模具制造企业的生产效率大幅度提高，模具制造周期进一步缩短，从而降低制造成本。
由此，赢得了市场的青睐。
相比之下，国产的高性能模具钢新品较少，这大大影响了我国模具工业的健康成长。
年来，国内己较广泛地采用一些新的塑料模具钢，如:
P20,3Cr2Mo,PMS,SMI、SMII等，对模具的质量和使用寿命有着直接的重大的影响，但总体使用量仍较少。
塑料模标准模架、标准推杆和弹簧等越来越广泛地得到应用，并且出现了一些国产的商品化的热流道系统元件。
但目前我国模具标准化程度和商品化程度一般在30%以下，和国外先进工业国家已达到70%-80%相比，仍有很大差距[5]。
技术比较见表1
表1:
国内外塑料模具技术比较表
项目
国内
国外
注塑模型腔精度
0.005~0.01mm
0.02~0.05mm
型腔表面粗糙度
Ra0.01~0.05um
Ra0.20um
非淬火钢模具寿命
10-60万次
10~30万次
淬火钢模具寿命
160~300万次
50~100万次
热流道模具使用率
80%以上
总体不足10%
标准化程度
70~80%
小于30%
中型塑料模生产周期
一个月左右
2~4个月
目前，全世界模具的年产值约为650亿美元，我国模具工业的产值在国际上排名位居第三位，仅次于日本和美国。
虽然近几年来，我国模具工业的技术水平己取得了很大的进步，但总体上与工业发达的国家相比仍有较大的差距。
中国模具产业除了要继续提高生产能力，今后更要着重于行业内部结构的调整和技术发展水平的提高。
结构调整方面，主要是企业结构向专业化调整，产品结构向着中高档模具发展，向进出口结构的改进，中高档汽车覆盖件模具成形分析及结构改进、多功能复合模具和复合加工及激光技术在模具设计制造上的应用、高速切削、超精加工及抛光技术、信息化方向发展。
近年，模具行业结构调整和体制改革步伐加大，主要表现在，大型、精密、复杂、长寿命、中高档模具及模具标准件发展速度高于一般模具产品；
塑料模和压铸模比例增大；
专业模具厂数量及其生产能力增加；
“三资”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、模具生产最为集中的省份是广东和浙江，江苏、上海、安徽和山东等地近几年也有较大发展。
[6]
1.3我国模具工业存在问题和主要差距
虽然我国模具总量目前已达到相当规模，模具水平也有很大提高，但设计制造水平总体上落后于德、美、日、法、意等工业发达国家许多。
当前存在的问题和差距主要表现在以下几方面：
①总量供不应求
国内模具自配率只有70%左右。
其中低档模具供过于求，中高档模具自配率只有50%左右。
②企业组织结构、产品结构、技术结构和进出口结构均不合理
我国模具生产厂中多数是自产自配的工模具车间（分厂），自产自配比例高达60%左右，而国外模具超过70%属商品模具。
专业模具厂大多是“大而全”、“小而全”的组织形式，而国外大多是“小而专”、“小而精”。
国内大型、精密、复杂、长寿命的模具占总量比例不足30%，而国外在50%以上。
2004年，模具进出口之比为3.7：
1，进出口相抵后的净进口额达13.2亿美元，为世界模具净进口量最大的国家。
③模具产品水平大大低于国际水平，生产周期却高于国际水平
产品水平低主要表现在模具的精度、型腔表面粗糙度、寿命及结构等方面。
④开发能力较差，经济效益欠佳
我国模具企业技术人员比例低，水平较低，且不重视产品开发，在市场中经常处于被动地位。
我国每个模具职工平均年创造产值约合1万美元，国外模具工业发达国家大多是15～20万美元，有的高达25～30万美元，与之相对的是我国相当一部分模具企业还沿用过去作坊式管理，真正实现现代化企业管理的企业较少。
造成上述差距的原因很多，除了历史上模具作为产品长期未得到应有的重视，以及多数国有企业机制不能适应市场经济之外，还有下列几个原因：
国家对模具工业的政策支持力度还不够
虽然国家已经明确颁布了模具行业的产业政策，但配套政策少，执行力度弱。
目前享受模具产品增值税的企业全国只有185家，大多数企业仍旧税负过重。
模具企业进行技术改造引进设备要缴纳相当数量的税金，影响技术进步，而且民营企业贷款十分困难。
人才严重不足，科研开发及技术攻关投入太少
模具行业是技术、资金、劳动密集的产业，随着时代的进步和技术的发展，掌握并且熟练运用新技术的人才异常短缺，高级模具钳工及企业管理人才也非常紧张。
由于模具企业效益欠佳及对科研开发和技术攻关重视不够，科研单位和大专院校的眼睛盯着创收，导致模具行业在科研开发和技术攻关方面投入太少，致使模具技术发展步伐不大，进展不快。
工艺装备水平低，且配套性不好，利用率低
近年来我国机床行业进步较快，已能提供比较成套的高精度加工设备，但与国外装备相比，仍有较大差距。
