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塑料模具成型设备的研究现状及发展趋势
在21世纪的今天，随着塑料工业的迅猛发展，各种新材料、新工艺、新设备不断涌现。作为塑料工业发展基础的塑料成型设备在质和量上都得到了飞跃，特别是信息科技产业的发展及其在塑料成型设备中的应用，使塑料成型设备不断与现代科技接轨。这无疑对塑料加工的工程技术人员及生产操作人员都提出了知识、理念和技术技能必须不断更新和提高的要求。
在我国，按照国家标准，模具共分 10 大类 46 小类 。 塑料模具是其中一个大类 .按产值计算 , 目前我国塑料模具产值约占全部模具的 1/ 3 左右 .直到2000年塑料模具产值可望达到100 亿元 .将各种塑料成形为制品的模具统称为塑料模具 . 塑料模具是塑料加工工业中和塑料成型机配套，赋予塑料制品以完整构型和精确尺寸的工具。塑料模具是由塑料、橡胶、金属、粉末、玻璃、玻璃钢等模具材料经加工设备加工而成的基础工艺装备，属于生产过程中的中间产品，用于最终产品的生产。按照 GB7635287标准, 塑料模具共分 7 类 ,它们是 : 热塑性塑料注塑模 , 热固性塑料注塑模 , 热固性塑料压塑模 , 挤塑模 , 吹塑模 , 真空吸塑模和其他类塑料模 .在各类塑料模具中 , 注塑模的量最大 ,也最有代表性。
1. 近几年我国塑料模具的发展
塑料模具的发展是随着塑料工业的发展而发展的 ,在我国 ,起步较晚 , 但发展很快 , 特别是最近几年 , 无论在质量 , 技术和制造能力上都有很大发展 ,取得了 很大成绩。这可以从下列几个方面来看：

1.1CAD/ CAM/ CA E 技术的应用
现在 CAD/ CAM/ CAE 技术在塑料模的设计制造上应用已越来越普遍 , 特别是 CAD/ CAM 技术的应用 较为普遍 ,取得了很大成绩 .目前 ,使用计算机进行产品零件造型分析 , 模具主要结构及零件的设计 , 数控机床加工的编程等已成为精密 , 大型塑料模具设计生产 的主要手段 .一些塑料模主要生产企业利用计算机辅 助分析 ( CAE) 技术对塑料注塑过程进行流动分析 , 冷却分析 , 应力分析等 ,合理选择浇口位置 , , 尺寸 注塑工艺参数及冷却系统的布置等 , 使模具设计方案进一步 优化 ,也缩短了模具设计和制造周期。

1. 2 电子信息工程技术的应用
应用电子信息工程技术进一步提高了塑料模的设计制造水平 .国内一些主要的塑料模生产企业已经实 现了通过客户提供的产品三维信息盘片和网上产品电 子信息来进行预算 , , 报价 设计审定 , 设计更改等 ,这不 仅缩短了生产前的准备时间 , 而且还为扩大模具出口 创造了良好的条件 .由于直接利用了用户提供的产品 电子信息 , 大大缩短了 CAD/ CAM 的技术准备时间 , 也相应缩短了模具的设计和制造周期 .

1. 3 气体辅助注射成型技术的使用更趋成熟
几年前还是刚刚开始应用的气体辅助注射成型技术近年来发展很快 ,更趋成熟 .目前 ,不少企业已能在 电视机外壳 , 洗衣机外壳 , 汽车饰件以及一些厚壁塑料 件的模具上成功地运用气辅技术 ,一些厂家还使用
塑 料MOLD 气辅软件 ,取得了良好效果 .

1.4 热流道技术的应用更加广泛
近年来 ,热流道技术发展很快 ,热流道模具比例不 断提高 .虽然在全国范围来说 , 热流道模具比例仍旧 不高 ,但也有些模具企业 ,热流道模具已占其模具生产 总量的 1/ 3 左右 .现在 ,一般内热式 , 外热式元件以及 分流板多点热喷嘴的结构应用已比较普遍 , 具有先进 水平的针阀式喷嘴和通断控制式喷嘴国内也能自行设 计制造 .与此相应 , 国产商品化热流道系统元件也已 出现 .

