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研究论文
特尔纳瓦材料科学与技术学院
布拉迪斯拉发斯洛伐克理工大学
10.1515 / RPUT20160034 2016年第24卷，第38号
CAX辅助注射模的设计与生产
卢克·亚什利加夫坎、马丁·弗莱奇、鲁道夫·扎尤耶克、卢克·亚什色丁，马罗什·马丁科维奇
布拉迪斯拉发斯洛伐克理工大学，特尔纳瓦材料科学与技术学院，生产技术研究所
地址：ULICA JAacute;NA BOTTU 2781/25, 917 24 TRNAVA, SLOVAK REPUBLIC
电子邮件:卢卡斯·利加夫坎@斯图巴斯克，马丁·弗伦蒂克@斯图巴斯克，鲁道夫·扎尤耶克@斯图巴斯克，卢卡斯·缎@斯图巴斯克，马罗斯·马丁科维奇@斯图巴斯克
摘要
本文重点介绍了利用三维CAD系统设计所需塑料部件和注塑模具的过程。随后对注塑过程进行了有限元分析，以便通过CAE系统确定塑料材料的收缩和变形。然后修改模具的尺寸以补偿收缩效应。模具的加工过程(铣削和激光纹理化)是使用CAM系统进行的。最后，在通过注塑技术生产塑料部件后，CAQ对塑料部件尺寸进行检查，以确定整个CAX链的精度。还证明了CAX系统是预生产和生产过程的一个组成部分。
关键字
注塑模具、有限元分析、CAD模型、CAM加工、CAQ检查
介绍
现在的CAD系统相当复杂，包括了组成部件设计所需的所有操作，如建模操作，执行各种工程计算和分析，能够编制完全数字化的技术文档，最终能够可视化单个组件甚至程序集，这些系统全面处理组件的整个开发设计阶段。如今，不同类型的CAD软件存在显著差异。CAD软件可以简单地分为几类：第一组包括小型2D建模器，它最大的好处是成本低。中间CAD软件(即AutoCAD )可以放入第二组中。最后一类是大型CAD系统，它使用一系列模块：最新的集成建模以及成像和信息技术，以实现部件的整个设计和生产过程。（1）
计算机辅助已经广泛应用于注射塑料部件的设计和注射模具形状的相关设计领域。CAD系统能够在很短的时间内设计出一个部件形状，在下一步生成它的外壳，最后通过从外壳中减去部件形状的函数来获得注塑模具的形状。借助CAD软件设计组件和通过CAM软件生产组件具有一些优势，因为这些过程在计算机中会受到各种分析检验：
- 在CAD系统中，未来部件的模型首次被可视化，然后可以评估部件表面和形状的质量。可以通过选择使用基本布尔运算，如几何体的加、减或交集等，来实现实体建模的简单性。
- 通过使用曲率分析，可以很容易地评估哪个切削刀具应该用于给定表面的加工。这在模具型腔的生产中很重要，尤其是当模具对零件模型形状产生负面影响时。
- 为了确定是否可以用常规方法加工型腔，必须对型腔进行分析。还应检查刀具是否能达到所需深度，以及刀具是否能用于加工所需形状。有时会出现这样的情况，即某些表面不能仅通过传统方法加工。然后，通过常规方法和EDM (放电加工)工艺的结合来加工模腔。（2）
当前机器中使用的注射模具是一种在技术上很复杂的设备。他们对产品的质量、生产率、可靠性和自动化提出了更高的要求。从方法论的角度来看，注射模具可以分为两个部分。第一段是成型的模具型腔。它是一个中空的空间，在注射过程中，在高温高压下充满熔融塑料。塑料材料随后固化成最终部件的形状和尺寸。模具型腔往往结构非常多样，设计受到最终产品的功能、形状和外观的影响。第二部分是模具结构的定制设计，它通常具有显著的相似性要素。（3）
本文描述了最简单、最精确的注塑模具的制造，并展示了CAX软件在设计工程活动中的重要性。利用Delcam Powershape的CAD软件，建立了模具的三维模型。数字工具模型是通过CSG方法(构造实体几何)使用基本几何元素形成的。建模方法的简单性在于使用基本的布尔运算，例如加法、减法或交集。该块被选为模型的基本对象，并通过添加或减去基本数学对象逐渐修改为所需的形状。设计的工具模型必须满足放置在注射模具上的所有构造原则，以便最终生产的工具能够正确地完成其功能。以下几页描述了通过注射模具技术在以下步骤中生产部件的过程:生成部件的CAD模型、注射过程的有限元分析、生成工具的CAD模型、工具的生产和部件的生产。
