模具设计总流程及疑难对策.docx
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模具设计总流程及疑难对策
一般流程
一、接受任务书
成型塑料制件的任务书通常由制件设计者提出，其内容如下：
⑴经过审签的正规制制件图纸，并注明采用塑料的牌号、透明度等。
⑵塑料制件说明书或技术要求。
⑶生产产量。
⑷塑料制件样品。
通常模具设计任务书由塑料制件工艺员根据成型塑料制件的任务书提出，模具设计人员以成型塑料制件任务书、模具设计任务书为依据来设计模具。
二、收集、分析、消化原始资料
收集整理有关制件设计、成型工艺、成型设备、机械加工及特殊加工资料，以备设计模具时使用。
⑴消化塑料制件图，了解制件的用途，分析塑料制件的工艺性，尺寸精度等技术要求。
例如塑料制件在外表形状、颜色透明度、使用性能方面的要求是什么，塑件的几何结构、斜度、嵌件等情况是否合理，熔接痕、缩孔等成型缺陷的允许程度，有无涂装、电镀、胶接、钻孔等后加工。
选择塑料制件尺寸精度最高的尺寸进行分析，看看估计成型公差是否低于塑料制件的公差，能否成型出合乎要求的塑料制件来。
此外，还要了解塑料的塑化及成型工艺参数。
⑵消化工艺资料，分析工艺任务书所提出的成型方法、设备型号、材料规格、模具结构类型等要求是否恰当，能否落实。
成型材料应当满足塑料制件的强度要求，具有好的流动性、均匀性和各向同性、热稳定性。
根据塑料制件的用途，成型材料应满足染色、镀金属的条件、装饰性能、必要的弹性和塑性、透明性或者相反的反射性能、胶接性或者焊接性等要求。
三、确定成型方法
采用直压法、铸压法还是注射法。
四、选择成型设备
根据成型设备的种类来进行模具，因此必须熟知各种成型设备的性能、规格、特点。
例如对于注射机来说，在规格方面应当了解以下内容：
注射容量、锁模压力、注射压力、模具安装尺寸、顶出装置及尺寸、喷嘴孔直径及喷嘴球面半径、浇口套定位圈尺寸、模具最大厚度和最小厚度、模板行程等，具体见相关参数。
要初步估计模具外形尺寸，判断模具能否在所选的注射机上安装和使用。
五、具体结构方案：
⑴确定模具类型
如压制模（敞开式、半闭合式、闭合式）、铸压模、注射模等。
⑵确定模具类型的主要结构
选择理想的模具结构在于确定必需的成型设备，理想的型腔数，在绝对可靠的条件下能使模具本身的工作满足该塑料制件的工艺技术和生产经济的要求。
对塑料制件的工艺技术要求是要保证塑料制件的几何形状，表面光洁度和尺寸精度。
生产经济要求是要使塑料制件的成本低，生产效率高，模具能连续地工作，使用寿命长，节省劳动力。
影响模具结构及模具个别系统的因素很多，很复杂：
①型腔布置。
根据塑件的几何结构特点、尺寸精度要求、批量大小、模具制造难易、模具成本等确定型腔数量及其排列方式。
对于注射模来说，塑料制件精度为3级和3a级，重量为5克，采用硬化浇注系统，型腔数取4-6个；塑料制件为一般精度（4-5级），成型材料为局部结晶材料，型腔数可取16-20个；塑料制件重量为12-16克，型腔数取8-12个；而重量为50-100克的塑料制件，型腔数取4-8个。
对于无定型的塑料制件建议型腔数为24-48个，16-32个和6-10个。
当再继续增加塑料制件重量时，就很少采用多腔模具。
7-9级精度的塑料制件，最多型腔数较之指出的4-5级精度的塑料增多至50%。
②确定分型面。
分型面的位置要有利于模具加工，排气、脱模及成型操作，塑料制件的表面质量等。
③确定浇注系统（主浇道、分浇道及浇口的形状、位置、大小）和排气系统（排气的方法、排气槽位置、大小）。
④选择顶出方式（顶杆、顶管、推板、组合式顶出），决定侧凹处理方法、抽芯方式。
