《金属模具设计原理》课件

金属模具设计原理欢迎各位学生参加《金属模具设计原理》课程本课程将系统介绍金属模具设计的基本原理、方法和技术，帮助大家建立完整的模具设计知识体系模具作为工业生产的母工具，对产品质量和生产效率具有决定性影响本课程将涵盖模具基本概念、设计流程、材料选择、结构设计以及现代辅助技术等方面内容通过理论学习和案例分析相结合的方式，培养大家的实际设计能力和创新思维希望大家在课程结束后能够掌握模具设计的核心技能，为未来的职业发展打下坚实基础模具的基本概念模具的定义模具的分类模具的地位与作用模具是工业生产中用于将材料成型为按成型工艺可分为冲压模、塑料模具在现代工业中具有不可替代的地特定形状和尺寸的工具，能够批量生模、铸造模、锻造模等按结构特征位，是实现大批量生产、保证产品质产出形状复杂、精度要求高的零部可分为单工序模、复合模、级进模量一致性的关键模具技术水平直接件它是连接设计与生产的关键纽等按精度要求可分为普通级、精影响产品的质量、成本和生产效率，带，被誉为工业之母密级、超精密级模具是衡量一个国家制造业发展水平的重要指标金属模具的历史与发展1早期发展（公元前3000年-18世纪）早在古代文明时期，人类就开始使用简单的模具进行金属铸造中国春秋战国时期已出现青铜器模具，欧洲工业革命前模具主要依靠手工制作，精度有限2工业革命时期（19世纪-20世纪初）随着工业革命的兴起，机械化生产对模具提出更高要求这一时期出现了更精密的模具制造工艺，为大批量生产奠定基础3现代模具时代（20世纪中期至今）第二次世界大战后，计算机技术与材料科学的发展推动了模具技术的快速进步CAD/CAM/CAE技术的应用、高性能模具钢的研发以及精密加工技术的突破使模具设计与制造进入高精度、高效率的新阶段4智能化发展（21世纪）现代模具技术正朝着数字化、智能化、绿色化方向发展3D打印、物联网、人工智能等新技术在模具领域的应用，正引领模具工业进入全新时代模具的主要类别冲压模具注塑模具压铸模具用于金属板材的冲裁、用于塑料制品的注射成用于有色金属液体的高弯曲、拉深、成形等工型通过高温熔化的塑压铸造成型金属液在序广泛应用于汽车、料材料注入模腔，冷却高压下快速充填模腔并家电、电子等行业的金固化后得到成品广泛凝固主要用于生产属板材加工特点是生应用于日用品、电子产铝、锌、镁等有色金属产效率高，适合大批量品外壳等领域，结构相合金零件，如汽车发动生产对复杂机部件、通信设备外壳等锻造模具用于金属材料的锻压成形，通过施加压力使金属在塑性状态下变形锻件具有良好的机械性能，主要用于生产承受高负荷的机械零部件模具设计基本流程需求分析阶段深入理解产品的功能、结构、材料和生产批量等需求分析产品图纸，确定产品尺寸、公差、表面质量要求评估产品的可制造性，必要时提出产品设计修改建议方案制定阶段根据产品特点选择合适的模具类型和结构形式确定分型面位置、浇注系统、冷却系统等关键要素计算模具尺寸和相关参数，选择合适的模具材料图纸规划阶段使用CAD软件创建模具三维模型和工程图纸设计模具各部件的详细结构，包括型腔、型芯、抽芯机构等标注尺寸、公差和技术要求，确保图纸完整准确验证与优化阶段利用CAE软件进行充模分析、冷却分析等模拟仿真根据分析结果优化模具结构，解决潜在问题必要时制作模具原型进行测试验证，确保模具设计满足生产要求金属模具常用材料材料类型主要成分硬度HRC主要用途冷作模具钢Cr

12、58-62冲裁模、冷冲Cr12MoV模热作模具钢H

13、46-52压铸模、热锻4Cr5MoSiV1模塑料模具钢P

20、718H28-34注塑模具高速工具钢M

2、62-66切削工具、精W18Cr4V密冲模预硬塑胶模钢NAK

80、S13638-42塑料模具型腔模具材料的选择对模具的使用寿命、加工难度和成本有直接影响不同类型的模具工作条件各异，需要选择适合的材料冷作模具钢具有高硬度和耐磨性，适用于冲裁工艺；热作模具钢具有良好的热疲劳性能，适用于高温工作环境；塑料模具钢具有良好的抛光性和蚀纹性，便于加工成型材料选择原则综合性能平衡在多种性能要求间寻找最佳平衡点满足工作要求根据模具工作条件确定关键性能要求经济性与可行性考虑材料成本、加工难度和使用寿命模具材料选择应考虑多方面因素首先要满足模具的使用要求，如强度、硬度、耐磨性、耐热性和稳定性等其次要考虑材料的加工性能，包括切削性、研磨性、热处理变形等最后还需权衡经济因素，包括材料成本、加工成本和使用寿命等对于冲压模具，优先考虑耐磨性和韧性；对于压铸模具，热疲劳性能和热强度尤为重要；对于注塑模具，则要求材料具有良好的抛光性和蚀纹能力不同部位的材料也可区别选择，如工作部位选用性能较高的材料，而非工作部位可选用普通材料，以降低成本金属模具热处理技术淬火处理将模具加热到奥氏体化温度（通常为820-880℃），保温后快速冷却，获得马氏体组织，提高硬度不同模具钢的淬火介质不同，可选择油淬、气淬或盐浴淬火淬火后硬度通常可达58-64HRC，但内部应力大，脆性高回火处理将淬火后的模具在200-650℃温度下保温，降低脆性，调节硬度和韧性平衡通常需要进行2-3次回火，确保组织稳定高回火温度获得较低硬度但更高韧性，低回火温度保持较高硬度氮化处理在500-570℃氨气或其他含氮介质中使模具表面形成硬质氮化层，提高表面硬度和耐磨性氮化层厚度通常为

