工業工程概論“期末報告”
從製程多角度來分析鞋模具製造
目錄
第一章緒論
1.1 研究背景與動機
1.2 研究目的
1.3 研究範圍與限制
第二章製鞋業之鞋模具各製程介紹
2-1製鞋產業的發展背景
2-2鞋業用模具簡介
2-3.各類模具應有之結構與設計資料內容和開模基本思考方向如附表。
2-4鞋模具各主要製程介紹
2.4.1 RB模具製程規範
2.4.2 PU模具製程規範
2.4.3 PH(PHYLON)模具製程規範
2.4.4 射出模具製程規範
2.4.5 IP(INJ. PHYLON)模具製程規範
第三章應用實例探討
3.1精密模具設計分析工程師專業能力目錄
3.2正向工程與逆向工程在不同樣品之時間成本比較
3.3同步工程之時間成本比較
第四章結論
第一章緒論
1.1 研究背景與動機
模具為製造業不可或缺之重要關鍵產品。舉凡傳統工業產品及高科技產品均需藉由模具才能快速、精確與自動化的大量生產。故模具工業可稱之為「工業產品之母」。我國模具工業之年產值在1998 年已超過六百億，居世界第四位，出口比率達26%，出口值居世界第四位，其中塑膠模具佔45%、沖壓模具佔36%、電子、電腦等3C 產業佔33%、運輸工具業佔23% [1]。但在1999 年及2000 年連續衰退，2000 年產值更降至481 億元，已落在大陸、韓國之後，呈現負成長[2]。追究其原因除受亞洲金融風暴影響之外，模具工業呈現負成長最大原因在於缺乏「高附加價值模具」之自主設計與製造能力。我國模具產值雖在全球居舉足輕重的地位，但對於一些精密模具，如IC 連續衝壓導線架模、積體電路包裝用模等，大都還需仰賴進口。故為因應世界潮流之趨勢，再創我國模具業競爭優勢，提昇我國精密模具之設計分析能力是為最重要的關鍵因素。
精密模具的定義，是指生產精度為10µm 以內的成形品所須的模具。由於成形材料在進行加工時，有其可塑的特性，因此無論是在形狀、尺寸及表面的精度而言，模具都必須優於成形品的條件，並搭配成形的特性，才能滿足成形的要求[3]。一般而言，模具的開發程序是按照分析、設計、製造、檢測、組裝、試模、量產壽命等順序來進行，各步驟間彼此相互關聯，且直接影響到模具的品質。目前模具業在加工技術和設備皆有長足的進步，使模具的精度有一定之水準，但在模具設計上仍缺乏系統化的品質分析和全面性的設計能力，因此在進行設計時，往往造成產品開發時間冗長，成本資源的浪費。故精密模具設計分析是決定模具開發是否成功之重要因素。
截至目前為止世界各國模具產技術均有長足的進步，為歸納周延的精密模具設計分析能力現況，參照目前國際特殊工具及加工協會(ISTMA)之會員國：日本、美國、德國、台灣、法國、英國、加拿大、義大利、南韓、荷蘭、阿根廷、比利時、芬蘭、葡萄牙、西班牙、瑞士、瑞典等十七國[4]之現況，擷取其重要技術及知識，來規劃『精密模具設計分析』專業能力指標。使歸納的能力項目更加完整周全。比較模具產業相關專業能力技術內容、現況及先進國家技術狀況如表1-1。
表1-1 我國與世界各國之技術差距之比較
專業能力技術內容
國內目前技術狀況
先進國家技術狀況
l 模具工程規劃及方案設計。
l 模具剛性與強度設計。
l 流道與冷卻通路設計。
l 沖壓成形製程之回彈
量、破裂、板後變動等模擬分析。
l 塑膠射出成型製程之
模流、熱傳、凝固等模擬分析。
l 鍛造成形製程之金屬流動、
充填等模擬分析。
l 鑄造成形製程之模流、
熱傳等模擬分析。
l CAD 系統之應用層次
偏重模具繪圖之繪製。
l 使用專用性模具設計
CAD 軟體之廠家比例偏少
，CAD 效益未充分發揮。
l CAE技術應用以射出成形
模具設計較為普及，其餘模具
尚處於萌芽階段，致使設計
品質難達最適化。
l 模具產業尚未建立完整的
設計資料庫/知識庫系統，導致
模具設計品質與個人經驗之
關連性密切，造成發展限制。
l 具有豐富的模具設計資料庫/
知識庫系統。
l 使用專用性設計模具
CAD 軟體，充分發揮CAD 效益。
l 開發模具設計專家系統。
l 已開發實用化模具設計用
CAE 軟體。
l 模具設計階段極重視CAE 技術。
(資料出自：模具工業發展策略與措施規劃報告)
1.2 研究目的
為迎接二十一世紀資訊時代的來臨，及配合政府全面提昇國家競爭力，增進各級產業之經濟效能，被稱之為「工業產品之母」的模具產業更需奮力向上，提昇「高附加價值模具」之自主設計分析能力，加速我國產業升級。
