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塑料模具设计

摘要

现今社会中，模具工业已成为国民经济中的重要基础工业之一。

由于高分子材料具有许多优良性能，适合现代化生产，经济效益显著，且不受地域、气候的限制。

因而造就了模具工业突飞猛进的发展。

我国塑料模具目前的设计、分析与制造主要依赖设计人员的经验和工艺人员的技巧，设计合理与否、制品有无缺陷只有通过试模才知道，使得模具的制造周期长、成本高。

而采用计算机辅助设计、分析与制造（CAD/CAE/CAM）一体化技术，可以极大的提高塑料模具的设计制造水平及制品质量。

论文介绍了国内外注塑模具工业的现状、发展趋势和我国注塑模具工业和技术今后的主要发展方向，利用Pro/Engineer、MOLDFLOW软件分别作为开发和分析平台，并结合当今中国注塑模具制造情况，对目前运用最多的注塑模具进行设计、分析、制造一体化的实践操作研究。

从而使计算机技术和制造技术相互结合和渗透，实现模具工业的信息现代化。

论文中利用计算机辅助模具设计Pro/Engineer软件完成零件注塑模具的设计任务，运用注塑模具分析软件MOLDFLOW对设计的注塑模具进行温度、压力、填充、流动等分析，通过分析结果结合现实模具设计的经验和实际要求对设计的模具进行修改，确定模具设计模型。

关键词:

计算机辅助设计，注塑模，MOLDFLOW，模拟分析

Abstract

Nowadays,inthecommunity，mouldindustryhasbecomeoneoftheimportantbasicindustryinthenationaleconomy.Duetotheexcellentpropertiesofpolymermaterialhasmany,suitableformodernproduction,andtheeconomicbenefitisremarkable,andisnotsubjecttoregional,climaterestrictions.Thusmademoldindustrydevelopmentbyleapsandbounds.

Inourcountry,thedesign,analysisandmanufactureoftheplasticmouldarechieflydependingontheexperienceofthedesignerandtechniqueofthetechnologist.Onlypassingmouldtestcanweknowtherationalityofthedesignandthequalityoftheproducts.Asaresult,itmakeslongercircleandhighercost.Butapplyingintegrativecomputeraideddesign、engineerandmanufacture（CAD/CAE/CAM）cangreatlyimprovethelevelofthedesignoftheplasticmouldandthequalityoftheproducts.

Thepaperintroducedthecurrentsituationofinjectionmoldindustryinchinaandforeign,developmenttrendandthemaindevelopmentdirectionofinjectionmouldindustryandtechnologyinthefutureinChina.AndmakeuseofPro/EngineerandMoIdflowsoftwaretocarryoutintegrativecomputeraideddesign,engineerandmanufactureofthemostuseinjectionmold.Linkthecomputerartandthemanufacturetechniquetoachieveinformationmodernizationofthemoldindustryindeed.

Inthecontent,completethedesignofinjectionmoldbyComputeraideddesignsoftware（Pro/Engineer）.Then,maketheusefunctionofMOLDFLOW,andanalyzetemperature,press,fillingandflowinthecourseoftheinjectionmoldingprocess,improveontheshortageofdesignandoptimizetheprocessofinjection.

Keywords:

thecalculatorassistancedesign,injectionmold,MOLDFLOW,simulationanalysis

1绪论

1.1模具工业概况

模具生产是衡量一个国家工业化水平的重要标志。

采用模具生产零部件，具有高效、节材、成本低、保证质量等一系列优点，是当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。

许多现代工业的发展和技术水平的提高，在很大程度上取决于模具工业的发展水平。

因此模具工业对国民经济和社会的发展，将会起越来越大的作用。

模具工业的薄弱将严重影响工业产品造型的变化和新产品的开发，努力提高模具生产工艺水平，加强模具工艺及制造技术的研究，是发展工业生产的重要途径之一。

模具作为工业生产的基础工艺装备，是国民经济的基础工业之一。

在汽车能源、机械、信息、航空航天、国防工业和日常生活用品的产品中，有着广泛的应用。

利用模具成型零件的方法，实质上是一种少切削、无切削、多工序重合的生产方法。

采用模具成型的工艺代替传统的切削加工工艺，可以提高生产效率，保证零件质量，节约材料，降低生产成本，从而取得很高的经济效益。

80%以上的塑料制品，70%以上的日用五金及耐用消费品零件，都采用模具成型的方法来生产。

由此可见，利用模具生产零件的方法己成为工业上进行成批或大量生产的主要技术手段，它对于保证制品质量，缩短制品周期，进而争先占领市场，以及产品更新换代和新产品开发都具有决定性意义。

