模具设计作为一门以经验为重要基础的学问

模具设计作为一门以经验为重要基础的学问

一、 序言

据统计，日常生活中一个普通人身上物品直接、间接的约与2千套模具有关！模具行业发达的程度可以说已成一个国家工业现代化的重要标志之一。国内很多大型企业的模具部门在整个公司中的地位都及其重要，像深圳的比亚迪最初就是由一个小模房发展起来的，而奇瑞汽车的模具制造技术在国际上也是一流的。随着珠三角经济的持续发展，越来越多的国际性大公司看中这里成熟的模具制造技术及具有丰富从业经验的技术人才，都纷纷把其塑胶、模具部门转来，或把模具发来制造。珠三角的模具出口数量逐年递增，已成为中国乃至国际最重要的模具生产、加工基地。特别是家用电器及汽车业的发展速度更快。说到珠三角模具制造业，就不得提香港、台湾。上世纪八、九十年代珠三角的经济刚刚起飞，其模具技术几乎空白，而随着香港、台湾的企业把工厂转移到内地，其先进的模具制造技术也带了过来。当时，一名熟练的模具制造师傅月薪可达上万RMB。

为使更多有志加入此行业的青年朋友、初学者得到相关的基础知识，本人总结了自己这几年从业的经验及平时收集的资料整理成文，供大家参考。全文分为序言、什么是塑胶模具、必备的知识、塑胶模具结构及分类、常用塑胶原料的特性、塑胶模具的加工方法及工艺、塑胶模具设计要点等几大部分。

人们为满足生产及生活的需要，按一定的要求而制造的生产工具。模具即生产工具，一般均可重复使用。工业中常见的有塑胶模、五金冲压模、压铸模、吹塑模、挤塑模等；广义来讲，一些日常生活中的刀模、纸模、石膏模、甚至拍月饼的木板模等都可称为模具。塑胶模具就是注塑成型生产中使用的模具。

1、 基础知识：三角函数、平面&立体几何、解析几何、工程制图、画法几何、机械基础、五金&化学基础等；

2、 基础实践经验； 3、 软件知识：AutoCAD、PRO-E、UG、SilodWorks、CATIA、MasterCAM、CIMATRON IT、MOLDFLOW等；

四、 塑胶模具结构及分类

1） 模具的基本结构及相关概念 1、模胚即模架：MoldBase。

模胚是整套模具的骨架，所有模具的零部件的制作均需考虑模胚的结构。模胚的成本一般占整套模具的30%左右，模胚由专门的大型模胚厂制造，已标准化，各模具制造厂只需根据自身的需要向模胚厂定制即可。模胚分为面板、A板（前模板）、B板（后模板）、C 板（方铁）、底板、顶针面板、顶针底板、司筒、导柱、回针、顶针、撑头、限位钉等。

2、模仁又称型腔，即嵌入模胚模板内的成型模芯。分为前模仁，后模仁，俗称前模（Cavity），后模（Core）。为何要在模板内嵌入模仁呢？主要是为节约成本。因为塑胶对模具的钢材特性有很高的要求，如硬度、耐腐蚀性、耐高温（热变形）等；而模胚的模板则无需太高的要求。

注：HRC为洛氏硬度。

3、唧嘴：Sprue。注塑机炮筒的射胶嘴通过该装置将熔融的塑胶原料注入型腔。

4、滑块又称行位：Slider。为顺利出模而必须使用的结构部件。

边有空，有倒扣（勾）等，需用行位才可出模。

5、斜顶：Angle-Lifter。与行位相似，也是为顺利出模而必须使用的结构部件。 6、还有一些与模具有关的名词：分模线（P/L）、模具基准、缩水率（Shrinkage）、排位（Layout）、钢料、铜公（电极，其材质有铜、石墨等）、倒扣、运水、出模斜度（Draft angle）、冷料井、流道、注塑仿真、分模、出模、开&合模步骤、模号、抛光（省模）、软模、硬模、模具表明处理、试模（TEST MOLD）、改模、装模、交模等。

