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任 務(wù) 書
院（系）： 專業(yè)：
班 級(jí)： 學(xué)生： 學(xué)號(hào)：
1、 畢業(yè)論文課題 汽車后視鏡罩注塑模設(shè)計(jì)
2、 畢業(yè)論文工作自 20xx 年 3 月 12 日起至 20xx 年 6 月 15 日止
三、畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行地點(diǎn) 學(xué)院
四、畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容要求：
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容
1、已知條件：
熱水器水管支架實(shí)物
（1）材料：PP，要求表面質(zhì)量好
（2）生產(chǎn)批量：中批量
2、設(shè)計(jì)要求：
（1）按要求寫出開題報(bào)告；
（2）結(jié)合設(shè)計(jì)課題到工廠進(jìn)行畢業(yè)實(shí)習(xí)；
（3）收集國內(nèi)外有關(guān)情報(bào)資料，查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料15篇以上。
（4）檢索與閱讀與設(shè)計(jì)題目相關(guān)的外文資料，并書面翻譯3篇（不少于1.0萬字）外文資料。
（5）在分析、計(jì)算、選擇和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上編寫出不少于2萬字的設(shè)計(jì)計(jì)算說明書（含文獻(xiàn)綜述）；
（6）繪制熱水器水管支架產(chǎn)品2D和3D圖；
（7）設(shè)計(jì)出熱水器水管支架注塑模的裝配圖和主要的零件圖；
（8）用Pro/E進(jìn)行分模，并進(jìn)行開模動(dòng)作模擬仿真；
（9）繪制工程圖折合A0號(hào)幅面的圖紙不少于3張；
（10）準(zhǔn)備和參加畢業(yè)答辯。
3、工作進(jìn)度：
（1）查閱設(shè)計(jì)資料、寫出開題報(bào)告（1周）；
（2）結(jié)合設(shè)計(jì)課題進(jìn)行畢業(yè)實(shí)習(xí)（調(diào)研），并寫出6000～8000字的文獻(xiàn)綜述；（1周）；
（3）外文翻譯（0.5周）；
（4）繪制塑料熱水器水管支架產(chǎn)品2D、3D圖和模具方案設(shè)計(jì)（1周）；
（5）草圖設(shè)計(jì)（1周）；
（6）工作圖設(shè)計(jì)（含裝配圖和零件圖）（4周）；
（7）模具分模及開模動(dòng)作仿真（1.5周）；
（8）整理設(shè)計(jì)計(jì)算說明書（1.5周）；
（9）修改設(shè)計(jì)（0.5周）；
（10）準(zhǔn)備和參加畢業(yè)答辯（0.5周）。
4、主要參考資料：
[1]上海模具技術(shù)協(xié)會(huì)著.塑料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)大全.［M］.杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，1990.
[2]王孝培主編.塑料成型工藝及模具簡(jiǎn)明手冊(cè).［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.
[3]黨根茂主編.模具設(shè)計(jì)與制造.［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1997.
[4]陳萬林等主編.實(shí)用塑料注射模具設(shè)計(jì)與制造.［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版
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[5]賈潤禮等主編.實(shí)用注塑模設(shè)計(jì)手冊(cè). ［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，2002.
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[8]詹友剛編著.Pro/ENGINEER中文野火版2.0基礎(chǔ)教程. ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.3.
[9]曹巖主編.Pro/ENGINEER wildfire產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例精解.［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.9
[10]佟河亭主編.Pro/ENGINEER wildfire中文版習(xí)題精解.［M］.北京：人民郵電
出版社，2006.4.
[11]張祥杰.Pro/ ENGINEER wildfire模具設(shè)計(jì)［M］.北京：中國鐵道出版社，2002.
[12] 黃曉燕.模具CAD/CAM實(shí)用教程Pro/ENGINEER軟件［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2004年.
[13] 二代龍震工作室主編.Pro/MOLDESIGN Wildfire 2.0 模具設(shè)計(jì).北京:電子工業(yè)出版社.2005.2
[14] 何滿才主編. 模具設(shè)計(jì) Pro/ENGINEER Wildfire 中文版實(shí)例詳解.北京:人民郵電出版社.2005.1
[15] 關(guān)興舉主編. Pro/ENGINEER 塑料模具設(shè)計(jì).北京:人民郵電出版社.2006.2
[16]余強(qiáng)主編.Pro/E模具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程,北京:清華大學(xué)出版社.2005.9
