保溫水瓶瓶蓋塑料件注射模設(shè)計【瓶蓋的注塑成型工藝分析及模具設(shè)計】【一模兩腔】【側(cè)抽芯】【說明書+CAD+UG】

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Deniz ?zde Koca Yildiz Tecnical大學(xué)機械工程系,內(nèi)燃發(fā)動機實驗室,土耳其 模具簡介 模具型腔可賦予制品其形狀，因此在塑料加工過程中模具處于非常重要的地位，這使得模具對于產(chǎn)品最終質(zhì)量的影響與塑化機構(gòu)和其他成型設(shè)備的部件一樣關(guān)鍵，有時甚至更重要。 模具材料 根據(jù)成型方法和模具使用周期（即要生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量）的不同，塑料成型模具要滿足不同的需求，模具可以由多種材料制成，甚至于可以使比較特殊的材料如紙張和石膏。然而，由于大多數(shù)成型過程需要高壓，通常還有高溫條件限制，金屬迄今為止時最重要的材料，其中剛才居首位。很多時候，模具材料的選擇不僅關(guān)系到性能和最佳性價比，還影響到模具的加工方法，甚至是整體設(shè)計。 典型的例子是金屬鑄造模具的材料選擇，與機械加工模具相比，不同材料的金屬鑄造模具冷卻系統(tǒng)存在很大的差異。另外，不同的制造方法也會對材料的選擇產(chǎn)生影生產(chǎn)，原型模具的制造常常采用一些新技術(shù)，如計算機輔助設(shè)計和計算機集成制造，將固體毛配制成原型模具。與以前以模型為基礎(chǔ)的方法相比，用CAD和CIMS方法會更經(jīng)濟，這是因為這類模具廠家自身就能制作，而用其他技術(shù)，只能由外面的供應(yīng)商來加工生產(chǎn)。 總之，雖然模具生產(chǎn)中經(jīng)常會用到一些高性能材料，但用得最多的仍然是那些常規(guī)材料。像陶瓷這類高性能材料幾乎不能用于模具制造，這可能是因為其優(yōu)點（如高溫下性能不會改變）在模具中并不需要，相反，像燒結(jié)類陶瓷材料，具有低抗張強度和熱傳遞性差的缺點，在模具中也只有少量應(yīng)用。這里所用的零件不是采用粉末冶金和熱等壓工藝生產(chǎn)，而是指燒結(jié)成的多空、透氣性零件。 在很多成型方法中，都必須將行腔中的氣體排出去，人們已經(jīng)多次嘗試使用多孔金屬材料排氣。與專門設(shè)置的排氣裝置相比，其優(yōu)點是顯而易見的，尤其是在熔料前鋒處如有熔接線的地方，這里是最容易出現(xiàn)問題的區(qū)域：一方面能防止在制品表面有明顯的熔接線，還能避免溢流料等殘余物堵塞微孔。采用這類材料制造模具時，在設(shè)計和成型工藝上都會出現(xiàn)新的問題。 A．設(shè)計原則 模具設(shè)計的原則很多，這些原則都是基于邏輯、以往經(jīng)驗、加工的方便性和經(jīng)濟性考慮，在設(shè)計、模具制造和模塑成型過程遵守這些規(guī)則是很有用的，但有時，忽略某一原則而遵守另一原則往往會更好些。本文將介紹最常用的設(shè)計原則，但設(shè)計人員只有從實踐經(jīng)驗中才能有所收獲。設(shè)計者應(yīng)隨時關(guān)注與這些設(shè)計原則有關(guān)的新觀點、模塑方法、材料。 B．模具基礎(chǔ) 1．模腔 模腔指的是通過機加工在模具材料內(nèi)部挖出的空間，以供模塑材料，即塑料填充，并獲取該空間形狀得到需要的制品。模具的歷史幾乎與人類文明一樣悠久，通過在沙型這類的模具中注入液體金屬如鐵、青銅，生產(chǎn)出工具、武器、鐘、塑像和廚房用具，如今在鑄造廠仍使用這類模具，為了取出固化后的制品，需要將模具打碎，因此這種模具只能用一次，我們一直在尋求可以反復(fù)使用的永久模具，現(xiàn)在可以用堅固耐用的材料如鋼材、軟質(zhì)鋁及其他合金材料生產(chǎn)模具，當(dāng)生產(chǎn)量不是很大、模具壽命要求不是很高時，甚至可以用某些塑料制品模具。注塑生產(chǎn)時，熔料以高壓注入型腔，因此就需要模具足夠結(jié)實以抵御變形。 2．