1. 5 精密、 复杂、 大型模具的制造水平有了很大提高
目前 ,国内生产的小模数塑料齿轮等精密塑料模具已达到国外同类产品水平 .在齿轮模具设计中采用 最新的齿轮设计软件 , 纠正了由于成型压缩造成的齿 形误差 ,达到了标准渐开线造型要求 .显示管隔离器 注塑模 , 多注射头塑封模 , 高效多色注射塑料模 , 纯平 彩电塑壳注塑模 , 洗衣机滚筒注塑模 , 塑料管路三通接 头注塑模 , 汽车灯及汽车饰件注塑模 , 冰箱吸塑发泡模 等一大批精密 , , 复杂 大型模具的设计制造水平也已达 到或接近国际水平 .使塑件尺寸精度达到 6 ～ 7 级的 塑料模具国内已可生产 , 其分型面接触间隙为 0102 ,模板的弹性变形为 0105 , 型面的表面粗糙度为 Ra = 0105 ～01025 .使用 CAD 三维设计 , 计算机 模拟注塑成形 , 有些模具零件达到互换 , 抽芯脱模机构 设计新颖等 ,对精密 , 复杂模具的制造水平提高起到了 高 ,有的甚至能使注塑生产效率提高几倍 .

1.6 模具寿命不断提高
通过采用优质模具钢、对模具工作零件进行相应的热处理、采用高质量模架再 镶入淬火工具钢件等结构，近年来模具寿命不断提高，非淬火钢模寿命可达 10~30 万次，淬火钢模达 50~100 万次，因此，交货期较以前缩短，但与国外相比仍有较大差距。

1.7 模具效率不断提高
挤出速度达 2.5m/min 以上的高速塑料异型材挤出模国内已能商品化供应。双腔 共挤、多腔注塑（塑封膜已达 600 腔）、采用热流道技术等使模具效率不断提高。不 少企业在自动脱模（脱流道）方面精心设计，同时更加重视冷却系统的设计，使模具 的效率大幅度提高，有的甚至能使注塑生产效率提高几倍。

1.8 采用模具先进加工技术及设备
采用模具先进加工技术及设备，使模具制造能力大为提高。高速铣削技术及高 速铣削机床在模具加工中的使用，已使模具加工效率有了显著提高。目前，主轴转 速达到 25000r/min 以上的高速铣床国内已引进多台，转速达到 8000r/min 以上的机床 就更多了。使用高速铣床，采用高速铣削技术，不但能使模具精度和表面质量得到 大幅度提高，而且模具制造周期大为缩短。国外引进的高精度数控电加工机床的使 用也使模具制造能力得到提高。某些国外电加工机床具有内容丰富、实用可靠的工 艺数据和专家系统，使模具的深槽窄缝加工、微细加工、镜面加工等效率和质量大 大提高。新的模糊控制系统具有加工反力的监测和控制，提高了大面积加工的深度 控制精度。电火花混粉加工技术的应用有效地提高了模具表面质量。模具逆向工程 技术、快速经济模具制造技术、三维扫描测量技术及数控模具雕刻机的发展与应 用，对模具制造能力的提高也起到了很大作用。

2 .我国塑料模具的差距
综上所述 ,我国塑料模具的质量 , 技术和制造能力近年来确实发展很快 ,有些已达到或接近国际水平 ,尤 其是随着改革开放政策的不断深入 "三资" , 企业蓬勃发展 ,对我国塑料模具设计制造水平的提高起到了非 常大的作用 .然而 ,由于我国模具制造基础薄弱 ,各地 发展极不平衡 ,因此总体来看 ,与国际先进水平相比和与国内外市场需求相比 , 差距还很大 .这主要表现在下列方面 .