[17]林清安主編． Pro/ENGINEER Wildfire 2.0模具設(shè)計(jì)．北京：電子工業(yè)出版社．2005.4
指導(dǎo)教師
接受畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)開始執(zhí)行日期 年 月 日
學(xué)生簽名
附件一 英文文獻(xiàn)翻譯
譯文： 1. 三維注射成型流動(dòng)模擬的研究
摘要:大多數(shù)注射成型制品都是具有復(fù)雜的幾何輪廓和厚壁或薄壁的制品。這種三維仿真模型將比兩維半模型具有更精確的填充過程。本文介紹了一種基于三維模型的注射成型流動(dòng)模擬的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值實(shí)現(xiàn)，把速度和壓力同次插值方法成功地應(yīng)用到三維注塑模擬的計(jì)算中，從離散的動(dòng)量方程中找出壓力和速度的關(guān)系，然后迭代到連續(xù)性方程中得到壓力方程。用三維控制體積法追蹤流動(dòng)前沿，并通過算例分析來說明三維模型的有效性。
關(guān)鍵詞：三維模型 等序插值法 模擬 注塑成型
1 引言
在注塑成型的過程中，聚合物熔化的流變反應(yīng)隨著流動(dòng)前沿的方向大多是非牛頓流體和非等溫的。由于這些內(nèi)在的因素，分析它的填充過程是很困難的，因此通常進(jìn)行簡(jiǎn)易處理。例如在中面流和雙面流技術(shù)中，由于大多數(shù)注塑成型的零件都是薄壁卻有復(fù)雜的形狀的特征，當(dāng)分析流動(dòng)性而厚度方向的速度和壓力變化被忽略時(shí)，通常使用Hele—Shaw流動(dòng)簡(jiǎn)化。因此這兩種技術(shù)都是兩維的填充模型，用這種方法填充一個(gè)模型的型腔就變成了流動(dòng)方向的二維問題和厚度方向的一維分析。
但由于采用了簡(jiǎn)化假設(shè)，它產(chǎn)生的信息是有限的、不完整的。除了用有限差分法求解溫度在壁厚方向的差異外，基本上沒有考慮物理量在厚度方向上的變化 。隨著塑料成型技術(shù)的發(fā)展，注塑成型零件將具有越來越復(fù)雜的形狀，其壁的厚度的多樣性將變得越來越顯著，因此在厚度方向變化的物理量就不能被忽視。此外，熔體在型腔的表面流動(dòng)模擬看起來不真實(shí)，僅當(dāng)這些流動(dòng)模擬出現(xiàn)在成型型腔時(shí)它的真實(shí)性才更加明顯。
三維流動(dòng)模型已經(jīng)是研究方向而且在塑料注塑成型模擬方面將是個(gè)熱點(diǎn)。在三維流動(dòng)模型中，熔體在厚度方向的速度分量不再被忽略，熔體的壓力沿厚度方向變化，并且在分解三維實(shí)體制品方面通常使用有限元分析。通過有限元計(jì)算，可以獲得完整的數(shù)據(jù)（不僅獲得實(shí)體制品表面的流動(dòng)數(shù)據(jù)，還獲得實(shí)體內(nèi)部完整的流動(dòng)數(shù)據(jù)。）。因此，對(duì)于薄壁制品，三維流動(dòng)模擬能夠產(chǎn)生更加詳細(xì)的關(guān)于流動(dòng)特征的信息和應(yīng)力分布；對(duì)于如在氣體輔助成型中遇到的有厚壁區(qū)域的制品，三維流動(dòng)模擬能更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其充填行為。許多在二維模型中不能預(yù)測(cè)的充模過程中的流動(dòng)行為，如熔體前沿的流動(dòng)形態(tài)和推進(jìn)方式，即“噴泉”效應(yīng)在三維流動(dòng)模擬技術(shù)中都可以得到很好的體現(xiàn)。
本文提出了一種三維有限元模型來預(yù)測(cè)模擬塑料熔體的充模流動(dòng)，把速度和壓力同次插值方法成功地應(yīng)用到三維注塑模擬的計(jì)算中，從離散的動(dòng)量方程中找出壓力和速度的關(guān)系，然后代到連續(xù)性方程得到壓力方程。用三維控制體積法追蹤流動(dòng)前沿，并通過算例來說明該三維模型的有效性。
2 控制方程
充模過程中熔體壓力不是很高，且合理的模具結(jié)構(gòu)可以避免過壓現(xiàn)象，因此設(shè)熔體為未壓縮流體。由于熔體粘性較大，相對(duì)于粘度剪切應(yīng)力而言 ，慣性力和質(zhì)量力都很小，可忽略不計(jì)。
經(jīng)過簡(jiǎn)化和假設(shè)，控制方程的直角分量形式分別為：
動(dòng)量方程：
連續(xù)性方程：
能量方程：
式中：x, y, z—三維坐標(biāo)；u, v, w—分別表示x, y, z方向的速度；ρ—熔體密度；
P—壓力；T—溫度；η—熔體粘度
粘度模型采用 Cross模型
式中：n—非牛頓指數(shù)；γ—剪切速率；—材料常數(shù)；η0—零剪切粘度
由于在充模過程中，熔體的溫度變化范圍不大，因此η0采用 Arrhenius型表達(dá)式：
式中：B，Tb, β—材料常數(shù)。
3 數(shù)值模擬方法
3.1 壓力 —速度關(guān)系
三維有限元模型由于沒作 Hele-Shaw流動(dòng)簡(jiǎn)化，其數(shù)值處理方法和二維模型有很大不同。在三維模型中，用三維立體單元離散制品空間，采用速度和壓力同次插值和迦遼金法來離散控制方程 ，用三維控制體積法追蹤流動(dòng)前沿。由于三維模型考慮了厚度方向物理量的變化，其動(dòng)量方程比二維模型復(fù)雜得多，不可能像二維模型那樣直接通過在厚度方向上的積分得到速度和壓力的關(guān)系，需要首先對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行離散，從中找出壓力和速度的關(guān)系。本文采用壓力、速度雙線形插值，用 Galerkin法對(duì)動(dòng)量方程離散，經(jīng)逐個(gè)單元組裝后得到節(jié)點(diǎn)速度和壓力的關(guān)系如下：
其中，虛擬速度定義為：
節(jié)點(diǎn)上的壓力系數(shù)定義為：