型腔數(shù)量 多數(shù)模具，尤其生產(chǎn)大型制品的模具多為單腔模，但是大批量生產(chǎn)時的模具，會有兩個或更多型腔，這純粹是出于經(jīng)濟考慮。注射多型腔的時間并不比單腔模多，例如四腔模注射一個產(chǎn)品的時間大約僅是單腔模的1/4，而產(chǎn)量卻與型腔數(shù)成正比。多腔模比單腔模貴，并不是說要貴四倍，但需要帶有大模板和鎖模能力的注塑機，而且該例所需總的塑料量是單腔模的四倍，需要有較大的注射裝置，較大設(shè)備的單位成本要比用小型模具的設(shè)備高。目前多型腔模大多選擇2、4、6、8、12、16、24、32、48、64、96、128這樣的數(shù)字。選擇這些數(shù)字（偶數(shù)）的原因是為了方便在長方形區(qū)域內(nèi)布置型腔，這樣有利于設(shè)計、定尺寸以方便加工制造，也有利于圍繞機器中心對稱分布型腔，這種對稱分布對保證每個型腔分配到相同的鎖模力非常重要。也可以在圓形范圍內(nèi)設(shè)置較少量的型腔數(shù)，甚至于是3，5，7，9這樣的奇數(shù)，還可用任意型腔數(shù)排布，但要注意圍繞注塑機中心線投影面積對稱分布。 3．型腔形狀及收縮 型腔形狀實際上是塑件形狀的“反”形狀。尺寸需要家上塑料的收縮量。型腔形狀可以用切削設(shè)備或電火花、化學(xué)腐蝕及任何新型加工方法進行加工和制造，如電鍍工藝，也可以將銅或鋅基合金澆鑄到具有制品形狀的石膏模或硬塑料模如環(huán)氧樹脂中，再機加工成規(guī)定形狀。型腔可以直接在模板上切挖出來，也可做成嵌件攘入模板中。 C．型腔和型芯 通常模具的凹部叫型腔，與之相配的凸起部分叫型芯。大多塑料制品是杯狀的，這并不是它們看起來像水杯，而是有內(nèi)外兩面，其外部由型腔成型，內(nèi)部由型芯制得。另一種是平板狀制品，模具沒有明顯的凸起，型腔有時看起來像鏡面，這類制品有塑料小刀、游戲籌碼、圓片狀制品如唱片，產(chǎn)品外表看起來很簡單，但注塑成型時卻有很多嚴(yán)重問題出現(xiàn)。通常將型腔設(shè)置在注塑一側(cè)的半模上，而將型芯設(shè)置在動模一側(cè)。這樣放的原因是所有注塑機在動模側(cè)都設(shè)置有頂出機構(gòu)，而且制品通常易于收縮并包覆在型芯上，隨后被頂出。絕大多數(shù)注塑機在注射側(cè)不安置頂出機構(gòu)。 聚合物成型過程 聚合物成型加工是將固體 (有時是液體狀) 粉末、粒狀、珠粒等形狀的樹脂轉(zhuǎn)變成具有一定形狀、尺寸和性能的固體塑料制品，通常包括：擠出、模塑、壓延、涂布、熱成型等。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，成型過程通常包括一下步驟：國體物料輸送、壓縮、加熱、熔融、混合、成型、冷卻、固化、修飾。很顯然，這些操作不一定順序完成，其中有一些是同時進行的。 為了賦予塑料材料規(guī)定的幾何形狀和尺寸，需要通過成型加工來完成。還要綜合考慮黏彈性形變和若傳遞，他們和溶體的固化有關(guān)。 成型加工包括下述兩種方式：二維成型如口模成型、壓延和涂布；三維成型。二維成型既包括連續(xù)穩(wěn)定的操作也包括間歇式操作，連續(xù)式如薄膜和片材擠出、線纜包裹、紙張和片材涂布、壓延、纖維紡絲、管材和異型材基礎(chǔ)等，間歇式操作如擠出吹塑成型。通常，模塑成型是間歇式的，所以工作條件有時會不穩(wěn)定。熱成型、真空成型及其他類似方法?？梢员豢醋魇菍σ延械亩渭庸ぃ缭诖邓艹尚椭?，就包括預(yù)成型（型胚的生成）和二次成型（型胚的吹脹）兩部分。 成型過程中既有同步的液體流動和熱傳遞，也有交錯的流動和熱傳遞。在二維成型過程中，一般成型后再接著固化，而在三維成型時，固化和成型往往在模具內(nèi)同時進行。根據(jù)材料的性質(zhì)、設(shè)備和成型條件，結(jié)合流動面的情況（自由與否），流動通常包括剪切、拉伸及壓縮流動（國內(nèi)一般將流動形式只分為剪切和拉伸流動）。