淺談機械制造模具成型設(shè)計

李永亮

摘要：隨著科技水平的不斷提高，機械設(shè)計和制造領(lǐng)域得到較大發(fā)展，而現(xiàn)代機械制造過程中，模具成型是關(guān)鍵技術(shù)之一，其可有效保障模具在機械設(shè)計和制造領(lǐng)域的實際應(yīng)用。隨著模具成型技術(shù)的不斷發(fā)展，機械制造模具成型設(shè)計的發(fā)展方向是大型化、精度高、環(huán)保以及技術(shù)含量高。本文主要闡述了模具設(shè)計與制造的研究現(xiàn)狀，并對機械制造模具成型設(shè)計進行分析，以期為模具成型在機械制造的大規(guī)模應(yīng)用提供一定的參考意見。

關(guān)鍵詞：機械制造；模具成型；設(shè)計

中圖分類號：TG386 文獻識別碼：A 文章編號：1001-828X（2016）009-000-02

目前我國制造行業(yè)中，機械模具的實際應(yīng)用可有效的提高生產(chǎn)效率，因此其已成為現(xiàn)階段制造業(yè)的研究熱點，其中模具成型階段的模具設(shè)計對整個機械制造效率影響較大，所以模具設(shè)計需參考相關(guān)國家標準和國外先進技術(shù)水平。同時我國的機械制造模具設(shè)計采用的技術(shù)種類繁多并各具優(yōu)缺點，可用于不同用途的機械制造。因此對我國機械制造模具成型設(shè)計進行研究分析具有重要意義。

一、模具設(shè)計與制造的研究現(xiàn)狀

目前我國的模具設(shè)計與制造領(lǐng)域還處于向世界先進水平的學(xué)習階段，自主創(chuàng)新程度不足。與國際先進水平相比，我國整體模具工業(yè)水平差距較大，尤其模具加工在線測量和質(zhì)量管理差距超過15年，具體為模具使用壽命低以及生產(chǎn)周期長，特別是一些精度要求高的模具，其壽命不到國外先進水平的40%[1]。而目前我國模具設(shè)計發(fā)展較快，不僅模具的設(shè)計水平較高，同時模具設(shè)計總量已達到一定規(guī)模。與一些發(fā)達國家的模具設(shè)計相比，我國模具的設(shè)計水平還具有較大的發(fā)展空間。特別是大型、精密的模具的實際設(shè)計應(yīng)用比例較低，不到其他發(fā)達國家的50%，這主要是由于我國制造行業(yè)的研發(fā)能力、精密加工設(shè)備、人員專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新意識的不足造成的。這也使得我國的模具設(shè)計和制造領(lǐng)域差異性發(fā)展，中低檔模具出現(xiàn)供過于求的現(xiàn)象，而大型、精密的高技術(shù)模具則主要依靠進口。因此我國的模具設(shè)計和制造領(lǐng)域的發(fā)展必須依靠模具成型技術(shù)、設(shè)備加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高。

二、機械制造模具成型設(shè)計

機械制造模具成型設(shè)計是機械加工業(yè)的重要技術(shù)環(huán)節(jié)之一，其設(shè)計的好壞直接關(guān)系到模具成型質(zhì)量，因此應(yīng)該進行嚴格的設(shè)計研究和分析。設(shè)計人員接受模具成型設(shè)計任務(wù)書后，應(yīng)對設(shè)計圖紙和模具的原材料進行嚴格檢查，需對這些材料標注具體性質(zhì)信息。同時也需對機械制造模具的技術(shù)要求進行仔細的技術(shù)分析，使得生產(chǎn)出的模具的相關(guān)參數(shù)符合設(shè)計要求，進而保證利用模具生產(chǎn)產(chǎn)品可達到企業(yè)加工和設(shè)計要求。還需對模具尺寸進行精細計算，確保加工零件的尺寸和技術(shù)參數(shù)滿足模具成型設(shè)計任務(wù)書的具體要求。對于機械制造模具成型設(shè)計步驟，本文以注射模具設(shè)計為例進行具體說明。

