模具设计 第一章入门小引

第一章 入门小引1.1 从一个塑料杯子讲起喝水用的、或者说是洗漱用的塑料杯子，是我们生活中再熟悉不过的日用品，这个东西在超市里面非常容易买到。那么它是如何出现在你面前的呢？一个塑料杯子的诞生大致是这样子的：从上面我们可以看出，要生产一个杯子，必须要有对应的模具，对商家来说，成本里面是要包含所开的模具费用的，时至今日，注塑模具的费用从几百乃至几十万上百万不等，无论怎么说，模具费用是个大头！之所以这样高，除了钢材价格，水电工资之外，作为模具设计的工资也不得不划入内，因为模具设计多少是个极具技术含量的工作，这方面的薪水向来很高。说了这么多，除了让诸位清楚模具设计在整个产业链中的位置外，让你站在高处往下看，我无非是强调模具设计的重要性，“临渊羡鱼，不如退而结网”。下面我们具体讲述模具设计的相关事情。1.2 模具是个啥玩意？许多朋友在开始进入学习这门课程之前，都会不由自主的提到这个问题，其实，模具存在于我们的日常生活中，各个方面都有模具。譬如，在集贸市场或蛋糕店，经常会看到有人做小蛋糕。原料：水，鸡蛋，面粉，把这些个东西搅拌混合，然后倒入一个金属盒子，合上盖子，加热一会，打开盖子，香喷喷的蛋糕就做成了，我们可以管这个金属盒子叫模具。夏天我们经常冻些冰块或冰糕解渴，冰箱里通常会配有一个塑料盒子，把水倒入，冷冻到一定时间，就可以从盒子里面的一个个小格子里面把冰块取出来，这个塑料盒子也可以叫做模具。稍微留意一下经常使用的钉书机，排列整齐的订书钉受压，在钉书机底板凹槽内折弯，就可以把纸张装订锁紧，那个凹槽也可称为模具。模具是个什么东西呢？模具是来成型产品的，是将不同类型的材料塑造个形状，模具形状是什么样，将来产品外形就是什么样(姑且可以这么夸张的说)。因此，模具就是用来成型产品的一个工具。我们平常生活中有用模具成型的产品吗？这个多了，简直太多了，多如牛毛，随处可见：浴室地砖、手机塑料配件、易拉罐、发卡、拉链、电脑壳体、油箱、雷达罩、按钮、汽车车灯、风扇扇页、玻璃冷水壶、弹夹、炮弹外壳、冰箱外壳体、台灯灯罩、厨房五金、发动机压铸件等等举不胜举、数不胜数！夸张点说就是：只有你想不到的产品，没有模具做不出来的产品。正是由于模具的存在，才使得制造某个产品，不再那么费时，费力，费材料，从而可以快速、大批量的复制生产，极大的提高了生产率，满足现代社会对商品的巨大需求。因此我们周围的商品世界才会变得丰富多彩，人们的生活水平才会不断提高。在汽车行业需要大量的模具，例如开发一个新轿车车型就需要约1000套模具！据报道新中国第一辆小轿车“东风”，是由一汽工人历时一年多手工敲制出来的！而现今东风汽车一天的产量就可以达到570辆！想想看，这是多么大的差异！这巨大差异的背后，其实就是我国模具工业突飞猛进历程的真实反映！模具号称工业之母，模具工业的技术水平几乎代表了加工制造业的最高水平！因此世界各国均非常重视模具，大力发展模具工业。通常一个国家模具工业越先进，那么它的整个工业水平也就越先进! 模具的分类模具的种类很多，有很多种分类方法。按不同的分类方法，同一种模具归类就可能不一样，而且业界并没有做很特别的规定，各行业的人按自己的认识，各叫各的。为便于朋友们在此阶段的学习，不至于感到混乱，我们按产值比重来做一个分类，其它的分类，还有待大家入门后，工作实践中，不断认识提高。（1） 塑料模塑料模用于塑料材料成型，包括中空吹塑、注塑模具、吹塑模具等等，主要是指注塑模具，一提塑料模基本上是指注塑模具，注塑模具是塑料模具里面结构最复杂，也是产品应用最广的。（2） 冲压模冲压模，也叫五金模，是利用冲压塑性变形，将金属片加工成型的，产品的应用也很广泛。（3） 压铸模压铸模具和注塑模具颇有相似之处，但区别还是有的。首先不同的是成型材料，压铸模具被用于熔融的轻金属成型，如铝、镁、锌等。材料不同导致了其他地方与塑料模不同。（4） 锻模锻造是将金属成型加工，将金属坯料置于锻造模具内，利用锻压或锤击方式来成型。（5） 其它模具，包括玻璃模、陶瓷模具等等。在以上模具类别当中注塑模具实在是属于绝对大的一类，因为其产品的应用范围实在是太广泛了。