《先进塑料模具制造技术的最新特点》

carlosliu

1 引言 模具制造技术的迅速发展，已成为先进制造技术 的重要组成部分。如模具的CAD/CAM技术，模具的 激光快速成形技术，模具的精密成形技术，模具的超 精密加工技术，模具在设计中采用有限元法、边界元 法进行流动、冷却、传热过程的注射工艺动态模拟技 术，模具的CIMS技术，已在开发的模具DNM技术以 及数控技术等，几乎覆盖了所有先进制造技术。 模具制造业在过去十几年中已经经历了剧烈的 变化。先进塑料模具制造技术朝着加快信息驱动、提 高制造柔性、敏捷化制造及系统化集成的方向发展。

2 模具CAD/CAM的工程技术 不断地引用3D-CAD设计、CAD/CAM、加工中心 才能实现模具的工业化生产。特别是在加工方法，计算机造型、编程并由数控机床加工，已是主要手段。 并已开始应用CAE软件进行分析，在优化浇道系统和 工艺参数等方面起了很好的作用。目前，英、美、德等 国及我国一些高等院校和科研院所开发的模具软件， 具有新一代模具CAD/CAM/CAE软件的智能化、集成 化、模具可制造性评价等特点。 新一代模具软件应建立在从模具设计实践中归 纳总结出的大量知识上。这些知识经过了系统化和 科学化的整理，以特定的形式存储在工程知识库中并 能方便地被模具软件所调用。在智能化软件的支持 下，模具CAD不再是对传统设计与计算方法的模仿， 而是在先进设计理论的指导下，充分运用本领域专家 的丰富知识和成功经验，其设计结果必然具有合理性 和先进性。

新一代模具软件以立体的思想、直观的感觉来设计模具结构,所生成的三维结构信息能方便地用于模 具可制造性评价和数控加工。衡量软件集成化程度的 高低，不仅要看功能模块是否齐全，还要看这些功能 模块是否共用同一数据模型，是否以统一的方式形成 全局动态数据库，实现信息的综合管理与共享，以支 持模具设计、制造、装配、检验、测试及投产的全过程。 模具可制造性评价功能在新一代模具软件中的 作用十分重要。既要对多方案进行筛选，又要对模具 设计过程中的合理性和经济性进行评估，并为模具设 计者提供修改依据。在新一代模具软件中，可制造性 评价主要包括模具设计与制造费用的估算、模具可装 配性评价、模具零件制造工艺性评价、模具结构及成 形性能的评价等。

3 第三代制模高速铣削技术 在最近的几年里，高速铣削（HSC）作为普通铣削 或EDM的替代和补充方案，牢固地确定了与传统的 加工工艺并驾齐驱的地位。高速铣削加工不但具有 加工速度高以及良好的加工精度和表面质量，而且与 传统的切削加工相比具有温升低（加工工件只升高 3℃）、热变形小，因而适合于温度和热变形敏感材料 （如镁合金等）加工；还由于切削力小，可适用于薄壁 及刚性差的零件加工；合理选用刀具和切削用量，可 实现硬材料（60HRC）加工等一系列优点。高速铣削 和组合工件加工在模具制造领域已成为最新技术。 这些新发展已经取代了类似仿形铣削和电火花加工， 以及程度不大的线导电火花加工等传统工艺。通过 HSC铣削获得的表面质量高，已经令多数费时的表面 抛光在电火花加工后不再需要使用。高质量的金属 去除生产工艺已经代替了模具嵌件的单独组装和对 模，取而代之的是集中装配。因此，高速铣削加工技 术仍是当前的热门话题，它已向更高的敏捷化、智能 化、集成化方向发展，成为第三代制模技术。 在2014年深圳国际模具展览会上，瑞士米克朗展 出的HSM700型高速铣削机床主轴转速100~42,000 转/min，空程进给速度40m/min，切削进给速度20m/ min，可称为展品中的敏捷化之最。