(3)
式中—分別表示在 x，y，z 方向的總體速度系數(shù)矩陣
—分別表示節(jié)點(diǎn)在 x，y, z 方向的壓力系數(shù)，其值利用式(3)在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)積分，由各單元的貢獻(xiàn)值組裝而得到
Ni—單元插值函數(shù)；i—總體節(jié)點(diǎn)號(hào)；j—每個(gè)節(jié)點(diǎn)所有領(lǐng)接節(jié)點(diǎn)的數(shù)量
3.2 壓力方程
把連續(xù)方程式(1d)用 Galerkin法離散后，把速度方程式(2)代入，整理后得到離散的單元壓力方程：
把單元?jiǎng)偠染仃囉贸Ｒ?guī)的方法在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)組裝就得到整體壓力方程。
3.3 邊界條件
在模壁上采用無滑移邊界條件：
在澆口處：u=v=w=給定；
3.4 速度修正
求解壓力方程，得到壓力場(chǎng)。但從動(dòng)量方程求解得到的速度場(chǎng)并不滿足連續(xù)性條件，因此，要按下式用所求得的壓力場(chǎng)去修正當(dāng)前得到的速度場(chǎng)。
上述壓力、速度方程采用松弛迭代求解。整個(gè)求解過程如圖1所示。
3.5 流動(dòng)前沿位置的確定
熔體在模腔內(nèi)的流動(dòng)是非穩(wěn)態(tài)的過程，熔體前沿位置隨時(shí)間變化。像二維模型一樣，本文沿用 FAN (Flow Analysis Network) J的思路，采用控制體積法來跟蹤熔體每一時(shí)刻的前沿位置。但三維控制體積是一個(gè)空間體積，比二維控制體積復(fù)雜得多，三維控制體積的劃分必須保證各節(jié)點(diǎn)的控制體積完全充滿制品空間，不能有空洞和縫隙。圖2是三維控制體積的形態(tài)圖，箭頭處為制品表面。
(a)制品內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的控制體積 (b)制品邊界節(jié)點(diǎn)的控制體積
圖2 三維控制體積
4 結(jié)果和討論
算例的型腔如圖 3(a)所示。注射材料為 Kumbo生產(chǎn)的AKS780，對(duì)應(yīng)于五參數(shù) Cross模型中的( n，γ，B，Tb，β)粘度參數(shù)為 (0．2 638，4．515×10 Pa， 3．13 198 043×10‐7 Pa·s，1．12 236×10 K，0 Pa‐1 )。 注射溫度為 250℃，模具溫度為 45℃，制品的三維有限元網(wǎng)格如圖3(b)所示。
(a) 制品尺寸 (b) 立體網(wǎng)格劃分
圖3 示例制品
“噴泉”效應(yīng)也是充模流動(dòng)時(shí)的一個(gè)典型現(xiàn)象。當(dāng)熔體以較快的速度注入一個(gè)相對(duì)較冷的模具中，熔體和型腔壁接觸后，由于傳導(dǎo)冷卻效應(yīng)，實(shí)際上在型腔壁處就形成固體層 ，靠近型腔壁處的熔體剪切應(yīng)力增加，而中部剪切應(yīng)力為零，于是靠近型腔壁處熔體流動(dòng)方向開始向模壁偏轉(zhuǎn)。又由于中部熔體流動(dòng)速度比沿壁厚度方向上的平均速度快，不斷沖破熔體前沿由于降溫而形成的前沿膜并形成新的前沿膜。因此，此時(shí)流體前端呈噴泉狀，后面則以片狀流動(dòng)在固體層下面通過。圖4(a)是示例制品在幾個(gè)充填時(shí)刻流動(dòng)前沿的形狀，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和這種理論相符合。相反，如圖4(b)所示兩維半模型的流動(dòng)前沿形狀不會(huì)出現(xiàn)這種“噴泉”效應(yīng)。
(a) 三維流動(dòng)前沿的形狀 (b) 兩維半流動(dòng)前沿的形狀
圖4 三維模型流動(dòng)前沿形狀(a)和兩維半模型流動(dòng)前沿形狀(b)的比較
圖5所示的幾個(gè)充填時(shí)刻流動(dòng)前沿形狀的比較。它所示的當(dāng)前模型的流動(dòng)前沿形狀的效果比充填模型的好。如圖6所示的是和充填模型的流動(dòng)前沿形狀相比較的片門壓力圖，它所示的當(dāng)前模型的片門壓力和充填模型的相一致。產(chǎn)生這種偏差的主要原因是在處理模型和材料參數(shù)的差異。
圖 6 當(dāng)前三維模型的片門壓力值（虛線）和充填模型的片門壓力值（實(shí)線）的比較
圖 5 當(dāng)前三維模型流動(dòng)前沿形狀(a)和充填模型流動(dòng)前沿形狀(b)的比較
5 結(jié)論
三維有限元模型代表一個(gè)理論模型和數(shù)值模擬填充過程的實(shí)現(xiàn)。通過三維實(shí)體制品實(shí)例來測(cè)試他的有效性。在未來塑料注塑成型模擬方面三維模型的注射成型流動(dòng)模擬是一個(gè)發(fā)展的方向，盡管在目前廣泛使用三維模型的注射成型流動(dòng)模擬需要很長的時(shí)間，但是隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展以及仿真技術(shù)的改進(jìn)，這種三維模型的技術(shù)將會(huì)得到廣泛地應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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4 James G RICE，Rim J SCHNIPE．An equal-order velocity·pressure formulation that does not exhibit spurious pressure modes．Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,1986(58)：135~149．
5 Hieber C A．Ch. 1 in injection and compression molding fundamentals，A．1.1sayev，ed．，Marcel Dekker，New York,l987．