以至于很多人一提模具，他的意思指的就是注塑模具。本文所讲述就是注塑模具，它是生产塑料制品的一种必备工具，有关它的一些东西我们将在以下的篇章中详细介绍。模具的简单介绍前面我们讲了关于塑料的一些简单知识，并且知道注塑模具可以成型许多塑料制品。现在我们就来谈谈注塑模具是怎么工作的。在每次讲授模具结构之前我们都会鼓励学员们首先开动脑筋仔细想一想，在一点也不具备专业知识的基础上，设计一个工具来成型下面这个“板砖”形的塑件，当然了，这个工具应该就是我们前面所提的模具。图学员们都很积极的动脑动手，设计出来的结构各式各样，充分发挥了自己的聪明才智，曾有学员如此设计，如下图：图他这样解释到：将熔融的塑料用个勺子什么的盛起来，然后像浇汤似的倒入下面的方盒子，用带提手的盖子压紧，等塑料冷却后，找个家伙把凝固的塑料弄出来就OK啦！这位学员的设计从理论上说可行，但具体操作起来却颇为麻烦：首先往型腔里面浇注塑料就很麻烦，其次塑料收缩后，会变小甚至可能还会扭曲，另外，怎样把凝固的塑料弄出来是个问题在经过广泛讨论后，大家一直认为，成型产品的模具应该具有这样的结构：1）进料装置能够自动的进料，不用手工拿勺子舀：）2）锁紧装置得有个结构保证形成一个密闭型腔，不跑料。3）取出结构应该设计个取出机构将凝固成型的塑件完整无损的取出实际上，在经过不断实践改进的基础上，当今的模具结构已经将上述要求完美的解决了，模具已经是注塑成型加工的一个重要设备，必不可少的设备！拥有它，大批量的生产塑件才得以实现。1.3塑料一提塑料，我们并不陌生。例如塑料的东西拿上去比较轻，放到水里面会浮上来，当点着塑料糖纸或塑料包装纸后，它会燃烧并且熔化滴落，不大一会又凝固了，有时也会冒黑烟，并且发出刺鼻的气味这大概就是我们对塑料的最初印象。许多人一辈子对塑料的基本认识估计也就这么多了，也不影响什么，反正塑料并不影响他的快乐生活，真是不干那一行，不懂那一行的门道啊！但从事模具设计，如果对塑料的相关知识狗屁不懂的话，就不大可能设计出结构上合理的模具结构。因此您需要对塑料做进一步的了解。这里，我们本着简单，够用的原则来讲这部分内容，不长篇大论的做过多叙述。什么是塑料？塑料是指以树脂为主要成分，以增塑剂、填充剂、润滑剂，着色剂等添加剂为辅助成分，在加工过程中能流动成型的材料。期中树脂是主体，是主要成分，而添加剂为辅助成分。那什么是树脂呢？树脂通常是指受热后有软化或熔融范围，软化时在外力作用下有流动倾向，常温下是固态、半固态，有时也可以是液态的有机聚合物。树脂有天然树脂和合成树脂之分。天然树脂是指由自然界中动植物分泌物所得的无定形有机物质，如松香、琥珀、虫胶等。合成树脂是指由简单有机物经化学合成或某些天然产物经化学反应而得到的树脂产物。添加剂是指分散在塑料分子结构中，不会严重影响塑料的分子结构，而能改善其性质或降低成本的化学物质。添加剂的加入，能促使塑料改进基材的加工性、物理性、化学性等功能和增加基材的物理、化学特性。这就好比北方家里和面一样，面粉就是树脂，而碱面就为添加剂，两个参合一起，就形成了面团（塑料）！塑料的特性塑料集金属的坚硬性、木材的轻便性、玻璃的透明性、陶瓷的耐腐蚀性，橡胶的弹性和韧性于一身，以它优异的性能逐步地代替了许多已经使用了几十年、几百年的材料和器皿，成为人们生活中不可缺少的助手。具体来说，塑料具有如下特性：比较轻并且较坚固，相对来说价格便宜；冷却会收缩；绝缘性好，且不导热；耐水，耐油，耐药品性好；透明半透明好，有光泽，且容易着色；容易成形，可塑性强，生产出率高等等在众多特性里面，最典型的就是：可塑性。可塑性就是可以通过加热使固态的塑料变软，熔融流动，然后冷却凝固成为一定形状的固体。正是利用了塑料的这一特性，我们才可以使用注塑模具来生产出绚丽多彩的塑料制品！塑料的分类塑料的分类方法比较多，在此仅介绍两种分类方法。其一是根据塑料受热后的性质不同分为热塑性塑料和热固性塑料。A：热塑性塑料热塑性塑料是加热后软化以至流动，冷却后硬化，再加热后又会软化流动的塑料，即运用加热及冷却，可以不断地在固态和液态之间发生可逆的物理变化的塑料。我们日常生活中使用的大部分塑料都属于这个范畴。