0.2-

0.6mm，表面硬度可达到HV900-1200，且不改变模具尺寸，变形小深冷处理将模具在淬火后，冷却至-60℃至-196℃，使残余奥氏体转变为马氏体，提高硬度和尺寸稳定性适用于精密模具和高速钢模具，能显著延长使用寿命模具结构总览分型面型腔与型芯模具合模时的接触面，决定了开模方向和模具的核心工作部分，直接成型产品表制品的分界线分型面设计对模具密封性面型腔形成产品外表面，型芯形成产品和产品质量有重要影响内表面其精度和表面质量直接决定产品质量冷却系统由冷却水道、接头等组成，用于调节模具温度，加速成型材料凝固，提高生产效率和产品质量顶出系统导向定位系统由顶针、顶板、回位机构等组成，用于将包括导柱、导套、定位销等，确保模具各成型的产品从模具中顺利取出部分准确对中和定位，保证产品尺寸精度模具型腔设计

0.02-

0.1%收缩率补偿材料在冷却过程中收缩，型腔需按比例放大

0.01-

0.05mm精度要求精密模具型腔加工公差范围个3-8最优型腔数量根据产品尺寸和模具大小确定Ra

0.4-

0.8表面粗糙度高光模具表面粗糙度要求（μm）型腔设计是模具设计的核心内容首先，需要根据产品形状逆向推导型腔几何形状，考虑材料收缩率、加工余量和公差配合对于批量生产，合理确定型腔数量可以优化生产效率，一般依据产品尺寸、模具尺寸和注射机规格进行计算型腔的加工精度直接决定产品质量，通常需要进行多次加工和精细研磨型腔表面处理也很重要，不同产品对表面粗糙度有不同要求，如高光产品需要型腔表面达到镜面效果此外，型腔还需考虑脱模斜度、倒圆角、分型线等细节，以确保产品顺利脱模型芯与分型设计分析产品结构特点识别内外表面、凹凸特征和孔洞确定分型面位置考虑产品成型、脱模和模具结构设计型芯抽出机构解决侧向孔和倒扣结构细节优化增加脱模斜度、倒圆角和排气设计型芯设计需要考虑产品内部结构和脱模要求对于具有侧向孔或倒扣结构的产品，需设计抽芯机构，常见的有斜导柱抽芯、液压抽芯和齿轮齿条抽芯等方式抽芯机构的运动要平稳、定位准确，避免在工作过程中产生干涉分型面设计是模具设计的关键环节，合理的分型面可以简化模具结构，降低制造难度分型面的确定原则包括尽量沿产品自然分界线设置，避开高精度表面，减少飞边，便于加工等分型面还应考虑密封性，防止材料泄漏，一般会设计锁紧结构或密封圈排气与冷却系统设计排气系统设计冷却系统设计排气不良会导致产品表面烧焦、气泡或充填不完全排气槽通常设置在型腔最后充填合理的冷却系统可缩短成型周期、提高生产效率、减少产品变形冷却水道直径一般处，深度约

0.02-

0.05mm，宽度3-6mm对于大型模具，可能需要设置多个排气点为8-12mm，水道中心线距型腔表面15-30mm，水道间距为

2.5-3倍水道直径水道排气系统的位置需通过流动分析或经验确定布局应尽量均匀覆盖型腔表面，对厚薄不均的产品区域采用差异化冷却策略导向与定位结构导柱导套系统导柱与导套是模具中最基本的导向元件，确保模具上下模精确对中导柱通常安装在下模，导套安装在上模根据精度要求可分为普通级和精密级导柱材料通常选用GCr15或45#钢经淬火处理，导套多采用铜基合金或耐磨铸铁定位机构定位机构用于确保模具在机器上安装位置准确常见的定位方式有定位环、定位板和定位销大型模具还会使用导向斜销进行粗定位，然后用导柱导套进行精确定位定位误差应控制在

0.02mm以内锁紧机构锁紧机构用于增强模具在工作过程中的稳定性，防止侧向力导致的位移常用的锁紧结构有斜楔锁紧、锥形销锁紧和液压锁紧等锁紧机构应具有足够的强度和刚性，确保长期工作可靠调整机构调整机构用于微调模具部件的位置，以适应加工公差和使用过程中的磨损常见的调整结构有调整垫板、偏心销和调整螺钉等良好的调整机构设计可以延长模具使用寿命，降低维护成本滑块与斜顶机构滑块和斜顶机构是解决产品侧向孔和倒扣结构的关键技术滑块机构通常由滑块本体、滑块导轨、楔块和复位机构组成根据驱动方式，可分为斜导柱驱动、斜导轨驱动和液压驱动等类型斜顶机构则由斜顶针、导向套和复位弹簧组成，适用于较小的侧向特征设计滑块和斜顶机构时，需注意以下几点运动行程要充分，确保完全脱离产品；导向系统要精确，防止滑块偏移；锁紧力要足够，承受成型压力；复位机构要可靠，确保每次循环准确复位对于复杂产品，可能需要设计多级联动的滑块系统，实现复杂的脱模运动顶出与推件系统顶针式顶出顶板式顶出气动顶出机械手取件最常用的顶出方式，由多根顶针按适用于薄壁产品，通过顶板整体顶利用压缩空气吹出产品，适用于薄通过机械手自动取出产品，提高生特定位置排布，均匀分布顶出力出，避免顶针痕顶板与产品接触壁、大面积产品控制气压在

