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塑料注射成型過(guò)程的設(shè)計(jì)與仿真
機(jī)械與制造工程特拉馬來(lái)西亞，43400 UPM，Serdang，雪蘭莪、 馬來(lái)西亞
本文介紹了用于生產(chǎn)塑料產(chǎn)品的注塑模具的設(shè)計(jì)。把塑料模設(shè)計(jì)成兩種不同的部分，但是擁有相同的使用功能，其中一部分是凹模功能，另一部分則是凸模功能。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD)中，兩個(gè)塑料零部件使用 Pro-Engineer （Pro E） 參數(shù)化軟件繪出3維（3D）視圖。在計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)過(guò)程中，亦可利用 Pro-E 參數(shù)化軟件開(kāi)發(fā)加工程序，同時(shí)對(duì)于模具設(shè)計(jì)而言，在同一模架上，可利用可變的鑲塊生產(chǎn)出不同種類(lèi)的塑料產(chǎn)品。在操作注塑機(jī)和模具設(shè)計(jì)之前，利用Mold Flow或Part Advisor軟件，我們可以分析和模擬出最合適的注射部位、物質(zhì)的溫度和注射壓力，預(yù)測(cè)出熔接橫和氣泡的位置。.
關(guān)鍵字: 多變插入模具、注射壓力、氣泡，注射位置、模具設(shè)計(jì)
簡(jiǎn)介
當(dāng)今，工具和模具制造的塑料注射成型技術(shù)是世界上增長(zhǎng)最快的行業(yè)之一?，F(xiàn)在幾乎每個(gè)應(yīng)用都涉及到了塑料產(chǎn)品，從生活用品到太空旅行，從運(yùn)輸?shù)桨b，從醫(yī)學(xué)到玩具，從橋梁建設(shè)到體育運(yùn)動(dòng)，無(wú)不使用塑料產(chǎn)品。通常塑料注射成型是熔化的塑料材料在壓力作用下進(jìn)入到模腔，在冷卻或化學(xué)反應(yīng)的熱固性下實(shí)現(xiàn)所需形狀的過(guò)程。模具的設(shè)計(jì)與制造是一個(gè)高昂的消費(fèi)和高科技投入的過(guò)程，因?yàn)樗褂靡钥茖W(xué)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)輔助工程 (CAE) 軟件來(lái)分析和模擬塑件部分，其中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD) 軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜的塑料產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)輔助制造 (CAM) 為銑削或閂鎖編制的所要運(yùn)行的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制 (CNC)程序。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，導(dǎo)致了計(jì)算機(jī)的成本被人忽略，所以這種先進(jìn)和昂貴技術(shù)將會(huì)提高生產(chǎn)力和改善工藝性。因此，對(duì)于這個(gè)快速發(fā)展的新興行業(yè)來(lái)說(shuō)，確保新技術(shù)達(dá)到完善是很重要的。因此計(jì)算機(jī)輔助工程 (CAE) 是協(xié)助處理和計(jì)算注塑材料在注塑模內(nèi)部的流動(dòng)情況。
理論
如何注塑材料如何填充模具
注射成型過(guò)程可以畫(huà)分為三個(gè)階段：1.灌裝階段2.加壓階段3.補(bǔ)償階段
（1）灌裝階段
設(shè)計(jì)塑料零件的注射成型過(guò)程時(shí)，最需要掌握的是如何使塑料填充到模具中。在模具注射填充階段，熔融狀態(tài)下的塑料注入型腔內(nèi)直到腔內(nèi)填滿(mǎn)為止。隨著塑料流入腔內(nèi)，塑料與模具內(nèi)壁接觸迅速凝固，進(jìn)而在模具內(nèi)壁和融化的塑料之間產(chǎn)生凝固層
板 1 顯示塑料材料如何從后往前的擴(kuò)展和流動(dòng)，在流動(dòng)的前沿與模具接觸后凝固。冷凍層中的分子因此沒(méi)有高度的導(dǎo)向，一旦被凝固，方向不會(huì)改變。板1：
