注塑模具设计综述.docx

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注塑模具设计综述

注塑模具设计综述

（江西理工大学，材料科学与工程学院，金属材料093）

摘要：

介绍了注塑模具的组成、类型和设计程序等方面的内容，并对模具设计与制造中的一些关键问题加以详述。

阐述了注塑模具制造特点和新兴注射成型技术对模具制造的新要求，并对注射成型技术发展现状进行了综合评述。

关键词：

注射模具模具设计先进制造前景展望

前言

随着塑料制品日益广泛的应用，在注塑成型过程中起着重要作用的模具越来越受到重视。

除了塑料制品的表面质量、成型精度完全由模具决定之外，塑料制品的内在质量、成型效率也受模具的控制，所以如何高质量，简明、快捷和规范化地设计注塑模具，成为发挥注塑成型工艺优越性、扩大注塑制品应用的首要问题。

目前我国一般模具的30%，中高档模具的一半以上还依赖进口（其中注塑模占有很大的比例）。

因此，模具（特别是注塑模具）制造业的落后在某种程度上已经成为阻滞我国制造业发展的瓶颈所在。

开发和引进先进制造技术是改变我国注塑模具制造业相对落后和市场需求快速增长的重要途径。

　　先进制造技术是制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，并将其应用于产品的设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的市场的适应能力和竞争力的制造技术的总称。

先进制造业正在急剧地改变着传统制造业的产品结构和生产模式，注塑模具制造业也不例外。

1.1注塑模具的结构组成

注塑模具由动模和定模两部分组成，动模安装在注塑成型机的移动模板上，定模安装在注塑机的固定模板上。

在注塑成型时动模和定模闭合构成浇注系统和型腔。

开模时动模与定模分离以便取出塑料制品。

（1）成型部件：

成型部件由型芯和凹模组成。

型芯形成制品的内表面形状，凹模形成制品的外表面形状。

合模后型芯和凹模便构成了模具的型腔，该模具型腔由件13和件14组成。

按工艺和制造要求，有时型芯或凹模由若干拼块组成，有时做成整体，仅在易损坏、难加工的部件采用镶件。

（2）浇注系统：

浇注系统又称为流道系统，它是将塑料熔体由注塑机喷嘴引向型腔的一组进料通道，通常由主流道、分流道、浇口和冷料穴组成。

浇注系统的设计十分重要，它直接关系到塑件的成型质量和生产效率。

（3）导向部件：

为了确保动模与定模合模时能准确对接，在模具中必须设置导向部件。

在注塑模中通常采用四组导柱与导套来组成导向部件，有时还需在动模和定模上分别设置互相吻合的内、外锥面来辅助定位（第6.3节中会详细讲解）。

为了避免在制品推出过程中推板发生歪斜现象，一般在模具的推出机构中还设有使推板保持水平运动的导向部件，如导柱和导套。

（4）推出机构：

在开模过程中，需要有推出机构将塑件及其在流道内的凝料推出或拉出。

如图1-1所示，推出机构由推杆11和推出固定板8、推板9及主流道的拉料杆10组成。

推出固定板和推板夹持住推杆。

在推板中一般还固定有复位杆，复位杆在动模和定模合模时使推出机构复位。

（5）调温系统：

为了满足注塑工艺对模具温度的要求，需要有调温系统对模具的温度进行调节。

对于热塑性塑料用注塑模，主要是设计冷却系统使模具冷却。

模具冷却的常用办法是在模具内开设冷却通道，利用循环流动的冷却水带走模具的热量；模具的加热除可用冷却水通道引入热水或蒸汽外，还可在模具内部和周围安装电加热元件。

（6）排气槽：

排气槽用以将成型过程中的气体充分排除。

常用的方法是在分型面处开设排气沟槽。

由于分型面之间存在有微小的间隔，对于较小的塑件，因排气量不大，可直接利用分型面排气，不必开设排气沟槽，一些模具的推杆或型芯与模具的配合间隙均可起排气作用，有时可不必另外开设排气沟槽。

（7）侧抽芯机构：

有些带有侧凹或侧孔的塑件，在被推出以前必须先进行侧向分型，抽出侧向型芯后方能顺利脱模，此时需要在模具中设置侧抽芯机构。

1.2注塑模具分类及简介

（1）单分型面注塑模具又称为两板式模具，它是注塑模具中最简单、最常用的一类，占全部注塑模具的七成。

（2）双分型面注塑模具以两个不同的分型面分别取出流道凝料和塑料件，与两板式的单分型面注塑模具相比，双分型面注塑模具在动模板与定模板之间增加了一块可以移动的中间板（又名浇口板），故称为三板式模具。

（3）带有活动镶件的注塑模具。

对于外形结构复杂的塑件，由于无法通过简单的分型从模具内取出塑料件，这时可在模具中设置活动镶件和活动的侧向型芯及板块（哈夫块）。

（4）带侧向分型抽芯的注塑模具。

当塑件上有侧孔或侧凹时，在模具内可设置出由斜销或斜滑块等组成的侧向分型抽芯机构，它能使侧型芯做横向移动。

（5）自动卸螺纹的注塑模具。

当要求能自动脱卸内螺纹或外螺纹的塑件时，可在模具中设置转动的螺纹型芯或型环，这样便可利用机构的旋转运动或往复运动，将螺纹制品脱出，或者用专门的驱动和传动机构，带动螺纹型芯或型环转动，将螺纹制件脱出。

