淺析薄壁塑料零件模具的數(shù)控加工

淺析薄壁塑料零件模具的數(shù)控加工淺析薄壁塑料零件模具的數(shù)控加工 2019/01/26 摘要:薄壁塑料件結構輕薄，符合當前工業(yè)制品輕量化的理念，但是薄壁塑料件通常結構復雜，相應注塑模具的設計加工過程也較為復雜，采用數(shù)控加工技術可降低加工過程難度;簡要介紹了計算機輔助編程的數(shù)控加工技術的優(yōu)勢，以及在薄壁塑料件注塑模具設計和加工中的應用。關鍵詞:薄壁塑料件;注塑模具;計算機輔助技術;編程;數(shù)控技術薄壁塑料零件是一類壁厚約1.02.5mm，結構相對復雜的塑料制品，通常由注塑工藝制得，在注塑成型過程中塑料熔體冷卻固化時，由于材料的熱脹冷縮以及塑料的高分子長鏈運動性減弱，宏觀上表現(xiàn)為固化后材料尺寸變小，導致薄壁塑料制品產(chǎn)生翹曲變形的缺陷;此外，缺料、表面不平整、拉白、氣孔、毛邊等也是常見的缺陷類型;因此，相對于常規(guī)厚度的塑料制品，薄壁塑料零件的注塑加工過程更加復雜，對其模具的設計精度等要求也更高。數(shù)字化控制技術(NC)可以通過電腦編程程序控制機床的運行，使其按照預先編寫好的程序進行機械加工，可以極大地提高加工精度、降低勞動強度、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，并能減少產(chǎn)品缺陷，提高產(chǎn)品合格率，是薄壁塑料零件注塑模具設計加工過程中常用的技術手段1。數(shù)控技術需要進行編程，通常有手工編程、自動編程和計算機輔助編程三種方法，其中計算機輔助編程主要借助于CAD、CAE、CAM技術，完成圖像造型及自動編程，尤其適用于復雜零件的加工，操作簡便易行，本文主要圍繞計算機輔助編程的數(shù)控技術，對薄壁塑料零件注塑模具的設計和加工過程進行分析。1計算機輔助編程的數(shù)控技術NC技術中，計算機輔助編程手段可利用人機交互和圖像形式實現(xiàn)更高效率的工作:CAD技術可協(xié)助工作人員完成圖形設計，在設計過程中運用計算機的高速運算能力，將多種設計方案進行對比，選擇最佳設計形式，計算機的海量存儲能力可使多個設計方案并存，CAD的模塊功能使繪圖速度更快，由CAD軟件得出的設計圖紙準確度遠高于手工圖紙;CAE可以模擬整個注塑過程，將包括塑料熔體在模具型腔的填充、充填壓力和溫度、熔體冷卻、澆口、加熱和冷卻系統(tǒng)的設置等的全過程用靜態(tài)和動態(tài)圖像的形式展示在計算機上，使設計人員更直觀地看到模擬的全過程，并發(fā)現(xiàn)注塑制品缺陷，隨時對模具的設計部位進行更改，減少缺陷的發(fā)生;CAM可利用CAD和/或CAE的模型，加上合適的連接程序，應用于數(shù)控加工機床進行輔助制造過程，大大提高編程的精度及效率2。對于復雜薄壁塑料零件的設計，一種軟件通常難以得到較好的結果，將CAD、CAE和CAM聯(lián)用，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提高工作效率，降低錯誤的發(fā)生率。采用CAD/CAE/CAM編程系統(tǒng)時，首先應熟悉系統(tǒng)的功能和編程能力;其次要對加工的模具產(chǎn)品進行分析，確定加工方法:CAD軟件得到三維模型;經(jīng)過數(shù)據(jù)格式變換，可導入CAE模塊，進行工程分析;隨后數(shù)據(jù)導入至CAM模塊中，CAM對其進行仿真分析和加工處理，可得到NC編碼程序，對NC編碼程序進行準確性檢驗后，即可控制機床的運行，操作流程如下圖1所示，多模塊相互聯(lián)系，確保設計過程高精度運作，一旦發(fā)現(xiàn)問題，也能迅速解決。CAD也可單獨與CAM聯(lián)用，實現(xiàn)操作過程，常見的CAD/CAM軟件有MasterCAM、Pro/ENGINEE等3。