因此德国把模具称为“金属加工中的帝王”，把模具工业视为“关键工业”，美国把模具称为“美国工业的基石”，把模具工业视为“不可估量其力量的工业”，日本把模具说成是“促成社会繁荣富裕的动力”门，把模具工业视为“整个工业发展的秘密”。

由于模具工业的重要性，模具成型工艺在各个工业部门得到了广泛的应用，使得模具行业的产值己经大大超过素有“工业之母”之称的机床、刀具工业的产值。

这一情况充分说明在国民经济蓬勃发展的过程中模具工业明显地成为技术，经济和国力发展的关键。

在现代工业发展的进程中，模具的地位及其重要性日益为人们所认识。

模具工业作为进入富裕社会的原动力之一，正推动着整个工业技术的进步。

当今模具就是“现代化”，模具就是“高效益”的观念，以被越来越多的入们所接受。

由于科学技术的迅速发展，产品更新换代速度加快以及人们对产品多样化需求的增加，使得模具制品由单一的大批量生产模式逐渐向多品种、中小批量生产模式发展，塑料模是塑料制品生产基础之深刻含义正日益为人们理解和掌握。

当塑料制品及其成型设备被确定之后，塑件质量的优劣及生产效率的高低，模具因素约占80%。

由此可知，推动模具技术的进步应是刻不容缓的策略，尤其注塑模的设计、技术与制造水平，常可标志一个国家工业化的发展程度，注塑模具的设计与制造向着快速、高效、精密、高成功率、低成本方向发展。

现代注塑模具技术的发展，依赖于模具标准化程度、优质模具材料、先进的设计与制造技术、各种数控机床设备及现代生产管理模式等多方面工作的综合[1]。

1.2国内外注塑模具的研究现状

1.2.1国内研究现状

我国在注塑模CAD技术开发研究与应用方面起步较晚。

从20世纪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。

我国注塑模CAD/CAE/CAM研究始于70年代末，发展较为迅速。

多年来，我国对注塑模设计制造技术及其CAD的开发应用十分重视，在“八五”期间，由北京航空航天大学、华中理工大学、四川联合大学等单位联合进行了国家重点科技攻关课题“注塑模GAD/CAE/CAM集成系统”，并于1996年通过鉴定，部分成果己投入实际应用，使我国的注塑模CAD/CAE/CAM研究和应用水平有了较大提高。

目前拥有自主版权的软件有，华中理工大学开发的塑料注塑模CAD/CAE/CAM系统HSC2.0郑州工业大学研制的Z-MOLD分析软件等。

这些软件正在一些模具企业中推广和使用，有待在试用中逐步完善。

这些项目的成果对促进我国注塑模CAD技术的迅速发展起了重要作用，使我国注塑模CAD技术及应用水平很快提高。

华中理工大学是国内较早自行开发研究注塑模CAD/CAE/CAM系统的单位。

自20世纪80年代中期开始，就在注塑模流动分析模拟和冷却分析模拟的研制方面进行了多年的研究与开发工作，推出了塑料注塑模CADlCAE1CAM系统HSC-1。

该系统包括塑件三维形状输入、流动模拟、冷却分析、型腔强度与刚度校核及模具图设计与绘制等功能，在一些企业单位应用，取得较好结果，现已实现商品化。

在“八五”期间，由北京航空航天大学、华中理工大学、四川联合大学等单位联合进行了国家重点科技攻关课题，‘注塑模CAD/CAE/CAM集成系统”，并于1996年通过鉴定，部分成果己投入实际应用，目前出现的拥有自主版权的软件有华中理工大学开发的塑料注塑模CAD/CAE/CAM系统HSC2.0，郑州工业大学研制的Z-MOLD分析软件等。

上海交通大学从1983年开始，对注塑模CAD进行了多方面的研究。

在国内首次将人工智能技术引入注塑模CAD系统中，于1988年开发出集成化注塑模智能CAD系统。

目前在工作站UG-11平台上进一步开发智能CADICAEICAM系统。

合肥工业大学在注塑模结构CAD技术方面进行了多年的研究与开发工作，先后研制出微机注塑模CAD系统IPMCAD和微机注塑三维系统IPMCADV3.0，取得了较好的成绩。