从几个方面给出了注塑模工具的多样性（图1）。例如，必须考虑产品的精度和特性、注塑机的尺寸和容量、所需产品的数量和机器的经济性。为了实现最佳的工具多样性，应该考虑折衷所有这些要求。在这种情况下， 注射模由四个腔（一个腔对应一个产品）制成。
注塑成型过程的有限元分析
在设计了所需形状和尺寸的部件以及整个浇注系统(浇口、浇道和浇道)后，对该工艺进行了有限元分析。分析提供了关于模具型腔填充过程的信息和关于塑性材料收缩的信息。不同的塑料材料可用于生产所需的部件。对于已生产的零部件，不需要获得较高的机械强度，而只需要较低的生产成本。玻璃纤维增强的聚合物不适合其耐磨性。因此，部件将由聚烯烃材料制成。它的低粘度可以很好地填充空腔的体积；然而，它们的特征是半结晶结构。因此，在模具设计过程中，必须考虑材料的收缩效应。
图1带有浇口和流道的注塑模具中部件的定位 图2啮合过程后的样品
注塑过程的有限元计算分析需要模型的网格化(图2 )。样品网格由208 671个元素组成。四面体被选为基本元素形状。一个四面体单元的边长约为0.5 mm。这些单元由38576个节点绑定。
选择熔融温度约为290℃的PP (聚丙烯)作为塑料材料。材料的粘度取决于生产过程中使用的剪切速率和注射温度等参数。较低的温度和较低的剪切速率意味着材料的较高粘度(图3 )。塑料材料的具体体积取决于使用的工艺压力和温度(该功能如图4所示)。对于PP材料(如其他半结晶聚合物)，当结晶区域分解时，主转变发生在Tm。这种转变在图4中被标记。
图3所用聚丙烯的粘度-剪切速率图 图4所用聚丙烯的P-V-T图
在有限元模拟中，采用的工艺参数与注塑机生产过程中采用的工艺参数相同。生产过程中使用的注射参数如下：注射压力6 MPa，注射时间2.5 s，保压压力4 MPa，冷却时间10 s。
注塑成型工艺参数的选择在很大程度上受到可在注塑机上设置的参数范围的限制，此外，工艺参数还受到所选塑料材料性能的影响。这些范围被放入有限元模拟中，有限元模拟随后确定了注塑工艺的最佳参数。这些参数因此被用于部件的生产。
有限元模拟显示，为了实现部件的原始尺寸，注射模腔必须扩大，这是由于塑料材料的收缩。因此，闸门中心和部件远边缘之间的距离增加了 0.9108 mm (图5 )。
图5部件的总收缩率
当熔融塑料材料由于注射的高速而不能到达并填充整个空腔时，就会产生喷射效应。结果，熔融塑料材料在注射部件( 4 )的表面上显示出一些波状褶皱的状态下固化。为了避免这种影响，熔融材料被引导到两个边缘，然后部件空腔的填充被初始化( 5 )，(图6 )。为了分析注射腔的填充过程，进行了有限元模拟(图7 )。
图6在有限元模拟期间将部件填充到空腔浇口中
图7在过程的中间阶段(填充时间)填充部件
模拟结果表明，没有观察到不良的喷射效果。原因是模具的型腔设计成的注塑浇口和每个部件上的边缘位置不对称。在填充模具型腔期间，熔融塑料材料进入浇口并撞击型腔的上缘，随后撞击下缘，然后逐渐填充剩余的空间(图6 )。这种设计防止了喷射效应，甚至确保了空腔的完全填充。
仿真表明，在注塑模具的尺寸修改和生产之后，有可能启动生产过程，因为正确地提出了注塑工艺参数。
注射模的生产
图8注塑模具CAD模型
注塑模具的最终模型(图8 )被输出到名为Power MILL 2016的CAM软件中去，其中CL数据是通过铣削技术为所提议的注塑模具加工生成的。图9描绘了使用的加工策略之一的示例(粗加工模型)。模具的制造使用高速5轴铣床HSC 105线性DMG (图10 )进行。模具由AW 6082材料加工而成。
图9 CAM软件中的模具型腔粗加工 图10在数控铣床DMG HSC 105中制造线性模具
在模腔的铣削过程之后，刀具被移动到一个名为Laser TEC 80 Shape的5轴激光加工中心，以完成最终的形状。机器(图11a )配备了波长为1064 nm的纳秒脉冲光纤Nd:YAG激光器。它被用来在注塑模具的型腔中生产学院( MTF )和学院( UVTE )标志。
图11激光加工工艺
a )夹紧在激光机器内部的注射模具 b )烧蚀过程后的状态
激光束参数被优化，从而实现了每层5mu;m的切割深度。激光束跟踪距离参数(激光束在工件表面上的两条平行路径之间的距离)被设置为5mu;m。产生的标志的总深度被设置为0.5mm (每个标志100层)。
