薄壁骨架注塑模設(shè)計(jì)【一模兩腔】【側(cè)抽芯】【說(shuō)明書+CAD】

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Tecnical大學(xué)機(jī)械工程系,內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室,土耳其模具簡(jiǎn)介模具型腔可賦予制品其形狀，因此在塑料加工過(guò)程中模具處于非常重要的地位，這使得模具對(duì)于產(chǎn)品最終質(zhì)量的影響與塑化機(jī)構(gòu)和其他成型設(shè)備的部件一樣關(guān)鍵，有時(shí)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(guò)程需要高壓，通常還有高溫條件限制，金屬迄今為止時(shí)最重要的材料，其中剛才居首位。很多時(shí)候，模具材料的選擇不僅關(guān)系到性能和最佳性價(jià)比，還影響到模具的加工方法，甚至是整體設(shè)計(jì)。典型的例子是金屬鑄造模具的材料選擇，與機(jī)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(huì)對(duì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)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(huì)更經(jīng)濟(jì)，這是因?yàn)檫@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(lái)加工生產(chǎn)?？傊?，雖然模具生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)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?yàn)槠鋬?yōu)點(diǎn)（如高溫下性能不會(huì)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(qiáng)度和熱傳遞性差的缺點(diǎn)，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(diǎn)是顯而易見(jiàn)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(wèn)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(shí)，在設(shè)計(jì)和成型工藝上都會(huì)出現(xiàn)新的問(wèn)題。A設(shè)計(jì)原則 模具設(shè)計(jì)的原則很多，這些原則都是基于邏輯、以往經(jīng)驗(yàn)、加工的方便性和經(jīng)濟(jì)性考慮，在設(shè)計(jì)、模具制造和模塑成型過(guò)程遵守這些規(guī)則是很有用的，但有時(shí)，忽略某一原則而遵守另一原則往往會(huì)更好些。本文將介紹最常用的設(shè)計(jì)原則，但設(shè)計(jì)人員只有從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中才能有所收獲。設(shè)計(jì)者應(yīng)隨時(shí)關(guān)注與這些設(shè)計(jì)原則有關(guān)的新觀點(diǎn)、模塑方法、材料。B模具基礎(chǔ)1模腔模腔指的是通過(guò)機(jī)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(guò)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(jiān)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(shí)，甚至可以用某些塑料制品模具。注塑生產(chǎn)時(shí)，熔料以高壓注入型腔，因此就需要模具足夠結(jié)實(shí)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(shí)的模具，會(huì)有兩個(gè)或更多型腔，這純粹是出于經(jīng)濟(jì)考慮。注射多型腔的時(shí)間并不比單腔模多，例如四腔模注射一個(gè)產(chǎn)品的時(shí)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(shuō)要貴四倍，但需要帶有大模板和鎖模能力的注塑機(jī)，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(zhǎng)方形區(qū)域內(nèi)布置型腔，這樣有利于設(shè)計(jì)、定尺寸以方便加工制造，也有利于圍繞機(jī)器中心對(duì)稱分布型腔，這種對(duì)稱分布對(duì)保證每個(gè)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(jī)中心線投影面積對(duì)稱分布。3型腔形狀及收縮型腔形狀實(shí)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(jìn)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(shù)脂中，再機(jī)加工成規(guī)定形狀。型腔可以直接在模板上切挖出來(lái)，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(lái)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(méi)有明顯的凸起，型腔有時(shí)看起來(lái)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(lái)很簡(jiǎn)單，但注塑成型時(shí)卻有很多嚴(yán)重問(wèn)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(dòng)模一側(cè)。這樣放的原因是所有注塑機(jī)在動(dòng)模側(cè)都設(shè)置有頂出機(jī)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(jī)在注射側(cè)不安置頂出機(jī)構(gòu)。聚合物成型過(guò)程聚合物成型加工是將固體 (有時(shí)是液體狀) 粉末、粒狀、珠粒等形狀的樹(shù)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(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，成型過(guò)程通常包括一下步驟：國(guó)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(shí)進(jìn)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(guò)成型加工來(lái)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(shí)會(huì)不穩(wěn)定。熱成型、真空成型及其他類似方法?？梢员豢醋魇菍?duì)已有的二次加工，例如在吹塑成型中，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(guò)程中既有同步的液體流動(dòng)和熱傳遞，也有交錯(cuò)的流動(dòng)和熱傳遞。在二維成型過(guò)程中，一般成型后再接著固化，而在三維成型時(shí)，固化和成型往往在模具內(nèi)同時(shí)進(jìn)行。根據(jù)材料的性質(zhì)、設(shè)備和成型條件，結(jié)合流動(dòng)面的情況（自由與否），流動(dòng)通常包括剪切、拉伸及壓縮流動(dòng)（國(guó)內(nèi)一般將流動(dòng)形式只分為剪切和拉伸流動(dòng)）。