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浅析薄壁塑料零件模具的数控加工

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摘要:薄壁塑料件结构轻薄,符合当前工业制品轻量化的理念,但是薄壁塑料件通常结构复杂,相应注塑模具的设计加工过程也较为复杂,采用数控加工技术可降低加工过程难度;简要介绍了计算机辅助编程的数控加工技术的优势,以及在薄壁塑料件注塑模具设计和加工中的应用。

关键词:薄壁塑料件;注塑模具;计算机辅助技术;编程;数控技术

薄壁塑料零件是一类壁厚约1.0~2.5mm,结构相对复杂的塑料制品,通常由注塑工艺制得,在注塑成型过程中塑料熔体冷却固化时,由于材料的热胀冷缩以及塑料的高分子长链运动性减弱,宏观上表现为固化后材料尺寸变小,导致薄壁塑料制品产生翘曲变形的缺陷;此外,缺料、表面不平整、拉白、气孔、毛边等也是常见的缺陷类型;因此,相对于常规厚度的塑料制品,薄壁塑料零件的注塑加工过程更加复杂,对其模具的设计精度等要求也更高。数字化控制技术(NC)可以通过电脑编程程序控制机床的运行,使其按照预先编写好的程序进行机械加工,可以极大地提高加工精度、降低劳动强度、缩短产品生产周期,并能减少产品缺陷,提高产品合格率,是薄壁塑料零件注塑模具设计加工过程中常用的技术手段[1]。数控技术需要进行编程,通常有手工编程、自动编程和计算机辅助编程三种方法,其中计算机辅助编程主要借助于CAD、CAE、CAM技术,完成图像造型及自动编程,尤其适用于复杂零件的加工,操作简便易行,本文主要围绕计算机辅助编程的数控技术,对薄壁塑料零件注塑模具的设计和加工过程进行分析。

1计算机辅助编程的数控技术

NC技术中,计算机辅助编程手段可利用人机交互和图像形式实现更高效率的工作:CAD技术可协助工作人员完成图形设计,在设计过程中运用计算机的高速运算能力,将多种设计方案进行对比,选择最佳设计形式,计算机的海量存储能力可使多个设计方案并存,CAD的模块功能使绘图速度更快,由CAD软件得出的设计图纸准确度远高于手工图纸;CAE可以模拟整个注塑过程,将包括塑料熔体在模具型腔的填充、充填压力和温度、熔体冷却、浇口、加热和冷却系统的设置等的全过程用静态和动态图像的形式展示在计算机上,使设计人员更直观地看到模拟的全过程,并发现注塑制品缺陷,随时对模具的设计部位进行更改,减少缺陷的发生;CAM可利用CAD和/或CAE的模型,加上合适的连接程序,应用于数控加工机床进行辅助制造过程,大大提高编程的精度及效率[2]。对于复杂薄壁塑料零件的设计,一种软件通常难以得到较好的结果,将CAD、CAE和CAM联用,可实现数据共享,提高工作效率,降低错误的发生率。采用CAD/CAE/CAM编程系统时,首先应熟悉系统的功能和编程能力;其次要对加工的模具产品进行分析,确定加工方法:CAD软件得到三维模型;经过数据格式变换,可导入CAE模块,进行工程分析;随后数据导入至CAM模块中,CAM对其进行仿真分析和加工处理,可得到NC编码程序,对NC编码程序进行准确性检验后,即可控制机床的运行,操作流程如下图1所示,多模块相互联系,确保设计过程高精度运作,一旦发现问题,也能迅速解决。CAD也可单独与CAM联用,实现操作过程,常见的CAD/CAM软件有MasterCAM、Pro/ENGINEER等[3]。

