如何成为一名合格的塑胶模具设计师

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。

图（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。有些硬模保养好的话，历经二十几年几百万次啤塑后，其啤件仍很漂亮，几乎像新模时刚啤出的一样！！！
五、 常用塑胶原料的特性
1） 分类
1、定义：
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」。相反的，热固性塑胶则是加热到一定温度后变成固化状态，即使继续加热也无法改变其状态。因此，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。日本业界的定义为「可以做为构造用及机械零件用之高性能塑胶，耐热性在100℃以上，主要运用在工业上」。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。
c、 其他：耐化学药品性、优良的抗电性、耐燃性、耐候性、尺寸安定性佳。
2） 常用塑胶原料的特性：
   
略。

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。通常ABS的热变性温度不会超过88℃。
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℃ 。因此，没有加玻璃纤维的尼龙不得用于有耐高温要求的部件上。胶件啤出来后应尽快使用，以免放置时间过长使得尼龙吸水后发生不良变化。
六、 塑胶模具的加工方法及工艺
1） 常用加工工具及机器
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，最后装配入模胚成为一套完整的模具。其流程大概如下：模胚开框          模仁、行位等CNC加工          铜公加工                 
                 火机加工型腔（EMD）         钳工加工（FIT模）        抛光（省模）       装模        试模。
              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。其特点是精度高、可靠性好、效率高，基本上任何模具的加工都离不开它。型腔、铜公等工件的加工都由它完成；它几乎可以加工任何形状的工件。
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。近两年，UG以其操作方便、可靠性好、效率高、仿真性能良好而越来越受模具加工厂家的欢迎，其人才变得更抢手。

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。当然，它也是数控的，需编写计算机程式来控制。

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。另，从简化模具结构，节约成本、提高模具生产效率、模具寿命方面，针对产品的结构，模具设计师有义务建议客户对某些结构细节进行变更。
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；
g、设计费用是模具总价的10%；
公式：
模具价格=材料费+设计费+加工费与利润+增值税+试模费+包装运输费
         
各项比例通常为:
材料费:材料及标准件占模具总费用的15%-30%;
加工费与利润:30%-50%;
设计费:模具总费用的10%-15%;
试模:大中型模具可控制在3%以内,小型精密模具控制在5%以内;
包装运输费:可按实际计算或按3%计;
增值税:17%

            现举例说明，如下一个产品“标志盖”，为ABS料，喷油件，有外观要求，月订单量约3000PCS。模具完成后，即可啤货。

分析如下：
           客户的订单并不大，对模具材料也无特别要求，时间有35 天，也充足，可考虑按常规模具（软模）报价。因此确定模出数为1*2 ，模仁用NAK80钢材，大水口模胚 。
           先用AutoCAD排出粗略的模具方案图，如下：

上图可得：
      模胚：CI2530 A70B70C80------〉查询LKM龙记此模胚报价￥1300
前模仁：150*180*40------〉NAK80钢料费=体积*密度*单价
=150mm*180mm*40mm*0.0000078Kg/mm*80RMB/Kg
=674元

后模仁：150*180*45------〉NAK80钢料费=体积*密度*单价
=150mm*180mm*45mm*0.0000078Kg/mm*80RMB/Kg
=758元
      主要材料费=模胚+前模仁+后模仁=1300+674+758=2732元

电极（铜公）材料费=（前模仁+后模仁）*40%=（674+758）*40%=572元
（电极主要用于加工模仁，因此按模仁材料费估计；如产品结构，此比例可提高至50-60%）
   
其他材料费用如斜顶、顶针、撑头等=主要材料费*20%=2732*20%=546元（如有行位，应把行位单独计算）

>>>故，材料费=2732+572+546=￥3850

加工费：含CNC费、电极加工费、线切割费、人工费等，约占总模价的30%-50%；
      CNC费=材料费*70%=3850*70%=2695元                                    ---------先按材料费估计
      电极加工费=（前模仁+后模仁）*40%=（674+758）*40%=572元               ---------先按材料费估计
      线切割费=（前模仁+后模仁）*30%=（674+758）*30%=430元                  ---------先按材料费估计
      人工费=3500元（按珠三角的情况，一个制模师傅带两补师一个月可做2套模计，工资共约7000元）

>>>故，加工费=2695+572+430+3000=￥7197

>>>设计费=（材料费+加工费）*10%=（3850+7197）*10%=￥1105

试模费：一般至少要试3次模，中小型模具试一次模收费约500元，塑胶材料费约200元

>>>故，试模费=（500+200）*3=￥2100

至此，完成一套模具的基本费用总计 = 材料费+加工费+设计费+试模费
                                   = 3850+7197+1105+2100
                                   =14252元