聚合物流動和固化時的熱力學(xué)－機械性能決定了制品的微觀結(jié)構(gòu)變化如形態(tài)、結(jié)晶度和取向分布等，制品的最終性能與期微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，只有了解樹脂性能、設(shè)備、操作條件、熱力學(xué)－力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)和制品最終性能之間的相互作用，才能更好的實現(xiàn)生產(chǎn)過程和制品的質(zhì)量控制。已經(jīng)運用數(shù)學(xué)模型和計算機模擬來研究它們之間的相互作用，鑒于CAD/CAM/CAE系統(tǒng)在塑料成型中應(yīng)用越來越廣泛，此種研究思路也越來越重要。 注塑成型 將粒狀、粉末及液體塑料轉(zhuǎn)變?yōu)橹破酚泻芏喾N方法，塑料材料處于可模塑狀態(tài)并可適用于多種成型方法。大多數(shù)情況下，熱塑性材料可以用某些方法成型，而熱固性材料需要用其他方法。這是因為熱塑性材料加熱后會軟化，冷卻前可被重塑，而熱固性材料在加工前未聚合，成型過程中會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種反應(yīng)通常是在熱、催化劑或壓力的作用下完成的，在進行塑料加工研究和應(yīng)用時，了解這一點尤為重要。 注塑成型是迄今為止用得最多的一中熱塑性材料的成型方法，同時也是歷史悠久的一種方法，目前占到塑料成型總量的30%。由于原料可惜此一步成型，注塑方法適于大批量和一步自動成型復(fù)雜幾何形狀的塑料制品，大多數(shù)情況下不需要后續(xù)加工。典型制品有玩具、汽車配件、家庭用具和電子產(chǎn)品。 由于注塑成型時有很多相互關(guān)聯(lián)的變量，這種方法是相當(dāng)復(fù)雜的。成功的注塑生產(chǎn)不僅有賴于設(shè)備參數(shù)的正確設(shè)置，還在于要消除每次注射時的潑動，這種潑動是由液壓系統(tǒng)、料筒溫度及材料黏度變化引起的。提高每次注射時設(shè)備參數(shù)的穩(wěn)定性，可得到公差小、次品率低和質(zhì)量高的產(chǎn)品。 任何成型加工最根本的目標(biāo)都是：提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短成型周期，采用重復(fù)性和自動化程度高的循環(huán)過程。模具人員在生產(chǎn)過程中總是想盡辦法降低或消除不合格。用注塑法生產(chǎn)那些精度要求很高的化學(xué)產(chǎn)品，或者附加值很高的產(chǎn)品如電器外殼，降低次品率的好處很大。 典型的注塑成型過程由五個階段組成： 1.注射與充模； 2.補料或壓縮； 3.保壓； 4.冷卻； 5.頂出制品。 注塑概況 工藝 注射成型是一個塑料在壓力下進入一個空腔中成為理想形狀的的循環(huán)過程。塑造，是通過冷卻（熱塑性塑料）或由一個化學(xué)反應(yīng)（熱固性）來實現(xiàn) 的。這是一個為大規(guī)模生產(chǎn)具有優(yōu)良尺寸精度的復(fù)合塑料零部件最常見和最靈活方式。它需要極少或根本沒有整理或裝配作業(yè)。除了熱塑性塑料和熱固性， 這個進程現(xiàn)在通過用聚合物粘結(jié)劑被擴展到象纖維，陶器，金屬粉末這樣的材料。 應(yīng)用 按重量計算大約所有塑料加工的32%是通過注塑成型機器的。 歷史上， 注入成型的主要里程碑包括往復(fù)移動螺絲機器和各種新的替代過程， 和應(yīng)用電腦仿真，以及設(shè)計和制造的塑料零部件的發(fā)明。 注射機的發(fā)展 從19世紀(jì)70年代初注入成型機器問世以來它已經(jīng)經(jīng)歷了顯著的修改和改進。 尤其是往復(fù)移動螺桿機器的發(fā)明使熱塑性塑料注塑成型過程的多功能性和生產(chǎn)力得到了徹底改革。 往復(fù)移動螺桿的好處 除在機器控制方面和機器起動功能上有明顯改進外， 注塑成型機器的一個主要發(fā)展是從一個活塞機器到一個往復(fù)移動螺絲桿的變化。 雖然活塞機本身簡單，它的普及受到限制歸咎與它僅僅通過純傳導(dǎo)的緩慢的加熱速度。 往復(fù)移動螺桿用它旋轉(zhuǎn)的運動能使材料塑化更迅速而均勻，如圖1中所示使可塑材料。