6 Tadmor Z，Broyer E，Gutfinger C．Flow an analysis method for solving flow Problems in polymer processing． Polymer Engineering and Science，1974(14)：660~665．
學(xué)號(hào)：
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
熱水器水管支架塑料模具設(shè)計(jì)
Water heater pipe of a bicycle plastic mold design
學(xué)院 專業(yè) 班級(jí)
學(xué)生 指導(dǎo)教師（職稱）
完成時(shí)間 20xx 年 3 月 12 日至 20xx 年 6 月 15 日
開題報(bào)告
題目
熱水器水管支架塑料模具設(shè)計(jì)
院 （系）
專業(yè)
年級(jí)
學(xué)號(hào)
姓名
指導(dǎo)教師
20xx年 3 月 12 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
題目
熱水器水管支架塑料模具設(shè)計(jì)
時(shí)間
本課題的目的意義
（含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）
畢業(yè)設(shè)計(jì)是整個(gè)教學(xué)的重要主成部分，是對(duì)學(xué)生的全面考核，是學(xué)生綜合訓(xùn)練必不可少的教學(xué)內(nèi)容。
該課題涉及的內(nèi)容比較多, 可以使學(xué)生所學(xué)的專業(yè)知識(shí)緊密結(jié)合，更加清楚地了解和掌握模具設(shè)計(jì)的工作原理,結(jié)構(gòu)過程.初步掌握模具設(shè)計(jì)的一般步驟和工藝過程. 通過設(shè)計(jì)能熟練的運(yùn)用設(shè)計(jì)資料，如國家相關(guān)部門所頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)、圖冊(cè)、規(guī)范等，培養(yǎng)獨(dú)立工作的能力。該課題比較抽象,需要學(xué)生去動(dòng)腦想象和構(gòu)造具體構(gòu)。
設(shè)計(jì)(論文)的基本條件
及設(shè)計(jì)(論文)依據(jù)
模具結(jié)構(gòu)形式
澆口種類：直澆口
流道： 普通流道
頂出方式：推桿頂出
制品精度：4級(jí)
設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)：
1．《塑料模設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版） 機(jī)械工業(yè)出版社
2．《塑料成型加工與模具》 黃虹編 化學(xué)工業(yè)出版社
3．《塑料制品與模具設(shè)計(jì)》 徐佩弦編 中國輕工業(yè)出版社
本課題的主要內(nèi)容、
重點(diǎn)解決的問題
主要內(nèi)容：（1）塑料制品外購、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇；
（2）成型模具的結(jié)構(gòu)形式及注塑機(jī)選擇；
（3）成型零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：動(dòng)、定模型腔尺寸的計(jì)算和布置；
（4）模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算：頂出機(jī)構(gòu)、抽芯機(jī)構(gòu)、加熱、冷卻、澆注、排氣系統(tǒng)等尺寸的計(jì)算與布置；
（5）繪制注射模裝配圖及其零件圖（繪制圖總量折合A0號(hào)圖紙不少于3張）；
（6）在分析、計(jì)算、選擇和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上編寫出不少于2萬字的設(shè)計(jì)計(jì)算說明書（含文獻(xiàn)綜述）；
本課題欲達(dá)到的目的
或預(yù)期研究的結(jié)果
通過這次的設(shè)計(jì),希望能使我們更好的掌握本專業(yè)的專業(yè)知識(shí)和技術(shù),能更清楚具設(shè)計(jì)要求和技巧,具體結(jié)構(gòu)和工作原理.同時(shí)也希望我們能更好的把書本的知識(shí)和實(shí)際操作融合在一起.為即將面臨的工作打下牢固的基礎(chǔ).
計(jì) 劃 進(jìn) 度
時(shí) 間
工 作 內(nèi) 容
備 注
3.22～3.26
3.29～4.2
4.5～4.9
4.12～4.16
4.19～4.23
4.26～5.14
5.17～5.28
5.31～6.4
6.7～6.11
查閱、收集國內(nèi)外與課題有關(guān)文獻(xiàn)資料并寫出文獻(xiàn)綜述。
寫出畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告，與導(dǎo)師進(jìn)行設(shè)計(jì)思想交流。
檢索與閱讀與設(shè)計(jì)題目相關(guān)的外文資料，并準(zhǔn)備與本設(shè)計(jì)所用的工具書。
畫出設(shè)計(jì)零件的2D及3D圖。初步確定設(shè)計(jì)方案，畫出草圖和主要設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)的確定。
用Pro/E進(jìn)行分模。
繪制模具總裝配圖和主要零件圖。
編寫設(shè)計(jì)（論文）說明書
修改與完善、打印、裝訂、裝袋
答辯前準(zhǔn)備，答辯
指
導(dǎo)
教
師
意
見
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
專
業(yè)
教
研
室
意
見
教研室主任簽名：
年 月 日
