一套难得的德国注塑模具设计流程与设计细节讲解,及模具行业分析!

国际金属加工网 2019年01月04日

分享干货之前先来关注一下德国模具行业的情况

德国模具行业

德国是欧洲最早从事模具生产的国家之一,其模具制造技术、模具质量受到全球使用者的肯定,在全球享有盛名,是全球最重要的高端模具供应国之一。

经过多年的实践探索,德国模具制造厂商形成了一个共识:即全行业必须协调一致,群策群力,技术创新,取长补短,共同进步,发挥好整体优势,才能取得行业的成功。

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此外,为适应当今新产品快速发展的需求,在德国不仅大公司建立了新的开发中心,而且许多中小企业也都这样做,主动为客户做研发工作。在研究方面德国始终十分活跃,成为其在国际市场上保持不败的重要基础。

在激烈竞争中,德国模具行业多年保持住了在国际市场中的强势地位,出口率一直稳定在 33% 左右。依据德国机械工厂制造协会( VDMA )资料显示其模具厂商数约 5000 家左右,但该国模具产业结构仍以中小型企业为主:20 人以下占 80%,20-100 人占 19%,100 人以上占 1%。
据统计 2014年德国模具人均产值约 200 万人民币。

下面我们进入正题,开始学习一下设计方面的技术。

一、设计准备
1、图纸、模具样书内容的确认
在正式的模具设计之前,下列图纸或文件通常要具备:
①、部品图;
②、模具设计制作仕样书;
③、设计制作契约书;
④、其他
并且要对上述资料完全理解,不明确处要得到客户的确认。
2、把握图面的概要
部品图决定了模具设计的最终目的,必须透彻地理解。通常由以下部分构成:
正面图、平面图、侧面图、断面图、详细图、参考图、注记、公差一览、仕上记号一览、标题栏、其他在视图过程中要注意以下方面:
①、公差要求较严格处;
②、对模具构造有影响的部位;
③、现有图面无法理解的部分;
④、注记中特别突出的事项
⑤、特殊的材料和热处理要求;
⑥、部品壁厚较薄处(t<0.6mm)
⑦、部品壁厚较厚处;
⑧、外观上有无特别仕样要求
⑨、三维曲面部分;
⑩、设计者、日期、纳期、价格等。

3、部品立体形状的理解

部品图是二维绘制的,要通过视图转换成设计者头脑中的三维形状,而手绘立体图对此很有帮助。
准备好纸和铅笔。

首先绘制出制品的大致外形轮廓,然后再根据自己对部品图的理解,绘制出部品各部位的断面图。

上述这些对将来分型面的确定、入子的分割非常重要。如果条件允许,使用粘土等辅助物来帮助理解会更好。

4、标题栏的检讨

部品图的标题栏一般注明了图面中的公差、部品的材料等一些内容,必须要认真研读。
①、部品名;
②、图名;
③、图番;
④、材质(包括收缩率);
⑤、仕样,指材质的详细仕样,如生产厂家、商品名、树脂代号;
⑥、尺度;
⑦、设计者;
⑧、变更栏;

5、注记部分的检讨

⑴、浇口种类、位置、数量
     如无特殊要求,则模具设计者在自行决定后需征得客户的同意。

⑵、入子分割线的要求

由于入子分隔线会在制品表面形成接痕,影响外观,尤其对折叠部位有害,所以设计者应遵守部品图的规定。

⑶、成型品表面划伤等缺陷的规定

模具设计者应避免可能发生上述缺陷的模具结构设计。

⑷、未注公差的要求。

⑸、成型品形状及尺寸上的变更需征得客户的同意,作为模具设计者来说,不可自行决断。

⑹、主视图的检讨

主视图是图面中尺寸较集中的地方,确认两侧公差及片侧公差,并标记其中较严格者。

⑺、其他各视图的检讨。方法同上

⑻、必要型缔力的检讨

熔融树脂在注射时,会在模具分型面上产生一个相当大的注射压力。如注射机最大型缔力小于注射压力,则模板之间就会产生缝隙,发生溢边现象。必要型缔力的计算如下:

F=P×A
F:必要型缔力(Kg)
P:注射压力(Kg/cm2),取300~500,视成型条件而定
A:制品在注射方向上的投影面积cm2
⑼、必要射出体积的检讨
在选择注射机时,要进行射出体积的检讨。
包括聊吧、制品在内的体积总和要小于注射机最大注射量的1/2~2/3
⑽、其他事项
如客户提供的资料不全,需跟客户联系,取得全部资料。
使用彩笔标记出自己认为较重要的,以利于下一步的设计。
二、成型品基本图设计
模具设计工作的大致流程:
初期检讨→成型品基本图设计→模具构造设计→部品图设计→检图→出图
塑料注射模具的设计从成型品基本图的设计入手,其正确与否决定了成型制品的好坏。
下面就成型品基本图的设计手法进行讲解:
1、了解成型材料的特性
最关键的是流动性能的好坏和收缩率的大小
2、可充填性的检讨
应全面考虑以下几个方面:
①、型腔可否完全填充;
②、溶接痕的位置;
③、气泡的发生;
④、成型品的变形;
⑤、点浇口的切断痕;
⑥、其他。
在设计工作中,根据工作条件,采用下述方法来分析验证:
①、类似模具的比较;
②、流动比(L/T)的计算;
③、CAD、CAE
3、浇口位置的确定
4、浇口形状的确定
5、分型面的确定
应参照下述原则:
①、尽量采用平面;
②、易于加工;
③、无离型不良发生;
④、外观上分割线无影响处。
6、模具制作寸法的决定
由于塑料冷却以后的收缩性,故模具制作寸法要考虑“成型收缩率”,方法如下:(以收缩率 0.2% 为例)
①、两侧公差: L=25±0.05 →L0=1.02×25=25.5
②、片侧公差: L=3-0.2 →L0=[(3+2.8)/2]×1.02=2.96
经过上述方法计算出的寸法,要经过以下两方面的补正:
①、模具制作上可修改性的补正。
② 、奇数寸法的偶数化。
7、拔模斜度的决定(固定侧)
为防止离型不良,有必要在固定侧型芯处设置拔模斜度,但要在成型品公差范围内,一般以 30’~3° 为宜。
8、拔模斜度的决定(可动侧)
如有必要,可动侧也可加拔模斜度,但一般可不加。如有顶出不良,可通过加装顶杆的方法来解决。
9、顶杆的配置
按照以下原则:
①、顶出面积尽可能大,因细小的顶杆孔难以加工。
②、尽量采用圆顶杆,因方顶出孔难以加工(但利用镶件分割线做出的较简单)。
③、顶杆要配置在型芯附近。
④、顶杆孔周围最小 1mm 壁厚保证。
10、生产数的记入
三、模具构造设计
成型品基本图完成以后,即可开展最重要的工作-模具构造图面的设计。这部分工作占模具设计全部研讨工作的 80%。下面就是具体的设计流程:
1、成型机模具取付仕样的确认
①、滑杆间距的确认
      模具大小不可超过滑杆间距,通常要留 20mm 以上的安全距离。
②、最小型厚的确认
      模具的型厚要大于注射机的最小型厚
③、最大开模行程的确认
④、最大锁模力的确认
⑤、理论射出容量的确认
⑥、定位圈直径的确认(以选择定位圈型号)
⑦、注射机喷嘴先端形状的确认(以选择浇口套型号)
⑧、最大型厚的计算
      T=最小型厚+最大开模距离-S1-S2-S
2、型腔配置方法的检讨
对于多型腔模具而言,要妥善安排型腔位置,使之投影中心完全位于模架中心上,并使流道最短地达到均衡进料。
3、模架的选择
对于塑料注射模具而言,模架均已标准化。在选择模架时,除了大小规格外,应确认以下方面:
①、导柱导套的位置,有的导柱在固定侧,而有的在可动侧。根据需要来选择。
②、对于各模板的厚度,应结合成型品基本图来确认。一般来说,要使镶件非成形部分的长度在 30mm 左右为宜。
③、目前我们有 FUTABA 的标准模架 CAD 库,可使用它来快速生成模架图。
4、分型动作的决定