⑤决定冷却、加热方式及加热冷却沟槽的形状、位置、加热元件的安装部位。
⑥根据模具材料、强度计算或者经验数据，确定模具零件厚度及外形尺寸，外形结构及所有连接、定位、导向件位置。
⑦确定主要成型零件，结构件的结构形式。
⑧考虑模具各部分的强度，计算成型零件工作尺寸。
以上这些问题如果解决了，模具的结构形式自然就解决了。
这时，就应该着手绘制模具结构草图，为正式绘图作好准备。
⑨绘制模具图
要求按照国家制图标准绘制，但是也要求结合本厂标准和国家未规定的工厂习惯画法。
在画模具总装图之前，应绘制工序图，并要符合制件图和工艺资料的要求。
由下道工序保证的尺寸，应在图上标写注明"工艺尺寸"字样。
如果成型后除了修理毛刺之外，再不进行其他机械加工，那么工序图就与制件图完全相同。
在工序图下面最好标出制件编号、名称、材料、材料收缩率、绘图比例等。
通常就把工序图画在模具总装图上。
Ａ、绘制总装结构图
绘制总装图尽量采用1：
1的比例，先由型腔开始绘制，主视图与其它视图同时画出。
模具总装图应包括以下内容：
①模具成型部分结构
②浇注系统、排气系统的结构形式。
③分型面及分模取件方式。
④外形结构及所有连接件，定位、导向件的位置。
⑤标注型腔高度尺寸（不强求，根据需要）及模具总体尺寸。
⑥辅助工具（取件卸模工具，校正工具等）。
⑦按顺序将全部零件序号编出，并且填写明细表。
⑧标注技术要求和使用说明。
Ｂ、模具总装图的技术要求内容：
①对于模具某些系统的性能要求。
例如对顶出系统、滑块抽芯结构的装配要求。
②对模具装配工艺的要求。
例如模具装配后分型面的贴合面的贴合间隙应不大于0.05mm模具上、下面的平行度要求，并指出由装配决定的尺寸和对该尺寸的要求。
③模具使用，装拆方法。
④防氧化处理、模具编号、刻字、标记、油封、保管等要求。
⑤有关试模及检验方面的要求。
Ｃ、绘制全部零件图
由模具总装图拆画零件图的顺序应为：
先内后外，先复杂后简单，先成型零件，后结构零件。
①图形要求：
一定要按比例画，允许放大或缩小。
视图选择合理，投影正确，布置得当。
为了使加工专利号易看懂、便于装配，图形尽可能与总装图一致，图形要清晰。
②标注尺寸要求统一、集中、有序、完整。
标注尺寸的顺序为：
先标主要零件尺寸和出模斜度，再标注配合尺寸，然后标注全部尺寸。
在非主要零件图上先标注配合尺寸，后标注全部尺寸。
③表面粗糙度。
把应用最多的一种粗糙度标于图纸右上角，如标注"其余3.2。
"其它粗糙度符号在零件各表面分别标出。
④其它内容，例如零件名称、模具图号、材料牌号、热处理和硬度要求，表面处理、图形比例、自由尺寸的加工精度、技术说明等都要正确填写。
Ｄ、校对、审图、描图、送晒
自我校对的内容是：
①模具及其零件与塑件图纸的关系，模具及模具零件的材质、硬度、尺寸精度，结构等是否符合塑件图纸的要求。
②塑料制件方面
塑料料流的流动、缩孔、熔接痕、裂口，脱模斜度等是否影响塑料制件的使用性能、尺寸精度、表面质量等方面的要求。
图案设计有无不足，加工是否简单，成型材料的收缩率选用是否正确。
③成型设备方面
注射量、注射压力、锁模力够不够，模具的安装、塑料制件的南芯、脱模有无问题，注射机的喷嘴与哓口套是否正确地接触。
④模具结构方面
a.分型面位置及精加工精度是否满足需要，会不会发生溢料，开模后是否能保证塑料制件留在有顶出装置的模具一边。
b.脱模方式是否正确，推广杆、推管的大小、位置、数量是否合适，推板会不会被型芯卡住，会不会造成擦伤成型零件。
c.模具温度调节方面。
加热器的功率、数量；冷却介质的流动线路位置、大小、数量是否合适。