（6）推出机构设在定模的注塑模具。

由于制件的特殊要求或形状限制，制件必须要留在定模内，这时就应在定模一侧设置推出机构，以便将制品从定模内脱出。

定模一侧的推出机构一般由动模通过拉板或链条来驱动，如图1-6所示。

（7）无流道凝料的注塑模具（简称为无流道注塑模具）。

通过采用对流道加热或绝热的办法来保持从注塑机喷嘴到浇口处之间的塑料保持熔融状态。

这样在每次注塑成型后流道内均没有塑料凝料，这不仅提高了生产率，节约了塑料，而且还保证了注塑压力在流道中的传递，有利于改善制件的质量。

此外，无流道凝料注塑模具还易实现自动化操作。

1.3注塑模具设计的一般步骤

1．确定型腔的数目

确定型腔数目的方法的根据有锁模力、最大注塑量、制件的精度要求、经济性等，在设计时应根据实际情况决定采用哪一种方法。

2．选定分型面（又称PL面）

虽然在塑件设计阶段分型面已经考虑或者选定，在模具设计阶段仍应再次核对，从模具结构及成型工艺的角度判断分型面的选择是否最为合理。

3．确定型腔的配置

型腔的配置实质上是模具结构总体方案的规划和确定。

因为一旦型腔布置完毕，浇注系统的走向和类型便已确定。

冷却系统和推出机构在配置型腔时也必须给予充分的注意，若冷却管道与推杆孔、螺栓发生冲突，要在型腔布置中进行协调，当型腔、浇注系统、冷却系统、推出机构的初步位置确定后，模板的外形尺寸基本上就已确定，从而可以选择合适的标准模架。

4．确定浇注系统

浇注系统中的主流道、分流道、浇口和冷料穴的设计中，浇注系统的平衡及浇口位置和尺寸是浇注系统的设计重点。

另外，需要强调的是浇注系统决定了模具的类型，如采用侧浇口，一般选用单分型面的两板模即可，如采用点浇口，往往就需要选用双分型面的三板式模具，以便脱出流道凝料和塑料制件。

5．确定脱模方式

在确定脱模方式时首先要确定制件和流道凝料滞留在模具的哪一侧，必要时要设计强迫滞留的结构（如拉料杆等），然后再决定是采用推杆结构还是推件板结构。

特别要注意确定侧凹塑件的脱模方式，因为当决定采用侧抽芯机构时，模板的尺寸就需要加大，在型腔配置时要留出侧抽芯机构的位置。

6．冷却系统和推出机构的细化

冷却系统和推出机构的设计计算详见有关章节。

冷却系统和推出机构的设计同步进行有助于两者的很好协调。

7．确定凹模和型芯的结构和固定方式

当采用镶块式凹模或型芯时，应合理地划分镶块并同时考虑到这些镶块的强度、可加工性及安装固定。

8．确定排气方式

由于在一般的注塑模中注塑成型时的气体可以通过分型面和推杆处的空隙排出，因此注塑的排气问题往往被忽视。

对于大型和高速成型的注塑模，排气问题必须引起足够的重视。

9．绘制模具的结构草图

在以上工作的基础上绘制注塑模完整的结构草图，在总体结构设计时切忌将模具结构搞得过于复杂，应优先考虑采用简单的模具结构形式，因为在注塑成型的实际生产中所出现的故障，大多是由于模具结构复杂化所引起的。