0.4-产效率和自动化程度需精确设计顶针直径一般为3-8mm，材料通面需精加工，表面粗糙度

0.6MPa，避免产品变形夹具和运动轨迹常为SKD11或SKH51Ra≤

0.8μm顶出系统的设计直接影响产品的脱模质量和生产效率顶出力计算需考虑产品与型腔的吸附力、摩擦力以及安全系数顶出力F=K×S×f，其中K为安全系数

1.2-

1.5，S为产品与型腔接触面积，f为单位面积脱模力

0.1-

0.3MPa模具的标准件应用导向标准件弹性元件顶出标准件包括导柱、导套、导向轴承等，用于模具包括各种弹簧、气弹簧和聚氨酯弹性体，包括各种形状的顶针、顶杆、顶板和复位的精确导向按精度等级可分为普通级、用于模具的复位和缓冲模具弹簧常用彩装置顶针直径规格通常为2-20mm系精密级和超精密级常见规格有直径12-色区分不同载荷等级，如红色表示重载，列，长度可定制材料多为SKD11或60mm系列，材料多为GCr15轴承钢，硬黄色表示中载气弹簧适用于需要恒定力SKH51，工作部位硬度HRC58-62特殊度HRC58-62选用时注意配合精度和润的场合，聚氨酯弹性体用于缓冲保护形状顶针还有扁顶针、管状顶针和阶梯顶滑方式针等模具标准件的使用显著提高了模具设计与制造效率，降低了成本标准件尺寸精度高、互换性好，能确保模具各部件协调工作设计时应优先选用标准件，减少自制零件数量，缩短设计和制造周期模具表面处理工艺表面处理类型提高硬度HV渗层厚度μm适用范围特点氮化处理900-1200200-600热作模具耐磨、耐腐蚀、变形小硬质铬电镀800-100010-200塑料模具表面光滑、耐腐蚀PVD涂层2000-30002-5切削模具硬度极高、摩擦系数低CVD涂层2500-35005-10高温工作模具硬度最高、结合力强等离子喷涂700-900100-300大型模具可修复磨损、厚度可控模具表面处理技术可显著提高模具的耐磨性、耐腐蚀性和使用寿命常用的处理工艺包括热处理强化、化学热处理和表面涂层技术不同工艺适用于不同工作条件的模具，选择时需综合考虑模具材料、工作环境和成本因素模具装配与调试装配准备清理零件表面油污和杂质，确认所有零件符合图纸要求按装配图准备零件，并对精密零件进行预装检验准备必要的工具、装配架和测量设备装配区域应保持清洁、光线充足按序装配按照装配顺序进行，通常从模架开始，依次安装导向系统、型芯型腔部分、冷却系统、顶出系统和电气系统安装过程中进行部件间隙和运动间隙检查，确保各部件能正常运动且无干涉综合调试安装完成后进行干试验，检查各机构动作是否协调确认顶出系统、滑块机构和抽芯机构动作顺畅模具安装到成型设备上进行试生产，并根据试样情况对模具进行进一步调整优化改进根据试生产结果对模具进行微调，解决产品尺寸偏差、表面缺陷等问题完善冷却系统和排气系统，确保生产稳定性记录模具参数和调整数据，为后续生产提供参考金属模具精度与公差模具失效模式分析磨损失效断裂失效工作表面材料逐渐损失，导致尺寸精过载或疲劳导致模具突然断裂常见度下降主要发生在滑动接触面，如于应力集中区域，如型腔尖角、薄弱型腔边缘、滑块导轨等处截面等处变形失效腐蚀失效高温或过载导致模具永久变形通常化学或电化学作用导致模具表面材料发生在热工作条件下，如压铸模具的损失常见于注塑和压铸模具，接触热变形具有腐蚀性的材料模具失效分析是提高模具设计水平和延长使用寿命的重要手段通过对失效模式的系统分析，可以发现设计和材料选择中的不足，为改进提供方向常见的分析方法包括宏观检查、显微分析、硬度测试和成分分析等模具寿命与维护保养万次100冲压模具寿命优质冷作模具的标准冲次寿命万次50压铸模具寿命热作模具的平均使用次数30%维护延寿率定期维护可延长模具寿命比例小时24检修周期大型生产模具的推荐检查频率模具的使用寿命受多种因素影响，包括模具材料、热处理质量、使用环境和维护保养水平等不同类型模具的寿命差异很大精密冲压模具通常可达100万次以上；压铸模具约30-50万次；塑料模具可达100-300万次科学的维护保养可显著延长模具寿命模具维护保养的主要内容包括日常清洁与防锈；定期检查与修磨；组件润滑与调整；表面处理的修复等建立完善的模具档案和维护记录，对每副模具的使用次数、维修历史和性能变化进行追踪，有助于预测模具寿命和安排维护计划，避免因模具突然失效导致生产中断冲压模具设计原理冲裁工艺弯曲工艺利用冲头和凹模之间的间隙，在压力使平板材料产生永久变形，形成一定作用下使材料分离的加工方法冲裁角度的加工方法弯曲时需考虑回弹间隙一般为材料厚度的5%-10%，间现象，通常弯曲角度应比所需角度大隙过大会产生较大毛刺，过小会增加3°-5°弯曲半径一般不小于材料厚冲裁力和工具磨损冲裁力计算公度，以免材料开裂弯曲力计算公式F=L×s×τs×K，其中L为冲裁周式F=b×s²×σs/2×W，其中b为板长，s为材料厚度，τs为剪切强度，K料宽度，s为厚度，σs为材料抗拉强为系数

1.1-

1.3度，W为弯曲宽度拉深工艺将平板材料成形为开口空心件的加工方法拉深比产品深度与直径之比一般不超过

0.5，否则需分次拉深拉深时需使用压边圈控制材料流动，防止起皱拉深力计算公式F=π×D×s×σs×K，其中D为毛坯直径，s为材料厚度，σs为材料抗拉强度，K为系数