另外，它能把這個熔融的聚合物注入在一個向前的方向，就像一個活塞。 注塑成型過程的發(fā)展 注塑成型過程開始只與熱塑性塑料聚合物一起使用在活性材料方面的發(fā)展， 在塑造設(shè)備方面的改進，并且由于特殊工業(yè)的需要已經(jīng)把工藝的用途擴展到超出了他原先的范圍 供選擇的注塑工藝 在過去二十年期間發(fā)展注射模塑已經(jīng)被做出許多嘗試，隨著特殊設(shè)計發(fā)展道具生產(chǎn)零件的工序可用作替換過程，從傳統(tǒng)的注射模塑中派生而來的應(yīng)用策劃新時代，它有更多自由設(shè)計和特殊結(jié)構(gòu)上特征 通過這些努力產(chǎn)生了許多類型，包括： 級進注射（夾心）成型 易熔芯注塑成型 氣體輔助注塑成型 壓縮注塑成型 層狀（微）注射 交替供料的注塑成型 低壓注入成型 推拉注塑成型 反應(yīng)注塑成型 結(jié)構(gòu)泡沫注塑成型 薄壁件成型 計算機模擬注塑成型過程 由于他們的擴展性和希望性,電腦仿真也已經(jīng)擴展超出早期的"外行-扁平物" 現(xiàn)在,復(fù)雜程序在過程期間模仿填充后行為,反作用動力學(xué)和兩材料的不同性質(zhì)或者二維的使用。 仿真部分提供關(guān)于使用C-類型產(chǎn)品的信息 在設(shè)計題目有中間幾例子,其給你怎樣能使用CAE工具改進你的部分和塑造設(shè)計和使處理狀況最優(yōu)化配上插圖。 級進注射（夾心）成型 總體上說 級進注塑成型是通過兩種不同的材料連續(xù)的和或同時地由同一澆口注射完成的。材料層板和凝固。 這工藝生產(chǎn)零件,其隨著在層皮材料之間把型芯材料嵌入有一層積的結(jié)構(gòu)中. 這項創(chuàng)新過程為用最優(yōu)性能的每一種材料或修改模的一部分屬性提供了固有的靈活性。 圖1 四個階段的級進注塑成型(a)短球的皮合物融化(顯示在里深綠色)注入進那些模型 (b)核心聚合物的注射熔化，直到型腔被差不多填補 如(c)中所示皮聚合物再次被注入，以便把離開的這個核心聚合物從澆注系統(tǒng)中清除出去 熔心注射成型 熔芯工藝在單個產(chǎn)品中，空的部分用復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的易熔(丟失，可溶)如下圖。這個工藝在塑造核芯內(nèi)部完成，核芯將自身融化或者化學(xué)消失，留下它的外部結(jié)構(gòu)作為塑料部分的內(nèi)部形狀。 圖1。 易熔(失芯，熔芯)核心注射成型 氣體輔助注塑成型 氣體輔助工藝 氣體輔助注塑成型過程的是樹脂聚合物熔體欠料進入模腔。壓縮氣體，然后注入的聚合物核心部分幫助填滿模具。這個過程如下所示。 圖1 。氣體輔助注射成型(a)電氣系統(tǒng)(b)液壓系統(tǒng)，，(c)控制面板，(d)汽缸。 注射--壓縮成型 注射壓縮成型工藝是傳統(tǒng)注射成型的延續(xù)。在把一種預(yù)調(diào)裝置量的聚合物熔化注入一個開放型腔,如同下面展示那樣,聚合物注射的時候被壓緊,這過程的最重要特點是相對于無壓力部件要在低夾具方面保證尺寸上穩(wěn)定,(百分之20到50甚至更低). 層狀（微層）注塑成型 層狀注射成型通過同步注射和層倍增加的綜合了供擠出和注射成型，如同在圖下面1中展示那樣,層狀注射成型同時實施不同的樹脂注射.不同樹脂疊加在一起提高其性能，例如阻隔氣密性,尺寸穩(wěn)定性，耐熔性和光學(xué)透明性。 交替注射成型 交替注射成型過程是在入口壓力下引起聚合物熔化擺動，如這下面的插圖中所示。當(dāng)不同的層分子或者纖維由于凝固而被在模具里增加時，活塞的行動保持材料在門里熔融，、。 這個過程提供簡單的方法使簡單或者復(fù)雜部分從空間中釋放出來，下沉標(biāo)明，以及結(jié)合處缺陷。 低壓注射成型 低氣壓注塑成型，基本上是一種優(yōu)化并延長的常規(guī)注塑成型（見圖1 ） 。低壓可以通過正確的螺桿轉(zhuǎn)/分的編程， 水壓支持壓力和螺桿速度來控制熔化的溫度和注射速度。它也利用很多閥門的連續(xù)關(guān)閉來縮小流程。填料階段以一般慢并且控制注射速度來消除，低氣壓注塑成型的優(yōu)點包括減少較大的夾緊力，利用成本較低的模具和壓力機和降低模塑制品成型應(yīng)力。 