d.处理塑料制件制侧凹的方法，脱侧凹的机构是否恰当，例如斜导柱抽芯机构中的滑块与推杆是否相互干扰。
e.浇注、排气系统的位置，大小是否恰当。
f.设计图纸
g.装配图上各模具零件安置部位是否恰当，表示得是否清楚，有无遗漏
h.零件图上的零件编号、名称，制作数量、零件内制还是外购的，是标准件还是非标准件，零件配合处理精度、成型塑料制件高精度尺寸处的修正加工及余量，模具零件的材料、热处理、表面处理、表面精加工程度是否标记、叙述清楚。
⑤零件主要零件、成型零件工作尺寸及配合尺寸。
尺寸数字应正确无误，不要使生产者换算。
⑥检查全部零件图及总装图的视图位置，投影是否正确，画法是否符合制图国标，有无遗漏尺寸。
⑦校核加工性能：
（所有零件的几何结构、视图画法、尺寸标'等是否有利于加工）
⑧复算辅助工具的主要工作尺寸
专业校对原则上按设计者自我校对项目进行；但是要侧重于结构原理、工艺性能及操作安全方面。
描图时要先消化图形，按国标要求描绘，填写全部尺寸及技术要求。
描后自校并且签字。
把描好的底图交设计者校对签字，习惯做法是由工具制造单位有关技术人员审查，会签、检查制造工艺性，然后才可送晒。
⑨编写制造工艺卡片
由工具制造单位技术人员编写制造工艺卡片，并且为加工制造做好准备。
在模具零件的制造过程中要加强检验，把检验的重点放在尺寸精度上。
模具组装完成后，由检验员根据模具检验表进行检验，主要的是检验模具零件的性能情况是否良好，只有这样才能俚语模具的制造质量。
⑶试模及修模
虽然是在选定成型材料、成型设备时，在预想的工艺条件下进行模具设计，但是人们的认识往往是不完善的，因此必须在模具加工完成以后，进行试模试验，看成型的制件质量如何。
发现总是以后，进行排除错误性的修模。
塑件出现不良现象的种类居多，原因也很复杂，有模具方面的原因，也有工艺条件方面的原因，二者往往交只在一起。
在修模前，应当根据塑件出现的不良现象的实际情况，进行细致地分析研究，找出造成塑件缺陷的原因后提出补救方法。
因为成型条件容易改变，所以一般的做法是先变更成型条件，当变更成型条件不能解决问题时，才考虑修理模具。
修理模具更应慎重，没有十分把握不可轻举妄动。
其原因是一旦变更了模具条件，就不能再作大的改造和恢复原状。
六、整理资料进行归档
模具经试验后，若暂不使用，则应该完全擦除脱模渣滓、灰尘、油污等，涂上黄油或其他防锈油或防锈剂，关到保管场所保管。
把设计模具开始到模具加工成功，检验合格为止，在此期间所产生的技术资料，例如任务书、制件图、技术说明书、模具总装图、模具零件图、底图、模具设计说明书、检验记录表、试模修模记录等，按规定加以系统整理、装订、编号进行归档。
这样做似乎很麻烦，但是对以后修理模具，设计新的模具都是很有用处的
2．制件的设计
工程塑料制品大部分是用注射成型方法加工而成的，制件的设计必须在满足使用要求和符合塑 料本身的特性前提下，尽可能简化结构和模具、节省材料、便于成型。
制件设计中应分别考虑如下 因素：
一、制件的形状应尽量简单、便于成型。
在保证使用要求前提下，力求简单、便于脱模，尽量避免或减少抽芯机构，如采用下图例中 （b）的结构，不仅可大大简化模具结构，便于成型，且能提高生产效率。
二、制件的壁厚确定应合理。
塑料制件的壁厚取决于塑件的使用要求，太薄会造成制品的强度和刚度不足，受力后容易产生 翘曲变形，成型时流动阻力大，大型复杂的制品就难以充满型腔。
反之，壁厚过大，不但浪费材 料，而且加长成型周期，降低生产率，还容易产生气泡、缩孔、翘曲等疵病。
因此制件设计时确定 制件壁厚应注意以下几点：
1.在满足使用要求的前提下，尽量减小壁厚；
2.制件的各部位壁厚尽量均匀，以减小内应力和变形；
