塑料模具设计与制造新技术

　　塑料模具在塑料加工中占有非常重要的地位，模具的设计水平和制造能力也反应了一个国家的工业水准。近年来塑料成型模具的产量和水平发展十分迅速，高效率，自动化、大型、精密、长寿命的模具所占的比例越来越大，下面从模具设计、加工方法、加工设备、表面处理等几个方面来总结一下模具的发展现状。

　　塑料成型方法及模具设计

　　气体辅助成型：气辅成型不是一种新的技术，但近年来发展很快并出现了一些新的方法。液化气体辅助注射是将一种预热的特殊可气化的液体从喷嘴注入塑料熔体中，液体受热在模腔中被气化而膨胀，使制件成为空心，并将熔体推向模腔表面。这种方法可用于任何热塑性塑料。振动气体辅助注射是通过振荡压缩气体向塑料熔体施加振动能量，从而达到控制制品的微观结构，改善制品性能的目的。有些厂家把气辅成型中所用的气体转换成冷水，而成为水辅成型，这种方法可以成型出更薄的制品，也可以生产大型中空制品，其质量更高，成本更抵，但关键点是水的泄漏问题。

　　推拉成型模具：在模具型腔的周围开设两个或多个通道，并与两个或多个注射装置或能往复移动的活塞相连，在注射完成后熔体固化前，注射装置的螺杆或活塞来回移动往复推拉型腔中的熔体。这种技术叫动态保压技术，其目的是为避免用传统成型方法成型厚制品会有很大收缩的问题。

　　高压成型薄壳制品：薄壳制品一般是长流程比的制品，多采用多点浇口的模具，但多点进浇会造成熔结缝，对一些透明制品则会影响其视觉效果。单点进浇又不易充满模腔，故可以用高压成型技术来成型。比如美国空军F16战机的座舱就是用这种技术生产的。目前已采用此技术来生产PC汽车挡风玻璃。高压成型的注射压力一般超过200Mpa，故模具材料也要选择高杨氏模量的高强钢。高压成型成功的关键是模温的控制，另外要注意模腔的排气一定要顺利，否则高速注射导致排气不畅会烧焦塑料。

　　热流道模具：在多腔模中越来越多地利用热流道技术，其动态进料技术是模具技术中的一个亮点。即通过一个针阀调节塑料的流动，可为每个浇口分别设定注射时间、注射压力等参数，可以获得平衡的注射和最佳的质量保证。针阀可通过液压驱动活塞动态地、无级地移动，针阀的位置决定了注射的流量和压力。在流道内有压力传感器，可连续记录流道内的压力大小，进而可以控制针阀位置和调整熔体压力。

　　熔芯注射成型用模具：这种成型方法是把低熔点合金制成的可熔型芯放入模具中作为镶嵌件进行注射成型、然后对含有可溶型芯的制品加热去除可熔型芯。这种成型方法用于形状复杂、中空的产品，如汽车的输油管或送排气管等复杂形状的空芯塑件。用这类模具成型的产品还有：网球拍手柄、汽车水泵、离心热水泵和航天器油泵等。

　　注射/压缩成型模具：注射/压缩成型可生产低应力、光学性能好的产品、其工艺过程为：模具合模（但动定模不完全闭合，留一个间隙以便以后的压缩）、注入熔体、二次合模（即压缩使熔体在模内被压实）、冷却、开模、脱模。在模具设计上要注意的是由于模具在开始合模时并未完全合拢，故为了防止在注射时溢料，在模具中要设计防止溢料的结构。

　　叠层模：将多个型腔在合模方向重叠布置，而不是在同一平面上布置多腔。这可以充分发挥注射机的塑化能力。这种模具一般用于热流道模具中，可极大地提高效率。

　　层状制品注射模：层状制品注射成型兼有共挤出成型和注射成型的特点，能在制品上实现任意厚度不同材料的多层组合。每层厚度可小到0.1~10mm,层数可达上千。这种模具实际上是一注射模具与一多级共挤模具的组合。

　　模具滑移成型（DSI）：此方法可成型中空制品，也可成型多种材料的复合制品。其过程为：闭模（对中空制品而言，此时两半型腔处于不同的位置）、分别注射、模具移动至两半型腔对合、在中间注入结合两半型腔的树脂。这种方法成型的制品与吹塑制品相比，有表面精度好、尺寸精度高、壁厚均匀、设计自由度大等优点。

　　铝材模：塑料模制造技术中一个突出点就是铝合金材料的应用,Corus公司开发的铝合金塑料模的使用寿命可达30万次以上。Pechiney Rhenalu公司用其M1-600铝材制造塑料模，寿命可达50万次以上。

　　模具制造

　　高速铣削：目前，高速切削已进入了精密加工领域，其定位精度已提高到±2~5μm/全程，加工精度提高到±2~5μm。采用液体静压轴承的高速电动主轴，主轴回转精度在0.2μm以下,机床主轴转速可达100,000r/min;采用空气静压轴承的高速电动主轴,主轴回转精度可在50μm以下,转速可高达200,000r/min。快速进给速度能达30~60m/min，如果采用大导程滚珠丝杠和高速伺服电机、直线电机和精密直线导轨，进给速度甚至可达60~ 120m/min。换刀时间减少到1~2s，其加工的粗糙度Ra<1μm。结合新型刀具（金属陶瓷刀具、PCBN刀具、特殊硬质合金刀具等），还可加工硬度达60HRC的材料。其加工过程的温度只升高3度左右，热变形很小，特别适合于成型对温度和热变形敏感的材料（如镁合金等）。高速切削的速度在5~100m/s，完全可以达到模具零件的镜面车削和镜面铣削。另外由于切削小，可以加工薄壁和刚性差的零件。