因为此种塑料可以回收再次利用，所以注射模具多用此种塑料成型产品。主要的热塑性塑料有：聚乙烯（PE ）、聚丙烯（PP ）、聚苯乙烯（PS ）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗称有机玻璃 ）、聚氯乙烯（PVC ）、尼龙（Nylon )、聚碳酸酯（PC ）、聚氨酯（PU）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚酰胺（PA）最好把这些缩写记住，对以后比较有好处。B：热固性塑料热固性塑料指具有加热后固化并且不可溶解，不融化特性的塑料。此类塑料第一次加热时可以软化流动，加热到一定温度，将产生化学反应交链固化而变硬，而且这种变化是不可逆的，此后，再次加热时，已不能再变软流动了，这种塑料只可以成型一次。由于它不可以回收再次利用，注射模具比较少用这种材料。热固性塑料多用于隔热、耐磨、绝缘、耐高压电等恶劣环境中，例如厨房用烧水壶的把手、机械零部件等。主要的热固性塑料有：酚醛树脂（PF）、脲醛树脂（UF）、三聚氰胺树脂(MF)、不饱和聚酯树脂（UF）、环氧树脂（EP）、有机硅树脂（SI）、聚氨酯（PU）等。其二是根据塑料用途的不同，又可以分为：通用塑料、工程塑料、特种塑料。通用塑料是指产量大、价格低、应用范围广的塑料，主要包括聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料五大品种。人们日常生活中使用的许多制品都是由这些通用塑料制成。工程塑料是可作为工程结构材料和代替金属制造机器零部件等的塑料。例如聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、ABS树脂、聚酰亚胺等。工程塑料具有密度小、化学稳定性高、机械性能良好、电绝缘性优越、加工成型容易等特点，广泛应用于汽车、电器、化工、机械等方面。特种塑料是指具有特种功能，可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。如氟塑料和有机硅具有突出的耐高温、自润滑等特殊功用，增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能，这些塑料都属于特种塑料的范畴1.4 注塑成型有了模具，怎样才能生产出杯子呢？这就需要将塑料熔化，然后“灌入”到模具里面，待塑料凝固之后，打开模具，便得到了塑料杯子。这个原理很简单，但实际运作起来却需要一系列的设备和工艺条件才能实施，这个过程业界称为注塑成型。在工程中经常把注塑成型称为“打产品”，一般来说，做模具的和打产品的都有独立的公司来经营，即模具公司（厂）做好模具之后，拉到塑胶公司（厂）或有注塑机的地方，由他们负责注塑成型出所需要的产品。但也有不少公司自己不但具备模具设计制造能力，更具有注塑成型能力。现在我们就简单的介绍一下这个工艺过程。注塑机要打产品，得想办法把塑料熔化，然后还得把塑胶“灌入”到模具型腔中，这一系列操作需要专门的机器来完成。这个专门的机器就叫做注塑机。注塑机是一种专用的塑料成型机械，它利用塑料的热塑性，经加热融化后，加以高的压力使其快速流入模具型腔内部，经一段时间的保压和冷却，成为各种形状的塑料制品。注塑机的分类方法很多，在这里不一一介绍，我们直奔重点，介绍一下工程中大多采用的螺杆式注塑机。如图所示。图注塑机通常由注射系统、合模系统、液压传达动系统、电气控制系统、润滑系统、加热及冷却系统、安全监测系统等组成。注射系统是注塑机最主要的组成部分之一，它能够使塑料在柱塞（或螺杆）的推动或旋转推进下均匀塑化，在高压下快速注入模具。很有点相似于打针用的注射器。注射系统包括加料装置、料筒、螺杆或柱塞、喷嘴、加压和驱动装置等。如下图所示。图螺杆在料筒内旋转时，首先将来自料筒的塑料卷入料筒，并逐步将其向前推送、压实、排气和塑化，随后塑料熔体就不断地被推到螺杆顶部与喷嘴之间，而螺杆本身则因收熔体的压力而缓慢后移。当积存的熔体达到一次注塑量时，螺杆停止转动，注塑时，螺杆传递液压或机械力使熔体注入模具。