板1塑料在模具內(nèi)部的流動(dòng)
紅色箭頭顯示熔化了的塑料的流動(dòng)方向，模具中暗藍(lán)色的層則顯示塑料的凝固層。綠色箭頭表示模具內(nèi)的熱量沿聚合物熔體的流動(dòng)方向。
融化狀態(tài)下的塑料在經(jīng)過(guò)凝固層吸收部分熱量后，填充到模具內(nèi)。當(dāng)冷凍層達(dá)到一定厚度時(shí)，腔內(nèi)出現(xiàn)平衡，這通常發(fā)生在注塑過(guò)程早期的十幾秒后。
（2）加壓階段
在灌裝階段完全填充型腔后，進(jìn)入加壓階段。在此階段，所有路徑將都被融化的塑料所填充，但是腔內(nèi)填充區(qū)域的邊緣和角落可能沒(méi)有填充到。為了實(shí)現(xiàn)完全填充，在加壓階段需要向模具內(nèi)注入額外的塑料。
板 2 顯示灌裝階段 （左圖） 的結(jié)束和加壓階段 （右圖像） 結(jié)束之間的差異。注意未填充的角（藍(lán)色的圓圈），將一直保留到灌裝階段的結(jié)束。黃色的圓錐指示聚合物注射位置，塑料是紅色的。
板2填充和加壓階段的差別
FillinR Phase：填充階段
Pressurization Phase：加壓階段
（3）補(bǔ)償階段
塑料材料具有較高的體積收縮率，塑料從熔融狀態(tài)到固體，它的收縮率平均為25%。因此加壓階段之后，必須將更多的材料注入腔來(lái)彌補(bǔ)收縮后凝固的塑料，這是補(bǔ)償性階段 。
模具基礎(chǔ)制造
模具設(shè)計(jì)和制造是注塑系統(tǒng)最重要的過(guò)程。這是因?yàn)槟＞叩脑O(shè)計(jì)與制造對(duì)于生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量有著巨大的影響?；旧夏＞呔哂袃蓚€(gè)功能。第一使聚合物形成所需的形狀；第二冷卻注塑成型零件。模具，包含一個(gè)或多個(gè)腔，由兩個(gè)基本部分組成：
?注入塑料的固定模具
? 關(guān)閉或者噴射的一面，分離的兩個(gè)模具是稱(chēng)為分型線
模具將決定產(chǎn)品的最終屬性，如大小、 形狀、 尺寸和加工表面。通常情況下，模具配合注射機(jī)缸噴嘴將融化的塑料材料填充到型腔稱(chēng)為澆口到腔。表1分別是模具組件和功能的摘要列表。
模具設(shè)計(jì)
要啟動(dòng)一個(gè)新的模具設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)、材料使用、 材料、 型腔的數(shù)目正確收縮和模具基地的選擇等做進(jìn)一步設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)者應(yīng)該了解一些重要點(diǎn)，以避免產(chǎn)生一些錯(cuò)誤，另外犯了錯(cuò)誤可以導(dǎo)致不合格的模具，在最終的裝配，以及制作出來(lái)的塑料產(chǎn)品超出了公差而被客戶(hù)所拒絕。
模流分析軟件5 板顯示實(shí)體模型的澆口位置在模具的頂部，黃色圓錐形狀顯示在此分析中的位置。
在注射和自動(dòng)成型過(guò)程中，澆口作為鑄造零件的一部分，允許熔融狀態(tài)下的材料流動(dòng)，從注入口到模腔，澆口一般都是相同的大小和形狀，但通常是要小得多。最合適的澆口，對(duì)于填充率應(yīng)該足夠大，對(duì)于密封和防止回流應(yīng)該盡可能小。
產(chǎn)品模擬結(jié)果
在模擬過(guò)程開(kāi)始之前，材料供應(yīng)商和材料牌號(hào)必須設(shè)置和選擇，通常情況下，在模中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中已有數(shù)據(jù)，用戶(hù)只須根據(jù)需求選擇具體材料規(guī)格。下圖顯示了材料這一分析：
Material Grade：材料牌號(hào)
Mould Temperature：模具溫度
Melt Temperature：熔體溫度
Max Injection Pressure：最大注射壓力
填充的時(shí)間
填充時(shí)間是填滿(mǎn)腔內(nèi)部分所需的時(shí)間，它也是顯示了塑料材料如何填充模具的流動(dòng)，從這點(diǎn)我們也可以了解到短時(shí)間內(nèi)部分不被填充的的模型部分，從這一結(jié)果也可以了解到熔接橫和氣泡的產(chǎn)生。6 板顯示材料填充入模具的情況