推拉注射成型 該推拉注射成型過程中使用了傳統(tǒng)的兩套注射液系統(tǒng)和雙澆口模具，推動材料在母主注射裝置和輔助注射裝置中來回流動，如下所示。這個過程中消除熔體縫，空隙，裂紋，并控制纖維方向。 反應(yīng)注塑成型 工藝 多數(shù)反應(yīng)注塑成型工藝，包括反應(yīng)注射成型（ RIM ），以及混合成型 加工，如樹脂傳遞模塑（ RTM）和結(jié)構(gòu)反應(yīng)注射成型（SRIM ）。 與熱塑性塑料塑造相比具有典型的低粘性，模具壓力低，模具成本低的特點。活性樹脂也可以在混合過程中使用。例如，制作高強度和小批量的大型零件，RTM和SRIM可用于長纖維的預(yù)先成型。另一個領(lǐng)域是比以往任何時候接受的都是微電子集成電路芯片。 注塑成型的適應(yīng)性是在這些物質(zhì)中包括在機械上料（桶）中的一段溫度上升來避免固化。不過，腔通常是有足夠的熱來啟動化學(xué)交聯(lián)。作為熱預(yù)聚合物是被迫進入腔中，熱度是從腔墻中，流動的粘性（摩擦）熱氣，和反應(yīng)元件所釋放的熱氣中補充的。零件的溫度往往超過模具的溫度。零件的固性(甚至在高溫中)的循環(huán)是當(dāng)反應(yīng)足夠強烈時完成的然后零件被彈出。 設(shè)計考慮 因為反應(yīng)是在填塞和充滿后的階段進行的，所以活性材料的注塑成型的加工工藝是復(fù)雜的。例如，慢的填充經(jīng)常引起過早的膠化和一個合力，然而快速填充能引起內(nèi)部間隙混亂。模具壁溫度的不適當(dāng)控制和厚度不足要么引起的注射劑流動性問題或造成材料過熱。計算機仿真是普遍公認(rèn)的作為更具成本效益的工具，比傳統(tǒng)的時間短，試錯能力強和高的改錯能力。 結(jié)構(gòu)泡沫注塑成型 概況 結(jié)構(gòu)泡沫注塑生產(chǎn)的零件是有固體外表面周圍的圍繞內(nèi)部氣孔(或者泡沫)的核心組成的，在下面的圖1 說明。這個工藝適合大型厚零件在最終用途應(yīng)用中承受彎曲負(fù)荷，結(jié)構(gòu)泡沫零件還可以高低壓生產(chǎn)或者是氮氣和化學(xué)填充劑。 薄壁成型 薄壁件是相對的，傳統(tǒng)的塑料零件通常是2到4毫米厚。當(dāng)厚度在1.2到2毫米時和邊緣尺寸低于1.2毫米的時候，薄壁設(shè)計被稱為"先進"。薄壁成型的另一個定義是根據(jù)流程/壁厚比，這些薄壁的應(yīng)用典型比率在100：1到150：1之間或更高。 典型的應(yīng)用范圍 薄壁件成型更適用于便攜式的通訊和計算設(shè)備，他們要求塑料殼得非常薄卻依然能夠同傳統(tǒng)零件一樣能夠承受同樣的機械強度 工藝 因為薄壁件冷卻速度非?？欤麄冃枰叩娜芑瘻囟?，高的注射速度，和非常高的注射壓力，如果多種閥門或者順序閥門沒有一個理想的填充速度來幫助減少壓力的要求。 由于高的速度和剪切速率在薄壁件成型上更容易幫助減少薄壁件每個方向收縮，這對于充分的填充非常重要，然而核心的部分仍然是熔化。 注塑機 組成要素 對于熱塑性塑料，注塑機通過熔化，注塑，填充和冷卻把粒狀或丸?；限D(zhuǎn)換成最好的成型零件。一個典型的注塑機主要由以下部分組成，在下面圖1中說明 機器功能 注塑機基于機器功能大致可分為三類：一般用途的機器 精密機器超高速，薄壁件的機器 輔助設(shè)備 注塑機的主要輔助設(shè)備包括樹脂干燥機，材料處理設(shè)備，制粒機，模溫機，冷水機組，搬運機械手以及零件處理設(shè)備。 基于注塑模具鋼研磨和拋光工序的自動化表面處理 C. Apreaa, R. Mastrullob, C. Rennoa,* 薩勒諾大學(xué)機械工程系,通過Ponte Don Melillo 1、84084 菲夏諾( 薩勒諾)、意大利 那不勒斯大學(xué)DETEC費德里科?二世,P。le Tecchio 80、80125 那不勒斯,意大利 完成于2002年8月8日,在修訂后完成于2003年12月18日, 通過是2004年2月18日 摘要: 本文研究了注塑模具鋼自動研磨與球面拋光加工工序的可能性，這種注塑模具鋼PDS5的塑性曲面是在數(shù)控加工中心完成的。