料斗是注塑机的加料装置，根据注塑机的不同还配有自动上料装置或者加热装置。料筒是为塑料加热和加压的容器，要求具有耐压、耐热、耐疲劳、抗腐蚀、传热性好等特点。料筒外部一般都配有加热装置可以实现分段加热和控制。喷嘴是连接料筒和模具的过渡部分，注塑时，料筒内的熔体在螺杆或柱塞的作用下，高压快速流经喷嘴注入模具。合模系统的作用是保证模具闭合、开启及顶出制品。同时，在模具闭合后，供给予模具足够的锁模力，以抵抗熔融塑料进入模腔产生的模腔压力，防止模具开缝，造成制品的不良现状。在注塑机里面，有一个专门的空间安装模具，将外面舱门打开，图中箭头所指圆圈部位即为安装模具的空间。为更清楚的表示模具在注塑机上的安装方式，我们用CAD图来表示，如图所示。图一个简单的生产周期所谓注塑成型，是指将已熔融的塑料喷射注入模具型腔内，经由冷却与固化后，得到制品的方法。在这整个过程中，如果细分，可以分为若干个连续的步骤，这些步骤周而复始，从而形成了生产周期。如图所示。图（1）计量为了成型一定大小的塑件，必须使用一定量的颗粒状塑料，这就需要计量。（2） 塑化为了将塑料充入模腔，就必须使其变为熔融状态，流动充入模腔。（3） 注塑充模为了将熔融塑料充入模腔，就需要对熔融塑料施加注塑压力，在液压缸或机械力作用下，推动螺杆前进使得熔体通过喷嘴注入模具。（4） 保压增密熔融塑料充满模腔后，螺杆对熔体继续保持一定的压力，使得熔体被继续挤压注入模具型腔，以弥补收缩，使得熔体密度提高。（5） 制品冷却保压结束后，制品开始进入冷却定型阶段。（6） 开模制品冷却定型后，注塑机的合模装置带动模具动模部分与定模部分分离。（7） 顶件注塑机的顶出机构顶出塑件。（8） 取件通过人力或机械手取出塑件和浇注系统冷凝料等。（9） 闭模模具动模部分在注塑机开合模系统作用下，向前移动与定模部分合拢。合模系统产生高压使得模具锁紧。建议多学一点更深一点的熔体充模理论1.5再论一个“杯具”的诞生在第一节中，我们谈到了一个塑料杯子是如何从无到有的，为了详细说明模具设计与制造的流程，更为了突出我们这门课的重要地位，我们现在将目光瞄准在生产厂家这一环节，简单说一下在实际加工现场，整个模具设计与制造的流程是如何一个情况。对于一个模具公司（厂）来说，当从接到订单开始，直至模具交付客户，大致是如下这样一个流程，请看下图：对客户的图档（2D，3D），进行分析。3D拆模模具工程图绘制CNC加工模具设计选择并定购模架放电加工模具零件加工线割加工钳工配模试模图以上是模具生产的整个流程，不同的公司根据自身的情况可能略有些不同，（譬如正规大厂实力雄厚，设备先进，分工会愈细，而山寨小厂则可能是那种“有个台钻就敢揽活”的情况）但大致都差不多，基本上就是如此。下面我们就各个方面大致介绍一下：产品分析首先是对客户的图档，包括2D、3D图进行技术分析。客户有时候是给你产品，让你来做，那么你得想办法得出数据，对产品造型；或者客户给你2D图，那你得根据2D图，进行3D造型；或者给你3D文件。这种情况比较多。模具设计模具设计就是根据产品的具体情况，运用模具设计理论，使用相关软件进行结构设计。它最终有两个结果，一是数字化结果，二是纸质结果。数字化结果是指PRT文件，供数控加工纸质结果是指工程图纸包括3D拆模3D拆模，也称为分模。它是指将产品原始的3D模型加上塑料的缩水率后，利用三维软件例如Pro/E、UG等将产品拆分为动、定模仁、斜顶、滑块、镶件等等。3D拆模是整个模具设计过程中最重要的核心工作。只有经过拆模，才能将模具里面成型产品的动、定模仁等相关零件设计出来，才能为后续的零件加工做准备。图模具工程图绘制模具工程图的绘制包括组立图、零件图、线割图、放电加工图等。设计人员在完成3D拆模后，就要绘制模具工程图，以供加工车间各工序加工师傅使用。清晰、完整、准确的模具工程图纸是十分有必要的。模具零件加工图纸设计出来后，就需要将设计思想表达出来，用各种加工设备加工出来，现在的加工设备十分的先进，且各企业的具体情况不同。CNC加工传统的机械加工都是用手工操作普通机床作业的，加工时用手摇动机械刀具切削金属，靠眼睛用卡尺等工具测量产品的精度的，时至今日，这种普通的加工方式仍然在模具加工现场发挥着重要作用。