现在以AutoCADR13.0和MDT作为环境，进一步采用参数化特征模型技术，研制出注塑模CAD三维参数化系统IPMCADV4.0，在技术水平和实用性方面都达到较高水平。

浙江大学基于工作站的UG-II系统开发出精密注塑模CAD/CAM系统。

该系统采用特征造型技术构造产品模型，使形状特征表达与工艺信息描述统一，并利用特征反转映射实现了型腔模型的快速生成。

1.2.2国外研究现状

近二十多年间，国外注塑模CAD/CAE技术发展相当迅速。

70年代许多研究者对一维流动进行了大量研究，主要是计算塑料熔体在等直径圆管，中心浇口的圆盘以及端部浇口的矩形型腔中的流动过程。

塑料流变学、几何造型技术、数控加工及计算机技术的发展有利地推动了注塑模CAD/CAE研究的深入，由最初的CAD技术和CAM技术以图纸为媒介传递信息向CADICAM一体化方向发展。

80年代初开展三维流动与冷却分析并把研究扩展到保压分子取向以及翘曲预测等领域，人们成功地采用有限元法分析三维型腔的流动过程，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。

由于CAD/CAE技术对提高模具和产品质量、加快产品更新换代的巨大作用，许多国家的政府部门和科研机构投入了大量的人力、物力进行研究。

80年代中期注塑模CADICAE进入实用阶段，出现了许多商品化注塑模CAD/CAE软件，比较著名的有：

澳大利亚MOLDFLOW公司的MOLDFLOW系统。

它是一个率先推出的注塑模流动分析软件具有流动分析、冷却分析、翘曲分析、收缩分析、结构应力分析、注塑机参数优化、气体辅助注塑分析、塑件纤维取向分析、中型面自动生成、热固性塑料流动与融合分析等功能的软件；

美国PTC公司的Pro/Engineer软件是一个通用的CAD/CAM系统，具有很强的参数化特征造型功能，另外它还包括一个专用的模具设计模块Pro/MoldDesign使模具设计更加方便和直观；

美国ACTechnology公司的C-Mold系统。

它包括三维流动模拟分析C-FLOW、三维保压分析C-PACK和三维冷却分析C-COOL等功能模块。

ACTechnology公司当前已被MOLDFLOW公司收购；

进入20世纪90年代后开展了成型过程流动、保压、冷却、应力分析及翘曲的全过程模拟，将各独立模块有机地结合起来，考虑它们之间的相互影响，以提高模拟软件的分析精度和扩大适用范围。

这卓有成效的研究成果，为开发使用型的注塑模分析软件奠定了基础。

1.3塑料模具发展方向

随着社会的发展、科技的进步、人们生活水平的提高，人们对电子塑料制品的要求越来越高，再加上激烈的市场竞争等各方面的因素。

模具行业必将朝着以下几个方面发展：

第一：

提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计制造水平及比例。

这是由于塑料模成型的制品日渐大型化、复杂化和高精度要求以及因高生产率要求而发展的一模多腔所致。

第二：

在塑料模设计制造中全面推广应用CAD/CAE/CAM技术。

CAD/CAM技术已发展成为一项比较成熟的共性技术，近年来模具CAD/CAM技术的硬件与软件价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度，为其进一步普及创造了良好的条件；基于网络的CAD/CAM/CAE一体化系统结构初见端倪，其将解决传统混合型CAD/CAM系统无法满足实际生产过程分工协作要求的问题；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。

而随着大量模具CAE软件的出现及其不断完善，在模具设计过程中CAE软件的使用也就越来越重要了。

第三：

推广应用热流道技术、气辅注射成型技术和高压注射成型技术。

采用热流道技术的模具可提高制件的生产率和质量，并能大幅度节省塑料制件的原材料和节约能源，所以广泛应用这项技术是塑料模具的一大变革。

制订热流道元器件的国家标准，积极生产价廉高质量的元器件，是发展热流道模具的关键。

气体辅助注射成型可在保证产品质量的前提下，大幅度降低成本。

目前在汽车和家电行业中正逐步推广使用。

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，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。