以下为一套有前模行位的模具结构图：

7、从上可看一套模具按其各部件的功能可细分为：流道系统、成型系统、温度调节系统、排气系统、顶出系统、开合模系统、复位系统。 2）分类

1、按结构分为两大类：大水口模具及细水口模具，又称单分型面模具、双（多）分型面模具；

（三）细水口模具

开模步骤说明：a、第一步P/L-1先开约10mm距离，水口勾将把水口从产品拉开；

b、第二步P/L-2开至少约100mm（此距离很重要，订模胚一定要参考它。一般不小于成人拳头或机械手的尺寸，且空间大小能保证顺利取出水口），水口将从此两板间取出； c、第三步P/L-3开，取出产品，同样，此距离也由产品的尺寸决定。

2、按热流道分为：普通流道模具及热流道模具。热流道模具除能满足有特殊结构、特大型的制品需要外，其还具有生产效率高、无水口产生的特点。从模具造价方面来说虽然贵很多，但从长远生产来讲还是很节约成本的。

（四）热流道模具

4、 按注塑的颜色数量分为：单色模具、双色模具、三色模具。

5、 按模具钢料之硬度又可分为软模、硬模。硬模通常用较硬的钢材（如LKM8407#钢材）制成，也有把软模经热处理得到的。一些大公司，一般都会先开一套软模，待模具改好，样板OK后，再开几套相同的硬模。比如NOKIA的手机模具，在开发阶段时就会先开软模，正式生产用的必是硬模。硬模除单价高外，其使用寿命高，啤件质量稳定，外观优良。

塑胶即塑料是一种以合成的或天然的高分子为主要成分的物质，通常含有添加剂等的辅助成分，广义地说，他是一种在一定温度及压力下可塑造成一定形状的高分子有机材料。在1996年公布的新国标（GB/T 2035-1996）对塑料重新定义为：以高聚物为主要成分，并在加工为成品的某各阶段可流动成型的材料。

2、塑料的组成：

塑料的主要成分是合成树脂，再加上一些添加剂及填充材料。

a、合成树脂----人工合成的有机高分子化合物，其结构单元主要由碳原子、氢原子、氧原子及其它如硫原子、硅原子等通过化学键等连接组成。

b、填充材料-----常用有玻璃纤维、碳素纤维、碳酸钙（CaCO3）、二氧化硅（SiO2）、金属粉、木粉、棉布、石棉、云母、石粉等。

c、添加剂---------常用有增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、抗静电剂、阻燃剂、抗UV剂等。 3、一般而言，塑胶原料可大分为两大类：「热塑性塑胶」（Thermoplastic）及「热固性塑胶」(Thermosetting)。热塑性塑胶在常温下通常为颗粒状，加热到一定温度后变成熔融的状态，将其冷却后则固化成型，若再次加热则又会变成熔融的状态，而可进行再次的塑化成型。因此，热塑性塑胶可经由加热熔融而反覆固化成型，所以热塑性塑胶的废料通常可回收再利用，亦即有所谓的「二次料」。

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热固性塑胶无法经由再加热来反覆成型，所以热固性塑胶的废料通常是不可回收再利用的。其分类方式如下图所示。

4、塑胶按应用的范围也可分为通用塑胶、工程塑胶、特种塑胶； 通用塑胶常见的有： PP、PVC、PE、PS、等；

工程塑胶常见的有：ABS、PC、PMMA、POM、PA6、PA66、PET、PBT、SAN等； 特种塑胶常见的有：PPS、PEI等；

工程塑胶往往由一些通用塑胶改性得到；如改变某些分子结构、添加其它成分如玻璃纤维等； 工程塑胶就是被用做工业零件或外壳材料的工业用塑胶，其强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑胶。」。其性能包括：

a、 热性质：玻璃转移温度(Tg)及熔点(Tm)高、热变形温度(HDT)高、长期使用温度高(UL-746B)、使用温度范围大、热膨胀系数小。

b、 机械性质：高强度、高机械模数、潜变性低、耐磨损、耐疲劳性。

3） 常见塑胶原料在实际应用中的经验谈

1、 ABS料：最常用的塑胶料，很多家电产品的外壳均用它。具有较高的机械强度、耐热、耐化学腐蚀性及高光泽。常见的有台湾奇美、国乔产的ABS。如奇美：ABS PA757通用级，良好的高光泽性；ABS PA727电镀级；ABS PA777D耐热级。

2、 PC料：俗称百折胶，力学性能优良。有良好的热稳定性（-100~126℃可稳定使用）及透光性。常见有德国拜尔PC-2805、美国通用PC-241R、141R等。