在模板厚度确定后,进行分型动作的检讨。
①、固定侧型板与流道板之间的开模距离 S1
      S1=点浇口套长度+浇口套长度+10~20
②、流道板与固定侧座板之间的开模距离 S2
      S2=拉料勾勾头长度+3mm 安全距离
③、止动螺栓长度决定
      L=固定侧型板厚+S1
④、止动螺栓头部长度决定
⑤、支撑导柱长度决定
      L=固定侧型板厚+S1+流道板厚+S2+固定侧座板厚
⑥、拉料勾长度决定
⑦、流道顶出装置决定
⑧、浇口套周边机构决定
⑨、要做到使成形品顶出后自然落下的模具布局
5、浇口套采用 PUNCH 市贩品
6、开模次序的确定,并采用相应机构来确保这种开模次序的实现
7、流道从流道板顺利脱出的方法
采用 RUNNER EJECTING SET( MISUMI市贩品 )
8、支撑柱配置的检讨
在注射时,注射机会在可动侧型板的底部产生一个瞬间的注射压力,引起型板变形.为防止此种现象发生,可在模架中设置支撑柱,以不妨碍顶杆和力征安排在每个型腔附近为原则.
9、冷却水孔的决定
为了恒定模具温度,必须开设冷却水孔,通以冷却用水。
冷却水孔的大小与冷却效率关系不大,中等大小的模具一般采用 ф8.5 的水孔即可,接口处采用 PT1/8 的管螺纹。
冷却水孔的位置与数量与冷却效果有密切关系,在确定时,应尽可能地靠近型腔和尽可能地多,但不要发生干涉。
10、顶出部分的配置
结合成形品基本图,合理配置顶杆位置,注意不要与冷却水孔及支撑柱等部件发生干涉。
11、浇口套的配置
本公司均采用 PUNCH 公司的标准部品。
浇口套头部 SR 寸法要比注射机喷嘴的 SR 寸法大 1mm 左右。
浇口套开口处 ф 寸法要比注射机喷嘴的 ф 寸法大 0.5mm 左右。
对于锥度来说,采用片侧 1° 比较好。
12、定位圈的配置
结合成形机仕样,采用 PUNCH 市贩品。
13、排气道的配置
为了使型腔内空气顺利排出,有时需设排气道。不过一般设计中不予考虑,生产中如发现有排气不良,再予以解决。
14、顶出导柱与顶出导套的设计
为了提高顶出部件运动的精度,从而延长顶杆、型芯寿命,防止顶杆拉伤,可设计顶出导柱与顶出导套。
15、部品番号的确定
本公司制定有模具用部品番号的命名规则,按此规则进行确定。
16、其他
至此,模具的构造设计基本完成。
四、部品图设计
在进行构造设计完成以后,根据成形品基本图和模具构造图进行模具部品图设计,包括下述内容:
⑴、设计需加工的部品图面。
⑵、外构件追加工部品图面。
⑶、购入部品仕样书。
1、型腔部分的设计
⑴、从模具构造图中把型腔部分的外形提取出来。X-Y 方向与模板嵌合,注意公差与配合。Z 方向采用螺钉或挂钩或键固定均可。
⑵、成形部分形状与寸法
根据成形品基本图来决定,并考虑以下方面:
①、成形品寸法公差。
②、与别的部品之间的关系(配合)等。
③、便于模具的修正。
④、机械加工方法所能达到的加工能力。
⑤、加工费用。
⑥、其他。
⑶、型芯均采用挂钩的形式与型腔件配合,X-Y方向用公差来严格控制。
⑷、浇口设计
⑸、固定方法
⑹、材质、硬度的决定
考虑以下方面:
①、成形品的形状、寸法精度维持机能。
②、成形品表面品质决定机能。
③、耐冲击,刚性、强度要足够。
④、耐腐蚀性。
⑤、耐磨性。
⑥、机加工性。
⑦、镜面特性。
⑧、热传导性。
⑨、热处理性。
⑩、材料价格。
2、固定侧型芯的设计
形状与寸法根据成形品基本图确定。
材质的选择参考上面的内容。
可动侧型芯、型腔设计大致与固定侧相同,但多出顶出部分的设计内容。
至此,模具部品图中与成形有关的部分已完成,下面进行模具构造部分的部品设计。
五、检图