虽然国内许多企业已引进许多国外先进设备，但总体的装备水平比国外许多企业低很多。
由于体制和资金等方面的原因，引进设备不配套，设备与附件不配套现象十分普遍，设备利用率低的问题长期得不到较妥善的解决。
专业化、标准化、商品化程度低，协作能力差
由于长期以来受“大而全”“小而全”影响，模具专业化水平低，专业分工不细致，商品化程度低。
目前国内每年生产的模具，商品模具只占40﹪左右，其余为自产自用。
模具企业之间协作不畅，难以完成较大规模的模具成套任务。
模具标准化水平低，模具标准件使用覆盖率低也对模具质量、成本有较大影响，特别是对模具制造周期有很大影响。
模具材料及模具相关技术落后
模具材料性能、质量和品种问题往往会影响模具质量、寿命及成本，国产模具钢与国外进口钢材相比有较大差距。
塑料、板材、设备性能差，也直接影响模具水平的提高。
[7]
1.4展望我国模具工业发展的发展方向
在信息社会和经济全球化发展的进程中，模具行业发展趋势主要是模具产品向着更大型、更精密、更复杂及更经济快速方面发展，技术含量不断提高，模具生产向着专业化、信息化、数字化、无图化、精细化、自动化方面发展；
模具业向着技术集成化、设备精良化、产品品牌化、管理信息化、经营国际化方向发展。
针对我国模具工业的现状，通过进一步搞好模具行业的结构调整和创新，抓住我国模具价格较低的竞争优势，大力提高模具的开发效率，增加大型、精密、复杂和长寿命等技术含量高的中高档模具的比例，今后我国模具技术的研究重点和主要发展方向应该是：
（1）高速、高精、复杂和长寿命模具加工技术的研究和应用。
例如超精冲压模具制造技术的研究和应用、精密塑料和压铸模具制造技术等；
（2）优质模具材料的研制和正确选用，以及先进表面加工和处理技术的发展和应用；
（3）模具专业化、标准化的发展及进一步推广应用；
（4）快速成型与快速制模（RPRT）技术的发展与应用；
（5）CAD、CAM、CAE的广泛应用及其软件的不断先进和CADCAECAM技术的进一步集成化、一体化、智能化，从而提高模具设计的现代化、信息化和标准化。
1.5注塑模具CAD发展概况及趋势
计算机辅助设计（（ComputerAidedDesign,CAD）是当代计算机应用的一个重要领域。
随着计算机硬件和软件技术水平的迅速提高，CAD技术及其应用一直处于日新月异的发展浪潮中。
作为CAD技术应用的一个十分重要的方面，塑料模具计算机辅助设计、模拟分析与制造，即模具CAD、CAE和CAM也一直是国内外普遍关注的热点。
三十多年来，国外注射模CAD技术发展相当迅速。
70年代己开始应用计算机对熔融塑料在圆盘形、管形和长方形型腔内的流动情况进行分析。
80年代初，人们成功地采用有限元法分析三维型腔内塑料熔体的流动过程，使设计人员可以依据理论分析并结合自身的经验，在模具制造前对设计方案进行评价和修改，以减少试模时间，提高模具质量。
近十年来，注射模CAD技术在不断进行理论和实验研究的同时，十分注意向实用化阶段发展，一些高水平的商品软件逐步推出，并在推广和实际使用中不断改进、提高和完善。
比较有代表性的软件系统有:
·
澳大利亚MoldflowPTY公司的Moldflow系统该系统具有很强的注射模分析模拟功能，包括绘制型腔图形的线框造型软件SHOD，有限元网格生成软件FMESH，流动分析软件FLOW，冷却分析软件COOLING，流动、冷却分析结果和模架应力场分布的可视化显示软件FRES以及翘曲分析模拟软件。
美国CRATEK公司的注射模CADCAMCAE系统该系统包括三维几何形状描述软件OPTIMOLDIII，二维注射流动分析软件SIMUFLOW，三维有限元流动分析软件SLMUFLOW3D，冷却分析软件SIMUCOOL，标准模架（美国DME标准）选择软件OPTIMOLD等部分。
美国和意大利的Plastics&
ComputerInc公司的TMCONCEPT专家系统，该系统包括材料选择TMC-MS、注射工艺条件和模具费用优化TMC-MCO、注射流动分析TMC-FA、型腔尺寸设计TMC-CSE和模具传热分析TMC-MTA等功能模块。
德国IKV研究所的CADMOULD系统，该系统具有注射模流动分析、冷却分析和力学性能校核等功能，CAD-MOULD-MEFISTO系统则采用有限元法进行三维型腔的流动分析。
我国在注射模CAD技术开发、应用及研究方面起步较晚。
从80年代中期开始，国内部分大中型企业先后引进了一些国外知名度较高的注塑模CAD系统。
同时，某些高等学校和科研院所也开始了注塑模CAD系统的研制与开发工作。
多年来，我国对注射模设计制造技术及其CAD的开发应
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