文獻(xiàn)綜述
學(xué)院（系）
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
模具是工業(yè)生產(chǎn)中使用極為廣泛的工藝裝備之一，也是發(fā)展工業(yè)的基礎(chǔ)。模具是成形金屬、塑料、橡膠、玻璃、陶瓷等制件的基礎(chǔ)工藝裝備，是工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)展和實(shí)現(xiàn)少無切屑加工技術(shù)不可缺少的工具。模具是一種高效率的工藝設(shè)備，用模具進(jìn)行各種材料的成型，可實(shí)現(xiàn)高速度的大批量生產(chǎn)，并能在大量生產(chǎn)條件下穩(wěn)定的保證制件的質(zhì)量、節(jié)約原材料。因此，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，模具的應(yīng)用日益廣泛，是當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段和工藝發(fā)展方向。許多現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，在很大程度上取決于模具工業(yè)的發(fā)展水平。
一、模具加工制造的方法
將金屬材料加工成模具的方法，主要有機(jī)械加工、特種加工、塑性加工、鑄造和焊接等。
1、機(jī)械加工
機(jī)械加工（即傳統(tǒng)的切削與磨削加工）是模具制造不可缺少的一種重要的加工方法，即使是用其他加工方法制造模具，也需要用切削或磨削加工來完成某些工作。例如模架加工、模坯加工、模具型面加工以及孔類加工等。
機(jī)械加工的明顯特點(diǎn)是加工精度高、生產(chǎn)效率高，而且用相同的機(jī)床和工具可以加工出各種形狀和尺寸的工件。但是，用機(jī)械加工方法加工復(fù)雜的形狀時(shí)，其加工速度很慢，硬的材料也難于加工；材料的利用率不高；而且還要求有熟練的操作工人。盡管如此，在模具制造過程中機(jī)械加工仍然是主要的加工手段。
2、特種加工
特種加工是有別于傳統(tǒng)機(jī)械加工方法的非傳統(tǒng)加工方法，也稱電加工。從廣義上來說，特種加工是指那些不需要用比工件更硬的工具，也不需要在加工過程中施加明顯的機(jī)械力，而是直接利用電能、化學(xué)能、聲能、光能等來除去工件上的多余部分，以達(dá)到一定的形狀、尺寸和表面粗糙度要求的加工方法，其中包括電火花成形加工、電火花線切割加工、電解加工、電化學(xué)拋光、電解磨削、電鑄、化學(xué)蝕刻、超聲波加工、激光加工等。
特種加工相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械加工，有如下特點(diǎn)：
1）加工情況與工件的硬度無關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)以柔克剛。
2）工具與工件一般不接觸，加工過程不必施加明顯的機(jī)械力。
3）可加工各種復(fù)雜形狀的零件。
4）易于實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)化。
正因?yàn)樘胤N加工有上述這些可貴的特點(diǎn)，所以特種加工在模具制造中得到越來越廣泛的應(yīng)用，并成為模具加工中的一種重要方法。
3、塑性加工
塑性加工主要是冷擠壓制模法，即將淬火過的成形模（原陽模）強(qiáng)有力地壓入未進(jìn)行硬化處理的模坯（鋼或其他軟質(zhì)材料）內(nèi)，使原陽模的形狀復(fù)印在被壓的模坯上，制成所需要的模具。
冷擠壓制模法所成形的模具完全不需要將型面進(jìn)行精加工，它制模速度快、省料，可以制成各種復(fù)雜型面的模具，且形狀精確，利于用一套原模制作多副相同模具。這種制模法一定要事先制作一個(gè)成形的原陽模，而且壓制后的模具在淬火時(shí)會(huì)引起變形。
4、鑄造
對(duì)于一些精度和使用壽命要求不高的模具，人們往往會(huì)用簡(jiǎn)單方便的鑄造法快速制成。
1）鑄鐵 像加工汽車外殼等大件且不規(guī)則形狀的模具，一般都用鑄造方法制成。
鑄鐵模在制造上的優(yōu)點(diǎn)是，可以很容易鑄出復(fù)雜的形狀，尺寸不受限制，便于進(jìn)行機(jī)械加工，而且價(jià)格低，潤滑性好，膠著少。它的缺點(diǎn)是耐磨性差，精度差。
2)鋅基合金 鋅基合金是一 種用鑄造法制造簡(jiǎn)易模具的典型材料，其熔點(diǎn)低，可鑄性好，所以鑄造精度相對(duì)較高，而且還具有軟鋼那樣的強(qiáng)度、耐磨性和潤滑性。用低熔點(diǎn)材料鋅基合金鑄造模具，也我快速制模法，其制模速度快，制成形狀復(fù)雜的模具，但模具的材質(zhì)較軟，耐熱性差，所以模具壽命短，多用于試制和小批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。
3）合成樹脂 鑄造法制模也有用合成樹脂的，主要有酚醛樹脂、聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂等。
合成樹脂模的優(yōu)點(diǎn)是容易快速制模，輕而無銹，復(fù)制和維修都比較簡(jiǎn)單。但耐磨性差，遇熱變形大，且強(qiáng)度不高、易疲勞老化。
5、焊接
焊接法制模是將分散加工好的模塊焊接在一起，形成所需的模具。這種制模方法與整體加工相比，加工簡(jiǎn)單、快速、省料、尺寸大小不受限制。但精度難以保證，易殘留熱應(yīng)變及內(nèi)部應(yīng)力，承受沖擊的能力差。主要用于精度要求不高的大型模具的制造，或者用于模具的修復(fù)。
二、模具加工的材料