1.整合成形材料、產品設計、模具設計、模具製作、精密量測、製程自動化等模具上下游相關知識，培養模具開發的整體概念。
2.以模具的快速開發及自動化為核心內容，包括材料選用、產品原型製作、正/逆向技術、CAD/CAM/CAE電腦輔助技術、快速原及快速造模(RP/RT)技術、高速切削、表面處理、製程自動化、訊號感測與轉換等作為核心能力之培養。
3.培養具模具的人生3C能力，即：專業能力(competence)、溝通能力(communication)、合作能力(cooperation)。
1.3 研究範圍與限制
由於國內勞動成本較高造成鞋模量產工廠均遷往海外的情況下，國內僅剩少數幾家鞋模樣品開發廠，加上多樣少量與市場壽命短的產品特性，因此本研究的範圍與限制如下：
鞋模生產可以概分為兩個階段，一是樣品模具的生產，其次則是量產階段；而樣品模具的產出除攸關日後該鞋類的成型品質外，更是鞋類是否能夠及早投入量產
線的關鍵。
此外由於使用鞋底模具的鞋類繁多，在功能性的影響上主要以特殊功能鞋及運動鞋為主，但在產量上則以運動鞋為大宗。因此在生產階段上，本研究基於重要性
選擇樣品模具生產階段；在種類選擇上，本研究則基於數量之考量將針對運動鞋之鞋底模具的量產進行模擬的工作。在材質方面，運動鞋之材質繁多，本研究基於產
量需求趨勢的考量僅就模造中插(Mould Wedge, ＭＷ)及橡膠底(Rubber Sole, ＲＳ)兩種主要運動鞋大底及中插產品之鞋模生產流程進行分析。
由於鞋模生產從開發到產出製程較為繁複，其中之CAD/CAM 及鉗工與組模階段，應屬動態非穩定之非定性及非定量生產型態，資料蒐集分析所需時間較長，本研究未納入分析；加上鑄造階段屬於公司管制部門，因此本研究基於有限時間及資料蒐集等因素之考量下，僅就鞋模穩態定性及定量之NC 生產系統進行分析。
第二章製鞋業之鞋模具各製程介紹
2-1製鞋產業的發展背景
製鞋工業本身為勞力密集的產業，過去在臺灣人民刻苦耐勞的勤奮努力下，創造了製鞋王國的榮景，但在臺灣逐步邁入高度開發國家的過程之中，勞力密集導向的政策轉為技術密集，鞋業在臺灣逐漸沒落，廠商紛紛將生產線移往勞動力充沛的大陸及東南亞等地區。探究其主要原因乃在於製鞋業本身對於人工的依賴相當的大，並不如其他工業可採用大量自動化方式生產，尤其近年來臺灣地區製鞋業在大陸方面經濟改革開放後，各家廠商移往大陸的情形更為明顯，即使政府不斷地重申戒急用忍的政策，仍擋不住臺資遷移的朝流，進而東南亞等後進國家低價競爭的影
響，使得臺灣製鞋工業面臨更大的挑戰。此外接著而來的新臺幣大幅升值、勞工意識抬頭、工資持續高漲、環保、勞工缺乏… 等問題使得臺灣製鞋廠從民國七十八年原有1423 家的盛況逐年銳減至民國八十九年的511 家的蕭條景象。
然而現今世界各先進國家的製鞋業者正意識到了製鞋業已能夠突破已往的勞力密集導向，而正積極地朝向資金密集、技術密集、資訊密集與管理密集的方向發展，在工資高脹、環保及勞工意識抬頭的條件限制下，各先進國家的製鞋業者紛紛研究如何縮短產品產出時間，因為鞋類產品市場壽命短，以及少量多樣的產品型式，因此工廠必須能夠迅速的反應市場需求，也就是在最短的時間內產出目前最符合消費者所期望與最高品質的產品，並同時快速的將產品送達消費者的手中。
我國製鞋產業所面臨的問題
2-2鞋業用模具簡介
模具依據鞋款之不同而有不同之需求，包括底模、面模以及商標用模具，依其技術及加工需求而有不同，其構成亦有不同，一般分為上模、中模、中板以及下模等四個組成物件，在製程上則有CAD、CAM、鑄造、刨分模面、鉗工、組立、試模、放電加工以及咬花電鍍等主要製程，如下圖所示：
鞋模主要製程
以下針對鞋模幾個主要製程做簡要之說明
1. 2D 製圖
依據客戶提供之藍圖與紙板板樣如中底板及膠底板等，繪製2D 工程圖，並就各項形狀及相關尺寸細節等與客戶進行確認。
2. 拆模設計
2D 工程圖經與客戶確認無誤後，設計人員依據模具種類、使用方式、機械加工作業方式、組裝順序與方式等問題進行拆模結構確認的工作。
3. 3D 製圖
拆模結構確認後，3D 繪圖工程人員即依照2D 工程圖建立3D 曲面及架構。
4. CAM
3D 模型建立後，CAM 工程人員依3D 模型、加工範圍及各項切削參數模擬計算刀具加工路徑並轉換成ＮＣ程式進行ＮＣ加工。
5. 鑄造
ＮＣ加工完成之木模經修飾確認後則開始進行鑄造程序，鑄造程序依模具材質不同而有些許之差異。
6. 放電
部分加工不易模具，利用放電加工程序加工。