部品图设计完以后要进行检图,这与设计工作同等重要。在投入生产前发现错误,要比在生产中或完成后才发现要节省大量金钱与精力。
检图工作,可由设计者自身承担,也可由第三者担任。在检图中应把握如下原则:
⑴、详细设计、重要设计检查时,最好在精力充沛时进行。
⑵、连续工作 1~2 小时,应休息 10~15 分钟,保持头脑清醒。
⑶、不要惧怕失败,在失败中取得成长的经验。
⑷、不要从详细设计着手,应从总体方案开始,这样容易发现大的原则性的错误。
⑸、可调查类似模具在使用过程中发生的问题,并与自己的设计工作相对照。
检图工作主要内容如下:
1
重要的原则性的项目
⑴、根据型芯、型腔明细表,有无遗漏设计的部分。
⑵、模具取数是否合适。
⑶、分型面的设置是否正确?是否满足模具仕样书的要求?
⑷、型腔可否完全填充?
⑸、制作费用是否在预算范围内?
⑹、成形品生产成本是否在预算范围内?
⑺、模具纳期可否完成?
⑻、为保证纳期,是否采取了合理的措施?
⑼、成形品型腔可否顺利脱出?
⑽、成形品型芯可否顺利脱出?
⑾、浇口、流道的配置有无不当?
⑿、冷却水道有无干涉处?
⒀、支撑柱、顶杆、定出导向柱有无干涉?
⒁、成形收缩率计算是否正确?
⒂、镶件分割方式是否正确?
⒃、两侧相互配合的部件设计是否正确?
⒄、成形机取付仕样是否满足要求?
⒅、其他特殊要求是否满足?
2、模具构造方面的检讨
⑴、目前的设计正确与否,有无可以改进之处?
⑵、树脂流动的预想是否正确?
⑶、型芯、型腔离型对策正确与否?
⑷、滑块与滑动型芯的设计是否正确?
⑸、配合处公差是否正确?
⑹、排气道是否合适?
⑺、配合间隙是否合适?
⑻、装配时是否困难?
⑼、拆卸是否方便?
⑽、对白化现象有无预防?
⑾、两侧各部件之间有无干涉?
3、进行详细检讨的部分
⑴、有无尺寸相互不一致处?
⑵、断面形状正确与否?
⑶、部品个数是否正确?
⑷、部品材质是否正确?
⑸、型板刚性是否满足要求?
⑹、型腔刚性、强度是否满足要求?
⑺、浇口形状是否合适?
⑻、加工方法是否经过妥善考虑?
⑼、电极设计是否正确?
⑽、标准部品发注书是否有误?
⑾、客户仕样变更部分是否已全部变更?
⑿、废旧图面是否已被替换?
⒀、寸法公差、表面粗糙度有无过于严格处?
⒁、机械加工性是否适当?
我们看过这些设计方面,最后模具达人再总结一下先进国家的一些特性。
美国、日本、德国等发达国家的模具制造业在生产经营方面具有以下特点:
(1)人员精简,欧美日模具企业大多数规模不大,员工人数超过百人的较少,模具企业人数一般都在 20~50 人。企业各类人员的配置十分精简,一专多能,一人多职。
(2)采用专业化,产品定位准。大多数模具厂都是围绕汽车电子等产业对各类模具的需求,确定自己的产品定位和市场定位。为了在市场竞争中求生存、求发展,每个模具厂家都有自己的优势技术和产品,并都采取专业化的生产方式。欧美日大多数模具企业既有一批长期合作的模具用户,在大型模具公司周围又有一批模具生产协作厂家。
(3)先进的管理信息系统,实现集成化管理。欧美的模具企业,特别是规模较大的模具企业,基本上实现了计算机管理。从生产计划、工艺制定,到质检、库存、统计等,普遍使用了计算机,公司内各部门可通过计算机网络共享信息。
(4)工艺管理先进,标准化程度高。与国内模具厂大多采取以钳工为主或钳工包干的生产组织模式不同,欧美的模具生产厂家是靠先进的工艺设备和工艺路线确保零件精度和生产进度。欧美模具企业的先进技术和先进管理,使其生产的大型、精密、复杂模具,对促进汽车、电子、通讯、家电等产业的发展起了极其重要的作用,也给模具企业带来了良好的经济效益。
中国模具行业
