模具工業發展現狀及注塑模具新工藝和新技術

楊 磊

（青島工程職業學院，山東 青島 266112）

1 我國模具工業現狀

以加工制造業為典型代表的工業是立國之本、強國之基。我國經過70多年的發展，加工制造業成功實現了由無到有、由小到大、由弱到強的歷史跨越，我國由一個貧窮落后的農業國成為擁有完整工業體系的制造業大國。

模具被稱為“工業之母”，是制造業的重要基礎領域，也是衡量制造業發展水平的重要產業，大量應用于各種結構件和內飾件的高效率、大批量生產。例如，交通運輸業中汽車產業對注塑及沖壓模具依存度大約為九成，而且90%以上的模具企業涉及汽車及家電模具。

中國、日本、美國、歐盟等為全球主要的模具生產及使用國家或地區；而我國的模具產銷為世界之最，占世界模具行業的三分之一[1]。

中國模具出口到全球絕大部分國家和地區，出口目的地主要為美、德、日、印等制造業發展較好的國家和地區，占全部出口總量的38.11%；出口貨源地區主要是珠三角、長三角、環渤海灣的山東等地，占全部出口總量的八成以上。我國模具進口來源地前三的國家依次為日本、韓國和德國，占全部進口總量的三分之二。

2019年，沖模出口額為12.05億美元，占比19.30%；進口額為7.93億美元，占比40.92%。塑料模出口額為39.67億美元，占比63.51%；進口額為8.70億美元，占比44.89%[2]。

隨著我國加工制造業的升級發展及歐美日主要加工制造企業轉移生產線，我國逐漸成為全球制造業基地，即常說的“世界工廠”，全球制造業產業鏈在內地布局更集中，競爭更充分。2020年，在新冠疫情的影響下，國家間的貿易溝通受阻，我國提出國內國際“雙循環”的發展思路。我國模具企業面臨的競爭壓力增加，對模具品質的要求逐步提高，但模具的價格呈現下跌趨勢，傳統模具企業依靠經驗模式加工生產已經不能滿足需求。國內企業產業升級主要通過引進、消化、吸收國外技術及企業自主研發等多種形式，提升設備水平，提高技術，模流分析技術被越來越多地應用到設計生產模具中。

2 我國模具工業的發展變化

2.1 數字化、信息化技術改變傳統的經驗型、技藝型加工制造

傳統的模具設計加工依賴于從業者的經驗技術，從業者的經驗技術決定了模具的精度。而隨著工業技術的發展，數字化設計、信息化流轉、智能控制加工等技術被越來越多地應用。現代模具制造過程中，鉗工修配形式逐步減少，智能機床加工、電加工等形式逐漸增加，零部件的加工精度和效率提升迅速。

2.2 模具工業與現代制造業、工業互聯網協同發展

隨著CAD/CAM技術普及，CAE逐步發展，虛擬仿真設計、高速加工、快速成型、工業機器人、智能控制制造及工業互聯網技術等在模具行業逐步推廣和發展，國內模具企業逐步由以中低檔模具為主向高中低檔模具全面發展。

2.3 新技術大量應用

隨著各種塑料的性能不斷提升，以塑代鋼成為工業制造領域的發展趨勢，催生了注塑、擠出模具等領域新技術，并大量應用于雙色模、氣輔模、高光模具等的生產中，如虛擬仿真設計、模內發泡技術、模內熱切技術、3D打印技術等[3]。

2.4 產業集群化發展趨勢開始形成

模具行業形成產業集群，是加工制造業專業化發展、社會化分工的必然趨勢，產業集群發展可以極大地降低交易物流成本。我國大型裝備制造、航空航天、高鐵軌道交通、深海探測設備等產業的發展，極大地帶動了模具產業發展，模具企業逐步成長壯大。模具企業的發展則帶動模具產業鏈的形成、發展和完善，由模具加工企業帶動原材料提供、特殊加工、檢測等上下游產業的發展。模具產業的集聚、滾動發展帶來規模效應，使市場、人才、產業更加聚集，產業技術及知識的傳播加快，促進了行業資源的共享，區位品牌開始形成，政府、企業、行業開始協調發展。

