型腔模具設計過程探討

劉祿金 （貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽550003）

模具工業是國民經濟的基礎產業，模具工業的發展水平標志著一個國家的工業水平及產品開發能力[1-2]。改革開放30多年來，我國已成為各類模具的使用大國[3]。型腔模具設計過程是一個綜合考慮各種設計條件的過程，設計過程復雜、工作量大、周期長。下面，筆者對型腔模具設計過程進行了闡述。

1 型腔模具設計流程

一般模具設計流程如圖1所示。圖1明確反映了模具設計的整體思路，其中包含一些與標準認證相關的設計和開發流程，對可能產生的設計缺陷具有一定的預防作用。

圖1 型腔模具設計流程圖

2 設計前準備工作

在正式設計之前，需要仔細了解產品的使用要求和相關的產品用途說明書，包括產品圖、產品設計制作樣書、設計制作合同書及其他資料。設計者必須對上述資料充分理解，不明確之處要和客戶及時溝通。同時，還要了解客戶所在國的制圖習慣，例如通常日本客戶提供的產品圖采用三角法繪制，通常由正面圖、平面圖、側面圖、斷面圖、詳細圖、參考圖、注記、公差一覽、記號一覽、標題欄等組成。此外，在視圖過程中尤其應注意如下部分：①公差要求較高處；②對模具構造有影響的部位；③現有圖面無法理解的部分；④注記中特別要求的部分；⑤材料和熱處理的要求；⑥產品壁厚較薄處 （t＜0.6mm）[4]；⑦外觀要求；⑧各種中曲面部分。

3 產品造型設計

3.1 式樣造型

產品圖是二維繪制的，設計者必須要對圖紙進行二次加工，例如將英制單位轉換成公制單位，在看圖的時候要準備草稿紙和筆，在看圖的過程中將視圖初步繪制出產品三維形狀，如果條件允許，使用橡皮泥等輔助物來幫助建模會更好。然后根據設計者對產品圖的理解，利用PROE、UG等三維造型軟件準確造型，以此來檢查設計過程是否正確。

3.2 模具工藝造型

在確定好模具的分型面的位置和形狀后，根據試樣的結構、最小壁厚及成型材料等確定合理的收縮率 （建模中的模型尺寸＝產品尺寸×收縮率）。在型腔模具中，壓鑄和注塑所采用的成型材料不同，故模型中的收縮率不同，設計時應特別注意。試樣在原來模型的基礎上要進行2次工藝造型，即按照分模要求，把模型各個部分做成拔模斜度，這樣方便產品脫模。在模具中對產品進行合理布局，并確定每模的件數，然后對澆注系統和排溢系統進行三維造型。

3.3 模具結構設計

模具結構設計是模具設計的關鍵，其設計的好壞直接關系到模具質量的優劣。通常根據產品的質量要求如外觀要求等對模具進行總體考慮。模具結構設計主要包括模架的選擇 （通常是根據壓鑄機的類型來選擇）、分型面的選擇、型腔數量、內澆口的位置、澆注系統的總體布置、各部分主輔機構如抽芯機構、推出和復位機構以及鎖緊裝置等。在設計之前應根據所選澆口形狀、分型面位置考慮以下幾個方面：① 型腔填充是否完全；②溶接痕的位置；③氣泡的發生；④試樣的變形；⑤點澆口的切斷痕。在模具總體方案設計中，型腔設計完畢后，要充分注意冷卻系統和脫模機構，避免發生系統干涉。在此基礎上就可以進行型腔模的模架選擇。由于型腔模的模架已經標準化，因而應根據實際需要具體確定。對于脫模方式是選用推桿機構還是推件板機構需要根據制品和流道凝料留在哪一側來確定。分型面的選擇應該滿足零件外觀要求、方便脫模、模具制造以及有利于排氣。型腔數量一般根據零件投影面積來確定，對于小的零件可以考慮一模多件，這樣可以使得模具受力比較均勻，同時可以提高工作效率。

4 檢 圖

4.1 原則性項目

在檢圖中需要關注的原則性項目包括如下內容：①分型面的設置是否正確；②型腔是否完全填充；③成形品型腔是否順利脫出；④澆口、流道的配置是否得當；⑤冷卻水道有無干涉處；⑥支撐柱、頂桿、定出導向柱有無干涉；⑦收縮率計算是否正確；⑧鑲件分割方式是否正確；⑨兩側相互配合的部件設計是否正確；⑩成形機取付試樣是否滿足要求。

4.2 模具構造方面

在模具構造的檢圖中應注意如下問題：①型芯、型腔離型對策正確與否；②滑塊與滑動型芯的設計是否正確；③配合處公差是否正確；④排氣道是否合適；⑤配合間隙是否合適；⑥裝配和拆卸是否方便；⑦對白化現象有無預防；⑧兩側各部件之間有無干涉。

4.3 需要詳細檢查的部分

在檢圖中需要詳細檢查的部分包括如下內容：①斷面形狀正確與否；②型板剛性是否滿足要求；③型腔剛性、強度是否滿足要求；④澆口形狀是否合適；⑤電極設計是否正確；⑥客戶樣品變更部分是否已全部變更；⑦廢舊圖面是否已被替換；⑧機械加工性是否適當。

5 產品性能分析

模具設計完成后就應進行試模，試模即檢驗模具設計是否完全合格，該過程需要反復修模，對模具損傷大且浪費人力和物力。為了盡可能減少試模次數，得到最佳的模具設計，設計者應該進行成型過程的流場、溫度場模擬，進一步優化模具工藝參數以及澆注系統和模具熱平衡系統。通過輸入壓鑄工藝參數、合金的物理參數等邊界條件，用有限元分析軟件模擬合金的充型和凝固過程以及溫度場變化，以動態和靜態的方式呈現整個充型過程中液態金屬的走向、溫度場的分布等信息，通過分析找出可能產生設計缺陷的部位，在后續設計中通過更改澆口的位置及增設排溢系統等措施來改善充填效果。

6 文檔備案

對每幅模具應進行文檔備案，具體包括如下內容：①模具材質分析報告；②模具熱處理檢測報告；③產品型號、零件圖號、模具編號、零件標號、毛坯簡圖；④模具更改技術通知單；⑤模具維修記錄表，包括模具損壞部位、損壞原因及處理結果等；⑥易損配件圖；⑦模具交接記錄。從設計開始到模具加工成功和檢驗合格為止，所有技術資料按規定加以整理、裝訂、編號進行歸檔，這樣可以為今后的模具設計和修理提供參考。

7 結 語

型腔模具設計過程是一個非常復雜的過程，需要設計者認真細致地做好準備工作，才能設計出優良的型腔模具。此外，設計者應掌握三維模擬仿真技術，使用該技術可以減少設計失誤，節約成本，并大大縮短設計周期。

[1]蔣桂芝，王麗.我國模具技術的發展現狀及其發展趨勢 [J].機電產品開發與創新，2008，21（4）：197-198.

[2]吳崇峰.模具CAD／CAE／CAM教程 [M].北京：中國輕工業出版社，2005.

[3]羅繼相.淺析我國模具行業現狀及發展趨勢和對策 [J].模具技術，2001（3）：72-75.

[4]潘憲曾.壓鑄模設計手冊 [M].北京：機械工業出版社，1998.