2薄壁塑料零件注塑模具的設計薄壁塑料零件由于壁厚較薄，薄壁部分用料少，需要選用流動性較好的原材料，還要結合產(chǎn)品的應用環(huán)境和強度要求等，常用的原材料有聚烯烴樹脂、ABS樹脂(丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物)、尼龍等。聚烯烴樹脂的來源廣、價格低、熔點低，耐候性、流動性和穩(wěn)定性好，其中聚乙烯、聚丙烯、共聚聚丙烯等是最常用的聚烯烴樹脂種類。ABS樹脂結合了丙烯腈、丁二烯、苯乙烯這三種單體的優(yōu)異性能，尺寸穩(wěn)定性和力學強度高，尤其適合薄壁塑料結構件的生產(chǎn)加工。尼龍的大分子長鏈中有酰胺鍵，具有一定的吸水性，且化學穩(wěn)定性和力學性能優(yōu)異，也易于加工，用纖維進行增強的尼龍材料力學強度、剛性可與某些金屬材料相媲美，甚至可用作齒輪箱的原材料4。對薄壁塑料零件進行注塑模具設計時，首先分析塑料件的結構、尺寸和表面質量要求，據(jù)此可大致進行原材料的選擇;然后根據(jù)塑料件的壁厚、圓角等分析模具結構的脫模斜度，減少脫模產(chǎn)生的缺陷。薄壁塑料零件在注塑成型時，易出現(xiàn)多種問題，這些問題通過改進模具的設計結構及成型工藝，能夠得到一定程度的改善，具體如表15所示。結合表1中給出的常見問題，可以有針對性地進行模具設計，避免缺陷的產(chǎn)生。3數(shù)控加工技術在薄壁塑料零件注塑模具加工中的優(yōu)勢數(shù)控加工技術在薄壁塑料零件的注塑模具加工中有著廣泛的應用，主要有以下優(yōu)勢:第一，得到的模具產(chǎn)品性能好且穩(wěn)定，計算機技術得到的編程程序通過數(shù)控技術實現(xiàn)對機床等設備的智能控制，計算機系統(tǒng)極大的存儲能力和數(shù)據(jù)轉換功能，可使得到的產(chǎn)品精度更高;第二，能夠加工復雜結構的零件，依賴于人工操作制造模具產(chǎn)品，無法快速完成多曲線尤其是三維曲線的操作，而這些復雜曲線正是結構復雜零件中常見的，采用CAD繪圖軟件可快速實現(xiàn)三維作圖，其放大、縮小和移動編輯功能可以輕松完成復雜的工作;第三，極大地提高了生產(chǎn)效率，數(shù)控技術可用計算機編程程序控制模具的加工過程，能夠控制整個生產(chǎn)流程，調節(jié)生產(chǎn)工藝，短時間內(nèi)完成大量工作，提高企業(yè)的生產(chǎn)效益6。4數(shù)控技術在薄壁塑料零件注塑模具加工中的應用采用計算機輔助編程的數(shù)控技術，可以針對薄壁塑料零件結構復雜的特點，快速準確地設計出模具，將計算機與數(shù)控機床聯(lián)系起來，工藝操作和編程過程都在計算機上完成，設計人員只需要了解模具制造用刀具的種類和切削量選擇的原則，在已編寫完成的程序基礎上設置相關的參數(shù)，輸送至數(shù)控機床即可完成模具的加工;操作過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都存儲于計算機中，可隨時回看，查找并修正不當之處。下圖2給出了兩種典型的薄壁塑料零件。4.1小尺寸的薄壁塑料零件對于小尺寸的薄壁塑料零件，用CAD軟件設計出該零件的三維結構模型，可以直接進行加工設計得到注塑模具的凸模，再通過CAE和CAM規(guī)劃刀具的路徑，同時CAM生成NC編碼，進行模擬加工過程。對于小型注塑件如電話機的話筒，CAD得出凸模的結構后，利用MasterCAM軟件操作界面上的加工功能再對凸模結構進行粗加工和精加工;最后輸出NC代碼，模擬后可得到效果圖，操作過程工作量小，精度高，節(jié)省了大量的設計時間7。薄壁手機殼也是小型薄壁注塑件，采用CAD的Molddesign功能，在建立完模具結構后，可快速實現(xiàn)分型面的創(chuàng)建，還能夠在該功能上建立澆注系統(tǒng)、頂出結構等，直接得到模具的型腔結構，操作十分簡便8。模具的結構設計對小尺寸的薄壁塑料零件產(chǎn)品質量影響程度高于大尺寸零件，這是因為小尺寸零件的細小誤差會在本身尺寸就較小的制品上較為明顯地顯示出來。