0.6-

0.8冲压模具设计需综合考虑工艺要求、生产批量、设备条件等因素根据产品特点和生产批量，可选择单工序模、复合模或级进模单工序模结构简单但效率低；复合模在一次冲程内完成多道工序；级进模在连续的工位上完成不同工序，效率最高但结构复杂冲压模具结构案例单工序模具级进模具切边模具结构简单，只完成一道工序如冲孔、切在一副模具中设置多个工位，连续完成多道用于去除拉深、胀形等工序后产品边缘的多边，适合小批量生产或尺寸较大的工件工序，生产效率高材料以带料形式连续送余材料切边模具设计重点是工件的精确定图中展示了一种典型的冲孔模具，主要由上进，每冲压一次，工件前进一个步距图中位和切刃的锋利程度图示模具采用定位销模板、下模板、冲头、凹模、导柱导套和弹的级进模具可一次完成下料、冲孔、弯曲等和辅助压板确保切边精度，切刃采用高速钢簧等组成操作简单，维护方便，但生产效多道工序，适合大批量生产复杂零件材料，硬度达HRC62-64，确保长期使用仍率较低保持锋利冲压模具结构设计应遵循先总体后局部的原则，首先确定模具类型和工艺方案，然后进行具体结构设计对于多工位模具，需合理安排工序顺序和工位间距，确保生产连续性和产品质量注塑模具设计基础合理布局型腔位置与数量优化，平衡流道设计流动控制浇口类型选择，流道系统优化温度管理冷却系统设计，热平衡控制顺利脱模分型面选择，顶出系统布置排气设计排气槽布置，防止气体缺陷注塑模具设计需要综合考虑产品特性、材料性能和生产要求注射系统设计是关键，包括主流道、分流道和浇口主流道通常采用锥形设计，直径从15-20mm逐渐减小；分流道截面可为圆形、梯形或半圆形，截面积应保证塑料流动顺畅；浇口类型可选择点浇口、边浇口或直接浇口，根据产品要求确定浇口位置的选择原则包括尽量设置在产品非关键表面；避开受力部位和精密部位；考虑塑料流动平衡，防止翘曲变形；便于后续修整处理对于多型腔模具，应采用平衡流道设计，确保各型腔充填均匀同步，产品质量一致注塑模具典型结构热流道系统冷流道系统热流道系统是一种将注塑料保持在熔融状态的加热装置，由热流道板、加热元件、热冷流道系统是传统的浇注系统，包括主流道、分流道和浇口其特点是结构简单，成嘴和温控系统组成其主要优势在于消除了浇注系统的废料，节省材料；缩短注塑周本低，维护方便但每次注塑都会产生浇注系统废料，需要额外回收处理；产品上会期，提高生产效率；改善产品表面质量，减少浇口痕迹留有浇口痕迹，需后续处理；注塑周期较长，生产效率相对较低热流道设计需注意温度控制精确性，通常采用分区控温，每个热嘴和热流道单独控冷流道设计需注意流道截面形状和尺寸要合理，通常主流道直径10-15mm，分流道6-制；加热元件功率配置要合理，确保快速升温和温度均匀性；热流道板与模具本体之10mm；流道布局要平衡，各型腔填充路径长度相近；浇口设计要便于脱模和后续修间需设置隔热板，防止热量传导影响模温整，常见类型有点浇口直径

0.5-

1.0mm、边浇口和扇形浇口等压铸模具原理压铸工艺特点浇注系统设计压铸是将熔融金属在高压15-200MPa下以高速20-80m/s充填模腔并压铸模具浇注系统通常包括直浇道、横浇道、内浇道和溢流槽浇注系统凝固成形的工艺适用于生产铝、锌、镁等有色金属合金的复杂形状零设计的关键是确保金属液以层流方式充填模腔，避免卷气和飞溅内浇道件，具有尺寸精度高IT8-IT

10、表面光洁度好Ra

1.6-

3.2μm、生产效截面积决定充填速度，一般控制金属液速度在30-60m/s，厚度为

0.5-率高等特点

2.0mm，宽度根据产品尺寸确定排气系统设计温度控制系统压铸过程中，模腔内的空气和气体必须迅速排出排气系统包括排气槽、温度控制对压铸质量至关重要固定模和动模温度通常控制在150-溢流槽和真空系统排气槽深度一般为

0.03-

0.08mm，宽度3-6mm，设220℃，过低导致熔体冷却过快形成冷隔；过高则增加粘模风险和循环时置在模腔最后填充位置溢流槽用于收集前端金属液，厚度与内浇道相间冷却通道直径10-15mm，中心距模腔表面25-40mm，通道间距为通近，长度30-50mm大型复杂压铸件可采用真空辅助排气系统道直径的

2.5-

3.5倍对热点区域可设置局部强冷压铸模具案例剖析结构布局分析1该压铸模具为汽车变速箱壳体设计，采用双滑块结构解决侧向孔和倒扣模具分为固定侧和移动侧，固定侧包含主浇道和分流系统，移动侧设计了复杂的顶出机构模具总重约15吨，外形尺寸约

1.8m×

1.5m×

1.2m，采用组合式结构便于维修关键技术点浇注系统采用扇形布局，确保金属液同步到达各部位冷却系统分为8个独立回路，对壁厚不均部位进行差异化控制2滑块采用液压驱动，行程精度控制在±