3.承受紧固力部位必须保证压缩强度；
4.避免过厚部位产生缩孔和凹陷；
5.成型顶出时能承受冲击力的冲击。
国外的一些常用塑料的推荐壁厚如下表：
材料
壁厚（mm）
PA、POM
0.45-3.2
PC、PSV
0.95-4.5
ABS
0.8-3.2
三、必须设置必要的脱模斜度
为确保制件成型时能顺利脱模，设计时必须在脱模方向设置脱模斜度，其大小与塑料性能、制 件的收缩率和几何形状有关，对于工程塑料的结构件来说，一般应在保证顺利脱模的前提下，尽量 减小脱模斜度。
下表为根据不同材料而推荐的脱模斜度：
材料
脱模斜度
PA、POM、ABS40'
-10°30'
PC、PSV
50'-2°
PE、PP
30'-1°
热固性塑料
20'-1°
具体确定脱模斜度时应考虑以下几点：
1．对于收缩率大的塑料制件应选用较大的脱模斜度；
2．对于大尺寸制件或尺寸精度要求高的制件应采用较小的脱模斜度；
3．制件壁厚较厚时，成型收缩增大，因此脱模斜度应取大；
4．对于增强塑料脱模斜度宜取大；
5．含自润滑剂等易脱模塑料可取小；
6．一般情况下脱模斜度不包括在制件公差范围内。
四．强度和刚度不足可考虑设计加强筋
为满足制件的使用所需的强度和刚度单用增加壁厚的办法，往往是不合理的，不仅大幅增加了 制件的重量，而且易产生缩孔、凹痕等疵病，在制件设计时应考虑设置加强筋，这样能满意地解决 这些问题，它能提高制件的强度、防止和避免塑料的变形和翘曲。
设置加强筋的方向应与料流方向 尽量保持一致，以防止充模时料流受到搅乱，降低制件的韧性或影响制件外观质量。
五．在满足使用要求的前提下制件的所有的转角尽可能设计成圆角，或者用圆弧过渡。
圆角具有以下特点：
1、圆角可避免应力集中，提高制件强度
在制件的转角处易产生应力集中，在受力或受冲击、振动时会发生破裂，尤其像常用的工程塑 料――聚碳酸酯，如果成型条件不当或制件结构不合理，则会产生很大的内应力，特别容易产生应 力开裂。
实验数据证明，当圆角半径小于制件壁厚0.3倍/时应力集中急剧增大，当大于壁厚0.8倍 /时，应力集中明显变小。
2、圆角可有利于充模和脱模
对于一些流动性差的塑料或加入填料的塑料，制件设计圆角尤为重要，不仅可改善充模性能， 而且可提高制品使用性能。
3、圆角有利于模具制造，提高模具强度
制件上设计了圆角，模具的对应部位也呈圆角，这就增加了模具的坚固性，模具在淬火或使用 时不致因应力集中而开裂，因而也增加了模具的强度。
六．应根据制件的使用要求和塑料材料的特性合理确定制件的尺寸公差。
影响塑料制件尺寸精度的因素很多而且十分复杂，归纳起来主要有以下几方面：
1、塑料原料本身的特性，一般结晶型和半结晶型的塑料的收缩率比无定型的大，范围也宽，因 此制件尺寸精度也就有差异。
2、成型工艺条件如料温、模温、注射压力、保压压力、塑化背压、注射速度、成型周期等都会 影响成型收缩率的大小和波动范围。
3、模具的结构如分型面选择、浇注系统的设计、排气、模具的冷却和加热等以及模具的刚度等 都会影响制件尺寸精度。
4、模具在使用过程中的磨损和模具导向部件的磨损也会直接影响制件的尺寸精度。
因此在制件 设计中正确合理确定尺寸公差是非常重要的。
对于工程塑料制件、尤其是以塑代钢的制件，设计者 往往简单地套用机械零件的尺寸公差，这是很不合理的，许多工业化国家都根据塑料特性制定了塑 料制件尺寸公差。
我国也于1993年发布了GB/T14486－93《工程塑料模塑塑料件尺寸公差》，设计 者可根据所用的塑料原料和制件使用要求，根据标准中的规定确定制件的尺寸公差。
七．工程塑料的制件设计除了要注意上述各点外，还应注意各种孔、侧凹（凸）、螺纹和嵌件的设 计，这里不再一一详述，如有需要了解，可参阅有关专业书利，也欢迎与我们交流讨论。