塑料模具的組成零件按其用途可分為兩大類: 一類為結(jié)構(gòu)零件, 包括澆注系統(tǒng)、導(dǎo)向件、定( 動(dòng)) 模板、頂出機(jī)構(gòu)件、支承件等, 選用材料一般為中、低碳的碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼; 另一類為成型零件, 包括型腔、型芯、成型鑲嵌件等, 是直接成型塑料制件的關(guān)鍵零部件, 這些材料的選用決定了模具的性能(加工能力) 、壽命( 耐久性) 和成本的級(jí)別, 塑料加工的技術(shù)進(jìn)步使模具結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜, 成型零件的模具材料在整副模具中可能只占重量的少部分, 但卻是性能和成本的決定性因素。
成型零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求尺寸精確、接縫密合和表面光滑, 所用材料必須具備以下的特定性能要求:①具有一定的綜合力學(xué)性能。成型零件在工作過程中要承受溫度、壓力、侵蝕和磨損, 因而要求具有一定的強(qiáng)度和塑、韌性; ②切削加工性好。塑料模形狀往往比較復(fù)雜, 切削加工成本常占到模具的絕大部分( 一般約75%) , 因而要求具有良好的切削加工性; ③具有良好的導(dǎo)熱性和低的熱膨脹系數(shù), 并具有良好的熱加工工藝性; ④有些還要求有良好的耐蝕性和一定的耐熱性。在眾多的模具用鋼中, 如何根據(jù)塑料制品的要求和模具鋼特定性能, 合理地選擇塑料模具用鋼是一項(xiàng)非常重要的工作。
我國過去無專用塑料模具用鋼, 近年在引進(jìn)國外塑料模具用鋼的同時(shí), 自行研制和開發(fā)出一些新的塑料模具專用鋼。這些材料能滿足塑料品種在性能上的差異及制品的形狀尺寸、質(zhì)量、精度要求, 其模具材料具有適當(dāng)?shù)木C合力學(xué)性能, 比較好的耐磨性, 良好的切割加工性能、拋光性能、花紋圖案光蝕性能、耐蝕性及焊接性能。目前, 塑料模具材料仍以模具鋼為主, 但根據(jù)成型工藝的不同, 也可采用非鐵合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金、低熔點(diǎn)合金等材料。
1、 模具鋼
塑料模具鋼可分為滲碳型塑料模具鋼、預(yù)硬型塑料模具鋼、時(shí)效硬化型塑料模具鋼、耐腐蝕型塑料模具鋼、非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼等五種。目前用得最多的是滲碳型塑料模具鋼、預(yù)硬型
塑料模具鋼和時(shí)效硬化型塑料模具鋼。
1.1、 滲碳型塑料模具鋼
滲碳型塑料模具鋼的含碳量一般在0.10%～0.25%的范圍內(nèi)。退火后硬度低、塑性好, 冷加工硬化效應(yīng)不明顯?？捎美鋽D壓的方法加工模具型腔, 也稱冷擠壓鋼。成形后經(jīng)滲碳、淬火、回火可獲得較高的表面硬度。常用的鋼號(hào)有DT1、20、20Cr、10Cr5、10Cr2NiMo、12CrNi2、12CrNi3A、12Cr2Ni4、18CrNiW、20Cr2Ni4、20CrNiMo 及最近研制的LJ 鋼( 0Cr4NiMoV) 等。形狀簡(jiǎn)單、尺寸小、多型腔的塑料模具最適合用冷擠壓方法制造,可有效地縮短制造周期, 減少制造費(fèi)用, 提高制造精度。
1.2 預(yù)硬型塑料模具鋼
預(yù)硬型塑料模具鋼是調(diào)質(zhì)處理到一定硬度( 分別為10HRC、20HRC、30HRC、40HRC 四個(gè)等級(jí)) 供貨的鋼材, 有較好的切削加工性能, 可直接進(jìn)行型腔加工。加工后直接使用, 不再進(jìn)行熱處理。因省略了熱處理及后續(xù)的精加工, 降低了成本,并縮短制造周期。常用的預(yù)硬型塑料模具鋼有3Cr2Mo( P20) 、3Cr2NiMo( P4410) 、40CrMnVBSCa ( P20BSCa) 、SM1( Y55CrNiMnMoV)鋼等。預(yù)硬型塑料模具鋼適用于制造成型批量大、以及有鏡面要求的模具, 硬度范圍一般在32～40HRC。
3Cr2Mo 是國內(nèi)較早開發(fā)的塑料模具鋼, 與AISIP20 相當(dāng),目前已在許多鋼廠生產(chǎn), 一般是先進(jìn)行預(yù)硬處理, 然后再進(jìn)行切削加工。該鋼適用于制造大、中型精密塑料模具, 如: 電視機(jī)、洗衣機(jī)殼體等塑料模具, 并已獲得較多應(yīng)用。3Cr2Mo 鋼為預(yù)硬型塑料模具專用鋼, 淬火溫度為830～870℃, 回火溫度為550～600℃, 預(yù)硬至30～35HRC。
為了改善預(yù)硬型塑料模具鋼的切削加工性能, 可加入易切削元素, 成為易切削預(yù)硬型塑料模具鋼, 我國研制了一些含硫易切削預(yù)硬型塑料模具鋼和S- Ca 復(fù)合易切削預(yù)硬型塑料模具鋼, 如8Cr2MnWMoVS 和5CrNiMnMoVSCa( 5NiSCa) 。5NiSCa鋼采用了S- Ca 復(fù)合易切削系和噴射冶金技術(shù), 改善了硫化物的形態(tài)、分布和各向異性, 在大截面中硫化物的分布比較均勻。5NiSCa 鋼具有高的淬透性, 在860～900℃淬火和575～650℃回火后, 硬度為35～45HRC, 可順利進(jìn)行各種加工, 用于制造大、中、小型塑料模具。
1.3 時(shí)效硬化型塑料模具鋼
時(shí)效硬化型塑料模具鋼適用于制造預(yù)硬化鋼的硬度滿足不了要求, 又不允許有較大熱處理變形的模具。這種鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行切削加工, 加工后通過數(shù)小時(shí)的時(shí)效處理, 硬度等力學(xué)性能大大提高, 時(shí)效處理的變形相當(dāng)小, 一般僅有0.01%～0.03%的收縮變形。若采用真空爐或輝光時(shí)效爐進(jìn)行時(shí)效處理, 則可在鏡面拋光后再進(jìn)行時(shí)效處理。時(shí)效硬化鋼有低鎳時(shí)效鋼和馬氏體時(shí)效鋼兩類。
我國現(xiàn)有的低鎳時(shí)效硬化鋼有25CrNi3MoAl 鋼、SM2 鋼( Y20CrNi3IMnMo) 、PMS 鋼( 10Ni3MnCuAl) 和06 鋼( 06Ni6Cr-MoVTiAl) 等。
