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1、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(jié)構(gòu)輕薄，符合當(dāng)前工業(yè)制品輕量化的理念，但是薄壁塑料件通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相應(yīng)注塑模具的設(shè)計加工過程也較為復(fù)雜，采用數(shù)控加工技術(shù)可降低加工過程難度;簡要介紹了計算機(jī)輔助編程的數(shù)控加工技術(shù)的優(yōu)勢，以及在薄壁塑料件注塑模具設(shè)計和加工中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞:薄壁塑料件;注塑模具;計算機(jī)輔助技術(shù);編程;數(shù)控技術(shù) 薄壁塑料零件是一類壁厚約1.0～2.5m

2、m，結(jié)構(gòu)相對復(fù)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(yùn)動性減弱，宏觀上表現(xiàn)為固化后材料尺寸變小，導(dǎo)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(fù)雜，對其模具的設(shè)計精度等要求也更高。數(shù)字化控制技術(shù)(NC)可以通過電腦編程程序控制機(jī)床的運(yùn)行，使其按照預(yù)先編寫好的程序進(jìn)行機(jī)械加工，可以極大地提高加工精度、降低勞動強(qiáng)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(shè)計加工過程中常用的技術(shù)手段

3、［1］。數(shù)控技術(shù)需要進(jìn)行編程，通常有手工編程、自動編程和計算機(jī)輔助編程三種方法，其中計算機(jī)輔助編程主要借助于CAD、CAE、CAM技術(shù)，完成圖像造型及自動編程，尤其適用于復(fù)雜零件的加工，操作簡便易行，本文主要圍繞計算機(jī)輔助編程的數(shù)控技術(shù)，對薄壁塑料零件注塑模具的設(shè)計和加工過程進(jìn)行分析。 1計算機(jī)輔助編程的數(shù)控技術(shù) NC技術(shù)中，計算機(jī)輔助編程手段可利用人機(jī)交互和圖像形式實(shí)現(xiàn)更高效率的工作:CAD技術(shù)可協(xié)助工作人員完成圖形設(shè)計，在設(shè)計過程中運(yùn)用計算機(jī)的高速運(yùn)算能力，將多種設(shè)計方案進(jìn)行對比，選擇最佳設(shè)計形式，計算機(jī)的海量存儲能力可使多個設(shè)計方案并存，CAD的模塊功能使

4、繪圖速度更快，由CAD軟件得出的設(shè)計圖紙準(zhǔn)確度遠(yuǎn)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(shè)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(jī)上，使設(shè)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(shè)計部位進(jìn)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(yīng)用于數(shù)控加工機(jī)床進(jìn)行輔助制造過程，大大提高編程的精度及效率［2］。對于復(fù)雜薄壁塑料零件的設(shè)計，一種軟件通常難以得到較好的結(jié)果，將CAD、CAE和CAM聯(lián)用，可實(shí)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/

5、CAE/CAM編程系統(tǒng)時，首先應(yīng)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(jìn)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(dǎo)入CAE模塊，進(jìn)行工程分析;隨后數(shù)據(jù)導(dǎo)入至CAM模塊中，CAM對其進(jìn)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(jìn)行準(zhǔn)確性檢驗(yàn)后，即可控制機(jī)床的運(yùn)行，操作流程如下圖1所示，多模塊相互聯(lián)系，確保設(shè)計過程高精度運(yùn)作，一旦發(fā)現(xiàn)問題，也能迅速解決。CAD也可單獨(dú)與CAM聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)操作過程，常見的CAD/CAM軟件有MasterCAM、Pro/ENGINEEＲ等［3］。 2薄壁塑料零件注塑模具的設(shè)計 薄壁塑料零件

6、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(jié)合產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境和強(qiáng)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(diǎn)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(jié)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(xué)強(qiáng)度高，尤其適合薄壁塑料結(jié)構(gòu)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(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能優(yōu)異，也易于加工，用纖維進(jìn)行增強(qiáng)的尼龍材料力學(xué)強(qiáng)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

7、零件進(jìn)行注塑模具設(shè)計時，首先分析塑料件的結(jié)構(gòu)、尺寸和表面質(zhì)量要求，據(jù)此可大致進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jìn)模具的設(shè)計結(jié)構(gòu)及成型工藝，能夠得到一定程度的改善，具體如表1［5］所示。結(jié)合表1中給出的常見問題，可以有針對性地進(jìn)行模具設(shè)計，避免缺陷的產(chǎn)生。 3數(shù)控加工技術(shù)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(shù)在薄壁塑料零件的注塑模具加工中有著廣泛的應(yīng)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(jī)技術(shù)得到的編程程序通過數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對

