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结构调整方面,主要是企业结构向专业化调整,产品结构向着中高档模具发展,向进出口结构的改进,中高档汽车覆盖件模具成形分析及结构改进、多功能复合模具和复合加工及激光技术在模具设计制造上的应用、高速切削、超精加工及抛光技术、信息化方向发展。
存在问题和主要差距:
虽然我国模具总量目前已达到相当规模,模具水平也有很大提高,但设计制造水平总体上落后于德、美、日、法、意等工业发达国家许多。
当前存在的问题和差距主要表现在以下几方面:
1.总量供不应求
国内模具自配率只有70%左右。
其中低档模具供过于求,中高档模具自配率只有50%
左右。
2.模具产品水平大大低于国际水平,生产周期却高于国际水平。
产品水平低主要表现在模具的精度、型腔表面粗糙度、寿命及结构等方面。
3.开发能力较差,经济效益欠佳
我国模具企业技术人员比例低,水平较低,且不重视产品开发,在市场中经常处于被动地位。
我国每个模具职工平均年创造产值约合1万美元,国外模具工业发达国家大多是15~20万美元,有的高达25~30万美元,与之相对的是我国相当一部分模具企业还沿用过去作坊式管理,真正实现现代化企业管理的企业较少。
造成上述差距的原因很多,除了历史上模具作为产品长期未得到应有的重视,以及多数国有企业机制不能适应市场经济之外,还有下列几个原因:
1.对模具工业的政策支持力度还不够
虽然国家已经明确颁布了模具行业的产业政策,但配套政策少,执行力度弱。
目前享受模具产品增值税的企业全国只有185家,大多数企业仍旧税负过重。
模具企业进行
技术改造引进设备要缴纳相当数量的税金,影响技术进步,而且民营企业贷款十分困难。
2.人才严重不足,科研开发及技术攻关投入太少
模具行业是技术、资金、劳动密集的产业,随着时代的进步和技术的发展,掌握并且熟练运用新技术的人才异常短缺,高级模具钳工及企业管理人才也非常紧张。
由于模具企业效益欠佳及对科研开发和技术攻关重视不够,科研单位和大专院校的眼睛盯着创收,导致模具行业在科研开发和技术攻关方面投入太少,致使模具技术发展步伐不大,进展不快。
3.工艺装备水平低,且配套性不好,利用率低
近年来我国机床行业进步较快,已能提供比较成套的高精度加工设备,但与国外装备相比,仍有较大差距。
虽然国内许多企业已引进许多国外先进设备,但总体的装备水平比国外许多企业低很多。
由于体制和资金等方面的原因,引进设备不配套,设备与附件不配套现象十分普遍,设备利用率低的问题长期得不到较妥善的解决[4]。
4.专业化、标准化、商品化程度低,协作能力差
由于长期以来受“大而全”“小而全”影响,模具专业化水平低,专业分工不细致,商品化程度低。
目前国内每年生产的模具,商品模具只占40﹪左右,其余为自产自用。
模具企业之间协作不畅,难以完成较大规模的模具成套任务。
模具标准化水平低,模具标准件使用覆盖率低也对模具质量、成本有较大影响,特别是对模具制造周期有很大影响。
[5]
5.模具材料及模具相关技术落后
模具材料性能、质量和品种问题往往会影响模具质量、寿命及成本,国产模具钢与国外进口钢材相比有较大差距。
塑料、板材、设备性能差,也直接影响模具水平的提高。
世界上一些工业发达的国家,模具工业发展十分迅速。
美国是世界超级的经济大国,也是世界模具制造业领先的国家。
早在20世纪80年代末,美国模具行业就有一万两千多个企业,从业人员有十七万多人,模具总产值达64.47亿美元。
日本模具发展得也非常迅速,这也是日本经济能飞速发展并在国际市场上占有一定优势的重要原因之一。
由此可见,模具工业的潜力巨大,发展前景广阔[5]。
我国模具业发展也很快。
全国已经有模具厂及生产单位数千个,拥有职工数十万人,
每年能生产上百万套模具。
多工位级进模具、长寿命硬质合金模具的生产和应用进一步
扩大。
为了适应生产对模具的要求,在模具生产中采用了许多新工艺和先进设备,不仅
改善了模具的加工质量,也提高了模具制造的机械化、自动化程度。
数控铣床、加工中心等设备已在模具生产中被应用。
电火花和线切割加工已成为冷冲模制造的主要手段。
为了对硬质合金模具进行精密成型磨削,研制成功了单层电镀金刚石成形磨轮和电火花成形磨削专用机床,使用效果良好。