這項研究已經(jīng)完成了磨削刀架的設(shè)計與制造。 最佳表面研磨參數(shù)是在鋼鐵PDS5 的加工中心測定的。對于PDS5注塑模具鋼的最佳球面研磨參數(shù)是以下一系列的組合：研磨材料的磨料為粉紅氧化鋁，進給量500毫米/分鐘，磨削深度20微米，磨削轉(zhuǎn)速為18000RPM。用優(yōu)化的參數(shù)進行表面研磨，表面粗糙度Ra值可由大約1.60微米改善至0.35微米。 用球拋光工藝和參數(shù)優(yōu)化拋光，可以進一步改善表面粗糙度Ra值從0.343微米至0.06微米左右。在模具內(nèi)部曲面的測試部分，用最佳參數(shù)的表面研磨、拋光，曲面表面粗糙度就可以提高約2.15微米到0 0.07微米。 關(guān)鍵詞: 自動化表面處理；拋光；磨削加工；表面粗糙度；Taguchi方法 一、引言: 塑膠工程材料由于其重要特點,如耐化學(xué)腐蝕性、低密度、易于制造,并已日漸取代金屬部件在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。 注塑成型對于塑料制品是一個重要工藝。注塑模具的表面質(zhì)量是設(shè)計的本質(zhì)要求,因為它直接影響了塑膠產(chǎn)品的外觀和性能。 加工工藝如球面研磨、拋光常用于改善表面光潔度。 研磨工具(輪子)的安裝已廣泛用于傳統(tǒng)模具的制造產(chǎn)業(yè)。自動化表面研磨加工工具的幾何模型將在[1]中介紹。自動化表面處理的球磨研磨工具將在[2]中得到示范和開發(fā)。 磨削速度, 磨削深度，進給速率和砂輪尺寸、研磨材料特性（如磨料粒度大?。┦乔蛐窝心スに囍兄饕膮?shù)，如圖1（球面研磨過程示意圖）所示。注塑模具鋼的球面研磨最優(yōu)化參數(shù)目前尚未在文獻(xiàn)得到確切的依據(jù)。 近年來 ，已經(jīng)進行了一些研究，確定了球面拋光工藝的最優(yōu)參數(shù)(圖2) （球面拋光過程示意圖）。 比如，人們發(fā)現(xiàn), 用碳化鎢球滾壓的方法可以使工件表面的塑性變形減少,從而改善表面粗糙度、表面硬度、抗疲勞強度[3,4,5,6]。 拋光的工藝的過程是由加工中心 [3,4]和車床〔5,6〕共同完成的。對表面粗糙度有重大影響的拋光工藝主要參數(shù)，主要是球或滾子材料，拋光力， 進給速率,拋光速度,潤滑、拋光率及其他因素等。注塑模具鋼PDS5的表面拋光的參數(shù)優(yōu)化，分別結(jié)合了油脂潤滑劑，碳化鎢球,拋光速度200毫米/分鐘,拋光力300牛， 40微米的進給量[7]。采用最佳參數(shù)進行表面研磨和球面拋光的深度為2.5微米。 通過拋光工藝，表面粗糙度可以改善大致為40%至90%[3-7]。 此項目研究的目的是，發(fā)展注塑模具鋼的球形研磨和球面拋光工序，這種注塑模具鋼的曲面實在加工中心完成的。表面光潔度的球研磨與球拋光的自動化流程工序，如圖3所示。 我們開始自行設(shè)計和制造的球面研磨工具及加工中心的對刀裝置。利用Taguchi正交法，確定了表面球研磨最佳參數(shù)。選擇為TaguchiL18型矩陣實驗相應(yīng)的四個因素和三個層次。 用最佳參數(shù)進行表面球研磨則適用于一個曲面表面光潔度要求較高的注塑模具。 為了改善表面粗糙, 利用最佳球面拋光工藝參數(shù)，再進行對表層打磨。 圖1.球狀研磨的過程的簡圖 圖2.球面拋光的過程的簡圖 PDS試樣的設(shè)計與制造 選擇最佳矩陣實驗因子 確定最佳參數(shù) 實施實驗 分析并確定最佳因子 進行表面拋光 應(yīng)用最佳參數(shù)加工曲面 測量試樣的表面粗糙度 球研磨和拋光裝置的設(shè)計與制造 圖3.自動球面研磨與拋光工序的流程圖 二、球研磨的設(shè)計和對準(zhǔn)裝置: 實施過程中可能出現(xiàn)的曲面的球研磨,研磨球的中心應(yīng)和加工中心的Z軸相一致。 球面研磨工具的安裝及調(diào)整裝置的設(shè)計，如圖4（球面研磨工具及其調(diào)整裝置）所示。電動磨床展開了兩個具有可調(diào)支撐螺絲的刀架。磨床中心正好與具有輔助作用的圓錐槽線配合。 