目前，以浙江寧波、臺州黃巖為代表的“長三角”地區，塑料模、壓鑄模、粉末冶金模、鑄造模在國內知名。有“中國汽車模具之都”稱號的安徽蕪湖主要有鋼板模、擠出模、鑄造模、注射模、壓鑄模。電子信息、汽車、家電、通信、輕工塑膠等產業發達的江蘇蘇州模具行業發展迅速。“珠三角”地區的東莞，作為“粵港澳大灣區”的制造中樞，形成了以長安、橫瀝兩個專業鎮為龍頭的模具產業，覆蓋機械、金屬制造等5萬多家企業，在廣東省乃至全國模具產業鏈中占據著重要位置[4]。

3 我國模具工業與發達國家的差距

1）企業的生產管理方面，國外發達國家大量采用的并行工程、項目管理等先進的信息化管理手段在我國推行較少，我國模具企業管理機制仍然采用傳統加工制造業的管理模式。

2）模塊化率較低，人均產出率低。要實現產品的標準化與組合化，就要利用產品零部件在結構及功能上的相似性。模具生產效率的提高嚴重依賴于模塊化和標準化生產，產品設計標準化可以節省設計時間，壓縮生產周期，并有效提高模具質量。目前，我國模具企業模塊化生產剛開始發展，有待提高。

3）新技術推廣應用較慢，技術水平相對發達國家落后。國外先進模具企業將大部分中低端模具外包，重點發展高技術、高利潤的高端模具，在高端模具的生產過程中，大量采用數字化設計、過程模擬，采用精密機床智能控制的高速自動化加工，大量使用新材料，發展新的表面技術。我國受制于人才、技術、經驗、資金的積累過程，與國外相比，技術水平存在一定差距，新技術、新材料應用較少。

4 現階段注塑模具新工藝和新技術

注塑成型，就是利用金屬材料組成制件形狀的空腔，對熔融的流體塑料施加壓力，將其射入空腔并保持壓力一段時間，然后冷卻塑料熔體并取出成品制件的過程。注塑成型一般依靠注塑機和相對應的模具來實現，將顆粒狀塑料在注塑機的料筒內加熱熔化至流動狀態，通過注塑機中的柱塞或者螺桿施加壓力，塑料熔體壓縮進料筒頭部的噴嘴，快速地注入閉合模具空腔中并保持壓力一段時間，經過冷卻定型，打開模具，取出制件。這是一種間歇操作過程，大多數注塑機是水平方向的，注塑用模具通常是以鋼或鋁等金屬制成。注塑成型被廣泛用于制造各種零部件，其中絕大部分是塑料制品，從玩具中的塑料齒輪到各種白色家電。注塑成型的過程一般包括5個過程：模具合并形成空腔，塑料熔體通過柱塞、螺桿等的壓力進入空腔，腔內壓力的保持使塑料熔體定型，模具溫度的調節，模具腔體打開以取出產品。

隨著我國經濟的發展、國民收入的提高，加工制造業的成本逐漸升高；國民收入提高的同時，國民消費水平開始升級，不再滿足于質量一般的廉價商品。近年來，我國提出淘汰落后產能，以新舊動能轉化為契機，帶動產業轉型升級。傳統的模具生產加工技術已經不能滿足市場發展的需求，大量運用新工藝、新技術提高勞動生產率和技術含量，是產業發展的必由之路[5]。