2薄壁塑料零件注塑模具的设计

薄壁塑料零件由于壁厚较薄,薄壁部分用料少,需要选用流动性较好的原材料,还要结合产品的应用环境和强度要求等,常用的原材料有聚烯烃树脂、ABS树脂(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、尼龙等。聚烯烃树脂的来源广、价格低、熔点低,耐候性、流动性和稳定性好,其中聚乙烯、聚丙烯、共聚聚丙烯等是最常用的聚烯烃树脂种类。ABS树脂结合了丙烯腈、丁二烯、苯乙烯这三种单体的优异性能,尺寸稳定性和力学强度高,尤其适合薄壁塑料结构件的生产加工。尼龙的大分子长链中有酰胺键,具有一定的吸水性,且化学稳定性和力学性能优异,也易于加工,用纤维进行增强的尼龙材料力学强度、刚性可与某些金属材料相媲美,甚至可用作齿轮箱的原材料[4]。对薄壁塑料零件进行注塑模具设计时,首先分析塑料件的结构、尺寸和表面质量要求,据此可大致进行原材料的选择;然后根据塑料件的壁厚、圆角等分析模具结构的脱模斜度,减少脱模产生的缺陷。薄壁塑料零件在注塑成型时,易出现多种问题,这些问题通过改进模具的设计结构及成型工艺,能够得到一定程度的改善,具体如表1[5]所示。结合表1中给出的常见问题,可以有针对性地进行模具设计,避免缺陷的产生。

3数控加工技术在薄壁塑料零件注塑模具加工中的优势

数控加工技术在薄壁塑料零件的注塑模具加工中有着广泛的应用,主要有以下优势:第一,得到的模具产品性能好且稳定,计算机技术得到的编程程序通过数控技术实现对机床等设备的智能控制,计算机系统极大的存储能力和数据转换功能,可使得到的产品精度更高;第二,能够加工复杂结构的零件,依赖于人工操作制造模具产品,无法快速完成多曲线尤其是三维曲线的操作,而这些复杂曲线正是结构复杂零件中常见的,采用CAD绘图软件可快速实现三维作图,其放大、缩小和移动编辑功能可以轻松完成复杂的工作;第三,极大地提高了生产效率,数控技术可用计算机编程程序控制模具的加工过程,能够控制整个生产流程,调节生产工艺,短时间内完成大量工作,提高企业的生产效益[6]。

4数控技术在薄壁塑料零件注塑模具加工中的应用

采用计算机辅助编程的数控技术,可以针对薄壁塑料零件结构复杂的特点,快速准确地设计出模具,将计算机与数控机床联系起来,工艺操作和编程过程都在计算机上完成,设计人员只需要了解模具制造用刀具的种类和切削量选择的原则,在已编写完成的程序基础上设置相关的参数,输送至数控机床即可完成模具的加工;操作过程产生的数据都存储于计算机中,可随时回看,查找并修正不当之处。下图2给出了两种典型的薄壁塑料零件。

4.1小尺寸的薄壁塑料零件对于小尺寸的薄壁塑料零件,用CAD软件设计出该零件的三维结构模型,可以直接进行加工设计得到注塑模具的凸模,再通过CAE和CAM规划刀具的路径,同时CAM生成NC编码,进行模拟加工过程。对于小型注塑件如电话机的话筒,CAD得出凸模的结构后,利用MasterCAM软件操作界面上的加工功能再对凸模结构进行粗加工和精加工;最后输出NC代码,模拟后可得到效果图,操作过程工作量小,精度高,节省了大量的设计时间[7]。薄壁手机壳也是小型薄壁注塑件,采用CAD的Molddesign功能,在建立完模具结构后,可快速实现分型面的创建,还能够在该功能上建立浇注系统、顶出结构等,直接得到模具的型腔结构,操作十分简便[8]。模具的结构设计对小尺寸的薄壁塑料零件产品质量影响程度高于大尺寸零件,这是因为小尺寸零件的细小误差会在本身尺寸就较小的制品上较为明显地显示出来。CAD/CAE/CAM联用,并结合所选塑料原材料的具体性能,模拟注塑过程,发现问题,改正并优化,可得到最佳的浇口位置、浇注和冷却系统,可以设计出最优的注塑模具。用热塑性弹性体制成的薄壁防水垫片,制品易出现边缘翘曲和熔接痕等问题,采用Pro-E设计出模具的三维结构,利用Moldflow软件模拟注塑过程,分析熔体的流动过程,并结合正交试验方法,能够显著提高注塑产品的合格率[9]。电脑风扇盒外壳也是一类典型的小型薄壁注塑制品,选用ABS作为注塑用原材料,可得到表面光亮、力学性能稳定的产品;对注塑过程进行模流分析,在CAD平台上进行模具设计,随后对模具进行数控加工,数控加工的程序用UG得出,凸模和凹模分步骤进行加工,编制好数控程序,模拟加工模具的制备过程;模具的设计过程采用了CAE技术与有限元分析方法,研究了模具结构对注塑制品边缘翘曲的影响,优化了模具结构,获得了较好的结果[10]。