2.1 塑料模具产品水平
关于国内外塑料模具产品对比：
项目 型腔精度表面粗糙度 生产周期 （以中型塑料母为例） 非淬火钢模寿命 淬火钢模寿命
塑料模具产品水平 国外先进水平 0.05mm~0.01mm Ra0.10~0.05μ m 1 个月左右 10 万~60 万次 200 万~500 万次 国内综合水平 0.02mm~0.05mm Ra0.20~0.40μ m 2~3 个月 10 万~30 万次 50 万~100 万次

2.2 工艺装备水平
我国塑料模制造企业设备数控化率和 CAD/CAM 应用覆盖面比国外低得多，且设备不配套、利用率低的现象十分严重。国产设备在精度、加工表面粗糙度、刚性、稳定性、可靠性及刀具和附件的配套性和精度保持性等方面与国外相比仍有较 大差距。

2.3 开发能力及经济效益等方面
国外模具企业技术人员比例很高，多数企业在 25%以上,有些在50%以上，有些 企业往往是大多数职工可在技术与生产岗位上互换，具有很高素质，加之企业对产 品开发很重视，经常与产品厂一起共同开发产品与模具，因此有很强的开发能力。 我国模具企业技术人员比例低，多数企业在 10%~15%之间，且大多数只注重模具开发，不重视产品开发，因此综合开发能力很低，在市场上常处于被动地位。经济效 益方面，国外工业发达国家每个模具职工平均创造模具产值 10~20 万美元，而我国 只有 4~5 万元人民币。国外模具企业大都有一定利润，而我国模具企业大都是微利 甚至亏损。

2.4 管理及其他方面
国内外模具企业管理上的差距十分明显。管理上差距所带来的问题往往比技术 上的差距更为严重。利用计算机进行科学管理在国外企业中已十分广泛，而国内还 很少采用。到目前为止，通过 ISO 9000 认证的模具企业全国还不到 1%。另外，诸如 企业结构、产品结构、技术结构及企业运营机制等方面，国内外差距也较大。

2.5 产需矛盾
我国塑料模具市场总体上供不应求，特别是大型、精密、复杂、长寿命塑料模 产需矛盾十分突出，满足率只有 60%左右。尤其是为工程塑料配套的模具，目前满 足率只有 40%左右。工程塑料是我国重点支持和优先发展的产业，预计每年将有25%的增长率。为解决这个矛盾，每年只好大量进口。1999 年共进口橡塑模具约 4 亿美元，其中绝大部分是塑料模具。

3. 塑料模具的主要发展趋势
近年来，全球制造业正以垂直整合的模式向中国及亚太地区转移，中国正成为 世界制造业的重要基地。制造业模式的变化，必将产生对新技术的需求，也必将导 致 CAD 技术的发展。同时，由于网络技术的大面积应用，正如 10 年前由于成本的大 幅度下降，使得微机进入千家万户改变我们的生活一样，网络应用的普及将在更大 程度上改变制造业的模式。随着中国加入 WTO，逐渐成为世界制造业的重要基地， 将要求我国的产品要有创新性，并且要有更高的质量、更低的成本并在更快的时间 内提供给市场。作为产品制造的重要工艺装备、国民经济的基础工业之一的模具工 业将直接面对竞争的第一线，模具工业除其需要“高技艺”的从业人员外，还需要 更多的“高技术”来保证。

3.1 协同创新设计将成为模具设计的主要方向
制造业垂直整合的模式使得世界范围内产品销售、设计、生产和模具制造分工 更明确。为了缩短产品上市周期，使模具设计更充分理解产品设计的意图，在产品 的设计阶段，模具设计即同时开始，产品设计工程师和模具设计工程师需尽早进入 协同设计状态。另外，模具制造厂家所需要的模具标准件一般都由模具标准厂家提 供，最好在模具设计阶段就参照各类标准，充分利用模具标准件厂家提供的数据进 行设计。由于在制造流程中各个环节所采用的 CAD 系统可能不一定相同，这就要求 未来的 CAD 系统要具备协同的能力，对上下游的数据要能够随时交换，对所产生的 数据彼此能够处理，数据产生及处理也需要标准化。因为产品需要创新，因此，模 具设计也需要能够体现产品的创新，如在逆向工程中更重要的是对产品结构和产品 的外观进行创新再设计。