结构草图完成后，若可能，应与工艺、产品设计及模具制造和使用人员共同研讨直至相互认可。

10．校核模具与注塑机有关的尺寸

因为每副模具只能安装在与其相适应的注塑机上，因此必须对模具上与注塑机有关的尺寸进行校核，以保证模具在注塑机上正常工作。

11．校核模具有关零件的强度和刚度

对成型零件及主要受力的零部件都应进行强度及刚度的校核。

一般而言，注塑模具的刚度问题比强度问题显得更重要一些。

12．绘制模具的装配图

装配图应尽量按照国家制图标准绘制，装配图中要清楚地表明各个零件的装配关系，以便工人装配。

当凹模与型芯镶块很多时，为了便于测绘各个镶块零件，还有必要先绘制动模和定模部装图，在部装图的基础上再绘制总装图。

装配图上应包括必要的尺寸，如外形尺寸、定位圈尺寸、安装尺寸、极限尺寸。

在装配图上应将全部零件按顺序编号，并填写明细表和标题栏。

13．绘制模具零件图

由模具装配图或部装图拆绘零件图的顺序为先内后外，先复杂后简单，先成型零件后结构零件。

14．复核设计图样

应按制品、模具结构、成型设备、图纸质量、配合尺寸、零件的可加工性等项目进行自我校对或他人审核。

1.4塑料模具设计注意事项

（1）塑件形状及壁厚特别应考虑有利于料流畅通填充型腔，尽量避免尖角、缺口。

（2）脱模斜度应取大，含玻璃纤维15%的可取1°～2°，含玻璃纤维30%的可取2°～3°。

当不允许有脱模斜度时则应避免强行脱模，宜采用横向分型结构。

（3）浇注系统截面宜大，流程平直而短，以利于纤维均匀分散。

（4）设计进料口应考虑防止填充不足，异向性变形，玻璃纤维分布不匀，易产生熔接痕等因素。

进料口宜取薄膜，宽薄、扇形、环形及多点形式进料口可使料流乱流，玻璃纤维分散，以减少异向性，最好不取针状进料口，进料口截面可适当增大，其长度应短。

（5）模具型芯、型腔应有足够刚性及强度。

（6）模具应淬硬、抛光并选用耐磨钢种，易磨损部位应便于修换。

（7）顶出机构应均匀有力，便于换修。

（8）模具应设有排气溢料槽，并宜设于易发生熔接痕部位。

1.5注塑模具成型零件材料选用

（1）机械加工性能良好。

要选用易于切削，且在加工后能得到高精度零件的钢种。

为此，以中碳钢和中碳合金钢最常用，这对大型模具尤其重要。

对需电火花加工的零件，还要求该钢种的烧伤硬化层较薄。

（2）抛光性能优良。

注塑模成型零件工作表面，多需要抛光到镜面，Ra0.05m，需要钢材硬度35～40HRC为宜，过硬表面会使抛光困难。

钢材的显微组织应均匀致密，较少杂质，无针点。

（3）耐磨性和抗疲劳性能好。

注塑模型腔不仅受高压塑料熔体冲刷，而且还受冷热交变的温度应力作用。

一般的高碳合金钢可经热处理获得高硬度，但韧性差，易形成表面裂纹，不宜采用。

所选钢种应使注塑模能减少抛光修模的次数，能长期保持型腔的尺寸精度，达到批量生产的使用寿命期限。

（4）具有耐腐蚀性能。

对有些塑料品种，如聚氯乙烯和阻燃型塑料，必须考虑选用有耐腐蚀性能的钢种。

1.6注塑模具制造的特点

⑴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。

⑵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。

⑶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。

⑷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。

⑸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。

1.7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：

（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。

（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。

（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。

　　a.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。

b.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。

c.高速切削技术（HighSpeedMachining）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。

　　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。

　　今后，电火花成形加工应该主要针对一些尖角、窄槽、深小孔和过于复杂的型腔表面的精密加工。

高速成切削加工在发达国家的模具制造业中已经处于主流地位，据统计，目前有85%左右的模具电火花形加工工序已被高速加工所取代。

但是由于高速切削的一次性设备投资比较大，在国内，高速成切削与电火花加工还会在较长时间内并存。

　　模具的高速切削中对高速切削机床有下列技术要求：

①主轴转速高，功率大；②机床的刚度好；③主轴转动和工作台直线运动都要有极高的加速度。

由于高速切削时产生的切削热和刀具的磨损比普通速度切削高很多，因此，高速刀具的配置十分重要，主要表现为：

①刀具材料应硬度高、强度高、耐磨性好，韧度高、抗冲击能力强，热稳定和化学稳定性好；②必须精心选择刀具结构和精度、切削刃的几何参数，刀具与机床的连接方式广泛采用锥部与主轴端面同时接触的HSK空心刀柄，锥度为1：

10，以确保高速运转刀具的安全和轴向加工精度。

③型腔的粗加工、半精加工和精加工一般采用球头铣刀，其直径应小于模具型腔曲面的最小曲率半径；而模具零件的平面的粗、精加工则可采用带转位刀片的端铣刀。

　（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。

　（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（VirtualOrganization）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。

1.8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。

　　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。

1.9结论

　　模具不仅决定塑料制品的表面质量、成型精度，还影响了塑料制品的内在质量、成型效率，因此我们要高质量，简明、快捷和规范化地设计注塑模具，使模具充分的发挥注塑成型工艺优越性、扩大注塑制品的应用。

同时，将信息技术与现代管理技术应用于制造全过程，使未来注塑模制造将是以计算机辅助技术为主导技术，以信息流畅作为首要备件的有极强应变能力与竞争力的技术。

参考文献

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（5）伍光明.王群等编著塑料模具指导.北京.国防工业出版社.2006

Injectionmolddesignandreviewedinthispaper

（jiangxiuniversityofscienceandtechnology,materialsscience

andengineeringcollege,metalmaterials093）

Abstract:

thispaperintroducesthecompositionoftheinjectionmould,thetypesandthedesignprocessandsoon,andthecontentofthediedesignandmanufactureofsomekeyproblemsandprovidedetails.Expoundstheinjectionmoldingmanufacturecharacteristicsandemerginginjectionmoldingtechnologyofmouldmanufacturingnewrequirements,andtheinjectionmoldingtechnologydevelopmentissummarized.

Keywords:

injectionmouldmolddesignadvancedmanufacturingprospect