8、機(jī)床等設(shè)備的智能控制，計算機(jī)系統(tǒng)極大的存儲能力和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，可使得到的產(chǎn)品精度更高;第二，能夠加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(fù)雜曲線正是結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件中常見的，采用CAD繪圖軟件可快速實(shí)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(fù)雜的工作;第三，極大地提高了生產(chǎn)效率，數(shù)控技術(shù)可用計算機(jī)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(diào)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(shù)在薄壁塑料零件注塑模具加工中的應(yīng)用 采用計算機(jī)輔助編程的數(shù)控技術(shù)，可以針對薄壁塑料零件

9、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，快速準(zhǔn)確地設(shè)計出模具，將計算機(jī)與數(shù)控機(jī)床聯(lián)系起來，工藝操作和編程過程都在計算機(jī)上完成，設(shè)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(chǔ)上設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，輸送至數(shù)控機(jī)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(jī)中，可隨時回看，查找并修正不當(dāng)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(shè)計出該零件的三維結(jié)構(gòu)模型，可以直接進(jìn)行加工設(shè)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(jìn)行模擬加工過程。對于小型注塑件如電話機(jī)的話筒，CA

10、D得出凸模的結(jié)構(gòu)后，利用MasterCAM軟件操作界面上的加工功能再對凸模結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shè)計時間［7］。薄壁手機(jī)殼也是小型薄壁注塑件，采用CAD的Molddesign功能，在建立完模具結(jié)構(gòu)后，可快速實(shí)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(jié)構(gòu)等，直接得到模具的型腔結(jié)構(gòu)，操作十分簡便［8］。模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計對小尺寸的薄壁塑料零件產(chǎn)品質(zhì)量影響程度高于大尺寸零件，這是因?yàn)樾〕叽缌慵募?xì)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(jié)合所選塑料原材料的具體性能，模擬注塑過

11、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(shè)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(shè)計出模具的三維結(jié)構(gòu)，利用Moldflow軟件模擬注塑過程，分析熔體的流動過程，并結(jié)合正交試驗(yàn)方法，能夠顯著提高注塑產(chǎn)品的合格率［9］。電腦風(fēng)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(xué)性能穩(wěn)定的產(chǎn)品;對注塑過程進(jìn)行模流分析，在CAD平臺上進(jìn)行模具設(shè)計，隨后對模具進(jìn)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(jìn)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(shè)計過程

12、采用了CAE技術(shù)與有限元分析方法，研究了模具結(jié)構(gòu)對注塑制品邊緣翹曲的影響，優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)，獲得了較好的結(jié)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(jī)輔助編程能夠更精確地控制模具結(jié)構(gòu)，減少缺陷的產(chǎn)生。家用轎車的天窗邊框?qū)儆谳^大尺寸的薄壁塑料零件，實(shí)際應(yīng)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(chǔ)上，利用Pro-E軟件和Moldflow軟件，設(shè)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(yùn)用CAE模擬分析，結(jié)合正交試驗(yàn)，優(yōu)化工藝參數(shù)，

13、得到的注塑制品的翹曲變形量相比于未經(jīng)過計算機(jī)輔助設(shè)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(shè)計中，數(shù)控加工過程也應(yīng)充分考慮注塑后得到的注塑制品質(zhì)量，模擬注塑成型工藝過程、優(yōu)化工藝參數(shù)，設(shè)計出更適合實(shí)際生產(chǎn)使用的模具。 5結(jié)論 薄壁塑料制品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其注塑模具的要求更高，采用數(shù)控加工技術(shù)，尤其是運(yùn)用了計算機(jī)輔助技術(shù)的數(shù)控加工手段，能夠針對具體問題進(jìn)行分析和解決，因此得到了廣泛應(yīng)用。CAD、CAE和CAM的聯(lián)用，又增加了數(shù)控技術(shù)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(jié)合理論分

14、析，均能夠優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，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(xiàn) ［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):58－61． ［2］龍明海．計算機(jī)輔助與數(shù)控編程［J］．商業(yè)故事，2016(28):4－9． ［3］蘇瞧忠．薄壁塑料件注塑模具設(shè)計［J］．工程塑料應(yīng)用，2011，39(2):72－74． ［4］蘇燕，梁武．CAD/CAE/CAM技術(shù)在塑料薄壁制品成型中應(yīng)用［J］．工程塑料應(yīng)用，2016，44(10):143－146．

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