3、 尼龙：PA6、PA66。尼龙（Nylon）最大优点是韧性大，耐疲劳性极佳、摩擦系数低。常用于造纤维，牙刷毛，鱼丝，轴套，包装胶膜，齿轮，电动工具外壳，电器配件等。但最大的缺点是吸水性大，而吸水的增加使其拉伸强度急剧下降。如添加玻璃纤维可大大提高其耐温性能，即PA66+GF15%、PA66+GF30%耐温达180~210℃

1、 测量工具：卡尺、千分尺、千分表、标准量块、标准角块、转盘、角规、投影仪、抄数机等； 2、 加工机器及设备：锣床、车床、磨床、钻床、CNC（电脑锣）、火花机、线切割机等。 2） 加工方法及工艺

一般模胚直接从模胚厂订回，其加工方法这里略去。

按模具设计图纸，订回模胚、模仁、行位、斜顶、镶件等钢料即可开始安排加工。按加工工艺大概分为粗加工及精加工两块。模胚开框，由锣床或电脑锣先开粗、后精框（也可由模胚厂代为加工，但要付给相应的费用；一些小型模房为节约成本往往自己加工，但效率低，精度不高），其它部件同样也是先粗加工成粗胚，后经电脑锣、火化机、线切割机精加工的到符合图纸精度要求的零件，最后装配

实际制造中，几种加工工艺交织在一起，需要模具设计人员与模具师傅安排好各个环节，一步出错，满盆皆负！返工往往造成对模具的损害，做出来的模就不漂亮了。要补救好的话，只能换料，这将增加时间和成本，而很多时候时间是最重要的。现在模具行业竞争很激烈，客户给模房的时间都很急，不能按时交模，最终将失去客户！ 各加工机械设备的功能简介：

1、 锣床，用于人工铣、切较形状较简单、规则的工件，如直线、斜线；常用来加工精度不是很高的工件，模胚开框、模仁、行位开料等。

2、 车床，主要用于圆形的工件加工，如唧嘴、定位环、法兰、圆形模呵（CORE）、圆形铜公等；精度可达较高的要求。

3、 磨床, 主要用于钢料磨平，磨基准等，可满足大部精度要求。 4、 钻床，主要用于钻空、攻牙、打运水孔等。 5、 CNC（电脑锣），已成为现代化模具工业的标志性设备，主要用于复杂、不规则曲面的数控加工。

电脑锣由计算机程式控制，因此，其操控人员——CNC编程员除对电脑锣加工控制软件熟悉以外，还要对模具结构及加工方法有深入的了解。一个光懂加工软件而不懂模具结构及加工方法的编程员只能是纸上谈兵。一名优秀的编程员一般都经过3~5年的实践才可达成，其薪金一般都在RMB5.0K以上！目前，珠三角地区常用的加工控制软件是： MasterCAM、CIMATRON IT、UG、CATIA。

6、 火花机，用于电蚀工件。把电极（铜公）装在机头上，通过机器的内部电路控制电流放电在工件上蚀出和电极形状一样的凹腔。工模术语：EMD加工。

7、 线切割机，用于工件外形的切割。它把一根极细的钼丝穿过预先在工件上打的孔，依照电脑内的数据，控制钼丝放电及运行，在工件上割出设定的形状。一般钼丝直径为0.07~0.10mm，因此，它加工的精度也很高。线切割分为快走丝、慢走丝。一般模房的线切割机都属快走丝，

慢走丝顾名思意即加工速度很慢。它以牺牲速度换来的是高精度，基本上精密模具、一些五金端子模具都要用它来加工。单价为快走丝3~5倍。有个细节需提一提，即慢走丝使用的水是纯净水。