在我国,模具的计算机辅助设计及制造(CAD/CAM)也已进入了实用阶段。
80年代以来,在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的支持和引导下,我国模具工业发展迅速,年均增速均为13%,1999年我国模具工业产值为245亿,至2000年我国模具总产值预计为260-270亿元,其中塑料模约占30%左右。
在未来的模具市场中,塑料模在模具总量中的比例还将逐步提高。
在制造技术方面,CAD/CAM/CAE技术的应用水平上了一个新台阶,以生产家用电器的企业为代表,陆续引进了相当数量的CAD/CAM系统,如美国EDS的UGⅡ、美国ParametricTechnology公司的Pro/Emgineer、美国CV公司的CADS5、英国Deltacam公司的DOCT5、日本HZS公司的CRADE、以色列公司的Cimatron、美国AC-Tech公司的C-Mold及澳大利亚Moldflow公司的MPA塑模分析软件等等。
这些系统和软件的引进,虽花费了大量资金,但在我国模具行业中,实现了CAD/CAM的集成,并能支持CAE技术对成型过程,如充模和冷却等进行计算机模拟,取得了一定的技术经济效益,促进和推动了我国模具CAD/CAM技术的发展。
近年来,我国自主开发的塑料模CAD/CAM系统有了很大发展,主要有北航华正软件工程研究所开发的CAXA系统、华中理工大学开发的注塑模HSC5.0系统及CAE软件等,这些软件具有适应国内模具的具体情况、能在微机上应用且价格较低等特点,为进一步普及模具CAD/CAM技术创造了良好条件[6]。
近年来,国内已较广泛地采用一些新的塑料模具钢,如:
P20、3Cr2Mo、PMS、SMⅠ、SMⅡ等,对模具的质量和使用寿命有着直接的重大的影响,但总体使用量仍较少。
塑料模标准模架、标准推杆和弹簧等越来越广泛地得到应用,并且出现了一些国产的商品化的热流道系统元件。
但目前我国模具标准化程度和商品化程度一般在30%以下,和国外先进工业国家已达到70%-80%相比,仍有很大差距[7]。
据有关方面预测,模具市场的总体趋热是平稳向上的,在未来的模具市场中,塑料模具的发展速度将高于其它模具,在模具行业中的比例将逐步提高[8]。
随着塑料工业的
不断发展,对塑料模具提出越来越高的要求是正常的,因此,精密、大型、复杂、长寿命塑料模具的发展将高于总量发展速度。
同时,由于近年来进口模具中,精密、大型、
复杂、长寿命模具占多数,所以,从减少进口、提高国产化率角度出发,这类高档模具在市场上的份额也将逐步增大。
[9]建筑业的快速发展,使各种异型材挤出模具、PVC塑料管材管接头模具成为模具市场新的经济增长点,高速公路的迅速发展,对汽车轮胎也提出了更高要求,因此子午线橡胶轮胎模具,特别是活络模的发展速度也将高于总平均水平;
以塑代木,以塑代金属使塑料模具在汽车、摩托车工业中的需求量巨大;
家用电器行业在“十五”期间将有较大发展,特别是电冰箱、空调器和微波炉等的零配件的塑料模需求很大;
而电子及通讯产品方面,除了彩电等音像产品外,笔记本电脑和网机顶盒将有较大发展,这些都是塑料模具市场的增长点。
1.3
中国模具工业和技术的发展前景
巨大的市场需求将推动中国模具的工业调整发展。
1999年中国大陆制造工业对模具的总市场需求量约为330亿元,今后几年仍将以每年10%以上的速度增长。
对于大型、精密、复杂、长寿命模具需求的增长将远超过每年10%的增幅。
汽车、摩托车行业的模具需求将占国内模具市场的一半左右。
1999年,国内汽车年产量为183万辆,。
保有量为1500万辆,预计到2005年汽车年产量将达300万辆。
汽车、摩托车行业的发展将会大大推动模具工业的高速增长,特别是汽车覆盖件模具、塑料模具和压铸模具的发展。
例如,到2005年汽车行业将需要各种塑料件36万吨,而目前的生产能力仅为20多万吨,因此发展空间十分广阔。
家用电器,如彩电、冰箱、洗衣机、空调等,在国内的市场很大。
目前,我国的彩电的年产量已超过3200万台,电冰箱、洗衣机和空调的年产量均超过了1000万台。
家用电器行业的发展对模具的需求量也将会很大。