06 鋼采用850℃×8h 固溶處理后, 硬度為20～28HRC, 切削性能和拋光性能都很好, 經(jīng)500～550℃×4h 時(shí)效處理后, 硬度為43～48HRC, 時(shí)效處理的變形很小, 適用于制作高精度塑料模具、透明塑料模具等。
PMS 鋼具有優(yōu)良的鏡面加工性能, 模具表面粗糙度可達(dá)Ra0.05μm, 適用于制造要求高鏡面、高精度的各種塑料模具,如光學(xué)鏡片模具, 磁帶內(nèi)外殼和電話機(jī)、石英鐘、車輛燈具等塑料殼體模具等。SM2 鋼, 含0.1%左右的硫, 切削加工性能得到了改善, 是一種易切削型時(shí)效塑料模具鋼。
馬氏體時(shí)效鋼是以鎳為主要合金成份的微碳高合金鋼, 這種鋼的奧氏體很穩(wěn)定, 經(jīng)固溶處理后即可獲得微碳Fe- Ni 板條馬氏體, 硬度為30HRC 左右。無冷加工硬化效應(yīng), 有良好的切削加工性能, 加工成形后, 在480℃進(jìn)行時(shí)效處理, 硬度為50HRC 左右, 在高強(qiáng)度下能保持較高的韌性, 且有較高的抗氧化、耐腐蝕性能。用于制造要求高耐磨、高精度、超鏡面、型腔復(fù)雜的塑料模具。屬于這類鋼的有18Ni ( 250) 、18Ni( 300) 、18Ni( 350) 。但馬氏體時(shí)效鋼含有大量的鈷和鎳, 不僅價(jià)格昂貴, 且資源受到限制, 我國極少使用。
1.4 耐腐蝕型塑料模具鋼
加工聚氯乙烯塑料、氟化塑料、阻燃塑料等塑料制品時(shí), 分解出的腐蝕性氣體對(duì)模具有腐蝕作用, 要求模具材料有一定的耐蝕性, 為此需在模具表面鍍鉻或直接選用3Cr13、4Cr13、9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14Mo4V、1Cr17Ni2、0Cr17Ni7Al 等不銹鋼, 但Cr13 系不銹鋼的熱處理變形較大, 切削加工性能差, 使用范圍小。國內(nèi)近年開發(fā)的PCR( 0Cr16Ni4Cu3Nb) 鋼屬馬氏體沉淀硬化不銹鋼, 在1050℃固溶空冷后得到單一的板條馬氏體, 硬度為32～35HRC, 可以進(jìn)行切削加工, 經(jīng)460～480℃時(shí)效后,硬度為42～44HRC, 有較好的綜合力學(xué)性能和抗蝕性能, 在含氟、氯等離子的腐蝕性介質(zhì)中耐蝕性明顯優(yōu)于不銹鋼, 適用于制造含氯、氟或加入阻燃劑的熱塑性塑料的注射模具。
1.5 非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼
非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼在鍛、軋后即可達(dá)到預(yù)硬, 不需再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理, 有利于節(jié)約能源、降低成本、縮短生產(chǎn)周期。為改善其切削加工性, 可加入P、S、Ca 等易切削元素。國內(nèi)對(duì)非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼的開發(fā)較晚, 25CrMnVTiSCaRE( FT) 、2Cr2MnMoVS和2Mn12CrVCaS 是近年開發(fā)的新鋼種, 鍛、軋空冷后得到下貝氏體, 直徑!100mm 的FT 鋼硬度可達(dá)到30～35HRC。
2 非鐵合金
2.1 銅合金
用作塑料模具材料的銅合金主要是鈹青銅, 如ZCuBe2、ZCuBe2.4 等。一般采用鑄造方法制模, 不僅成本低, 周期短, 而且還可制出形狀復(fù)雜的模具。鈹青銅可進(jìn)行固溶- 時(shí)效處理,在固溶處理后, 材料的塑性好, 易于切削加工。經(jīng)時(shí)效處理后,硬度可達(dá)40～42HRC。鈹青銅可用于制造吹塑模、注塑模。福建二輕工業(yè)研究所研制的析出硬化型銅基合金, WTi =3.5%～6.0%、WNi < 0.2% , 經(jīng)固溶處理后冷壓成型, 再時(shí)效硬化, 模具型腔質(zhì)量好。
2.2 鋁合金
鋁合金的密度小, 熔點(diǎn)低, 切削加工性能和導(dǎo)熱性能都優(yōu)于鋼, 其中鑄造鋁硅合金還具有優(yōu)良的鑄造性能。因此, 用鑄造鋁合金來制造塑料模具, 可縮短制模周期, 降低制模成本。常用的鑄造鋁合金有ZL101、ZL201、ZL302 等, 主要用于制造要求高導(dǎo)熱率、形狀復(fù)雜、耐蝕的塑料模具。
2.3 鋅合金
用于制造塑料模具的鋅合金大多為Zn- 4Al- 3Cu 共晶型合金, 用鑄造方法可以加工出光潔而復(fù)雜的模具型腔, 并可降低制模費(fèi)用、縮短制模周期。鋅合金的不足之處是高溫強(qiáng)度較差, 且合金易于老化, 因此, 鋅合金塑料模具在長期使用后, 易出現(xiàn)變形甚至開裂, 這類鋅合金適合于制造注塑模和吹塑模。河北省二輕工業(yè)研究所研制的鑄造鋅基合金,WAl=4%、WCu=3%、WMg=0.05%, 制模后可在模具表面直接電鍍硬鉻,制模周期短、成本低。用于制造型腔復(fù)雜的吹塑、吸塑模具。
3 鋼結(jié)硬質(zhì)合金
鋼結(jié)硬質(zhì)合金是以鋼為粘結(jié)相, 以碳化鈦、碳化鎢等碳化物為硬質(zhì)相, 用粉末冶金方法生產(chǎn)的復(fù)合材料, 其微觀組織是細(xì)小的硬質(zhì)相, 彌散均勻地分布于鋼的基體中。作為粘結(jié)相的鋼基體, 可以是碳素鋼、合金鋼等。由于粘結(jié)相的鋼種不同, 賦于鋼結(jié)硬質(zhì)合金一系列不同的性能, 如高強(qiáng)度、抗沖擊、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕等。我國生產(chǎn)的模具用鋼結(jié)硬質(zhì)合金的典型牌號(hào)有GT35、R5、T1、D1、TLMW50、GW50、GJW50 等。
4 低熔點(diǎn)合金
利用低熔點(diǎn)合金澆鑄吹塑模具的型腔, 不僅可以縮短模具的制造周期, 節(jié)約大量鋼材, 而且還節(jié)省勞力。低熔點(diǎn)合金的種類很多, 目前使用較簡(jiǎn)單的一種是WBi=58%、WSn=42%的鉍錫合金。