　　激光焊接：激光焊接设备可用于修复模具或熔覆金属层以增加模具耐磨性，经激光熔覆处理后的模具表面层硬度可达62HRC。采用显微焊接工艺时在城激光聚集处的温度可高达1500℃，焊接时间仅为10-9秒，因而可避免热量传到焊点邻近区域。采用一般的激光焊接工艺，在工件上距焊点15mm处的温度可达150~200℃，而采用显微焊接技术时温度仅为36℃，因此不会引起材料的金相组织和性能的改变，也不会引起翘曲变形可开裂等问题。

　　电火花铣削：也称为电火花创成加工技术，它是用高速旋转的简单管状电极作二维或三维轮廓加工，因而不再需要制造复杂的成型电极

　　三维微加工（DEM）技术：DEM技术克服了LIGA技术加工周期长、价格昂贵的缺点，综合了三个主要的工艺：深层刻蚀、微电铸和微复制。可以生产厚度仅100μm齿轮等微型零件的模具。

　　三维型腔的精密成形及镜面电火花加工一体化技术：采用在普通煤油工作液中添加固体微细粉末的方法，来增大精加工的极间距离，减小电容效应，增大放电通道的分散性。从而可使排屑好、放电稳定、加工效率提高，并有效降低加工表面的粗糙度。同时使用混粉工作液还可在模具工作表面形成硬度较高的镀层，提高模具型腔表面的硬度和耐磨性。

　　模具表面处理、强化

　　为了提高模具的寿命、除了常规热处理方法外，下面是一些常用的模具表面处理与强化技术。

　　化学处理：其发展趋势是由渗入单一元素向多元素共渗，复合渗发展。由一般的扩散渗向化学气相沉积（PVD）、物理化学气相沉积（PCVD即等离子气体相沉积）、离子渗入、离子注入等方向发展。

　　激光表在处理：1.利用激光束获得极高的加热速度和冷却速度,实现金属材料的表面淬火,在表面获得高碳极细的马氏体晶体,硬度比常规淬火层高15%~20%,而心部组织不会发生变化.2.利用激光进行表面重熔或表面合金化,获得高性能的表面硬化层。例如用CrWMn复合粉末合金化后，其体积磨损量为淬火CrWMn的1/10，其使用寿命提高14倍。3.激光熔凝处理是利用高能量密度的激光束时金属表面进行熔融和激冷处理,使金属表面层形成一层液态金属的激冷组织。由于表面层的加热和冷却非常迅速，故得到的组织非常细密，如果通过外部的介质使冷却速度达到足够高，则可抑制结晶过程，而形成非晶态，故了被称为激光熔化—非晶态处理，又称激光上釉。

　　稀土元素表面强化：这可以改善钢的表层结构，物理、化学及机械性能等。它可以提高渗速25%~30%，使处理时间缩短1/3以上。常见是有稀土碳共渗、稀土碳氮共渗、稀土硼共渗、稀土硼铝共渗等。

　　化学镀：它是通过化学试剂将溶液中的Ni、P、B等还原析出在金属的表面上，从而在金属表面上获得Ni-P、Ni-B等的合金镀层。以提高金属的机械性能、耐蚀性能和工艺性能等。又被称为自催化还原镀、无电镀等。

　　纳米表面处理：是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术，对固体表面进行强化或赋予表面新功能的一项技术

　　（1）纳米复合镀层是在传统的电镀液中加入零维或一维纳米质点粉体材料而形成纳米复合镀层。纳米材料还可用于耐高温的耐磨复合镀层。如将n-ZrO2 纳米粉体材料加入Ni-W-B非晶态复合镀层，可提高镀层在550~850℃高温抗氧化性能，使镀层的耐蚀性提高2~3倍，耐磨性和硬度也都明显提高。（2）纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方面都用显著改善，且一种涂层可同时具有上述多种性能。

　　快速原型制造与快速制模

　　快速原型制造与快速制模是新产品开发中的一项重要技术，以前人们一直认为快速制模限于小批量试制，然而近年来快速制模也用于中等批量、乃至大批量、准耐久金属模具的制造。

　　熔射制模法工艺是在原型表面形成金属熔射层，然后对熔射层进行补强，并将被熔射原型去除得到金属模具。用高熔点熔射材料可使模具表面硬度达63HRC。

　　直接快速制造金属模具（DRMT）方法主要有：以激光为热源的选择性激光烧结法（SLS）和基于激光熔融堆积法（LENS），以等离子电弧等为热源的熔积法（PDM），喷射成形的三维打印（3DP）法和金属薄板LOM技术等。SLS的制模精度已大为改善，收缩率已由原来的1%降至0.2%以下,LENS制造的制件密度及机械性能虽较SLS方法有很大提高,但仍有约5%的孔隙率.它只适用于制造简单几何形状的零件或模具。由于未熔颗粒的粘结，表面质量也不太高。

　　形状沉积制造法（SDM），利用焊接原理熔经焊材（丝状），并借助热喷涂原理使超高温熔滴逐层沉积成形，实现层间冶金结合。可避免上述基于层积法原理的RT技术会产生侧面阶梯效应致使精度低、表面质量差，且存在综合力学性能不高等问题。

　　快速制模技术是在与传统的机械加工技术的竞争中产生并发展起来的，但铣削速度高达100，000r/min，表面精度优良的高速铣削技术已成DRMT技术最大的竞争对手。

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