其他发展较快的行业,如电子、通讯和建筑材料等行业对模具的需求,都将对中国模具工业和技术的发展产生巨大的推动作用。
早在1989年,在国务院颂布的《关于当前产业政策要点的决定》中,模具被列为机械工业技术改造序列的首位。
1997年以来,又相继把模具及其加工技术和设备列入《当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录》和《鼓励外商投资产业目录》。
经国务
院批准,从1997年开始对部分模具企业实行了增值税返还70%的优惠政策。
所有这些国家对模具工业采取的优惠政策也将对其发展提供有力支持。
1.4塑料模具技术发展趋势
从塑料模具的设计,制造及材料选择等方面考虑,塑料模具技术发展趋势可归纳为以下几个方面:
(1)塑料模具标准化模具标准化程度及其标准零件的制造规模与范围,对于缩短模具制造周期,节省材料消耗,降低成本,适应大规模批量化生产具有重要意义。
目前我国模具标准化程度只达到20%。
远不及工业发达国家模具制造的标准化程度。
在个中塑料模具中,只有主色模具有关于模具零件,模具技术条件和标准模架等国家标准。
具体包括:
塑料注射模具零件GB/T4169.1---4169.11——1984;
塑料注射模大型模架GB/T12555.1---12555.15——1990;
塑料注射模中小型模架GB/T12556.1---15556.2——1990;
塑料注射模技术条件GB/T12554——1990等。
一些模具制造企业根据企业模具生产类型和规模,为提高生产效率,降低成本,亦制定了企业标准或采用了相应的行业标准。
目前,塑料模具标准化的研究方向是热流道标准元件和模具标准温控装置;
精密标准模架,精密导向件系列,标准模板及模具标准件的先进技术和等向性标准化模块。
(2)CAD/CAM/CAE技术的应用由于现代工业产品的不断开发和塑料制件的应用与发展,对塑料成型模具设计和制造提出的要求越来越高。
传统的模具设计和制造方法已很难适应塑料制件及时更新换代和不断提高的质量要求,为适应这些变化,先进国家的CAD/CAM/CAE技术在20世纪80年代中期已经进入实用阶段,市场上已有商品化的系列软件出售,利用计算机进行塑料模具设计,并初步实现了注射,挤出,中空吹塑等塑料成型工艺过程的计算机模拟分析,这方面软件技术研究的发展,已在工程应用中取得了显著效果。
利用CAD/CAM技术显著提高了模具设计的效率,减少了模具设计过程中的
失误,提高了,模具和塑料制件的质量,缩短了生产周期,降低了模具和塑件制件的成本。
随着计算机辅助制造技术水平的提高,模具,CAD,CAEJ技术向着一体化的方向发展。
目前,美国,日本,德国等CAD/CAM/CAE技术应用普及率已很高,我国不少企业也引进CAD/CAM软件和CAD/CAM/CAE集成软件,这部分软件在生产中发挥着积极的作用。
同时,我国絮聒高等院校和科研院所在这方面也开展了大量研究和开发工作,并取得了一定成果,但我国在该技术的应用和推广方面与外国相比还存在一定差距,有待进一不改进和提高。
(3)加强理论研究随着塑料制件向大型化,复杂化和精密化发展,模具的制造成本也越来越高.如汽车保险杠,仪表板等塑料成型模具,重大几吨至几十吨,我国海尔公司生产的洗碗机模具重达35吨.这些模具如只凭经验来设计,往往会因为设计不当而造成模具的报废,将会损失数十万元的模具制造费用.所以,模具生产已由传统的经验设计向理论设计,数值模拟的方向发展。
这些理论设计包括模板刚度,强度的计算,流变充型理论的研究和基于计算机应用的成型过程模拟分析等。
到目前为止,有关挤出成型的流变理论和数学模型已建立,并且在生产实际中得到应用;
有关注射成型的流变理论研究已取得阶段成果,注射成型时塑料熔体在一维和二维简单模腔中的充模流动理论和数学模型已经建立,今后的工作是如何将理论与生产实际相结合,并进一步加强对塑料熔体在三维模腔中流动行为的研究。
中空吹塑成型理论和数学模型也已基本建立,并在生产中取得应用。
塑料成型理论研究的进展得益于计算机的应用,同时,也为进一步扩大计算机在塑料成型生产中的应用奠定了基础。
(4)塑料模具专用材料的研究与开发模具材料选用在模具设计与制造中占有重要的地位,直接影响模具成本,使用寿命及塑料制件的质量。