4.1 發泡注塑成型技術

發泡注塑成型技術可以分成兩種類型：物理發泡和化學發泡。熔融塑料顆粒中定量注入超臨界點的氮氣或者二氧化碳氣體，然后混合、擴散后均相熔體，在壓力作用下進入到型腔中叫做物理發泡，物理發泡產品截面如圖1所示。大量的氣泡核在注射過程中形成，在注塑、保壓、冷卻過程中氣泡長大并被固定，形成微孔發泡制件。通過在注塑機料筒的熔融塑料顆粒中加入化學發泡劑，然后注入模具，發泡劑在塑料內部進行發泡填充滿模具型腔，取出得到內部氣孔結構、表面韌結皮狀的制件叫做化學發泡，化學發泡產品截面如圖2所示。

圖1 物理發泡產品截面

圖2 化學發泡產品截面

物理發泡成型的特點是泡孔直徑一般在50 μm以下并且分布均勻，密度一般大于110個／cm3。化學發泡主要用于生產壁厚大于5 mm的大型厚壁零部件，其特點是泡孔直徑大，一般在100 μm以上，分布不均勻。

1）發泡注塑的優點：減輕重量，塑膠產品在力學性能基本不變的情況下，可以減重5%～30%；加強筋厚度與壁厚度比值，在小于或等于1時，可以消除縮痕等表面缺陷；注塑時保壓壓力很小，可以有效降低鎖模力，從而使成型周期縮短；內應力減小，制件的變形程度可以減輕25%～75%，從而改善翹曲變形；塑膠的熔體黏度可以降低，利于填充；提高產品的尺寸精度和穩定性。發泡注塑成型技術可以控制制件的生產尺寸精度在0.001 mm～0.01 mm之間，甚至在0.001 mm以下。與傳統的注塑工藝相比，由該技術生產的制件具有良好的力學性能以及尺寸穩定性，而且制件的尺寸精度和重復精度高，公差范圍小。

2）發泡注塑的缺點：料流前鋒容易形成放射狀流痕，不管是化學發泡還是微發泡，均有顯著的白色放射狀流痕，其制件表面質量都較差，不適用于表面質量要求較高的制件。

4.2 反壓成型技術

反壓成型技術是用壓縮空氣在熔體注射前對模具增壓，保持模具型腔內的氣壓值，以確保維持在型腔充模前的氣壓值，使熔體壓向模具表面，反壓成型技術原理如圖3所示。壓縮氣體將熔融的塑料壓向型腔壁，防止料流前鋒由于氣壓減小造成塑料熔體內氣核的長大；由于氣壓保持穩定，反壓壓力也保持穩定，抑制了料流中的氣核生長，制件尺寸穩定性可以保證，有效降低了凹陷、翹曲、收縮和匯合線等注塑缺陷。反壓壓力的穩定存在使得制件的外表面與模具型腔面長時間貼合，制件的外表面成型尺寸精度與光潔度大大提高。

圖3 反壓成型技術原理

反壓設備的啟動工作時間對產品的質量有顯著影響，現階段主要依靠經驗確定反壓介入時間。目前，反壓＋發泡注塑技術在機械外殼、結構底座等對強度要求比較高的領域得到了比較廣泛的應用。在厚壁制品領域，通過反壓注射成型技術，可以縮短保壓時間，改善制品尺寸穩定性。

4.3 氣輔成型技術

4.3.1 表面氣輔成型技術

表面氣輔成型技術也叫外部氣輔成型技術，常用在肋條、輻板、柱、軸套或其他凸出物上，是一種擴展氣輔注塑，用來補償由于壁厚不均產生的體積收縮，表面氣輔成型的成型原理如圖4所示。比如，可以有效避免其表面上出現縮痕，同時還可以降低內應力，并可以減少制品注射后變形翹曲的現象，主要用于辦公設備、電子產品、高檔日用品等精密度要求高的領域。

圖4 表面氣輔成型原理

4.3.2 內部氣輔成型技術

內部氣輔成型技術是指向模具的型腔內注射一部分熔體后，快速向先前灌注到型腔內部的熔體中注射氮氣等高壓氣體，形成中空的區域，加速相關熔體持續向前流動，直到充滿型腔的所有空間。內部氣輔成型的成型原理如圖5所示。