>>>利润=14252*30%=4276
>>>包装运输费=14252*3%=￥428
>>>增值税=14252*17%=￥2423

总模具价=14252+4276+428+2423=21679元

如客户改模较多，应考虑收取相应的改模费用。
    
》》》模具的报价策略和结算方式

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。在这个过程里，人们总是希望，模具估价=模具价格=模具结算价。
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。但是，当模具的商讨报价低于估价的10%时，需重新对模具进行改进细化估算，在保证保本有利的情况下，签订模具加工合同，最后确定模具价格。模具价格是经过双方认可且签订在合同上的价格。
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。廉价一般不是模具行业之所为。但是，当模具的制造与制品开发生产是同一核算单位或是有经济利益关系时，在这种情况下，模具的报价，应以其成本价作为报价。
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。这时形成的模具价格，有可能会高于第一种情况下的模具价格，甚至回报率很高，是原正常模具价格的几十倍，数百倍不等。当然，也有可能回报率等于零。

    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。
⑨、镜面透明之啤塑（K料、亚加力、PC等）应注意，冷料井入水流量及入水位置不能直衡（冲），一般作成“S”型缓冲入水，扇形浇品，使成品表面避免产生气级流雲。
⑩选模胚的一般原则：
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”
用￠二分之一牙，中心“14”的用￠八分之五牙，深度19—24mm细水口模胚一律采用I字型模胚。
当A板开框深度较深（一般大于60mm）时，可考虑开通框或选用无面板的模架；
有行位或较杯的模胚，A板不应用通框，当A板开框深度较深（一般大于60mm）时，可考虑不用面板；
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；
顶针底板按模胚大小或高度加垃圾针（支承点）350mm以下为4粒，350mm—550mm为6粒，550mm以上为10粒或按设坟增加或减少。
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。
后模模板厚度一般等于后模开框深度40—50mm左右，（可在模胚资料上查到标准托板厚度，一般是无需用托板；
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；
使用顶针板导柱时，必须配置相应的铜质导套中托司，顶针板导柱的直径口，一般与标准模胚的回针直径相同，但也取决于导柱的长度C，其适用范围见下表，导柱的长度以伸入托板或B板10mm为宜。
……
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。
常用的设计软件有2D制图方面是AutoCAD，它占霸主地位；3D方面就很多，这里主要说一下目前珠三角区域常用的，如PRO-E，UG（本人开始使用时是UG 17.0，现已发展到UG NX3.0 ）、CATIA、SilodWorks等。如下为它们的图标：
        

     

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。我就常常两种软件一起使用，因为不同公司会有不同的软件。总体来讲，PRO-E结构、功能严谨；而UG则较自由。
             另外，介绍一下3D编程软件，常用有：MasterCAM、CIMATRON IT、UG。其中前两种被最早应用到模具制造业中；特点是无参数化、易学、使用方便，但在某些方面均存在不足。而参数化的UG则优势明显，越来越多的公司逐渐抛弃MasterCAM、CIMATRON IT，转向UG。因此CNC编程UG化是大势所趋！！！
下图为一款产品插座的3D图，材质：PC透明，直径=17.0mm，高=14.0mm，月订单6万。

a、初步确定模具结构
产品装配在小家电的内部，无外观要求，尺寸小，订单量大；同时，产品结构简单，模具无需特殊抽芯的机构。故，考虑使用三板模（小水口模），推板顶出方式，潜水口入水，后模CORE为镶件（模具改好后，做加硬处理）。模仁及后模CORE钢料均用较硬的S136（国产）
     b、模具报价
        参考前面的章节。
通过粗略的模具图可以确定模胚为：DCI2025 A60B50C70
     c、2D模具图的绘制
        先用AutoCAD绘出2D组立图，然后出零件图，再出模具BOM，即采购单。
           绘制2D组立图时，要从模具结构各方面考虑！
        主要为：流道系统、成型系统、顶出系统、冷却系统、排气系统等。
           组立图至少要有4个视图：前模图、后模图、横向剖视图、纵向剖视图；有斜顶、行位的还要单独给图，复杂的流道还要有细部图。图中要把各零部件、机构、系统本身及它们的相五之间的关系表达清楚。
       如图：
     

                                  图（十二）前模2D图

                                  图（十三）后模2D图

                                    图（十四）横向剖视2D图

                                           略。

                                   图（十五）纵向剖视2D图

     通过组立图可拆出零件图：

                                                     图（十五）零件2D图

d、3D模具图的绘制
       此模采用PRO-E 2001版进行分模，以下图片供参考！

图（十六）模具3D分解图

3D图纸绘好，提供给CNC编程员，即可开始编制NC程式，安排锣模胚、钢料、铜公等。模具机加工正式展开。

八、 结束语
本文为作者利用业余时间写成的，主要谈了本人从事塑胶模具行业这几年的一些经验。塑胶模具设计涉及方方面面的知识，短短篇幅无法全部讲完，还有重要的部分如CNC编程、模具制造加工工艺等没有详细介绍。