针对各类塑料模具的工作条件和失效形式,为了跳高模具使用寿命,并获得良好的切削加工工艺性能,国内外模具材料工作者进行了大量的研究工作,已开发出较为完善的系列化塑料模具专用钢,具体可分为5种类型。
1)基本型如55钢,使用硬度小于20HRC,切削加工性能好。
但模腔表面粗糙度
高,使用寿命低,现已被预硬型钢所代替。
2)预硬型在中,低碳钢中加入适量合金元素的低合金钢。
其淬透性高,加工性能好,调质后硬度为25-35HRC,是目前应用较为广泛的通用塑料模具钢。
其典型品种为3Cr2Mo或美国的P20钢。
3)时效硬化型在中,低碳钢中加入Ni,Cr,等合金元素的合金钢,耐磨性和耐腐蚀性有于预硬型钢,经时效处理后,硬度可达40-50HRC。
其典型品种为25Cr3MoAl或美国的P20钢,日本的NAK55钢等,多用于复杂,精密塑料模具,或大批量生产长寿命塑料模具。
4)热处理硬化型这类塑料模具钢经淬火和回火处理后,使用硬度可达50-60HRC;
模腔能达到很高的镜面程度,并可进行表面强化处理。
其典型品种为Cr12MoV或美国的D2钢等。
5)马氏体时效钢和粉末冶金模具钢适用于要求高耐磨性,高耐腐蚀性,高韧性和超镜面的塑料模具。
如06Ni6CrMoVTiAi马氏体失效钢或美国的PS,日本的ASP等粉末冶金模具钢。
本设计是一机床手柄,塑件的功能设计要求是:
应具有满足使用目的功能,并达到一定的技术指标.该塑件是日用品,承受外力的几率较大,如冲击载荷,振动,摩擦等情况比较多;
塑件的工作温度是室温,这使得在材料选择时对热变形温度,脆化温度,分解温度的要求降低;
作为一种日用品,生产批量应该是大批大量生产,,塑件材料ABS。
2塑件成型工艺性分析
2.1塑件的分析
(1)外形尺寸
该塑件是一个旋转体,其壁厚不均匀,外形尺寸不大,塑料熔体流程不太长,适合于注射成型,如图1所示。
图1机床手柄
(2)精度等级
只有一个尺寸标注了公差,其它尺寸均未标注公差,标注的尺寸公差属于高精度,按实际公差计算,其余未标注公差的按未标注公差计算。
[3]
(3)脱模斜度
ABS属无定型塑料,成性收缩率小,所以选择该塑件上型芯和凹模的统一脱模斜度为2º
。
2.2ABS的性能分析
(1)使用性能
综合性能好,冲击强度、力学强度较高,尺寸稳定,耐化学性,电气性能良好;
易于成型和机械加工,其表面可镀鉻,适合制作一般机械零件、减摩零件、传动零件和结构零件。
(2)成型性能
1)无定型塑料。
其品种很多,各品种的机电性能及成型特性也各有差异,应按品种来确定成型方法及成型条件。
2)吸湿性强。
含水量应小于0.3%(质量),必须充分干燥,要求表面光泽的塑件应要求长时间预热干燥。
3)流动性中等。
溢边料0.04mm左右。
4)模具设计时要注意浇注系统,选择好进料口位置、形式。
推出力过大或机械加工时塑件表面呈现白色痕迹。
(3)ABS的主要性能指标[6]其性能指标见下表1
表1ABS的性能指标
密度/g·
cm-31.02~1.08屈服强度/MPa50
比体积/cm3·
g-10.86~0.98拉伸强度/MPa38
吸水率(%)0.2~0.4拉伸弹性模量/MPa1.4×
103
熔点/℃130~160抗弯强度/MPa80
计算收缩率(%)0.3~0.8抗压强度/MPa53
2.3注射成型过程及工艺参数
(1)注射成型过程
1)成型前的准备。
对ABS的色泽、粒度和均匀度等进行检验,由于ABS吸水性较大,成型前应充分干燥。
2)注射过程。
塑件在注射机料筒内经过加热、塑化达到流动状态后,由模具的浇注系统进入模具型腔成型,其过程可分为充模、压实、保压、倒流和冷却五个阶段。
3)塑件的后处理[5]。
处理的介质为水,处理温度为60~70℃,处理时间为16~20h。
(2)注射工艺参数[3]
1)注射机:
螺杆式,螺杆转速为30r/min。
2)料筒温度(℃):
后段150~170
中段165~180
前段180~200
3)喷嘴温度(℃):
170~180
4)模具温度(℃):
50~80
5)注射压力(MPa):
60~100
6)成型时间(s):
90(注射时间取2s,冷却时间80s,辅助时间8s)。
3拟定模具的结构形式
3.1分型面位置的确定