3.2 模具制造信息将更加丰富，制造过程将更有效
目前，模具制造厂已经较广泛地采用了数控加工。为了保证加工质量、提高加 工效率、改进制造流程，有较多的模具制造厂开始使用多坐标数控加工、高速铣削 加工及基于快速原型的模具制造等方法。由于制造设备的丰富，制造信息的增加， 我们将看到，今后的制造信息将不仅仅是只提供数控编程加工的 G 代码，更重要的 是，从设计开始，将进行制造过程的设计，即提供模具制造的工艺流程，不仅包含工艺表格、加工参数，还包括模具加工的卡具设计、加工的装卡过程及各工序的 G 代码，并且在各部分工序过程均有仿真，还可以在网络上共享[8]。CAM 将充分利用 网络及仿真等技术，通过合理地规划制造过程，有效地组合机床、刀具和人的经 验，使企业发挥更大的潜力，取得最大的效益。

3.3 激光技术的应用日益受到重视
激光技术在模具制造中的应用主要是在快速成形与一些特殊模具的加工两个方 面。 快速成形是根据 CAD 的数据，不借助任何机械加工工具，通过逐层增加材料的 方法(如聚合、粘结、烧结等)快速制造出零件原型或零件实物，故也称快速原形制 造(缩写为 PRM)技术。快速成形技术主要有立体光固造型(SLA)，选择性激光烧结 (SLS)，分层实体制造(LOM)等[9]。该技术将 CAD 技术、激光技术、CNC 技术、材料 加工和材料科学技术有机地结合起来，给模具制造业带来了根本性的变革。与传统 的模具设计制造相比，它能比数控加工更快、更方便地设计并制造出各种复杂的原 型，使模具的制造成本和生产周期减少 1/2，明显提高生产率。国内的一些大型企业 集团，如海尔、春兰和科龙等公司已经应用激光快速成形于新产品开发等方面，并 取得显著的经济效益[10]。 激光技术应用于模具制造方面主要有激光切割、打孔及打标、刻花与刻字等方 面，如用于深孔、型孔、中空体以及复杂的冷却水道加工等；在金刚石拉丝模和喷 丝板本身的小孔加工中，传统方法是在细钨棒上粘金刚石粉进行旋转研磨打孔，加 工时间长达 lO~25 h[11]，而若采用多脉冲激光打孔，几分钟即可完成。采用激光打 标、刻花和刻字，不仅速度快、成本低，而且克服了冲头作用模具表面时常见的毛 边、尖锐的边缘畸变。

3.4 模具高速扫描及数字化系统将在逆向工程中发挥更大作用
高速扫描机和模具扫描系统已在我国 200 多家模具厂点得到应用，取得良好效 果。该系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的模型所需的诸多功能，大大缩 短了模具的研制制造周期。有些快速扫描系统可快速安装在已有的数控铣床及加工 中心上，用雷尼绍的 SPZ-1 扫描测头实现快速数据采集，采集的数据通过软件可自 动生成各种不同数控系统的加工程序及不同格式的 CAD 数据，用于模具制造业的 “逆向工程”。高速扫描机扫描速度最高可达 3m/min，大大短了模具制造周期。 由于模具扫描系统已在汽车、摩托车、家电等行业得到成功应用，相信在以后将发挥更大的作用。逆向工程和并行工程将在今后的模具生产中发挥越来越重要的作用。

3.5 优质材料及先进表面处理技术将进一步受到重视
在整个模具价格构成中，材料所占比重较大，一般在 10%~30%之间，因此选用 优质钢材和应用相应的表面处理技术来提高模具的寿命就显得十分必要。对于模具 钢来说，要采用电渣重熔工艺，努力提高钢的纯净度、等向性、致密度和均匀性及 研制更高性能或具特殊性能的模具钢，如采用粉末冶金工艺制作的粉末高速钢及采 用熔铸工艺的模具钢等。另外，模具钢品种规格多样化、产品精料化、制品化，尽 量缩短供货时间亦是重要方向。 模具热处理和表面处理是能否充分发挥模具钢材料性能的关键环节。模具热处 理的发展方向是采用真空热处理。模具表面处理除完善普及常用表面处理方法，即 扩渗，如：渗碳、渗氮、渗硼、渗铬、渗钒外，应发展设备昂贵、工艺先进的气相 沉积（TIN、TIC 等）、等离子喷涂等技术。