擁有磨床的球接軌,當(dāng)兩個可調(diào)支撐螺絲被收緊時，其后的對準(zhǔn)部件就可以拆除。研磨球中心坐標(biāo)偏差約為5微米, 這是衡量一個數(shù)控坐標(biāo)測量機性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。 機床的機械振動力是被螺旋彈簧所吸收。球形研磨球和拋光工具的安裝，如圖5（a. 球面研磨工具的圖片. b.球拋光工具的圖片）所示。為使球面磨削加工和拋光加工的進行，主軸通過球鎖機制而被鎖定。 三、矩陣實驗的規(guī)劃 3.1Taguchi正交表: 利用矩陣實驗Taguchi正交法，可以確定參數(shù)的影響程度[8]. 為了配合上述球面研磨參數(shù)，該材料磨料的研磨球(直徑10毫米),進給速率，研磨深度,再次研究中電氣磨床被假定為四個因素(參數(shù))，指定為從A到D（見表1實驗因素和水平）。三個層次(程度)的因素涵蓋了不同的范圍特征,并用了數(shù)字1、2、3標(biāo)明。挑選三類磨料,即碳化硅(SiC),白色氧化鋁(Al2O3,WA),粉紅氧化鋁(Al2O3, PA)來研究. 這三個數(shù)值的大小取決于每個因素實驗結(jié)果。選定L18型正交矩陣進行實驗，進而研究四——三級因素的球形研磨過程。 圖4.球狀研磨的工具的概要例證和它調(diào)節(jié)裝置 圖5.a 球面研磨的工具的照片 b 球拋光工具的的照片 3.2數(shù)據(jù)分析的意義: 工程設(shè)計問題,可以分為較小而好的類型,象征性最好類型,大而好類型，目標(biāo)取向類型等[8]。 信噪比(S/N)的比值，常作為目標(biāo)函數(shù)來優(yōu)化產(chǎn)品或者工藝設(shè)計。 被加工面的表面粗糙度值經(jīng)過適當(dāng)?shù)亟M合磨削參數(shù)，應(yīng)小于原來的未加工表面。 因此,球面研磨過程屬于工程問題中的小而好類型。這里的信噪比（S/N）,η,按下列公式定義[8]: η =?10 log （平方等于質(zhì)量參數(shù)) =?10 log 這里， y——不同噪聲條件下所觀察的質(zhì)量參數(shù) n——實驗次數(shù) 從每個L18型正交實驗得到的信噪比（S/N）數(shù)據(jù)，經(jīng)計算后，運用差異分析技術(shù)(變異)和殲比檢驗來測定每一個主要的因素 [8]。 優(yōu)化小而好類型的工程問題問題更是盡量使η最大而定。各級η選擇的最大化將對最終的η因素有重大影響。 最優(yōu)條件可視研磨球而待定。 表1。 實驗性因素和等級 四、實驗工作和結(jié)果: 這項研究使用的材料是PDS5工具鋼(相當(dāng)于艾西塑膠模具)[9]， 它常用于大型注塑模具產(chǎn)品在國內(nèi)汽車零件領(lǐng)域和國內(nèi)設(shè)備。 該材料的硬度約HRC33(HS46)[9]。 具體好處之一是, 由于其特殊的熱處理前處理，模具可直接用于未經(jīng)進一步加工工序而對這一材料進行加工。式樣的設(shè)計和制造,應(yīng)使它們可以安裝在底盤，來測量相應(yīng)的反力。 PDS5試樣的加工完畢后，裝在大底盤上在三坐標(biāo)加工中心進行了銑削，這種加工中心是由楊*鋼鐵公司所生產(chǎn)(中壓型三號),配備了FANUC-18M公司的數(shù)控控制器(0.99型)[10]。用hommelwerket4000設(shè)備來測量前機加工前表面的粗糙度,使其可達(dá)到1.6微米。 圖6試驗顯示了球面磨削加工工藝的設(shè)置。 一個由Renishaw公司生產(chǎn)的視頻觸摸觸發(fā)探頭，安裝在加工中心上，來測量和確定和原始式樣的協(xié)調(diào)。 數(shù)控代碼所需要的磨球路徑由PowerMILL軟件產(chǎn)。這些代碼經(jīng)過RS232串口界面，可以傳送到裝有控制器的數(shù)控加工中心上。 完成了L18型矩陣實驗后，表2 （PDS5試樣光滑表層的粗糙度）總結(jié)了光滑表面的粗糙度RA值，計算了每一個L18型矩陣實驗的信噪比（S/N）,從而用于方程1。