该机床横梁上的滑板及铝合金主轴拖板分别作
X、 Y、 Z运动，以减小运动部件的惯量；电机直接驱动 结构，低摩擦导轨、高性能、高速HS-plus数控系统，都 能保证机床具有很高的加减速性能；向传动电子化方向发展的高频、高效电主轴，传动零件少，同样改善了 主轴的加减速特性，还能减小振动和热变形等。以上 这些，都保证了实现机床的敏捷化制造。

4 新一代电火花成型加工技术 从国外的电加工机床来看，不论从性能、工艺指 标、智能化、自动化程度都已达到了相当高的水平。 目前国外的新动向是进行电火花铣削加工技术（电火 花创成加工技术）的研究开发，这是一种替代传统的 用成型电极加工型腔的新技术，它是用高速旋转的简 单的管状电极作三维或二维轮廓加工（像数控铣一 样），因此不再需要制造复杂的成型电极，这显然是电 火花成型加工领域的重大发展。电火花创成加工和 数控高速铣削一样，是加工型芯、型腔的主要手段。 最近，日本三菱公司推出了EA12DM电火花成型 加工机床又有新的进展。该机能进行电极损耗自动补 偿，在Windows7上为该机开发的专用CAM系统，能与 UG、Pro/E、AutoCAD等通用的CAD联动，并可进行在 线精度测量，以保证实现高精度加工。为了确认加工 形状有无异常或残缺，CAM系统还可实现仿真加工。 在电火花加工技术进步的同时，电火花加工的安 全和防护技术越来越受到人们的重视。电火花成型 加工机床通过一系列严格的审核程序，产品的先进性 与可靠性获CE认证标志和证书，完全可以进入欧盟 各成员国进行自由交易。如日本沙迪克公司的 AM45Ls/AM36Ls、还有瑞士阿奇夏米尔高速电火花机 FO350SP、瑞士阿奇公司的AGIECUTCLASSIC2 （WEDM）、夏米尔公司的ROBOFIL-300系列等都考 虑了安全防护技术。目前欧共体已规定没有“CE”标 志的机床不能进入欧共体市场，同时国际市场也越来 越重视安全防护技术的要求。 目前，电火花加工机床的主要问题是辐射骚扰， 因为它对安全、环保影响较大，在国际市场越来越重 视“绿色”产品的情况下，作为模具加工的主导产品— 电火花加工机床的“绿色”产品技术，将是今后必须解 决的难题。

5 快速制模技术 新产品开发中成本最高、工时最长的阶段就是制 造所设计的物理模型，即原型制造过程。激光快速造 型技术（RPM）就是由CAD软件设计出零件的计算机三维曲面或实体模型。根据工艺要求，按照一定的厚 度对CAD模型进行分层，生成二维平面信息（截面信 息），再将分层后的数据进行一定的处理，输入加工参 数，生成加工代码，再利用数控装置精确控制激光束 （或其它工具）的运动，在工作台上扫描出切片的截面 形状，再移动工作台，铺上一层新的成形材料，就这样 一层一层地加工，直至整个零件加工完毕。由于工具 和工件之间不成在干涉，被加工零件的几何形状几乎 不受限制，所以快速造型技术受到各方面广泛的重 视，得到迅速发展。 世界上已经商业化的快速造型工艺主要有立体 平版印制SLA（Stero Lithography Aparatus）、分层实体 制造LOM（Lominated Object Manufacturing）、选择性 激光烧结SLS（Selective Laser Sintering）、熔丝沉积制 造FDM（Fused Deposition Modeling）等等。在这些方 法中，SLS、LOM和FDM都具有直接制造金属零件的 潜力。选择性激光烧结SLS是直接制造金属塑料注 射模的主要方法，将金属粉末用易消失性聚合物包 覆，通过选择性激光烧结得到金属粘结实体，再将树 脂在一定温度下分解消失，然后使成形的金属粉末在 高温下烧结得到金属的烧结件，用这种方法制作的钢 铜合金塑料注射模，寿命可达5万件以上。尽管有些 快速造型方法可直接制造金属零件，但更多是通过间 接的方法得到的。所谓间接方式，是先利用快速造型 技术加工出非金属材料的模型，然后借助这些非金属 模型来生产金属零件。例如用石蜡或树脂等材料采 用快速造型技术加工出零件原型，将雾状金属喷涂到 零件原型上产生一个金属硬壳，将此硬壳分离下来， 用填充铝的环氧树脂或硅橡胶支撑，即可得到精确的 注射模。这一方法省略了传统加工工艺中的绘图、数 控加工和热处理这3个耗时费钱的过程，因而成本只 有传统方法的几分之一，生产周期也大大缩短，模具 寿命可达1,000~3,000件。