3.6 模具 CAD 技术应用的 ASP 模式,将成为发展方向
由于今天模具行业实际上已经成为高技术最密集的行业，任何企业要拥有全部 最新出现的技术，成本将非常高，而且还要培养并且留住掌握这些技术的人才也会 非常困难。因此，将出现模具 CAD 应用的 ASP 模式，即产生各种专门技术的应用服 务单位，为模具企业提供技术服务，整个社会是一个大的模具制造企业，按照价值 链和制造流程分工，将制造资源最优发挥，应用服务包括如逆向设计、快速原型制 造、数控加工外包、模具设计、模具成型过程分析等。

4.塑料模具在生产生活中的应用
近年来我国塑料模具业发展相当快，塑料模具在整个模具行业中约占 30%左 右。当前，国内塑料模具市场以注射模需求量最大，其中发展重点为工程塑料模 具。我国国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，仅汽车行业将需 要各种塑料制品 36 万吨；电冰箱、洗衣机和空调的年产量均超过 1000 万台；彩电的 年产量已超过 3000 万台。到 2012 年，在建筑与建材行业方面，塑料门窗的普及率为 30%，塑料管的普及率将达到 50%，这些都会大大增加对模具的需求量。 建筑、建材行业：塑料建材可大量代钢、代木、替代传统建材，将在今后得到 越来越多的应用。2005 年建筑用塑料制品占总产量 16%，约 400 万吨，因此塑料建材模具需求量将增长较快。由于国家已明令禁止使用铸铁管道，代之以塑料管材， 预计 2012 年全国新建住宅室内排水管 80%及城市供水 50%将采用塑料管。同时，国 家 正 在 大 力 发 展 塑 料 门 窗 ， 到 2012 年 塑 料 门 窗 和 塑 料 管 的 普 及 率 将 达 到 30%~50% ，塑料排水管的市场占有率将超过 50%。 家电行业：近期家电行业所需模具量年增长率约为 10%。一台电冰箱约需模具 350 副，价值约 400 万元；一台全自动洗衣机约需模具 200 副，价值 3000 万元；一 台空调器仅塑料模具就有 20 副，价值 150 万元；单台彩电大约共需模具约 140 副， 价值约 700 万元，仅彩电模具每年就有约 28 亿元的市场。业内人士普遍认为，大 型、精密、设计合理(主要针对薄壁制品)的注射模将得到市场的欢迎。 汽车、摩托车行业：汽车工业是中国国民经济五大支柱产业之一，增长速度惊 人，因此，汽车模具潜在市场巨大。每一种型号的汽车都需要几千副模具，价值上 亿元；每一型号的摩托车将近千副模具，价值 1000 多万元。据估计，汽车、摩托车 行业每年需要 100 多亿元的模具，而我国大型精密模具的制造能力不足。因此，发 展自己的科技含量高的大型精密汽车覆盖件模具是今后的重要工作。

5. 塑料模具概况综述
我国的塑料模具行业虽然得到了长足的发展，但与发达国家水平相比，仍有很 大差距。因此，从我国国情出发，认真面对模具工业发展的现状，加快模具 CAD/CAM 技术的推广，建立起一套软件开发、使用评价维护体系，形成区域规模 优势，相互交流与协作，组成行业集团，尽快与国际接轨，参与国际竞争。同时把 协同创新设计、激光等先进技术应用到模具制造中去。我们有理由相信，随着中国 经济的不断发展，模具行业将逐渐与国际 CAD 行业接轨，适应国际 CAD/CAE/CAM 的要求，创造出具有中国特色的模具设计制造模式。我国的塑料模具行业要进一步发展多功能复合模具， 一套多功能模具除了冲压成型零件外，还担负叠压、攻丝、铆接和锁紧等组装任务。多色和多材质塑料 成形模具也将有较快发展。这种塑料模具缩短了产品的生产周期，今后将在不同 领域得到发展和应用。近年来，中国塑料工业年均增长速度达到 10%以上，塑料制品年产量位居世界第二。塑料制品业在农业、塑料包装、塑料管材和异型材、汽车、家电、电子、 交通等领域发展迅猛，掀起了一股投资热潮。

注：论文有所参考，《模具技术》，《模具制造中CAD/CAE/CAM/CAT的应用》，《塑料模具》