3.材料的选择
塑料也像金属一样，种类繁多，虽然已工业化的主要类别只有五十多种，但每类又有许多品级。
如尼龙塑料则包括尼龙3、尼龙4、尼龙6、尼龙46、尼龙66、尼龙7、尼龙8、尼龙9、尼龙610、尼龙1010、尼龙11、尼龙12、尼龙13、尼龙612，尼龙9T，尼龙13，MC尼龙，尼龙MXD6尼龙等品种。
每一品种还可以通过改性，例如加入填料或增强材料和其它辅助材料，或通过共混制成"合金"；或通过加工工艺如定向拉伸、结晶、发泡等来获得新的性能，以满足使用要求。
塑料的品种既然是如此繁多，它们的性能又具可变性，因此，塑料应用的选材常常要从塑料中许多性能的综合平衡来考虑（包括工艺与成本），而且某些性能数据如磨损性、冲击性尚不能完全预测其使用性，有时又缺乏准确可靠的设计公式，因此，大多数塑料的选材过程是比较复杂的。
为了能选择出性能和加工工艺均符合使用要求的、又尽量能恰如其分地量材使用的品种就要求采用系统、综合的分析方法来选材。
一个完整的设计过程，应从构思、草图开始。
选材在设计过程中是个关键步骤，对于指定部件的选材，最主要的是考虑部件的功能和决定部件功能的有关材料性能，同时还要考虑诸如部件的特点和禁忌、使用时的外界条件、临界条件、使用寿命和使用方式、维修方法、制品尺寸和尺寸精度、成型加工工艺、生产数量、生产速度、成本、原料来源和经济效益等等。
这些因素包括两方面，一方面是使用环境介质和环境条件，如构件承受的负荷和自重，冲击和振动等机械作用的影响；接触的气体、液体、固体及化学药品；曝露的大气环境（气温、湿度、降雨、阳光、冰雪以及有害气体等）的影响；贮存环境条件和长期贮存的的影响；此外，除静态破坏影响外，还要考虑摩擦升温、蠕变、成型收缩等引起的变形、应力松弛以及反复应变而引起的疲劳，高应变率引起的力学性能变化等等。
另一方面是搬运、勤务处理或操作时，制品可能遭到外力作用，甚至是意外的外力作用的影响。
充分考虑这些因素才能明确所要求的综合性能。
了解生产数量是为了从经济上考虑恰当的成型加工方法。
比如所需数量是几个至几十个，就不必要制造模具，可直接用板材或棒材加工；需要数量是几百个左右时，可酌情采用简易模具或树脂-金属模、低熔点合金模等；当需要量更多时则应采用正规的模具成型。
比如，设计的部件要急于使用，则考虑材料货源是主要的；如要设计宇航零件，则性能因素是最重要的；如设计通用产品，则应综合考虑性能和成本。
下面列举一个典型的选材程序：
（1）零部件的构思：
进行初步的功能设计，即部件的形状及其功能元件的形状，并考虑选择基本加工方法。
（2）选材：
根据在应力下与使用性能相关的塑料的工程性能和加工性来筛选候选材料，这些应力是部件工作时施加在制品上的。
（3）初步分析设计：
利用工程设计性能计算壁厚和零件的其它尺寸。
并根据塑料的特点进行制品设计和模具设计。
（4）试制样品：
在部件实际使用条件下或模拟零部件的使用条件下进行考验、考核。
（5）重新设计和重新试验：
当发现性能不能满足使用要求时，要重新筛选材料或重新设计并试验。
（6）根据试制样品的试验情况和加工零部件的成本，确定最终设计和选材。
（7）确定材料的技术规格和检验方法。
有时上列步骤可以缩短，尤其是在零部件要求简单，或新零件与旧零件的差别很小的时候。
然而，有时选材步骤更为复杂，特别是在开发新应用时，或在塑料所承受的应力很复杂的情况下，系统、综合的分析法不仅是可靠的成功办法，而且是节省开发费用的途径。
二、塑料一般选材
设计者绘出零件图后，要对零部件列出使用条件和重要选材因素、然后合理地选材。
括以下三个步骤：