（材料百分之百填充模具）
填充的程度
填充程度的結(jié)果顯示該區(qū)域與腔內(nèi)的空隙。這一結(jié)果是由壓力和溫度所致的結(jié)果。填充程度會(huì)顯示三種顏色： 綠色、 黃色、 紅色和半透明。綠色顯示肯定會(huì)填充、 黃色表示可能很難填補(bǔ)或可能有質(zhì)量問(wèn)題，紅色將是很難填補(bǔ)或?qū)⒂匈|(zhì)量問(wèn)題，半透明則表示不會(huì)填充。
如果未能填充型腔，可能是設(shè)計(jì)澆口位置的原因，則必須進(jìn)一步的更改塑料或工藝條件的選擇。然而，要確保已完成的部分是質(zhì)量好，腔內(nèi)還必須充分地裝入塑料。7 板顯示在此分析中填充的程度。
注射壓力
模型的每點(diǎn)上的顏色上表示模型上該點(diǎn)的壓力，紅色顯示為最高壓力，綠色則表示最低壓力。而一點(diǎn)的壓力則是注射壓力和壓力降結(jié)合的結(jié)果。例如，即使某一部分具有可接受的壓降，實(shí)際注射壓力在同一地區(qū)可能太高，高注射可引起超緊密堆積作用，為了減少這種情況發(fā)生的可能，請(qǐng)按照下列步驟：1.增加最大注射壓力2.改變聚合物注射位置3.改變零件形狀4.選擇不同的材料
板 8 是從 0 MPa 至47.02MPa注射壓力的顯示結(jié)果
氣泡
10 板分析后顯示產(chǎn)生氣泡結(jié)果，顯示小藍(lán)色表示氣泡的分布情況。分析結(jié)果顯示各區(qū)，至少兩個(gè)材料流向匯聚的地方最終產(chǎn)生氣泡，使塑件變的不合格，若要防止材料流經(jīng)的匯合產(chǎn)生氣泡，可通過(guò)以下兩種平衡路徑：
1.使用導(dǎo)流板
2.改變模具型腔壁的厚度
3.改變聚合物注射的位置
模具的開(kāi)發(fā)
做完所有產(chǎn)品模擬實(shí)驗(yàn)之后，依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的結(jié)果設(shè)計(jì)模具。使用一個(gè)模具架來(lái)生產(chǎn)兩種不同塑料部件，這是因?yàn)閹缀?0%的塑料產(chǎn)品形狀是相似的，所以在這種情況下使用可變的鑲塊，而核心鑲塊將作為永久的鑲塊。
模具基本尺寸
對(duì)于本項(xiàng)目，模具采用三板類(lèi)型系統(tǒng)精確澆注，基模的大小是與 FCI 類(lèi)型，A 板尺寸 100 毫米，B板 250 毫米 × 250， 軋機(jī)70 毫米，分隔塊和卸料版的大小尺寸為 100 毫米。卸料板的功能是使塑件和澆筑塑料之間分開(kāi)，形成合格的產(chǎn)品。從澆口到腔，此模架每次注射一腔熔融的塑料材料，冷卻后，冷卻凝固后的塑料部件和模具通過(guò)使用肩式推桿彈出。
冷卻系統(tǒng) （水通道）
水通道是用來(lái)控制模具表面溫度和冷卻熔融的塑料材料成為剛性的塑件。對(duì)于本項(xiàng)設(shè)計(jì)水通道被設(shè)計(jì)成穿過(guò)模具腔的長(zhǎng)度和滑塊，同時(shí)垂直于模具。圖下板顯示插入模具的流水通道：
Chiller water out：出水口 Chiller water in：進(jìn)水口
澆注系統(tǒng)
澆注口是澆注系統(tǒng)和零件之間的連接，它必須允許足夠的材料流進(jìn)填充模具，同時(shí)還要克服材料的熱塑性和收縮。在此項(xiàng)目，使用針點(diǎn)澆口，當(dāng)模具澆注完成打開(kāi)后，產(chǎn)生合格的塑料產(chǎn)品，下圖為針點(diǎn)澆口系統(tǒng)：
完成模具裝配
Top Clamp Plate：釘夾板 Stripper plate：卸料版
Slider：滑塊 Spacer Block：間隔塊
Bottom Clamp plate：底部夾緊塊 Ring：鎖緊閥
Sprue：澆口 Support pin：支撐桿
Cavity Insert：型腔嵌 Return Pin：復(fù)位桿
Spring：彈簧 Ejector Return Plate：引射器返回板
CAD/CAM 模具設(shè)計(jì)
在塑膠行業(yè)中，CAD/CAM 的出現(xiàn)有望成為本世紀(jì)的最重要的科技進(jìn)步之一。