0.02mm以内型腔表面经氮化处理，硬度达HV950，耐热疲劳性能优异常见故障分析使用过程中主要故障包括热裂纹型腔拐角处、局部过早磨损内浇道附近、滑块卡滞导轨污染3导致、冷却水路堵塞水垢积累针对这些问题，采取了优化拐角过渡半径、局部表面强化处理、改进滑块密封和定期水路清洗等措施优化方向未来优化方向包括采用型腔压力传感器实时监控充填过程；升级温控系4统，实现智能调温；引入模温快速加热冷却技术，提高生产效率；采用新型耐热钢和PVD涂层技术，进一步延长模具寿命现代模具设计软件应用现代模具设计已全面采用CAD/CAM/CAE技术，提高设计效率和产品质量主流三维设计软件包括UG NX、CATIA、SolidWorks、Pro/E等，这些软件提供专门的模具设计模块，支持型腔抽壳、分型面生成、标准件库和模具装配等功能根据不同应用领域，UGNX在汽车模具领域应用广泛，CATIA在航空领域占优势，SolidWorks则因其易用性在中小企业受欢迎模流分析软件如Moldflow、Moldex3D等可以模拟分析注塑过程，预测充填、保压、冷却和变形情况，帮助优化浇口位置、流道设计和冷却系统布局CAM软件如Mastercam、PowerMILL等用于生成数控加工程序，支持高速切削和多轴加工策略这些软件的集成应用，实现了模具设计制造全过程的数字化和智能化，大幅提高了模具开发效率和质量在模具设计中的作用CAD产品数据导入与修复从客户获取的产品3D模型通常需要进行数据修复和简化主要工作包括修复模型缺陷、简化复杂特征、调整壁厚和倒角、添加脱模斜度等软件提供的修复工具可快速识别并修正悬空面、冗余面、微小缝隙等问题模具结构设计基于修复后的产品模型，进行模具结构设计确定分型面、抽芯方向、型腔布局等CAD软件提供的型腔抽壳功能能自动创建型芯型腔；分型面生成工具可根据产品特征智能创建分型面；标准件库允许快速插入各类标准组件模具装配与干涉检查将设计的各个组件装配成完整模具，检查装配关系和运动干涉CAD软件提供的干涉检查功能可模拟模具开合过程中的各部件运动情况，及时发现并解决潜在冲突装配模块可设置约束关系，确保各部件正确安装自动出图与技术文档从三维模型自动生成二维工程图，包括装配图和零件图CAD软件可自动生成视图、标注尺寸和技术要求，大幅提高出图效率此外，还可生成材料清单、加工工艺卡和装配说明等技术文档，为制造提供完整依据模拟与优化CAE充填分析通过模拟熔融塑料在模腔中的流动过程，预测充填时间、压力分布、温度分布和熔接线位置等分析结果以彩色云图方式直观显示，帮助设计师识别潜在的充填不足、压力过高或熔接线不良等问题基于分析结果，可以优化浇口位置、尺寸和数量冷却分析模拟产品在模具中的冷却过程，计算冷却时间、温度分布和热平衡情况通过分析可以发现冷却不均匀区域，预测因温度不均导致的变形问题优化冷却水道布局、直径和间距，实现均匀冷却，缩短成型周期，减少翘曲变形变形分析预测产品在成型后的收缩和变形情况，量化变形方向和程度通过分析可识别关键尺寸的变化量，评估是否符合技术要求针对变形严重的区域，可以通过调整加工余量、修改浇口位置、优化冷却系统或更改成型参数来减少变形CAE技术已成为现代模具设计不可或缺的工具，能够在实际生产前发现并解决潜在问题，节省时间和成本优化案例表明，通过CAE分析可减少30%-50%的模具调试时间，提高10%-20%的产品合格率模具制造工艺流程工艺规划根据模具图纸制定加工工艺方案，确定工序顺序、加工设备和工装夹具包括材料准备、粗加工、热处理、精加工和装配等环节的详细规划材料准备与粗加工按图加工模座、导向件等结构件，包括锯切下料、铣削平面、钻孔、攻丝等工序粗加工一般留有

0.3-

0.5mm的精加工余量数控加工利用CNC设备对型腔、型芯等复杂形状部件进行加工包括粗加工、半精加工和精加工工序，逐步提高精度采用高速切削技术可提高加工效率和表面质量热处理对模具工作部件进行热处理，提高硬度和耐磨性包括淬火、回火、氮化等工艺热处理后的硬度通常为HRC45-62，取决于具体应用特种加工利用电火花加工、线切割等方法加工热处理后的硬质部件对精密型腔、深孔和复杂形状部位进行成形加工，可达到±

0.01mm的精度精加工与表面处理对工作表面进行研磨、抛光、蚀纹等处理，提高表面质量最终表面粗糙度可达Ra

0.2-

0.8μm，满足不同产品的表面要求模具装配工艺模具质量控制尺寸精度检测使用三坐标测量机、数字千分尺、块规等设备检测模具关键尺寸型腔尺寸允许偏差通常为±

0.02-

0.05mm；导向系统配合间隙控制在

0.01-

0.03mm；分型面平面度要求

0.01-

0.03mm测量结果需形成记录，与设计要求进行比对分析模具试模验证通过试模检验模具实际生产能力试模过程记录注射参数、产品质量和模具性能等数据对试样进行全面检测，包括外观、尺寸、重量和功能测试根据试模结果分析模具是否需要修改和优化，直至满足批量生产要求表面质量评估使用表面粗糙度仪、光学投影仪等设备检测模具工作表面质量一般要求工作表面粗糙度Ra