前不久, 由北京高科偉業(yè)科技開發(fā)中心參考國際上先進(jìn)配方工藝, 結(jié)合國內(nèi)實(shí)際情況研制開發(fā)的一種新型模具材料問世, 經(jīng)國家化學(xué)建材測(cè)試中心檢測(cè), 各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良。據(jù)專家介紹, 這種新型模具材料在繼承傳統(tǒng)模具材料的優(yōu)點(diǎn)之外, 也對(duì)傳統(tǒng)模具材料的不足做了很大改進(jìn)。該材料使用極為方便, 操作簡(jiǎn)單,無毒環(huán)保, 成本較低。使用該材料制造的模具光滑如鏡, 耐酸堿、耐腐蝕、耐高低溫, 抗老化、防水防壓、不變形、不粘膜。該模具材料用途極廣, 可制造各式有造型的產(chǎn)品模具, 適用于石膏產(chǎn)品、水泥制品、仿瑪瑙制品、仿玉石制品、砂巖制品、樹脂制品、菱鎂制品等各種可固化的產(chǎn)品模具制造。
三、模具加工的發(fā)展
近年來，在國家產(chǎn)業(yè)政策和與之配套的一系列國家經(jīng)濟(jì)政策的支持下和改革及開放方針引導(dǎo)下，我國的塑料模具制造業(yè)有了快速的發(fā)展和進(jìn)步，無論是設(shè)計(jì)水平、制造水平、加工能力還是產(chǎn)品檔次都有了很大的提高，每年創(chuàng)造的產(chǎn)值有上百個(gè)億，但即使這樣我們與一些發(fā)達(dá)國家還是有很大的差距，許多關(guān)鍵部件及精度復(fù)雜大型的模具仍需進(jìn)口。為了改變這種現(xiàn)象，模具應(yīng)不斷提升自身水平，使其朝著短交貨期、標(biāo)準(zhǔn)化、高精度、長壽命及三維化調(diào)整加工等未來模具的發(fā)展方向發(fā)展。這必然對(duì)模具的加工方法提出要使精密度更高、廢料更少、周期更短，對(duì)模具材料的數(shù)量、質(zhì)量、品種和性能等方面提出了更高、更新的要求。
（一）運(yùn)用新的加工方法，新的加工技術(shù)，就是一條出路。
1、調(diào)整切削作為一種新型的加工手段，以其加工平穩(wěn)、效率高、精度高、切削硬度高（>＝60HRC）、切削力小、加工質(zhì)量平穩(wěn)而越來受到重視和推崇，現(xiàn)在許多加工中心定位精度可達(dá)5um，轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)30000轉(zhuǎn)以上，曲面加工精度可達(dá)0.01mm,而且加工表面能獲得近乎鏡面的光潔度，因此在未來的模具加工中調(diào)整切削必將點(diǎn)到主導(dǎo)地位。
2、CAM等現(xiàn)代化的加工技術(shù)在未來的模具加工中亦會(huì)繼續(xù)應(yīng)用。利用仿真加工軟件，大大縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、提升產(chǎn)品的質(zhì)量、減低生產(chǎn)成本。
（二）模具材料的發(fā)展工作
1、 加速模具鋼生產(chǎn)的制品化、精料化和模具鋼經(jīng)銷的商品化。
我國模具鋼的品種規(guī)格較少, 模具鋼生產(chǎn)的制品化、精料化和經(jīng)銷的商品化程度低。80%以上的模具鋼仍以黑皮圓棒供貨。越來越多的模具制造廠要求在模具設(shè)計(jì)完成后, 模具鋼供應(yīng)廠商能迅速提供所需鋼材, 減少庫存鋼材數(shù)量, 縮短制模周期。但中國鋼材生產(chǎn)企業(yè)目前尚不適應(yīng)這一商品市場(chǎng)機(jī)制, 這是進(jìn)口模具鋼材在中國日益擴(kuò)大的重要原因。
2、 大力推廣應(yīng)用性能優(yōu)良的新型模具鋼, 不斷完善模具鋼鋼種系列。
我國已開發(fā)出性能優(yōu)異, 達(dá)到或超過國外同類水平的特色新型模具鋼, 但這些新鋼的推廣數(shù)量和應(yīng)用范圍不夠大, 有選擇地開發(fā)先進(jìn)模具鋼, 例如開發(fā)粉末冶金模具鋼, 多元易切削系塑料模具鋼, 建立玻璃、陶瓷, 耐火磚和地磚等成形模具用鋼, 完善中國的模具鋼系列。
3、 進(jìn)一步提高模具鋼的質(zhì)量。
我國某些特殊鋼廠已采用爐外精煉、真空冶煉、快鍛機(jī)和精鍛機(jī)等生產(chǎn)模具鋼, 模具鋼的質(zhì)量有大幅度提高, 如D2、P20等, 出口產(chǎn)品的質(zhì)量可以達(dá)到國際先進(jìn)水平。但國外對(duì)純度要求較高的模具鋼大部分采用電渣重熔, 進(jìn)一步提高了鋼的純凈度、致密度、等向性和均勻性, 減少偏析。我國還需要在這方面進(jìn)一步開展工作
4、 加強(qiáng)先進(jìn)模具熱處理技術(shù)的推廣與應(yīng)用。
模具的可控氣氛熱處理與真空熱處理應(yīng)進(jìn)一步得到發(fā)展, 一些行之有效的模具表面熱處理技術(shù), 應(yīng)完善其工藝, 加強(qiáng)其推廣和應(yīng)用。提高裝備和工藝材料的制造水平, 加強(qiáng)熱處理專業(yè)廠的建設(shè)。
四、結(jié)語
隨著中國經(jīng)濟(jì)在國際份額中的不斷增大，中國將成為世界裝備制造業(yè)的基地，各行各業(yè)對(duì)模具需求將會(huì)越來越大，對(duì)模具加工的要求也會(huì)越來越高，模具行業(yè)為造就市場(chǎng)需要，將會(huì)朝著短交貨期、高品質(zhì)、高精度、低價(jià)格的方向發(fā)展，就需要運(yùn)用更新的加工技術(shù)與手段和更新的加工材料，使模具工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步更快快步向前。
總之，我們要緊記：作為制造業(yè)的重要基礎(chǔ)性工藝設(shè)備, 模具技術(shù)被認(rèn)為是衡量一個(gè)國家產(chǎn)品制造水平的重要標(biāo)志之一， 我國雖已成為模具生產(chǎn)大國, 卻遠(yuǎn)非模具制造強(qiáng)國,我們的路還很長。
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