加工程序的准备工作包括将给定的标志（采用*.bmp格式，无颜色信息）导入CAM软件lpswin。输入所有必要的参数(凹陷的总深度、层厚度和轨迹距离)后，为所有类型的标志生成. L4D格式的加工程序。图12表示在为每种类型的徽章产生的烧蚀过程中激光束移动的轨迹。随后，将注射模具夹紧在激光加工机的钳口虎钳中，并开始微加工过程。
图12 LPSwin软件产生的激光束轨迹
注射模具的最终形状如图11b所示。通过上述加工工艺制造的工具现在已经准备好进行第一次真正的注射测试。
部件的生产和尺寸检查
为了实现塑料部件的实际生产，采用了一种叫做Babyplast6/10P的卧式注塑机，工艺参数如上所述。
表1 CAD模型与塑料部件和注塑模具的尺寸比较
|
参数 |
值（mm） |
尺寸变化 |
|||
|
CAD模型 |
注射模具 |
零件 |
CAD/注射模具 |
CAD/零件 |
|
|
直径 |
24.0 |
23.985plusmn;0.009 |
23.32plusmn;0.014 |
-0.06 % |
-2.83 % |
|
厚度 |
24.0 |
2.390plusmn;0.003 |
2.357plusmn;0.021 |
-0.42 % |
-1.79 % |
随后，用数字卡尺测量三个选定塑料部件(直径和厚度)和选定空腔的尺寸三次，以确定部件尺寸与其CAD模型相比的百分比变化。这些发现见表1。从图中可以看出，部件的直径小于CAD模型的直径，两者之差为-2.83 %。这种相似性也可以在厚度值中找到，因为与CAD模型厚度相比，元件厚度的差异为-1.79 %。这种尺寸变化是由塑料材料在模具型腔中凝固时的收缩效应引起的。比较CAD模型腔与实际注塑模腔的尺寸变化表明，这些差异可以忽略不计，因此可以说注射模工具的制造具有较高的尺寸精度和形状精度。图13真实塑料部件的生产周期
通过在实际注射过程中的测试，提出了正确的注射模制过程(工具腔的形状和尺寸以及生产过程参数) (图13 )，这也通过有限元模拟得到证实。部件按要求的形状和尺寸生产，没有变形或材料缺陷。同时也证明了CAD/CAM和FEM软件是预生产和生产过程中不可或缺的一部分。
图14徽章的真实深度( UVTE )
为了验证注塑模具的尺寸精度，并随后验证塑料部件的尺寸精度，使用Surfcom5000的测量设备进行了尺寸检查。轮廓尺寸(模具和塑料部件)的获得结果如图14所示。测量在两个横截面中进行，如图13所示。
图15 CAD模型、模具和部件测量轮廓的图形比较
从图15中可以看出，轮廓的最大尺寸差异在CAD模型(代表0.5毫米轮廓深度的参考值)和激光微加工产生的凹槽之间，差值等于20 %。这种差异可以通过优化激光束参数来避免。塑件生产相对精确，模具型面与零件型面的尺寸差为3.7%。
结论
本文所述的研究目的是根据CAD-CAE-CAM-CAQ系统领域的最新知识，设计和制造用于生产塑料部件的注射模具。在注塑模具的设计过程中，必须尊重模具成功使用的所有规则和原则。设计中最重要的元素是分型面的位置的正确性。在这种情况下，分型面平行于产品的顶部边缘放置。注塑模具设计的下一步是选择多种工具，设计一个顶出系统和一个进气系统以及其他元件。在Powershape软件中对塑料零件和注塑模具进行了三维设计，并利用Powermill软件编制了该工具生产所需的数控代码。
研究表明，由于使用半结晶聚丙烯作为部件材料，塑料部件和模具型腔的尺寸变化是由塑料材料的收缩效应引起的。结晶相的形成对塑性材料的收缩影响最大。宜采用无定形塑料材料，如ABS，以避免材料收缩的影响。
致谢
这篇文章是在欧盟结构基金ITMS 26220120013项目“五轴加工卓越中心”中撰写的
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资料编号：[446128]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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