0.4-

0.8μm；型腔表面不允许有明显划痕、凹坑等缺陷；蚀纹表面需有一致的纹理深度和清晰度表面处理质量直接影响产品外观功能性测试检验模具各功能机构的工作性能包括开合模的平稳性和精确性；顶出系统的力度和行程；冷却系统的流量和密封性；特殊机构如滑块、旋转机构的可靠性等功能测试应模拟实际生产条件，确保长期稳定运行模具成本分析与控制人工成本设备成本占总成本的25-35%，包括设计、加工、装配和调试等环节的人力投入占总成本的15-25%，包括设备折旧、提高自动化水平、标准化设计和工艺能源消耗和维护费用等合理安排设材料成本优化可降低人工成本建立合理的工备使用计划，提高设备利用率对于时定额和绩效评估体系也有助于控制高精度加工，可考虑外协加工，避免管理成本占总成本的30-40%，包括模具钢材、人工成本大量投资专用设备标准件和辅助材料等材料选择应在占总成本的10-15%，包括项目管理、满足性能要求的前提下，考虑成本因质量控制和技术支持等间接费用优素可通过优化毛坯尺寸、合理布局化管理流程，采用信息化管理系统，和采用组合结构等方式减少材料浪可提高管理效率，降低管理成本费降低模具成本的四种主要方法一是设计优化，通过结构简化、标准化和模块化设计减少制造难度；二是工艺改进，采用高效加工方法如高速切削、复合加工等；三是材料替代，在满足使用要求的前提下选用更经济的材料；四是管理提升，实施精益生产和全面质量管理，减少返工和浪费新材料在模具设计中的应用粉末冶金模具钢通过粉末冶金工艺制造的高性能模具钢，如CPM系列、ASP系列等具有更均匀的碳化物分布，更高的耐磨性和韧性微观组织均匀，热处理变形小，加工性能好在高精密模具和长寿命模具中应用广泛，使用寿命比传统模具钢提高30%-50%纳米复合涂层采用PVD或CVD工艺在模具表面沉积纳米级厚度的硬质涂层，如TiN、TiAlN、CrN等这些涂层硬度可达HV2500-3500，显著提高表面耐磨性和耐腐蚀性涂层厚度通常为2-5μm，不影响模具精度应用案例表明，纳米涂层可将模具寿命延长2-3倍，特别适用于加工高硬度或具有腐蚀性的材料特种合金材料除传统模具钢外，一些特种合金在特定应用中表现优异铍铜合金具有极高的导热性导热系数为模具钢的5倍，适用于需要快速冷却的热流道系统马氏体时效钢具有极高的强度和耐蚀性，适用于大型塑料模具钨钴硬质合金具有卓越的耐磨性，用于制造精密冲模的工作部件新材料的应用需要配合相应的设计和制造技术例如，粉末冶金钢需要特殊的热处理工艺；纳米涂层需要精确控制基体表面状态和涂层工艺参数；特种合金可能需要特殊的加工方法模具设计师应当了解这些新材料的特性和应用限制，在适当的场合选用，以获得最佳的性能和经济效益智能制造与模具产业数字化转型模具行业正经历从传统制造向数字化制造的转变企业通过建立产品数据管理PDM系统和产品生命周期管理PLM系统，实现设计数据的统一管理和协同设计三维参数化设计、标准化设计库和知识工程系统的应用，大幅提高了设计效率和质量自动化生产模具制造环节正在引入高度自动化的设备和生产线五轴联动加工中心配合自动化工装夹具，实现复杂模具零件的自动加工；电火花与线切割设备与机器人上下料系统集成，实现24小时连续生产；自动测量系统与加工设备联网，实现实时质量监控和补偿加工智能化管理制造执行系统MES在模具企业的应用，实现了生产过程的可视化管理和优化调度系统集成计划排产、设备监控、质量追溯和生产统计等功能，帮助企业实时掌握生产状态，优化资源配置智能仓储系统与MES联动，实现材料和工装的智能管理，大幅降低库存成本网络化协同基于工业互联网平台，模具企业与上下游实现了网络化协同与客户的协同设计平台使产品开发更加高效；与供应商的协同制造网络提高了供应链效率；远程监控和预测性维护技术使模具使用更加可靠云计算和大数据分析帮助企业挖掘生产和市场数据的价值，支持精准决策模具行业新技术趋势增材制造技术数字化与智能工厂3D打印技术在模具制造中的应用日益广泛直接金属激光烧结DMLS和选择性激光熔化模具行业正向数字化、网络化、智能化方向发展数字孪生技术构建模具生产的虚拟映射，实SLM技术可直接打印复杂的模具零件，特别适合内部带有曲面冷却水道的注塑模具这种共现实时监控和优化；人工智能算法应用于模具设计和工艺规划，提高方案优化效率；大数据分形冷却Conformal Cooling水道可以跟随产品轮廓设计，比传统直线水道提高30%-40%的冷析帮助预测模具寿命和维护需求，实现预防性维护却效率智能工厂集成了自动化设备、机器人、智能物流系统和实时监控系统，形成高效的模具生产体增材制造还用于快速制作模具原型，验证设计方案对于小批量生产，可直接打印简易模具，系射频识别RFID技术用于工件跟踪和工装管理；远程运维系统实现设备状态监控和远程诊大幅缩短开发周期和降低成本混合制造技术结合增材和减材工艺，充分发挥两者优势，是未断；移动应用使生产管理更加灵活高效这些技术的综合应用，推动模具行业实现工业

4.0转来模具制造的重要发展方向型绿色模具设计节能设计材料回收利用清洁生产工艺通过优化模具结构和加工工采用模块化设计，提高模具部采用干式切削或微量润滑技艺，减少能源消耗共形冷却件的通用性和重复利用率标术，减少切削液使用和污染水道设计可提高冷却效率，减准模架系统可在不同模具间循选用生物可降解切削液替代传少成型循环时间，降低能耗环使用采用热流道系统消除统矿物油基切削液电火花加20%-30%电火花加工参数优浇口料，减少材料浪费废旧工使用生物降解性介电液表化可减少电能消耗合理选择模具材料的分类回收和再利面处理采用环保型工艺，如无模具材料和热处理工艺，降低用，形成闭环资源利用体系铬钝化、水基清洗剂等加工能耗全生命周期管理从设计阶段考虑模具全生命周期的环境影响通过可靠性设计延长模具寿命，减少更新频率建立科学的维修再制造体系，最大化模具使用寿命报废模具的无害化处理和资源化利用，减少环境负担绿色模具设计不仅有利于环境保护，也能带来经济效益通过节能降耗措施，典型模具企业可减少15%-25%的生产成本；通过延长模具寿命和提高可靠性，可降低客户的模具维护和更换成本；采用环保材料和工艺，有助于产品符合国际环保法规要求，提升市场竞争力模具典型设计案例冲压模1本案例为汽车侧围覆盖件冲压模具设计产品为双曲面复杂形状，面积约