圖5 內部氣輔成型原理

因為有氣體參與注塑成型的過程，所以氣體輔助注塑成型技術具有節約原材料、減少冷卻時間等優勢，氣體傳遞壓力的均勻性特點，使熔體在型腔內部空間完全填充，注射壓力小于普通注塑成型時的壓力，從而降低注射壓力，減小鎖模力。同時可以減少最終成品內部的殘余應力，降低制件翹曲變形度，提升制件的表面質量。所以在體積相同的前提下，使用該方法能夠生產出質量較輕、剛度和強度相對較高以及輪廓曲線清晰度高的成品。

4.4 3D打印技術

3D打印是增材成型技術的一種，它利用軟件將數字模型進行片層化處理，運用金屬粉末或熔融塑料等具有粘合性的材料，逐層累加粘合來構造制件。目前，在模具領域，主要應用在常規加工無法實現的模具制件加工過程中，如制件上要求有細小的異形孔或制件需要復雜彎曲的冷卻水路等。

3D打印技術在注塑模具生產中應用廣泛，可以解決很多復雜模具零件的加工問題。常用的是使用金屬粉末3D打印加工內部結構復雜的模具零件。另一種是部分3D打印，即在已有模具零件上使用3D打印加工“嫁接”一部分模具鋼，使其滿足使用需求。使用嫁接的方法3D打印生產的模具零部件在結合位置強度稍弱于整體式結構，但強于燒焊強度。

4.5 模內熱切技術

塑料制件在冷卻過程中溫度逐漸降低，在塑料制件溫度較高時較容易去除冷澆口。模內熱切就是在注塑模具未開模前，剪切或擠斷澆口，實現開模后產品與澆口分離的一種注塑工藝。在注塑保壓結束后、模具開模前，用高壓油缸驅動或其他形式驅動的切刀將冷澆口切斷或擠斷，開模頂出時產品與澆口材料自動分離。由于保壓剛結束后，澆口處未完全凍結，故切斷面光滑平整，無殘料毛刺等。

模內熱切技術可取代傳統的人工、沖裁或銑削去澆口方式，從而簡化工序，提高效率；模內熱切技術解決了傳統注塑模具開模后塑件與澆口相連、需要人工修剪澆注系統凝料的問題，避免造成產品外觀破壞從而影響產品質量，提高了制件的一致性；實現了切除的自動化，對側澆口、扇形澆口、潛伏式點澆口、環形澆口、輪輻式澆口特別適用。

4.6 高光無熔痕模具技術

高光無熔痕模具技術主要利用電加熱棒或者高溫高壓、水蒸氣快速加熱模具到一定溫度，然后注塑、保壓，冷卻階段使用溫度較低的冷水快速循環冷卻模具，使模具溫度迅速達到出模所需溫度然后出模，完成整個注塑生產過程。

采用高光無熔痕模具技術，可以使塑件表面高光、無熔痕、無流痕、無流線，產生鏡面效果，提高塑件強度和表面硬度。高光無熔痕模具技術還可以取代污染環境的噴涂工藝，又因減少了工藝流程，省去了二次加工費用，在大幅度降低生產成本的同時，節省了能源與材料。該技術也適合加工玻璃纖維或礦物填料填充的物料，能有效地防止材料裸露在制件表面，使填充增強材料的塑件表面質量達到鏡面效果，可廣泛應用于電視機、電腦、汽車內飾件等家電、通信、日用品、醫療等行業的塑件綠色制造。

5 小結

以加工制造業為典型代表的工業是立國之本、強國之基，是國民經濟發展的重要基礎。隨著我國全球制造業強國地位的鞏固與提高，我國所需要的各種模具越來越多，了解中國模具工業的發展現狀，快速提高模具的質量，大量運用新工藝和新技術，意義非凡。