快速造型实现的方式多种多样，所采用的材料也 相当广泛，所以利用快速造型技术制造金属模具的途 径也非常多，在实践中都取得了很好的效果。尽管这 项技术目前正处于发展阶段，加工的模具在精度及表 面粗糙度值方面还有待进一步提高，但由于此项技术 能够满足迅速变化市场需求，其前景是相当广阔的。
我国最先引进了美国3D公司的SLA250（立体光 刻或称光敏树脂激光固化）设备与技术并进行开发研究 ，经 几 年 努 力 ，多 次 改 进 、完 善 ，推 出 了 “M-RPMS-Ⅱ型多功能快速原型制造系统”（拥有分 层实体制造-SSM、熔融挤压成型-MEM），这是我国自 主知识产权的世界惟一拥有两种快速成形工艺的系 统（国家专利），具有较好的性能价格比。

6 新型注射工艺 模具制造业设计师和生产专家的想象力和能力也 经受考验，他们不得不将过去十年在工艺工程中取得 的为数众多的革新转化为成功的实践。可举出的例子 有多料和多色注射、含织物、薄膜或涂漆表面的注射。 但热流道注道系统或者气体注射方法也得到不断应 用。热塑料用注射模的最新技术是热流道系统，而弹 性体用注射模的最新技术是冷流道系统。而且工业化 生产的模具嵌件，以及单、多型腔模具的型腔具有统一 性和精确度，这促进了注道系统的均衡。在模具设计 时，主要解决热平衡问题，合理确定浇注系统和冷却系 统，并根据制件要求，采用了液压抽芯和二次增压等结 构，注射模总体设计水平有了较大提高。 这些模具制造技术的发展也需要来自顾客（如注 射工厂）、最终使用者、材料和设备生产厂家的紧密合 作。日益提高的模具复杂性（型腔数量、不同工艺的 结合）也迫使模具制造趋于规范化。与十几年前的情 况相比，普通的模具制造商很难在今天的市场中具有 竞争力。但是将产品理念转变化模具设计将会一直 是模具制造业的主要任务。 微注射模一般轻于1g，但产品所含部件的总重量 仅0.01g。这些微塑件的几何形态同大型塑件的一样 都是多种多样的。 对于成型微型部件，有两套系统供选择。第一种 是由合模装置、材料准备、注射装置、模具等组成的非 标准注射装置的组合部件。在这种情况下，模具配备 了转板，从而可以从模具中取出完整的物件。第二种 被称为变温注射。基本原理是在每个循环内，将模具 加热至被加工塑料的熔化温，以促进填充模腔。一旦 模腔被充满，它又冷却下来了。为缩短冷却时间，尽 可能少的型腔嵌件经受温度循环，余下的模结构被一 直保持在脱模温度中。型腔嵌件依靠电加热，它的截 面积决定着加热的强度。