1.2m²，材料为高强度钢板590MPa级，厚度

1.2mm模具采用多工位级进模结构，完成拉深、修边、冲孔、整形等工序模具总重达12吨，外形尺寸

4.2m×

1.8m×

1.5m，适用于2000吨级压力机模具关键设计参数包括拉深比为

0.42，拉深深度180mm；压边力计算为120吨，通过12组氮气弹簧提供；模具工作面采用GCr15钢，淬火处理后硬度HRC58-62，表面经过精磨抛光处理至Ra

0.4μm；导向系统采用四柱结构，配合精度为

0.01mm；刃口耐磨性处理采用氮化工艺，硬度层深度

0.5mm，表面硬度HV1050模具设计中特别考虑了高强钢的回弹问题，在关键部位增加了约2°的过补偿设计模具典型设计案例注塑模2充填时间s原设计压力MPa优化设计压力MPa模具典型设计案例压铸模3热流道系统设计冷却系统优化该压铸模具采用创新的半热流道系统设计，主浇道保持恒温，减少金属液温模具冷却系统采用差异化设计策略，针对壁厚不均的产品特点厚壁区域降和能源浪费主浇道采用高温合金材料制造，工作温度保持在400-20-25mm采用密集冷却设计，水道间距为水道直径的2倍；薄壁区域3-450℃，由精密温控系统控制半热流道系统与传统冷流道相比，可减少5mm采用疏松布置，水道间距为水道直径的4倍优化后的冷却系统使产品30%的熔炼能耗，并减少15%的浇注系统废料各部位凝固时间差异减少50%，显著降低了内应力和变形倾向结构难点解决耐久性提升产品含有多个深孔和倒扣结构，传统设计需要复杂的抽芯机构本设计采用模具工作面采用H13优质热作模具钢，经过三次回火处理，硬度达HRC46-组合式滑块系统，将7个抽芯动作整合为3组运动，简化了结构滑块驱动采48型腔表面采用等离子氮化+PVD复合涂层工艺，表面硬度达HV1200，用液压系统，行程精度控制在±

0.02mm，确保长期稳定可靠此外，针对模大幅提升耐热疲劳性能浇口区域和高速金属流经处采用钨钴硬质合金镶具大型化带来的变形问题，采用有限元分析优化了模架结构，刚性提高块，耐磨性提高3倍这些措施使模具寿命从标准的5万次提升至12万次以25%上零部件标准化及通用性标准件类别主要规格标准编号适用模具类型导向件导柱Φ10-120mm GB/T12437各类模具弹性元件弹簧DL12-200GB/T14168各类模具顶出件顶针Φ2-30mm GB/T12438注塑、压铸模模架系统300×400-JB/T5130各类模具2000×2500mm滑块组件T型、斜楔型等JB/T7082注塑、压铸模热流道系统单点式、多点式等企业标准注塑模具模具标准化是提高模具设计和制造效率的关键措施标准化主要体现在以下几个方面零部件标准化，采用符合国家标准或行业标准的模具标准件，如导柱、弹簧、顶针等；结构标准化，建立企业内部标准结构库，如标准模架、标准浇注系统等；设计标准化，制定统一的设计规范和工艺要求，确保设计质量一致模具标准化带来的效益显著缩短设计周期30%-50%，减少设计人员的重复劳动；降低制造成本15%-25%，通过批量采购标准件降低采购成本；提高装配效率20%-30%，减少现场调试时间；提升维修便利性，标准件易于更换和维护随着模具行业的发展，标准化程度将进一步提高，形成涵盖设计、制造、使用全过程的标准体系模具设计的风险与防控失效风险模具在使用过程中面临多种失效风险，如磨损、断裂、变形和腐蚀等案例分析显示，约45%的模具失效源于设计不当，30%源于材料选择不合理，25%源于使用维护不当常见设计缺陷包括强度不足导致的断裂、散热不良导致的热变形、应力集中导致的裂纹、刚性不足导致的变形等防呆设计防呆设计是预防操作错误和安装错误的有效措施典型的防呆设计包括非对称定位，防止零件装反；限位装置，防止超行程操作；专用工具接口，防止使用错误工具；颜色编码，直观区分不同功能部件防呆设计能显著降低因人为错误导致的模具损坏，提高生产可靠性监测与预警现代模具设计越来越多地集成传感器和监测系统，实时监控模具状态常见的监测项目包括温度传感器监测热点区域，防止过热；压力传感器监测型腔压力，检测充填异常；振动传感器监测运动部件状态，预警可能的故障；磨损传感器监测关键表面，提示维修时机这些技术实现了模具的预测性维护，大幅降低突发故障风险系统性风险分析和防控措施是高质量模具设计的重要环节设计初期应进行失效模式与影响分析FMEA，识别潜在风险并采取针对性措施建立模具使用和维护规范，明确操作限制条件和检修周期开发专用检测工具和方法，确保模具状态可控这些措施共同构成全方位的模具风险防控体系，保障模具安全可靠运行国际主要模具标准标准领域中国标准GB国际标准ISO德国标准DIN美国标准ANSI公差与配合GB/T1800ISO286DIN7150ANSI B