分型面是指分开模具取出塑件和浇注系统凝料的可分离的接触表面。
一副模具根据需要可能有一个或两个以上的分型面,分型面可以垂直于合模方向,也可以平行或倾斜于合模方向。
分型面的选择一般应考虑以下几个方面:
⑴符合塑件脱模的基本要求,就是能使塑件从模具内取出,分型面位置应设在塑件脱模方向最大的投影边缘部位。
⑵分型线不影响塑件外观,即分型面应尽量不破坏塑件光滑的外表面。
⑶确保塑件留在动模一侧,利于推出且推杆痕迹不显露于外观面。
⑷确保塑件质量,例如,将有同轴度要求的塑件部分放到分型面的同一侧等。
⑸应尽量避免形成侧孔、侧凹,若需要滑块成型,力求滑块结构简单,尽量避免定模滑块。
⑹满足模具的紧锁要求,将塑件投影面积大的方向放在定、动模的合模方向上,而将投影面积小的方向作为侧向分型面;
另外,分型面是曲面时,应加紧斜面锁紧。
⑺合理安排浇注系统,特别是浇口位置。
⑻有利于模具加工。
综上所述结合通过对塑件结构形式的分析,分型面应选在截面积最大且利于开模取出塑件的位置,如图2所示
图2塑件的分型面
3.2型腔数量和排列方式的确定
(1)型腔数量的确定
该塑件为大批量生产,可采取一模多腔的结构形式。
同时,考虑到塑件尺寸、模具结构尺寸的大小关系,以及制造费用和各种成本费等因素,初步定为一模两腔结构形式。
(2)型腔排列形式的确定
现代注塑机的料筒通常置于定模板中心轴上,型腔的安排必须考虑主流道,只有这样才能满足下面的条件:
各型腔应在相同温度下同时充填,即分流道长度均等;
熔料到各型腔流程短,以降低废料率;
各型腔间的距离应尽可能大,以便于有足够的空间来设置冷却水道、推出杆,并具有足够的截面积,以承受注射压力;
总的反作用力应作用于注射机模板中心。
[1]
由于该设计选择的是一模两腔,故采用直线对称排列,如图3所示
图3型腔数量的排列布置
(3)模具结构形式的确定
从上面分析可知,本模具设计为一模两腔,对称直线排列,根据塑件结构形状,推出机构拟采用推管推出推出形式。
浇注系统设计时,流道采用对称平衡式,浇口采用点交口。
定模部分需要单独开设分型面取出凝料,动模部分需要添加顶出板。
由上述综合分析可确定选用双分型面注射模。
3.3注射机型号的确定
(1)注射量的计算
通过三维软件建模设计分析计算得:
塑件体积:
V塑=73.4248cm3
塑件质量:
m塑=ρV塑=73.4248×
1.02g=74.8933g
(2)浇注系统凝料体积的初步估算
浇注系统的凝料在设计之前是不能确定准确的数值,但是可以根据经验按照塑件体积的0.2-1倍来估算。
由于本次采用流道简单并且较短,因此浇注系统的凝料按塑件体积的0.4倍来估算,故一次注入模具型腔塑料熔体的总体积(即浇注系统的凝料和2个塑件体积之和)[5]
根据公式:
V总=nV塑+V浇得
V总=V塑×
2+V塑×
0.4=(73.425×
2+73.425×
0.4)cm3=176.22cm3
(3)选择注射机
根据第二部的计算得出一次注入模具型腔的塑料总体积V总=176.22cm3,
V公=V总/0.8
可以计算出注射机的公称注射量V公=V总/0.8=176.22/0.8cm3=220.26cm3。
根据以上的计算,初步选定公称注射量为250cm3,注射机型号为XS-ZY-250卧式注射机,其主要参数见表2[3]
表2注射机主要技术参数
理论注射容量/cm3250最大模具厚度/mm350
螺杆柱塞直径/mm50最小模具厚度/mm200
V注射压力/MPa130锁模形式增压式
-125、31
螺杆转速/r·
min39、58模具定位孔直径/mm125
32、89
锁模力/KN1800喷嘴球半径/mm18
拉杆内间距/mm448×
370喷嘴口孔径/mm4
移模行程/mm500
(4)注射机相关参数的校核
1)注射压力的校核
经查相关资料可知,ABS所需的注射压力为80~110MPa,这里取P0=100MPa,该注射机的公称注射压力P公=130MPa,注射压力安全系数k=1.25~1.4,这里取k1=1.25,则
k1P0=1.25×
100KN=125KN<
P公,所以,注射机注射压
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