随着计算机技术的飞速发展，现今的模具加工现场是早已经使用电脑控制机床进行作业的了。它可以按照技术人员事先编好的程序自动对任何产品和零部件直接进行加工了，这就是我们说的“数控加工”。“CNC”是英文Computerized Numerical Control（计算机数字化控制）的缩写。它包括数控铣加工、数控车加工、数控电火花等等。只不过，对模具加工来说，CNC加工普遍是指数控铣加工，包括数控加工中心。放电加工放电加工此处指的是电火花加工。它是利用浸在工作液中的两电极间的脉冲放电来蚀除导电材料的，英文简称EDM。放电加工是模具加工中很典型的一种加工方法，当模具零件中数控铣铣不到位的地方时，可考虑用放电加工。特别适合用普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件。放电加工的主要用于加工：具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件；加工各种硬、脆材料，如硬质合金和淬火钢等；加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等；图线割加工线割加工，英文简称WEDM，有时又称线切割。其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝（称为电极丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。它主要用于加工各种形状复杂和精密细小的工件，各种微细孔槽、窄缝、任意曲线等，具有加工余量小、加工精度高、生产周期短、制造成本低等突出优点，在模具加工生产中获得广泛的应用，一般模具车间必备此类加工设备。钳工配模模具零件全部加工完毕后，就要有钳工师傅来装配模具，由于所有的机床加工都有误差，模具零件加工完后并不一定能够非常顺利的一次装配成功，即便如此，看似装配好了，也难免不漏胶。这就需要非常耐心、细心的一个个去装配，对碰。这是一个技术活。需要一定的经验。具有丰富经验的钳工师傅对企业来说是很难得的人才。试模钳工装配模具完毕后，在交付客户之前肯定得自己试模以发现模具是否有问题。如出现问题，钳工师傅要仔细分析问题之所在。通常来说，试模过程中会出现各种问题，大部分会集中反映在产品质量上，究其原因，可能是模具设计的问题，或是成型工艺的问题，也可能是装配过程中出现的问题。这要综合来看。只要试制出合格的产品，此套模具方算合格，可交付客户使用。设计模具必须要有一定的加工现场操作经验，否则很难信服。以下仅仅是对每个加工做个简单介绍，以让读者朋友有熟悉，还需攻下身子，求教师傅。模具设计师的忠告与建议一种特殊的机械产品，模具行业作为一种特殊的机械行业，不能像其它机械行业机械产品那样，所研发制造的机械产品生产出来零部件或机械产品本省仅靠设计人员的理论设计就能基本保证最终所要达到的所需的功能和使用要求，也就是说，对于其它的大多数机械产品，如果加工过程能够完完全全全或尽可能到达设计的精度和要求，最终的产品和当初的模具设计目的是不会有太大的偏差，即完善的设计在加工条件的保证下就可以生产出完美的产品，同时，这类产品的设计理论依据经过几十年甚至在一些老牌资本主义国家上百年的不断研究与实际生产的互不发展下已经变得很成熟，很完善，很实用了，比如各种机床设备，动力设备等。模具产品则不一样，由于无论是注塑、压铸类的高温流动成型还是常温下冲压类的塑性成型，尽管长的也有几十年研究与应用历史，由于基础理论和数学模型很不完善，不准确，也有还是存在很大的不确定性，特别是在我们国内，大多数还是要靠现场调试经验来支持，来尽可能使模具产品做到完善，生产出来的达到用户用户要求，所以在设计阶段，大多数目前只能做的工作，在整个模具制造过程和质量体系环节保证种，只能充当“粗加工环节”！也就是通常所说的模具的好坏最终要靠靠钳工手艺，不同厂家模具产品最终的颠峰对决，可能就是模具钳工的一种技艺比武吧，而在这行里设计人员和前期的各序加工人员只