七、 塑胶模具设计要点

本章为全书的重点，首先介绍模具公司整体运作程序，如下图：

本章的内容基本围绕上述流程进行讲解。 1）模具报价

在接到客户样板或图纸询价后，应组织相关工程师进行图纸评审及初步报价。 1、 客户图纸评审 要注意以下几点：

产品的材质、尺寸、结构，客户对模具材料的要求及热处理工艺。材料越好价格越高。

特别还要从模具角度分析其结构，是否需三板模、模出数、入水形式、抽芯结构（斜顶、行位构造）、冷却系统、开&合模系统、顶出结构等。结构越复杂模具造价越高。

2、 模具报价分析

图纸评审完成后，下一步可进行报价。

a、首先要看客户的要求，因为要求决定材料的选择以及热处理工艺；

b、选择好材料，出一个粗略的模具方案图，从中算出模具的重量（计算出模芯材料和模架材料的价格）和热处理需要的费用。（都是毛胚重量）；

c、加工费用，根据模芯的复杂程度，加工费用一般和模芯材料价格是1.5~3 ：1，模架的加工费用一般是1 ：1；

d、风险费用是以上总价的10%； f、税率；

1、 锣床，用于人工铣、切较形状较简单、规则的工件，如直线、斜线；常用来加工精度不是很高的工件，模胚开框、模仁、行位开料等。

2、 车床，主要用于圆形的工件加工，如唧嘴、定位环、法兰、圆形模呵（CORE）、圆形铜公等；精度可达较高的要求。

3、 磨床, 主要用于钢料磨平，磨基准等，可满足大部精度要求。 4、 钻床，主要用于钻空、攻牙、打运水孔等。 5、 CNC（电脑锣），已成为现代化模具工业的标志性设备，主要用于复杂、不规则曲面的数控加工。

电脑锣由计算机程式控制，因此，其操控人员——CNC编程员除对电脑锣加工控制软件熟悉以外，还要对模具结构及加工方法有深入的了解。一个光懂加工软件而不懂模具结构及加工方法的编程员只能是纸上谈兵。一名优秀的编程员一般都经过3~5年的实践才可达成，其薪金一般都在RMB5.0K以上！目前，珠三角地区常用的加工控制软件是： MasterCAM、CIMATRON IT、UG、CATIA。

6、 火花机，用于电蚀工件。把电极（铜公）装在机头上，通过机器的内部电路控制电流放电在工件上蚀出和电极形状一样的凹腔。工模术语：EMD加工。

7、 线切割机，用于工件外形的切割。它把一根极细的钼丝穿过预先在工件上打的孔，依照电脑内的数据，控制钼丝放电及运行，在工件上割出设定的形状。一般钼丝直径为0.07~0.10mm，因此，它加工的精度也很高。

慢走丝顾名思意即加工速度很慢。它以牺牲速度换来的是高精度，基本上精密模具、一些五金端子模具都要用它来加工。单价为快走丝3~5倍。有个细节需提一提，即慢走丝使用的水是纯净水。

七、 塑胶模具设计要点

本章为全书的重点，首先介绍模具公司整体运作程序，如下图：

本章的内容基本围绕上述流程进行讲解。 1）模具报价

在接到客户样板或图纸询价后，应组织相关工程师进行图纸评审及初步报价。 1、 客户图纸评审 要注意以下几点：

产品的材质、尺寸、结构，客户对模具材料的要求及热处理工艺。材料越好价格越高。

特别还要从模具角度分析其结构，是否需三板模、模出数、入水形式、抽芯结构（斜顶、行位构造）、冷却系统、开&合模系统、顶出结构等。结构越复杂模具造价越高。

2、 模具报价分析

图纸评审完成后，下一步可进行报价。

a、首先要看客户的要求，因为要求决定材料的选择以及热处理工艺；

b、选择好材料，出一个粗略的模具方案图，从中算出模具的重量（计算出模芯材料和模架材料的价格）和热处理需要的费用。（都是毛胚重量）；

d、风险费用是以上总价的10%； f、税率；

模具的报价与结算是模具估价后的延续和结果。从模具的估价到模具的报价，只是第一步，而模具的最终目的，是通过模具制造交付使用后的结算，形成最终模具的结算价。

而在实际操作中，这四个价并不完全相等，有可能出现波动误差值。这就是以下所要讨论的问题。 当模具估价后，需要进行适当处理，整理成模具的报价，为签定模具加工合同做依据。通过反复洽谈商讨，最后形成双方均认可的模具价格，签订了合同。才能正式开始模具的加工。 模具估价与报价、报价与模具价格

模具估价后，并不能马上直接作为报价。一般说来，还要根据市场行情、客户心理、竞争对手、状态等因素进行综合分析，对估价进行适当的整理，在估价的基础上增加10-30%提出第一次报价。经过讨价还价，可根据实际情况调低报价。