我国的模具行业起步较晚,20世纪80年代中期以来,我国模具行业产生了很大变化,特别是近十几年,变化可以说是翻天覆地,现在已经成为了世界模具的生产大国。在大多数领域,中国模具已经占领了相当大的份额。但是在高端模具,仍然要从国外大量进口。从模具行业整体而言,我国模具的整体水平仍然是以中低档模具为主。
从中国模具厂的发展历史来看,建国以后,我国并没有专业的模具厂,五、六十年代随着汽车厂的建立,逐步建立了附属于主机厂的工具厂,基本都是参照苏联模式建立的大而全的工具厂,随着汽车行业的发展,这些工具厂逐步转为模具厂。
以我曾经工作过的北汽为例,六十年代叫北汽工具分厂,八十年代成立北京吉普,叫工具车间。主要生产量具、刃具、冲模、锻模、铸造型板芯盒,压铸模、注塑模、橡胶模及各类卡具,90年代末逐步转为冲压模具厂。
90年代以来,民营的模具厂崛起,数控机床的大量引进,CAD、CAE、CAM 的逐步实施,模具行业蓬勃发展,中国一跃成为模具制造大国,但这些工厂的生产方式大多还是大而全或小而全,制造的基本都是低端模具,中高端模具很少,大家基本都在低端市场恶性竞争。
是什么阻碍我们做强、做专、做精呢?其中的最大障碍之一就是我们的大而全或小而全的生产方式,我们的模具生产没有专业化分工或者说专业化分工不充分。
目前我国模具制造厂点约 30000 家,其中国有企业约占 5%,合资企业约占 10%,民营企业约占 85%,从业人员约 100 万人,年产值 2000 万元以上的企业约 5000 家。2015年模具总产值约 1700 亿元,企业自用模具产值约 400 亿元,加起来是 2100 亿,模具人均产值约 21 万元。根据中国模协统计的2014年 82 家重点企业资料显示,这些企业2014年模具总产值 90 亿元,共有员工 26800 名,人均产值约 33.5 万元。
从模具人均产值比较,日本模具是 120 万元,美国模具是 127 万元,德国模具是 200 万元,也就是说模具人均产值美国、日本是我国的 3-5 倍,德国是我国的 5-9 倍。
人均产值低的原因主要有两点,
一是我们生产的绝大多数模具是低端模具,附加值低;
二是我们的生产效率低。
我们的设备不比他们差,为什么附加值低,效率低呢?一个很重要的原因就是我们不“专”。所谓熟能生巧,“专”能出技术。“专”能出精品,“专”能出效率。人家专业分工好,所以模具质量好效率高。我们是大而不强,广而不专,什么都干,什么都不精,这就造成了我们技术提升慢,质量提升慢,效率提升慢。所以模具生产专业化、集约化是模具企业提升技术、提升质量、提升效率,向大而强、专而精转变的必由之路。

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随着模具制造技术的不断提升,未来模具种类会越来越丰富。任何一个模具企业都不可能完全掌握这些技术,所以未来的模具制造行业必然是一个高度专业化的行业。
由现在的大而全,小而全的的模具制造模式,逐步向大而强、专而精转变,形成以大带小、以点带面的专业化、集约化生产模式。即以一个模具中心,带动多个小模具厂和多个工序加工厂,形成大而强、小而专的生产局面,各个中心又有专业侧重,如侧围模具厂、门板模具厂、梁类模具厂等。市场细分的规则有很多,有些会按照不同成型材料来分;也有可能会按照模具类型来分;有些也会按照内板、外板甚至是车身的各总成来进行分类等等。
一花独放不是春,万紫千红才是春,愿中国模具之园大花艳丽,小花芬芳,绿叶葱茏,一派生机,蓬勃竞放。中国模具的专业化生产之路是漫长的,只要我们坚持走下去,就会看到模具强国的曙光,这是我们几代模具人的梦想!


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