另一方面为了确保塑料件精度，注射成型工艺与模具以及注射压缩成型工艺与模具也非常重要。

第四：

开发新的塑料成型尸工艺和快速经济模具，以适应多品种、少批量的生产方式。

第五：

提高塑料模标准化水平和标准件的使用率。

我国模具标准件水平和模具标准化程度仍较低，与国外差距甚大，在一定程度上制约着我国模具工业的发展，为提高模具质量和降低模具制造成本，模具标准件的应用要大力推广。

为此，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、降低戊本:

再次是要进一步增加标准件规格品种。

第六：

应用优质模具材料和先进的表面处理技术对于提高模具寿命和质量显得十分必要。

第七：

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[2]。

1.4论文的主要研究工作

本文以相机外壳为实例来分析研究CAD/CAE/CAM技术在塑料模具中的系统应用，改变传统的设计方式，利用先进技术来优化设计塑料产品及塑料模具的流程方式。

主要具体完成内容：

相机外壳结构分析；应用分析软件进行流动分析；完成相机外壳注射模设计。

本文研究前期主要是设计方面工作，利用CAD/CAE/CAM中与注射模设计相关软件进行设计，中期时采用CAD/CAE/CAM技术来设计塑料产品及模具，优化产品设计与创新、提高产品设计质量、缩短产品开发周期、减少在试模阶段的缺陷、降低生产成本，提高竞争力，也是现代制造技术的发展趋势。

本文研究关键在于如何将专业知识、实践经验与CAD/CAE/CAM技术具体地、合理地结合到一起，优化出相机外壳塑料产品和塑料注射模具。

2注塑模结构设计

2.1塑料模具设计流程

良好的设计流程是设计出准确合理的好产品的基础，制订模具设计流程是使模具设计规范化、制程化的保证，是适应模具交货期短，缩短模具设计时间的必由之路。

塑料注射模计算机辅助设计制造流程：

塑件三维建模→模流分析→塑料产品装配→模具结构设计→生成模具工程图→关键零件数控加工→模具装配调式[3]。

2.1.1客户要求

接到客户执行单之后，需要做以下工作的处理：

接到客户的执行单，从客户的模具执行单上审查客户对产品的所有要求，其中包括：

客户所传产品图；塑料材质；有时客户会提供模具的大小，进料位置，有倒勾时，还会要求做斜销还是跑滑块。

接到客户产品对客户的2D和3D产品图处理，包括：

如果接到客户传的产品图是2D图，则要必须先请客户的2D图转化为3D图（用Pro/E软件），即根据客户产品的2D图构建产品的3D模型图；如果有了客户产品的3D模型图，模具3D设计人员必须检查3D模型图的外观，成品的平均肉厚是否有肉厚不均的地方会产生缩水，成品的拔模角是否有利于开模，成品的结构是否有利于产品成型。