（1）跟据应用目的，列出部件的全部功能要求（并不是材料的性能），并尽可能定量化。
例如：
①在额定的连续载荷下允许的最大变形量；
②使用和运输过程中所受的应力种类和大小；是否长期受力，是动态或是静态应力；
③最高工作温度；
④在工作温度下允许的尺寸变化；
⑤零部件允许的尺寸公差；
⑥零部件的使用性能要求；
⑦部件是否要求着色、粘接、电镀等；
⑧要求贮存期多长，是否在户外使用；
⑨有无耐燃性要求，等等。
（2）根据部件的功能要求，考虑使用性能数值（工程性能）和设计数据，提出目标材料（部件材料）的性能数值，并通过这些性能要求来选定材料，即使这些性能估计是粗略的，也会大大方便候选材料的筛选，为最终材料的选定提供有益的依据。
选择恰当材料性能是很关键而又复杂的，因为零部件的某一功能常常包含几种性能，例如在尺寸稳定性的要求中除尺寸精度外，还要考虑线胀系数、模塑收缩率、吸水性、蠕变性等等。
零件的强度和刚度，除了从材料性能上考虑以外，还要从制品结构设计上（如厚度和加强筋等）加以考虑。
材料的成型工艺性、耐久性、经济性等也都是选材时应考虑的因素。
有时候，某些使用要求不一定能明确对材料性能的定量要求，如电镀性往往要通过实际试验或已有的经验来筛选。
又如塑料炮弹弹带，要求材料经受高速冲击、压缩、扭拧、剪切等复杂的外力作用和高速高温高压气流的影响，很难直接提出材料的定量性能要求，因此，除了通过力学计算外，还可通过模拟试验和探索试验来推算受力情况，提出粗略的性能要求。
（3）最后通过部件工程性能要求与材料性能的比较来确定候选材料。
选择塑料时应注意下面几个问题：
①必须对选用塑料的性能有较全面的了解，然后根据使用条件去考虑配方、工艺和制品设计等。
②塑料一般导热性低，选用和设计时要充分注意。
③塑料的线胀系数一般比金属大，有的易吸水，因此尺寸变化较大，选用和设计时要考虑恰当的配合间隙和公差范围。
④有的塑料有应力开裂的倾向，选用和设计时要尽量减少应力，制品设计要避免应力集中，或作适当的后处理，并要严格控制加工工艺。
⑤有的塑料有蠕变和后收缩或变形的倾向，选用和设计时应充分注意。
⑥各种塑料有-一定的使用强度范围和允许接触的介质以及能承受的压力和速度极限，选用和设计时应该考虑。
三、塑料选材的途径
着手选材，可以先进行初选，然后综合评价后进行试验。
初选可通过两个途径，一是根据制品用途选材；二是根据制品要求性能选材（利用材料性能表和性能等级分类等）；同时还要考虑经济成本和安全卫生等因素。
下面就以一些已工业化的塑料为对象，列举几种简易的选材方法。
1、根据用途选材
用途主要是指制品应用域的归类，此外还包括制品的使用环境、受力类型和作用方式、使用对象等等要素。
（1）使用环境
所谓使用环境是指材料或制品使用时经受周围环境的温度、湿度、介质等，特别是温度和湿度的条件。
根据用途的不同，温度条件可由南北极的低温到赤道或沙漠地区的炎热气温，或者是宇航环境的高低温，甚至在火灾时的高温等；湿度条件从在水中长期或间歇浸泡与露天雨淋到冬天的干燥状态（30％RH）；有的制品是在特殊气体中使用或者用于接触化学液体或溶液的场合；此外，自然曝露状态下除了风、雨、雾等影响外还受太阳光的曝晒等等。
因此，必须考虑待用塑料对使用环境的适应能力。
（2）制品的受力类型和作用方式
根据制品的受力类型和受力状态及其对材料产生的应变来筛选能满足使用要求的材料是很必要的。
也就是说，要考虑上述各种环境下的外力作用是拉伸、压缩、弯曲、扭曲、剪切、冲击或摩擦，或是几种力的组合作用。
此外，还
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