1.模具成型設(shè)計考慮的問題

注射模具設(shè)計是機械制造領(lǐng)域中比重較大的一類模具成型設(shè)計，其具體設(shè)計應(yīng)考慮：首先是塑料材質(zhì)選擇，其是否符合設(shè)計任務(wù)書的要求以及冷卻過程的收及補問題。其次是模具澆口和分型面的具體類型和參數(shù)，同時也需考慮模具制造過程的冷卻或加熱對模具的性能影響。最后是根據(jù)模具尺寸合理選用注射機，注射機選型應(yīng)考慮注射機的最大注射量、鎖模力以及模具尺寸等參數(shù)，保證模具結(jié)構(gòu)和零件形狀簡單實用，整個模具的精度、表面粗糙度和剛度符合設(shè)計任務(wù)書的要求，便于模具制造和加工[2]。

2.模具成型的設(shè)計步驟

（1）塑件分析

塑件分析的兩個重要考慮因素是塑件設(shè)計要求和塑件生產(chǎn)批量。確定塑件設(shè)計要求時，應(yīng)根據(jù)塑件制品零件圖、成型工藝的實用性和經(jīng)濟性進行設(shè)計，要明確塑件性質(zhì)、形狀要求、尺寸精度和表面粗糙度等相關(guān)技術(shù)參數(shù)，如塑件的相關(guān)技術(shù)參數(shù)需變動時，應(yīng)與產(chǎn)品設(shè)計人員進行商討變動可能性。塑件生產(chǎn)批量對塑件生產(chǎn)成本影響較大，對其進行分析時，首先應(yīng)明確塑件的生產(chǎn)批量，根據(jù)其選擇合適的模具，如生產(chǎn)批量較小，可考慮使用簡單模具，降低生產(chǎn)成本。而生產(chǎn)批量較大時，在保證塑件質(zhì)量的前提下，盡量縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，可考慮使用一模多腔或高速自動化生產(chǎn)模式，同時也應(yīng)嚴格要求模具推出或脫模機構(gòu)的控制使用。除了上述兩種重要考慮因素外，塑件分析過程應(yīng)計算塑件的體積、質(zhì)量和模具型腔數(shù)量，為接下來的注塑機選用做好前期準備工作。

（2）注塑機選用

根據(jù)塑件分析對塑件的體積和質(zhì)量計算確定模具的結(jié)構(gòu)，再進行注塑機型號的選用，明確其與模具設(shè)計相關(guān)的技術(shù)參數(shù)。這些技術(shù)參數(shù)主要包括注塑機最大注塑量，注塑壓力大小，安裝螺孔位置，注塑機模板面積、定位圈和噴嘴等相關(guān)構(gòu)件尺寸，進而保證注塑機型號可以滿足實際模具設(shè)計需求。

（3）模具成型設(shè)計計算項目

完成注塑機型號的選用后，可進行模具設(shè)計計算項目，明確具體技術(shù)參數(shù)，如凹凸模尺寸計算，型腔壁厚和底板厚度的確定，以及模具加熱、冷卻系統(tǒng)的選型和設(shè)計。

（4）模具成型結(jié)構(gòu)設(shè)計

模具成型結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)主要明確以下相關(guān)參數(shù)，首先是塑件成型位置以及各分型面的實際應(yīng)用。其次是模具型腔數(shù)量、型腔排列的選擇。再次是模具相關(guān)零件、頂出機構(gòu)以及排氣方式等相關(guān)設(shè)計。最后是根據(jù)模具總體尺寸選擇適當?shù)哪＜?，目前模架型號已標準化制造，可根?jù)實際要求直接購買。通過上述參數(shù)的確定，進而繪制完成的模具成型結(jié)構(gòu)圖。

（5）模具成型相關(guān)圖紙繪制

模具成型相關(guān)圖紙繪制主要包括繪制模具總裝圖和零件工作圖，其繪制過程應(yīng)嚴格參照機械制圖國家標準和相應(yīng)的行業(yè)規(guī)范，其繪制原則與常規(guī)機械圖畫法基本一致，需明確模具成型的形狀和澆口位置。同時制模具總裝圖的俯視圖中，可去除定模部分，只保留相應(yīng)動模部分。模具總裝圖應(yīng)包括模具外形尺寸，裝配尺寸、極限尺寸以及技術(shù)條件等，并編寫相應(yīng)的零件明細表。

3.機械制造模具成型設(shè)計的相關(guān)技術(shù)