通過表2提供的各個數(shù)值，可以得到4種不同程度因子的平均信噪比（S/N），在圖7中已用圖表顯示。 表2.PDS5試樣光滑表層的粗糙度 圖6.確定最佳球面磨削參數(shù)的實驗設(shè)置 表3.由因素水平(dB)的平均S/N比率 圖7.控制因素作用的曲線圖 球面研磨工藝的目標(biāo)，就是通過確定每一種因子的最佳優(yōu)化程度值，來使試樣光滑表層的表面粗糙度值達(dá)到最小。因為? log是一個減函數(shù)，我們應(yīng)當(dāng)使信噪比（S/N）達(dá)到最大。因此，我們能夠確定每一種因子的最優(yōu)程度使得η的值達(dá)到最大。因此基于這個點陣式實驗的最優(yōu)轉(zhuǎn)速應(yīng)該是18000RPM，如表4（優(yōu)化組合球面研磨參數(shù)）所示。 通過使用數(shù)據(jù)方差分析的技術(shù)和F比檢驗方法，進一步確定了每一種因子有什么主要的影響，從而確定了它們的影響程度(見表5信噪比和表面粗糙度)。F0.1，2，13的F比的比值是2.76，相當(dāng)于10%的影響程度。（或者置信水平為90%）這個因子的自由度是2，自由度誤差是13，根據(jù)F分布表[11]。如果F比值大于2.76，就可以認(rèn)為對表面粗糙度有顯著影響。結(jié)果，進給量和磨削深度都對表面粗糙度有顯著影響。 為了觀察使用最優(yōu)磨削組合參數(shù)的重復(fù)性能，進行了5種不同類別的實驗，如表6所示。獲得被測試樣的表面粗糙度值RA大約是0.35微米。使用球研磨組合參數(shù)，可使表面粗糙度提高了78%。使用球面拋光的優(yōu)化參數(shù)，光滑表面進一步被拋光。經(jīng)過球面拋光可獲得粗糙度RA值為0.06微米的表面。被改善了的拋光表面，可以在30×光學(xué)顯微鏡觀察下進行觀察，如圖8.（未加工表面、光滑面和拋光面的測試樣品的顯微鏡象(30×)的比較）所示。經(jīng)過拋光工藝，工件機加工前的表面粗糙度改善了近95%。 從Taguchi矩陣實驗獲得的球面研磨優(yōu)化參數(shù)，適用于曲面光滑的模具，從而改善表面的粗糙度。選擇香水瓶為一個測試載體。對于被測物體的模具數(shù)控加工中心，由PowerMILL軟件來模擬測試。經(jīng)過精銑，通過使用從Taguchi矩陣實驗獲得的球面研磨優(yōu)化參數(shù)，模具表面進一步光滑。緊接著,使用打磨拋光的最佳參數(shù)，來對光滑曲面進行拋光工藝，進一步改善了被測物體的表面粗糙度。(見圖 9)。模具內(nèi)部的表面粗糙度用hommelwerket4000設(shè)備來測量。模具內(nèi)部的表面粗糙度RA的平均值為2.15微米，光滑表面粗糙度RA的平均值為0.45微米，拋光表面粗糙度RA的平均值為0.07微米。被測物體的光滑表面的粗糙度改善了：(2.15-0.45)/2.15=79.1%，拋光表面的粗糙度改善了：(2.15-0.07)/2.15=96.7%。 表4. 優(yōu)化組合球面研磨參數(shù) 表5. 信噪比和表面粗糙度 ?F比率值> 2.76對地面粗糙度有很大影響 圖8.未加工表面、光滑面和拋光面的測試樣品的顯微鏡象(30×)的比較 圖9.香水瓶樣品 五、結(jié)論: 在這項工作中,對注塑模具的曲面進行了自動球面研磨與球面拋光加工，并將其工藝最佳參數(shù)成功地運用到加工中心上。 設(shè)計和制造了球面研磨裝置(及其對準(zhǔn)組件)。通過實施TaguchiL18型矩陣進行實驗，確定了球面研磨的最佳參數(shù)。對于PDS5注塑模具鋼的最佳球面研磨參數(shù)是以下一系列的組合：材料的磨料為粉紅氧化鋁，進給量料500毫米/分鐘，磨削深度20微米，轉(zhuǎn)速為18000RPM。通過使用最佳球面研磨參數(shù)，試樣的表面粗糙度RA值從約1.6微米提高到0.35微米。應(yīng)用最優(yōu)化表面磨削參數(shù)和最佳拋光參數(shù)，來加工模具的內(nèi)部光滑曲面，可使模具內(nèi)部的光滑表面改善79.1%，拋光表面改善96.7%。 鳴謝： 作者感謝中國國家科學(xué)理事會對本次研究的支持, NSC 89-2212-E-011-059.