CAD/CAM的使用，使模具設(shè)計(jì)者可以在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出出色和可多次利用的模具，而不是在做重復(fù)性模具設(shè)計(jì)的任務(wù)。
CAD/CAM 的優(yōu)點(diǎn)
CAD/CAM 模具設(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)是：
a) CAD/CAM 技術(shù)通常用于數(shù)控加工技術(shù)制造模具，同時(shí)還能夠自動(dòng)生成產(chǎn)品模型中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
b）CAD/CAM 可以幫助設(shè)計(jì)人員加速塑料零件及模具設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期。
c） CAD/CAM 模具制造的重復(fù)性以及在日常任務(wù)中的使用，有助提高那些熟練掌握模具制造商的工作滿(mǎn)意度。
d） 用戶(hù)易于重新定義零件幾何 ；這意味著它可以提高質(zhì)量，減少模具設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。
模具設(shè)計(jì)中 CAD/CAM 及方法的應(yīng)用
在此項(xiàng)目中，采用 了CAD/CAM 軟件的類(lèi)型是Pro/Engineer 2000i。Pro/Moldesign是對(duì)于Pro/ Engineer模具制造環(huán)境的擴(kuò)展，它涵蓋了產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)的各方面，例如：模板、澆注系統(tǒng) 、分型面、 頂桿孔、 收縮，以及數(shù)百種的其他功能。同時(shí)Prof C and Pro/MFG是Pro/Engineer到CNC制造的擴(kuò)展，它廣泛的涵蓋了從3到5 軸銑削、2和4 軸線切割、車(chē)削、 激光、火焰等。設(shè)計(jì)完之后所有的模具，Pro/NC 和 Pro/MFG將發(fā)揮重要作用，在生產(chǎn)過(guò)程中將會(huì)生成所需的詳細(xì)NC刀具路徑以及實(shí)際的模具。同時(shí)在三維模型中完成的產(chǎn)品CNC刀具路徑存入模型數(shù)據(jù)庫(kù)中。例如，從制造、 模具設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)提取核心鑲塊和想要做的一些制造模具數(shù)據(jù)。在啟動(dòng) CAD /CAM之前，一些重要的特性必須考慮像進(jìn)給率、 主軸轉(zhuǎn)速、 步深度、 磨、 柱塞速度、 坐標(biāo)系統(tǒng)、 材料和使用哪種類(lèi)型的立銑刀的工具。若要啟動(dòng) CAD/CAM，第一必須要決定工作的維度，然后設(shè)置工件的坐標(biāo)系統(tǒng)。工作片坐標(biāo)必須與數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)設(shè)置相同。錯(cuò)誤的設(shè)置會(huì)導(dǎo)致機(jī)器與工件的崩潰。
討論和結(jié)論
使用來(lái)源于Pro/ENGINER中的 pro/Moldesign、Pro/MFG和 Pro/NC用于模具設(shè)計(jì)和制造，在模具制作行業(yè)中，精度和公差是重要的問(wèn)題 ，因此使用 CAD/CAM 將提高和優(yōu)化模具設(shè)計(jì)和減少制造中的錯(cuò)誤。
從分析模擬中得出足夠的信息，例如填充時(shí)間、注射壓力、壓力降等，用戶(hù)可以避免在實(shí)際操作過(guò)程中產(chǎn)生的例如氣泡等塑件缺陷。同時(shí)分析還將幫助模具設(shè)計(jì)者通過(guò)較小的改動(dòng)設(shè)計(jì)出更好的模具，減少模具安裝時(shí)間。因此分析和仿真，它將幫助減少模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的時(shí)間和成本。
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