（1）計算機CAD/CAM輔助設(shè)計軟件

機械設(shè)計和輔助加工制造技術(shù)的大量應(yīng)用，有效提高機械設(shè)計制造的研發(fā)效率，促進現(xiàn)代制造業(yè)的研究開發(fā)工作，我國模具成型設(shè)計發(fā)展得益于計算機CAD/CAM輔助設(shè)計的發(fā)展應(yīng)用。該技術(shù)可通過計算機進行模具成型模擬設(shè)計，進而有效提高設(shè)計效率。同時該技術(shù)可以與數(shù)字、數(shù)控等技術(shù)聯(lián)用，既可進行開發(fā)設(shè)計過程中各種信息的定量表達、存儲和控制，實現(xiàn)模具成型設(shè)計全局優(yōu)化運算，也可通過數(shù)字建模和仿真模擬和動態(tài)分析優(yōu)化設(shè)計思路和要求，同時其可有效降低模具成型設(shè)計和改造成本，縮短模具成型設(shè)計時間，提高模具成型設(shè)計效率。目前計算機CAD/CAM輔助設(shè)計軟件的開發(fā)利用，實現(xiàn)模具軟件應(yīng)用的集成化、網(wǎng)格化發(fā)展。如Power Solution CAD/CAM集成化系統(tǒng)，其可完成幾何建模、工業(yè)設(shè)計和制圖、仿真分析、數(shù)控編程、測量分析等多種功能設(shè)計，同時該系統(tǒng)的各功能模塊相對獨立，也可使用數(shù)據(jù)接口與其他系統(tǒng)聯(lián)用運行，體現(xiàn)該系統(tǒng)的開放性和兼容性。

（2）模具成型三維化設(shè)計軟件

傳統(tǒng)的模具成設(shè)計是二維設(shè)計過程，其已不適應(yīng)現(xiàn)代制造行業(yè)的發(fā)展要求。而采用模具成型三維化設(shè)計軟件可以立體直觀的設(shè)計模具，設(shè)計出的三維數(shù)字化模型便于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的CAE分析、模具性能評估以及加工成型過程模擬。如Pro / E和CATIA等軟件的使用，可進行模具并行工程設(shè)計。專業(yè)3D注塑模設(shè)計軟件，可實現(xiàn)3D型腔、型芯結(jié)構(gòu)、模架配置及結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。如Moldflow Advisers三維真實感流動模擬軟件、3D Quickfill、HSC 3D4.5F、Z-mold等軟件實際設(shè)計應(yīng)用效果良好。

（3）模具成型設(shè)計相關(guān)的制造技術(shù)

機械制造模具成型設(shè)計過程中，對模具的加工精度和強度有嚴格的技術(shù)要求，而常規(guī)的模具設(shè)計制造技術(shù)滿足不了這些要求，使得模具成型設(shè)計的實用性降低，同時也浪費相應(yīng)的設(shè)計成本，因此需要采用先進制造技術(shù)滿足技術(shù)要求。目前可采用的先進制造技術(shù)主要包括以下3種：首先是電火花加工技術(shù)，該技術(shù)是利用火花放電產(chǎn)生的瞬間高溫蝕去金屬進行模具的加工成型。該技術(shù)分為電火花穿孔成型加工和電火花線切割加工兩種，電火花穿孔成型應(yīng)用在型腔加工環(huán)節(jié)，而電火花線切割加工主要用于注射模、壓鑄模和熱鍛模等模具型腔成型作業(yè)[3]。其次是高速切削加工技術(shù)，該技術(shù)主要利用高速切削對高硬度、耐磨損模具材料進行加工處理。與傳統(tǒng)模具設(shè)計與制造相比，高速切削加工技術(shù)可有效提高模具加工效率，保障模具制造質(zhì)量。最后是快速模具制造技術(shù)，該技術(shù)是快速成型技術(shù)（RPM）與常規(guī)模具制造技術(shù)的有效結(jié)合，其可以大量縮短模具設(shè)計開發(fā)時間，有效提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，已成為模具設(shè)計與制造的重要技術(shù)方法。其主要包括基于RPM原型的精密鑄造模具、噴涂法、熔模鑄造以及直接制造金屬模具等具體技術(shù)方法。

三、結(jié)語

通過本文對模具設(shè)計與制造的研究現(xiàn)狀以及機械制造模具成型設(shè)計的闡述分析來看，與國際先進水平相比，我國機械制造模具成型設(shè)計水平差距較大，需增加模具成型設(shè)計與制造領(lǐng)域的研究力度，采用新設(shè)計軟件和先進模具制造技術(shù)，確保機械制造模具設(shè)計和制造向大型化、高精度、環(huán)保以及技術(shù)含量高的方向發(fā)展。

參考文獻：

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[3]張文秀.關(guān)于電火花成型機床加工技術(shù)的思考[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報，2012（1）.