4.1模具术语GB/T17395ISO12165DIN1180ANSI/SPIB

151.1模具钢材GB/T1299ISO4957DIN17350ASTM A681塑料模具JB/T5130ISO12165DIN16750ANSI/SPIB

151.1冲压模具JB/T8854ISO8977DIN9861ANSI B

5.25国际模具标准存在一定差异，但总体趋势是逐步统一和协调中国模具标准GB/T系列在制定时通常参考国际标准ISO和德国标准DIN，因此与国际接轨程度较高不同标准体系间主要差异表现在尺寸公差系统设定、标准件规格序列、术语定义和技术要求等方面在全球化背景下，了解和掌握主要国家和地区的模具标准至关重要在进行国际合作或出口模具时，需注意标准转换问题例如，欧洲市场要求符合CE标准，对模具安全性有特殊要求；日本市场对表面质量和精度要求极高；北美市场则强调标准化和互换性模具设计师应具备查阅和理解国际标准的能力，确保设计符合目标市场要求模具出口的技术要求质量体系认证技术文档要求安全与环保标准国际市场通常要求模具制造商具备出口模具需提供完整的技术文档出口模具必须符合目标国家的安全ISO9001质量管理体系认证汽包，包括三维模型、装配图、零件和环保法规欧盟要求符合机械指车行业模具还需要IATF16949认图、材料清单、操作手册和维护指令2006/42/EC，美国要求符合证，航空航天领域需要AS9100认南等文档必须使用统一的技术语ANSI安全标准，日本有JIS安全标证这些认证确保模具设计和制造言和符号，遵循ISO技术制图标准环保方面，需符合RoHS、过程符合国际标准，具有可追溯性准对于欧盟市场，还需提供符合REACH等法规，限制有害物质使和一致性性声明和风险评估报告用客户定制化要求不同客户可能有特殊技术要求，如汽车行业客户通常有严格的PPAP生产件批准程序要求；电子行业客户强调精密度和清洁度；医疗行业客户要求材料可追溯性和无污染生产环境出口模具还需注意各地区的特殊要求欧洲客户通常要求模具设计符合人体工程学原则，操作安全；北美市场强调标准化和维修便利性，要求使用英制尺寸；日本客户极为注重精度和表面质量，容差要求比国际标准更严格；新兴市场则更关注成本效益和技术支持模具企业需深入了解目标市场特点，针对性开展设计和制造，提高国际竞争力模具设计常见错误及纠正结构设计不合理材料选择不当公差设置错误冷却系统不足脱模设计缺陷其他问题模具设计中的常见错误及其纠正方法结构设计不合理，如强度不足、刚性差，应通过有限元分析验证结构性能，增加关键部位厚度或加强筋；材料选择不当，如硬度过高导致脆性大，或耐热性不足，应根据工作条件选择合适材料，必要时进行材料试验；公差设置错误，如配合间隙过大或过小，应严格遵循公差配合标准，考虑热膨胀和变形影响模具创新设计实践学生创新案例机械工程学院李明同学团队设计的智能温控注塑模具获得全国模具设计大赛一等奖该设计采用嵌入式温度传感器和智能控制系统，实现模腔温度的精确控制和自动调节创新点在于将传统的被动控温转变为主动智能控温，温度控制精度提高至±1℃，大幅改善了产品质量稳定性企业创新项目某汽车零部件企业开发的复合材料轻量化冲压模具成功应用于新能源汽车生产线该模具采用碳纤维复合材料与金属材料复合结构，重量比传统全金属模具减轻40%，同时保持足够的强度和刚性模具运动部件的惯性降低，使冲压速度提高30%，能耗降低25%此外，企业还开发了模内传感监测系统，结合大数据分析，实现了模具状态的实时监控和预测性维护，有效降低了生产中断风险模具设计师的职业发展技术专家/总工程师引领技术发展，解决重大技术难题项目经理/技术主管管理复杂项目，指导团队工作高级设计师独立完成复杂模具设计，优化创新模具设计师完成常规模具设计，解决一般技术问题助理设计师5在指导下完成基础设计工作模具设计师的核心能力要求包括扎实的机械设计基础知识，包括材料力学、机械原理等；熟练掌握三维CAD软件操作和模具专业模块应用；了解模具制造工艺和生产流程；具备产品结构分析能力和工艺判断能力；熟悉相关标准和规范随着行业发展，数字化能力、仿真分析能力和创新思维越来越重要在职业资格方面，可以通过取得模具设计工程师职业资格证书提升专业认可度继续教育途径包括参加高校和行业协会组织的专业培训、企业内部技术交流、国内外模具展会和学术会议等职业发展可向技术专家方向发展，成为行业技术带头人；也可向管理方向发展，担任技术管理或项目管理职务；或向创业方向发展，创办模具设计公司或技术服务机构课程复习与考核说明重点知识内容考核形式与要求•模具基本概念与分类•期末考试闭卷，占总成绩60%•模具设计基本流程与方法•课程设计完成一个指定模具的设计，占30%•材料选择与热处理工艺•三大类模具结构与设计原则•平时表现出勤、讨论参与度，占10%•CAD/CAE技术在模具设计中的应用•额外加分模具创新设计竞赛参与•模具标准化与创新设计复习建议•系统梳理课程知识点，绘制知识结构图•重点理解设计原理，而非简单记忆•复习案例分析，掌握设计方法•多做模具结构识图和分析练习•熟练操作相关设计软件期末考试将覆盖课程的所有主要内容，但重点考察模具设计原理的理解和应用能力，而非知识点的简单记忆考题类型包括概念辨析、原理分析、结构设计、计算题和综合案例分析等建议同学们在复习时注重理解各类模具的设计原理和方法，掌握解决实际问题的能力总结与展望大类6核心知识体系本课程系统性覆盖的模具设计领域18%年增长率中国模具行业近五年平均增速亿4000市场规模中国模具产业年产值人民币万25+人才需求模具行业每年新增设计人才需求通过本课程的学习，同学们已经掌握了模具设计的基本理论、方法和技能，建立了完整的知识体系这些知识包括模具基础概念、设计流程、材料选择、结构设计、制造工艺以及现代化设计技术等方面掌握这些知识将为大家未来从事模具设计或相关工作奠定坚实基础展望未来，模具行业将朝着数字化、智能化、绿色化方向快速发展数字孪生技术将实现模具全生命周期的虚拟映射；人工智能算法将辅助甚至部分替代传统设计工作；3D打印等增材制造技术将革新模具制造方式；绿色环保材料和工艺将更加普及作为未来的模具设计师，需要不断学习新知识、掌握新技术，保持创新思维，才能在竞争激烈的行业中脱颖而出，为中国制造业的升级转型贡献力量。