这时形成的模具价格，有可能高于估价或低于估价。当商讨的模具价格低于模具的保本价进，需重新提出修改模具要求、条件、方案等，降低一些要求，以期可能降低模具成本，重新估算后，再签订模具价格合同。应当指出，模具是属于科技含量较高的专用产品，不应当用低价，甚至是亏本价去迎合客户。而是应该做到优质优价，把保证模具的质量、精度、寿命放在第一位，而不应把模具价格看得过重，否则，容易引起误导动作。追求模具低价，就较难保证模具的质量、精度、寿命。

模具的估价仅估算模具的基本成本价部分，其它的成本费用、利润暂不考虑，待以后制品生产的利润再提取模具费附加值来作为补偿。但此时的报价不能作为真正的模具的价格，只能是作为模具前期开发费用。今后，一旦制品开发成功，产生利润，应提取模具费附加值，返还给模具制造单位，两项合计，才能形成模具的价格。

3）模具设计

客户确认报价及支付第一笔预付款（定金）后，即可安排模具设计及加工。 1、 模具设计经验谈：

下面是在模具设计时应考虑的要点，供参考。 ①、当把成品图调进模图时，成品图必须乘缩水。（模具尺寸=产品尺寸×缩水）必须把成品图MIRROR（镜射）一次，即模圈里的成品图是反像的（成品是完全对称的除外）在前模，应把不属于前模的线条删除在后模，应把不属于后模的线修删除。

②、成品在模具里应遵循分中的原则，特别是对称的，成品如果不分中，到工场加工时很可能出错。 ③、所有枕位之模具，枕位必须避开入水，无法避开时要加水口铁。

④、成品之间12—20mm（特殊情况下，可以作3mm）当入水为潜水时，应有足够的潜水位置，成品至CORE边15-50mm，成品至CORE的边距与制品的存度有关

⑤、藏CORE（内模料）深度28mm以上，前后模内模料厚度与制品的平面投影面积有关，一般制品可参考下表，经验数值选定。CORE料边至回针应有10mm距离。

CORE料宽度一般比顶针极宽或窄5—10mm，最低限度成品胶位应在顶针板内不影响落顶针，CORE料边至模胚边一般应有45—80mm

⑥、当在一块内模料上出多个CAVITY时，内模料大小不超过200×200mm。

⑦、模内镶入模框中圆角一般取10mm，如要开精框时则取16mm或更大，铍铜模模内不倒圆角。

⑧、任何一种塑胶入水位置应避免从唧咀直行入型腔。

当模胚阔度在250mm（包括250mm）以下时，用工字型模胚口型，模胚阔度在250—350mm时，用直力有面板模胚（T型）。模胚阔度在400mm以上并且有行位时用直力有面板模胚T型，没有行位时用直力无面板模胚（H型）有力模胚必须加工W25mm×H20mm码模坑，底面板必须有码模孔（中心距为“7、10、14”，中心“7、10”

方铁的高度，必须能顺利顶出产品，并顶针板离托板间有5—10mm的间隙，不可以当顶针板顶到托板上时，才能顶出产品，所以当产品较高时，要注意加高方铁； 模胚A板（B板）要有四条25.4mm×450撬模坑； 模板四边都有撬模坑5mm深；

有推板的模胚，一定不可以前模道柱后模导套；

前模模板厚度一般等于前模开框深度加25mm—35mm左右，当模胚无面板时，前模模板厚度一般等于前模开框深度加40mm—50mm左右。

当内模料镶CORE是圆形时，选用有托板的模胚；

当有行位或较杯时边钉一定要先入10至15mm到斜导柱才可以顶入滑块内，即当料导柱特别长时，应前模导柱，后模导套。以方便加长导柱；

模具设计作为一门以经验为重要基础的学问，其设计经验太多了，这里限于篇幅就不多讲了，需在实践中慢慢体会。 2、模具设计实例

下面以一套模具设计的过程，详细介绍模具设计的各个方面。一名模具设计师通常要出两种图即2D图和3D图，又叫2D分模、3D分模。2D图主要是模具组装图和零件图，供采购部买材料及加工车间制造时使用。3D图为电子档，供CNC编程人员编电脑锣程式使用。

很多模具设计师都在讨论UG和PRO-E的优劣，我个人觉得软件只是模具设计中使用的工具之一，它们各有优缺点，关键个人使用是否习惯和舒服。软件总是不断在发展中的，功能的改进都是以方便用户为准则。