CAD/CAE/CAM聯(lián)用，并結合所選塑料原材料的具體性能，模擬注塑過程，發(fā)現(xiàn)問題，改正并優(yōu)化，可得到最佳的澆口位置、澆注和冷卻系統(tǒng)，可以設計出最優(yōu)的注塑模具。用熱塑性彈性體制成的薄壁防水墊片，制品易出現(xiàn)邊緣翹曲和熔接痕等問題，采用Pro-E設計出模具的三維結構，利用Moldflow軟件模擬注塑過程，分析熔體的流動過程，并結合正交試驗方法，能夠顯著提高注塑產(chǎn)品的合格率9。電腦風扇盒外殼也是一類典型的小型薄壁注塑制品，選用ABS作為注塑用原材料，可得到表面光亮、力學性能穩(wěn)定的產(chǎn)品;對注塑過程進行模流分析，在CAD平臺上進行模具設計，隨后對模具進行數(shù)控加工，數(shù)控加工的程序用UG得出，凸模和凹模分步驟進行加工，編制好數(shù)控程序，模擬加工模具的制備過程;模具的設計過程采用了CAE技術與有限元分析方法，研究了模具結構對注塑制品邊緣翹曲的影響，優(yōu)化了模具結構，獲得了較好的結果10。4.2較大尺寸的薄壁塑料零件尺寸較大的薄壁塑料零件在脫模時易出現(xiàn)問題，由于零件壁厚相對于零件長度和寬度更小，注塑后較薄的零件壁上更易出現(xiàn)尺寸上的缺陷，計算機輔助編程能夠更精確地控制模具結構，減少缺陷的產(chǎn)生。家用轎車的天窗邊框屬于較大尺寸的薄壁塑料零件，實際應用中不暴露于外，因此外觀要求較低，但裝配精度要求高，在此基礎上，利用Pro-E軟件和Moldflow軟件，設計分型面、澆注和冷卻系統(tǒng)，可得到模具的總裝配圖，隨后運用CAE模擬分析，結合正交試驗，優(yōu)化工藝參數(shù)，得到的注塑制品的翹曲變形量相比于未經(jīng)過計算機輔助設計的注塑工藝下降了0.4mm以上，得到了很大的改善11。薄壁塑料零件注塑模具設計中，數(shù)控加工過程也應充分考慮注塑后得到的注塑制品質量，模擬注塑成型工藝過程、優(yōu)化工藝參數(shù)，設計出更適合實際生產(chǎn)使用的模具。5結論薄壁塑料制品的結構復雜，對其注塑模具的要求更高，采用數(shù)控加工技術，尤其是運用了計算機輔助技術的數(shù)控加工手段，能夠針對具體問題進行分析和解決，因此得到了廣泛應用。CAD、CAE和CAM的聯(lián)用，又增加了數(shù)控技術的加工精度和加工效率，無論是小尺寸還是大尺寸的薄壁塑料零件注塑模具，合理選擇功能模塊，結合理論分析，均能夠優(yōu)化模具結構，并給出最佳的注塑工藝參數(shù)，是模具生產(chǎn)加工和注塑生產(chǎn)中的有力工具。參考文獻1袁丙魁模具高速數(shù)控加工編程策略及方法研究J模具制造，2017，17(2):58612龍明海計算機輔助與數(shù)控編程J商業(yè)故事，2016(28):493蘇瞧忠薄壁塑料件注塑模具設計J工程塑料應用，2011，39(2):72744蘇燕，梁武CAD/CAE/CAM技術在塑料薄壁制品成型中應用J工程塑料應用，2016，44(10):1431465劉國良基于PM技術、Moldex3D模流分析CAE在薄壁殼體件注塑模具制造技術的應用研究D北京:北方工業(yè)大學，2009:5186邱道權塑料薄壁蓋板智能化數(shù)控加工技術J科技與創(chuàng)新，2017(15):66677肖忠躍，羅良玲，李瑞，等由薄壁類零件直接制造模具的自動編程的研究J智能制造，2005(7):31338馬松柏薄壁手機殼注塑模型腔CAD/CAM仿真加工與NC程序檢驗方法研究J制造業(yè)自動化，2014(13):41439程明科薄壁防水墊片注塑模具設計與注塑成型CAE分析D西安:西京學院，2015:253710賴嘯基于CAE的薄殼注塑件成型模具的設計與研究D成都:西華大學，2014:283911王利濤汽車薄壁注塑件模具設計與CAE應用研究D長春:吉林大學，2010:1938