冷却模具嵌件相当具有挑战性。因为尺寸细微、 截面积很小，对任何冷却液体都有很高的流动阻力，很难得有空间来集中冷却腔道，所以空气是最理想的 冷却介质。应用变温方法，目前注射可获得15s的循 环时间，使型腔嵌件在每个周期中经受200℃~50℃的 温度的变化。 除了冷却之外，另一个特别的问题是微注射过程 中的型腔排气。在目前的发展阶段，排气道仍然较 大，还没有适合于微注射的热流道系统。在一个4型 腔模内，腔内溶物占了注射重的30%~50%，通过型腔 嵌件之间的分界线完成排气达到散热效果。 微型模具可由微蚀或微加工来制成。用火花底蚀 加工方法，半径可达20μm，粗糙度值深度可达0.2μm， 而用线导电火花加工方法，半径达R30μm，粗糙度深 度达0.1μm。微型塑件的例子是可移植助听器的感 应器外壳，或微型开关的元件。在试验性应用中，已 能用聚甲醛（POM）制造板形元件，厚度只有0.01~ 0.03mm，而常规注射模的排气通道有0.03mm深。 由压塑向注射的转变是工作条件改善的一个重 要前提。通常在压塑橡胶硫化过程中会排出大量的 水蒸气和气体。因为压力为垂直方向，只可能从操作 员的工位不充分地抽走气体。而用注射方法，气体上 升直接进入抽取系统，有了自动化的注射，包括手动 装置卸载塑件的整个模具工位都能最有效地作为抽 取气体之用，改善了操作员站在模具旁的工作条件。

7 新型注射模钢材 在模具钢的选用方面， 3Cr2W8V已较少应用，普 遍采用H13和ASSAB8407等，经热处理和表面氮化 处理，大幅度提高了模具寿命。随新型材料的出现， 粉末冶金或HIP（高温均压）方法生产的钢材获得广 泛应用，对注射模的质量改善做出了重要的贡献。 这样在长期运行中仍能保持成品的高精确度，型腔 尺寸可以保证在排气缝宽度小于5μm的范围内偏 离，防止溢料。 随着弹性成型件的出现，液体硅酮的应用将有可 能比天然橡胶的加工变得更加广泛。硅酮与其它材 料的结合注射已经被认为是可行的，并且这些工艺所 需要的注射模钢材已出现了。在这个领域，橡胶的加 工也可用类似的模具注射工艺，人工卸裁成型件的压 塑技术仍被广泛应用。采用了来自硅酮注射的创新 概念后，会在将来使橡胶物件的自动化生产也逐渐成 为可能。

8 多组件模具的注射装配 多组件模具取代装配的单个元件是注射设备生 产厂家中模具制造部分的显著特征。注射模是生产 部门的核心，产品新理念的接受促进了内部技术的结 合，导致了应用研究、自动化技术和机械工程部门之 间的合作。 用于硬、软复合物的多组件注射模占据了特别 重要的地位。这些包括带完整密封件的功能组件， 以及“软接触”容装件（如牙刷、螺丝批、剃须刀外壳、 电器的吸振手柄）。为了这个目的，在第一工作台上 制造实心热塑模件；在第二工作台上，成型件接受一 个密封件，多数情况下由热塑弹性体（TPE）组成。当 模具在两个工位间交替时，通常作旋转运动。这个 转台可能是注塑机的一部分，或者与模具结合而成 为转位板。 一般说来，多色彩或多组件注射的设计依赖于所 规定作业（成品的复杂度、生产件数等）。对于每一个 项目，顾客规定的要求决定着整个设计方案和周期时 间。目的是将任何组装过程集中到注射工艺中，迄今 已不断进行。 随着对注射过程中单个元件更深程度集成的要 求持续，更复杂模具由此产生。还有热塑件和橡胶弹 性体元件的结合，要求冷却的模具用于热塑性材料， 受热的模具用于橡胶的硫化，不同的温度和热扩散比 率、不同加工技术的结合对多组件注射跨学科问题的 解决提出了极大的要求。 市场对完整结构件的质量改善、价格竞争和产品 个性化（设计的自由性）的要求驱动着多组件成品专 门领域的注射模的系统化集中。

carlosliu

8个部分详细总结了塑料模具先进技术。

carlosliu

好文章啊，都看了吗