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任 務(wù) 書(shū)
院（系）： 專(zhuān)業(yè)：
班 級(jí)： 學(xué)生： 學(xué)號(hào)：
1、 畢業(yè)論文課題 汽車(chē)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(xiě)出開(kāi)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(guó)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(shū)面翻譯3篇（不少于1.0萬(wàn)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(xiě)出不少于2萬(wàn)字的設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)（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(kāi)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(xiě)出開(kāi)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(xiě)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(kāi)模動(dòng)作仿真（1.5周）；
（8）整理設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)（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.
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[14] 何滿(mǎn)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(kāi)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(guò)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(guò)算例分析來(lái)說(shuō)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(guò)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(guò)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(wèn)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(méi)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(lái)越復(fù)雜的形狀，其壁的厚度的多樣性將變得越來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)算例來(lái)說(shuō)明該三維模型的有效性。
2 控制方程
充模過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(méi)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(lái)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(guò)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(wú)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(mǎn)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(guò)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(guò)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(lái)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(mǎn)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(kāi)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(guò)。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(mén)壓力圖，它所示的當(dāng)前模型的片門(mén)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(mén)壓力值（虛線）和充填模型的片門(mén)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(guò)程的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)三維實(shí)體制品實(shí)例來(lái)測(cè)試他的有效性。在未來(lái)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(zhǎng)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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學(xué)號(hào)：
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
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(zhuān)業(yè) 班級(jí)
學(xué)生 指導(dǎo)教師（職稱(chēng)）
完成時(shí)間 20xx 年 3 月 12 日至 20xx 年 6 月 15 日
開(kāi)題報(bào)告
題目
熱水器水管支架塑料模具設(shè)計(jì)
院 （系）
專(zhuān)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(kāi)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(guó)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(zhuān)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(guò)程.初步掌握模具設(shè)計(jì)的一般步驟和工藝過(guò)程. 通過(guò)設(shè)計(jì)能熟練的運(yùn)用設(shè)計(jì)資料，如國(guó)家相關(guān)部門(mén)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(lèi)：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(guó)輕工業(yè)出版社
本課題的主要內(nèi)容、
重點(diǎn)解決的問(wèn)題
主要內(nèi)容：（1）塑料制品外購(gòu)、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(xiě)出不少于2萬(wàn)字的設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)（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(guò)這次的設(shè)計(jì),希望能使我們更好的掌握本專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)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(shū)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(guó)內(nèi)外與課題有關(guān)文獻(xiàn)資料并寫(xiě)出文獻(xiàn)綜述。
寫(xiě)出畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)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(shū)。
畫(huà)出設(shè)計(jì)零件的2D及3D圖。初步確定設(shè)計(jì)方案，畫(huà)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。
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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(wú)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(lái)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(lèi)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(guò)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(chēng)電加工。從廣義上來(lái)說(shuō)，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(guò)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(lái)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(wú)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)的成形模（原陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(chē)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(rùn)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(rùn)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(shù)脂 鑄造法制模也有用合成樹(shù)脂的，主要有酚醛樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂等。
合成樹(shù)脂模的優(yōu)點(diǎn)是容易快速制模，輕而無(wú)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(lèi): 一類(lèi)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(lèi)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(guò)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(guó)過(guò)去無(wú)專(zhuān)用塑料模具用鋼, 近年在引進(jìn)國(guó)外塑料模具用鋼的同時(shí), 自行研制和開(kāi)發(fā)出一些新的塑料模具專(zhuān)用鋼。這些材料能滿(mǎn)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(chēng)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(guó)內(nèi)較早開(kāi)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(zhuān)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(guó)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(mǎn)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(guò)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(lèi)。
我國(guó)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(huà)機(jī)、石英鐘、車(chē)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(wú)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(lèi)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(guó)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(guó)內(nèi)近年開(kāi)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(guó)內(nèi)對(duì)非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼的開(kāi)發(fā)較晚, 25CrMnVTiSCaRE( FT) 、2Cr2MnMoVS和2Mn12CrVCaS 是近年開(kāi)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(lái)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(zhǎng)期使用后, 易出現(xiàn)變形甚至開(kāi)裂, 這類(lèi)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(guó)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(lèi)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(kāi)發(fā)中心參考國(guó)際上先進(jìn)配方工藝, 結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況研制開(kāi)發(fā)的一種新型模具材料問(wèn)世, 經(jīng)國(guó)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(zhuān)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(wú)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(shù)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(lái)，在國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策和與之配套的一系列國(guó)家經(jīng)濟(jì)政策的支持下和改革及開(kāi)放方針引導(dǎo)下，我國(guó)的塑料模具制造業(yè)有了快速的發(fā)展和進(jìn)步，無(wú)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(guó)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(zhǎng)壽命及三維化調(diào)整加工等未來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(xiāo)的商品化。
我國(guó)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(xiāo)的商品化程度低。80%以上的模具鋼仍以黑皮圓棒供貨。越來(lái)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(kù)存鋼材數(shù)量, 縮短制模周期。但中國(guó)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(guó)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(guó)已開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異, 達(dá)到或超過(guò)國(guó)外同類(lèi)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(kāi)發(fā)先進(jìn)模具鋼, 例如開(kāi)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(guó)的模具鋼系列。
3、 進(jìn)一步提高模具鋼的質(zhì)量。
我國(guó)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(guó)際先進(jìn)水平。但國(guó)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(guó)還需要在這方面進(jìn)一步開(kāi)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(zhuān)業(yè)廠的建設(shè)。
四、結(jié)語(yǔ)
隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)在國(guó)際份額中的不斷增大，中國(guó)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(lái)越大，對(duì)模具加工的要求也會(huì)越來(lái)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(guó)家產(chǎn)品制造水平的重要標(biāo)志之一， 我國(guó)雖已成為模具生產(chǎn)大國(guó), 卻遠(yuǎn)非模具制造強(qiáng)國(guó),我們的路還很長(zhǎng)。
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