如果客户产品的3D模型图有以上的问题存在，要通知客户修改成品的问题。

2.1.2塑料模具设计

经过以上的客户产品图处理之后转入模具设计阶段，包括：

产品成型分析MOLDFLOW（CAE）；2D模具结构图绘制（AutoCAD）；3D模仁成型部分拆制（Pro/E）；模具零件图的拆制。

模具零件图也就是所说的模具加工图，是根据模具2D图和3D图拆制的模具零件图。

包括模板图、滑块座图、斜撑销图、模仁图、滑块入子图、斜销图、入子图等，还有顶针备料明细表、五金零件备料明细表、出图明细表等。

2.2相机模具设计思路

2.2.1相机产品的形体结构设计

直接影响相机产品生命和外观形象变化的主要因素有材料的选用、模具结构设计、表面处理、加工手段、包装装配等几个方面。

2.2.2相机产品的模具结构设计分析

要审查造型设计是否合理可靠，包括制造方法、塑件的出模方向、出模斜度、抽芯、结构强度、电路安装（和电子工程人员配合）等是否合理；

根据造型要求确定制造工艺是否能实现，包括模具制造、产品装配、外观的喷涂、丝印、材质选择、需采购的零件供应等；

确定产品功能是否能实现，用户使用是否最佳；

进行具体的机构设计，确定每个零件的制造工艺，要注意塑件的结构强度、安装定位、筋骨方式、产品变形、元器件的安装定位、安装要求、确定最佳装配路线；

结构设计要尽量考虑模具设计和制造的难度，提高注射生产的效率，最大限度地减低模具成本和生产成本；确定整个产品的生产工艺，检测手段，保证产品的可靠性。

2.2.3相机产品的模具结构设计

根据以上分析的思路做好工艺的合理排序，然后进入模具结构的设计一装配图的设计：

3D转2D的DWG图（CAD图）；

成品的厂模分析，确定凸、凹模分模面；

成品的结构分析，确定机构，如有倒扣的，用斜销成型或侧滑块成型；

成品的进浇点的分析，借助MOLDFLOW软件，确定浇口的形状、位置等，及注射机的选用；确定模具的结构（两板模、三板模、及热浇道），有时候根据客户需求而确定；成品的收缩率的确定（未加收缩的，给产品在3D图中放收缩）；确定成品的开模腔数（一模多腔，要注意注射模均衡）；成品放缩及镜射成品图；确定成品的摆放位置（模腔的排配）；确定模仁的大小；画流道及浇口；确定模座大小，调用模座（同一产品在不同的公司有不同的做法，不同的公司有自己规定的标准，以减轻模具设计人员重复作业时间，提高生产率）；将模仁放入模座中的适当位置；画定位圈及注射浇口套，画分块及斜销等机构，画顶出机构，冷却水路，画模座其它周边的结构，标注模座的尺寸。

2.3壳体常用材料

ABS：

是由丙烯睛、丁二烯和苯乙烯三种化学单体合成。

ABS的特性主要取决于三种单体的比率及分子结构，这在产品设一计上具有较大的灵活性，并且由此产生了市场上多种不同品质的ABS材料。

这些不同品质的材料提供了不同的特性，例如从中等到高等的抗冲击性，从低到高的光洁度和高温扭曲特性等；ABS材料具有超强的易加工性，外观特性，低蠕变性和优异的尺寸稳定性以及很高的抗冲击强度。

高流动性，便宜，适用于对强度要求不太高的部件（不直接受到冲击，不承受可靠性测试中结构耐久性测试的部件）。

PC（聚碳酸脂）：

PC是一种非晶体工程材料，具有特别好的抗击强度、热稳定性、光泽度、抑制细菌特性、阻燃特性以及抗污染性，PC的缺口冲击强度非常高，并且收缩率很低。

PC有良好的机械性，但流动性较差，注射过程较困难。

因此，如果塑件要求有较高的抗冲击性，那么选低流动率的PC材料；反之，可以使用高流动率的PC材料，这样可以优化注射过程，避免一味减少强度风险，什么部件都用PC料而导致成型困难和成本增加，高强度、贵、流动性不好，适用于对强度要求较高的外壳。

PC与ABS共混料综合了PC和ABS的性能，具有ABS的易加工性和PC的优良机械特性和热稳定性（二者的比率将影响PC+ABS材料的热稳定性）。

流动性好、强度不错、价格适中，但容易发生熔体破裂。

适用于绝大多数的相机外壳，只要结构设计比较优化强度是有保障的。

PC与ABS的共混料综合了PC、ABS的优越性能，互相弥补了各自的不足之处。

本文手机外壳采用的是PC与ABS的共混塑料[4]。

2.4客户样品分析

此分析主要是在Pro/E和MOLDFLOW中进行分析。

先根据客户要求及相关资料信息，由Pro/E软件生成3D图，AUTOCAD转换成2D图，图2-1是产品正面，图2-2是产品反面，图2-3是产品2D图；

图2-1外壳正面图2-2外壳反面

图2-3产品2D图

最佳浇口位置的确定：

通过软件（MOLDFLOW）浇口位置的分析得出，最佳浇口初选位置靠近节点N2127如图2-4所示，通过对节点N2127的搜索如图2-5所示的位置。

图2-4最佳浇口初选位置

图2-5最佳浇口的节点

浇口的设计一方面应该保证提供一个快速、均匀、平衡、单向流动的充填模式，另一方面应该避免射流、滞流、凹陷等现象。

虽然最佳浇点通过软件分析已定，但靠近型心的位置不易加工，同时干涉浇注系统的创建，因此浇口不适合在此设置，所以要重新确定一个既符合实际要求、便于加工以及不影响外观的位置，为此要通过反复的优化及经验，对浇口的设置进行优化。

如图2-6所示是几种方案浇口的初选位置（方案一、二设在节点N1535，方案三设在N1594）。

方案一方案二

方案三

图2-6

在MOLDFLOW中设置相同的工艺参数及加工形式分别用几种方案对产品不同浇点的设置进行初步的分析。

速度/压力切换时的压力等值线：

速度/压力切换时的压力等值线如图2-7、图2-8所示