7. 銑基準
模材預留加工基準面的部分利用面銑機銑齊至所需基準面。
8. 刨分模面
基準面完成後，以CAD 所繪製之刨床板圖為基礎，利用刨床加工分模面。
9. 雕刻仿銑
部分難度不高，易於加工之模具組件，利用靠板以雕刻機或仿銑機進行拷貝加工。
10. 模具組立及試模
各項模具組件完成後則開始進行組模及試模的工作，並與客戶進行確認。
11. 咬花
模具表面為增加成品之美觀及防滑性，須依客戶之要求以化學藥品進行咬花之動作。
12. 電鍍
模具為維持表面之清潔不易生銹，並易於成型生產，必須進行電鍍或噴鐵弗龍之表面處理。
2-3.各類模具應有之結構與設計資料內容和開模基本思考方向如附表。
模具種類
圖面資料內容
模具開模重點基本思考方向
RB模具
1. 分模線位置（內、外腰）
2. 模具材質
3. 材料縮水
4. 模穴間距
5. 基本模板厚度
6. 把手位置及數量
7. 定位銷尺寸、位置及數量
8. 後扣排列方式及位置
9. 模具尺寸(長度×寬度)
10.模具板數(三或四塊板式)
11.隔板設計(板厚、補強、...)
12.護唇高度
13.排料溝設計
14.起模口位置、尺寸
15.表面處理要求
1. 模具重量(是否超重)
2. 表面處理(電鍍或鐵氟龍)
3. 隔板做法:
(1)是否太重，可否調整排料方式來改變隔板做法及重量。
(2)預留料之部位及深度。
(3)預留部位之做法(考慮刻擋料溝，改善補料)
(4)非預留料部位做法(加深幫助溝料)
1. 定位柱做法(高邊牆考慮用彈簧型)
2. 級放方式(顆粒大小固定或分段，數量固定或定分段)
全插模具
(PH & PU)
1. 分模線位置
2. 模具材料
3. 材料縮水
4. 模板模穴間距
5. 基本模板厚度
6. 把手位置
7. 定位銷尺寸、位置及數量
8. 後鈕排列方式及位置
9. 模具總高度、寬度
10.模具板數(三或四塊板式)
11.ㄇ型鐵尺寸
12.生產設備需求(KAS)----（PU）
13.起模口位置、尺寸
14.表面處理要求
15.灌注方式（正灌或倒灌）----（PU）
1. BAG分段與插高分段是否安全(預防BAG破裂)
2. 排氣孔位置及大小是否分別標示適當。
3. 分模線做法
4. 表面處理(鐵氟龍)
PU塊模具
1. 灌注孔位置、大小
2. 模具材質
3. 空氣袋壓迫量設計(壓迫量、壓迫方式)
4. 模具厚度
5. 生產設備需求(KAS)
6. 下壓式把手位置
7. 起模口位置
8. Air Bag定位柱、擋柱位置及數量
9. 表面處理之要求
10.定位銷尺寸、位置及數量
1. 氣泡問題(飾線或字體)
2. 溢料問題
3. 排氣溝做法。
4. 成品拉傷問題(脫模時)
5. 正灌或倒灌。
6. BAG之分段是否合宜，避免BAG外露。
射出模具
1. 流道設計
2. 入料口設計
3. 模穴擺放位置
4. 拔模角度
5. 模具厚度
6. 材料縮水
7. 成品頂出機構與退料方式
8. 拆模線位置
9. 表面處理之要求
10.模具材質
11.冷卻水孔位置
12.吊模環規格及位置
IP模具
1. 流道設計
2. 入料口設計
3. 拆模線位置
4. 定位柱大小、位置
5. 模具材質
6. ER值(發泡倍率)
7. 排氣溝位置
8. 止料銷、止料環規格
9. 真空口規格(O型環)
10.機台孔位
11.入料口高度及角度
12.模具總厚度
13.表面處理要求
Simu-press模具(RB+PH一體成型)
1. 合模高度
2. 模板材質
3. 補強柱規格、數量及位置
4. 模夾規格
5. 縮水率
6. 排料溝尺寸及位置
7. 隔板清料溝設計(位置、尺寸、...)
8. 隔板數量
9. 隔板背料尺寸及位置
10.分模線位置
11.PH最小護唇高度
12.表面處理要求
13.定位銷尺寸、位置及數量
14.ㄇ型鐵尺寸及位置
15.後鈕、後扣的數量及排列方式
2-4鞋模具各主要製程介紹
2.4.1 RB模具製程規範
(1)製作程序流程圖
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模具課內部開模會議
模具開模前會議
CAD設計
NC設計
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模型/電極修飾及確認
模面加工
放電/鑄造
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