4.2较大尺寸的薄壁塑料零件尺寸较大的薄壁塑料零件在脱模时易出现问题,由于零件壁厚相对于零件长度和宽度更小,注塑后较薄的零件壁上更易出现尺寸上的缺陷,计算机辅助编程能够更精确地控制模具结构,减少缺陷的产生。家用轿车的天窗边框属于较大尺寸的薄壁塑料零件,实际应用中不暴露于外,因此外观要求较低,但装配精度要求高,在此基础上,利用Pro-E软件和Moldflow软件,设计分型面、浇注和冷却系统,可得到模具的总装配图,随后运用CAE模拟分析,结合正交试验,优化工艺参数,得到的注塑制品的翘曲变形量相比于未经过计算机辅助设计的注塑工艺下降了0.4mm以上,得到了很大的改善[11]。薄壁塑料零件注塑模具设计中,数控加工过程也应充分考虑注塑后得到的注塑制品质量,模拟注塑成型工艺过程、优化工艺参数,设计出更适合实际生产使用的模具。

5结论

薄壁塑料制品的结构复杂,对其注塑模具的要求更高,采用数控加工技术,尤其是运用了计算机辅助技术的数控加工手段,能够针对具体问题进行分析和解决,因此得到了广泛应用。CAD、CAE和CAM的联用,又增加了数控技术的加工精度和加工效率,无论是小尺寸还是大尺寸的薄壁塑料零件注塑模具,合理选择功能模块,结合理论分析,均能够优化模具结构,并给出最佳的注塑工艺参数,是模具生产加工和注塑生产中的有力工具。

参考文献

[1]袁丙魁.模具高速数控加工编程策略及方法研究[J].模具制造,2017,17(2):58-61.

[2]龙明海.计算机辅助与数控编程[J].商业故事,2016(28):4-9.

[3]苏瞧忠.薄壁塑料件注塑模具设计[J].工程塑料应用,2011,39(2):72-74.

[4]苏燕,梁武.CAD/CAE/CAM技术在塑料薄壁制品成型中应用[J].工程塑料应用,2016,44(10):143-146.

[5]刘国良.基于RPM技术、Moldex3D模流分析CAE在薄壁壳体件注塑模具制造技术的应用研究[D].北京:北方工业大学,2009:5-18.

[6]邱道权.塑料薄壁盖板智能化数控加工技术[J].科技与创新,2017(15):66-67.

[7]肖忠跃,罗良玲,李瑞,等.由薄壁类零件直接制造模具的自动编程的研究[J].智能制造,2005(7):31-33.

[8]马松柏.薄壁手机壳注塑模型腔CAD/CAM仿真加工与NC程序检验方法研究[J].制造业自动化,2014(13):41-43.

[9]程明科.薄壁防水垫片注塑模具设计与注塑成型CAE分析[D].西安:西京学院,2015:25-37.

[10]赖啸.基于CAE的薄壳注塑件成型模具的设计与研究[D].成都:西华大学,2014:28-39.

[11]王利涛.汽车薄壁注塑件模具设计与CAE应用研究[D].长春:吉林大学,2010:19-38.

作者:江灏源 张强 余雁波 单位:云南机电职业技术学院

塑料助剂杂志责任编辑:张雨    阅读:人次