聚合物流動(dòng)和固化時(shí)的熱力學(xué)機(jī)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(shù)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程和制品的質(zhì)量控制。已經(jīng)運(yùn)用數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬來(lái)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(lái)越廣泛，此種研究思路也越來(lái)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?yàn)闊崴苄圆牧霞訜岷髸?huì)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(guò)程中會(huì)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(jìn)行塑料加工研究和應(yīng)用時(shí)，了解這一點(diǎn)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(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)的潑動(dòng)，這種潑動(dòng)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(shí)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(dòng)化程度高的循環(huán)過(guò)程。模具人員在生產(chǎn)過(guò)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(guò)程由五個(gè)階段組成：1.注射與充模；2.補(bǔ)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(gè)塑料在壓力下進(jìn)入一個(gè)空腔中成為理想形狀的的循環(huán)過(guò)程。塑造，是通過(guò)冷卻（熱塑性塑料）或由一個(gè)化學(xué)反應(yīng)（熱固性）來(lái)實(shí)現(xiàn) 的。這是一個(gè)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(jiàn)和最靈活方式。它需要極少或根本沒(méi)有整理或裝配作業(yè)。除了熱塑性塑料和熱固性， 這個(gè)進(jìn)程現(xiàn)在通過(guò)用聚合物粘結(jié)劑被擴(kuò)展到象纖維，陶器，金屬粉末這樣的材料。應(yīng)用按重量計(jì)算大約所有塑料加工的32%是通過(guò)注塑成型機(jī)器的。 歷史上， 注入成型的主要里程碑包括往復(fù)移動(dòng)螺絲機(jī)器和各種新的替代過(guò)程， 和應(yīng)用電腦仿真，以及設(shè)計(jì)和制造的塑料零部件的發(fā)明。注射機(jī)的發(fā)展從19世紀(jì)70年代初注入成型機(jī)器問(wèn)世以來(lái)它已經(jīng)經(jīng)歷了顯著的修改和改進(jìn)。 尤其是往復(fù)移動(dòng)螺桿機(jī)器的發(fā)明使熱塑性塑料注塑成型過(guò)程的多功能性和生產(chǎn)力得到了徹底改革。往復(fù)移動(dòng)螺桿的好處除在機(jī)器控制方面和機(jī)器起動(dòng)功能上有明顯改進(jìn)外， 注塑成型機(jī)器的一個(gè)主要發(fā)展是從一個(gè)活塞機(jī)器到一個(gè)往復(fù)移動(dòng)螺絲桿的變化。 雖然活塞機(jī)本身簡(jiǎn)單，它的普及受到限制歸咎與它僅僅通過(guò)純傳導(dǎo)的緩慢的加熱速度。 往復(fù)移動(dòng)螺桿用它旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)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(gè)熔融的聚合物注入在一個(gè)向前的方向，就像一個(gè)活塞。注塑成型過(guò)程的發(fā)展注塑成型過(guò)程開(kāi)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(jìn)，并且由于特殊工業(yè)的需要已經(jīng)把工藝的用途擴(kuò)展到超出了他原先的范圍供選擇的注塑工藝在過(guò)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(jì)發(fā)展道具生產(chǎn)零件的工序可用作替換過(guò)程，從傳統(tǒng)的注射模塑中派生而來(lái)的應(yīng)用策劃新時(shí)代，它有更多自由設(shè)計(jì)和特殊結(jié)構(gòu)上特征 通過(guò)這些努力產(chǎn)生了許多類型，包括：級(jí)進(jìn)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(jì)算機(jī)模擬注塑成型過(guò)程由于他們的擴(kuò)展性和希望性,電腦仿真也已經(jīng)擴(kuò)展超出早期的外行-扁平物 現(xiàn)在,復(fù)雜程序在過(guò)程期間模仿填充后行為,反作用動(dòng)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(jì)題目有中間幾例子,其給你怎樣能使用CAE工具改進(jìn)你的部分和塑造設(shè)計(jì)和使處理狀況最優(yōu)化配上插圖。級(jí)進(jìn)注射（夾心）成型總體上說(shuō)級(jí)進(jìn)注塑成型是通過(guò)兩種不同的材料連續(xù)的和或同時(shí)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(xiàng)創(chuàng)新過(guò)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(gè)階段的級(jí)進(jìn)注塑成型(a)短球的皮合物融化(顯示在里深綠色)注入進(jìn)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(bǔ) 如(c)中所示皮聚合物再次被注入，以便把離開(kāi)的這個(gè)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(gè)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(gè)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(guò)程的是樹(shù)脂聚合物熔體欠料進(jìn)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(gè)過(guò)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(gè)開(kāi)放型腔,如同下面展示那樣,聚合物注射的時(shí)候被壓緊,這過(guò)程的最重要特點(diǎn)是相對(duì)于無(wú)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(guò)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(shí)實(shí)施不同的樹(shù)脂注射.不同樹(shù)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(guò)程是在入口壓力下引起聚合物熔化擺動(dòng)，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(shí)，活塞的行動(dòng)保持材料在門里熔融，、。 這個(gè)過(guò)程提供簡(jiǎn)單的方法使簡(jiǎn)單或者復(fù)雜部分從空間中釋放出來(lái)，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(zhǎng)的常規(guī)注塑成型（見(jiàn)圖1 ） 。低壓可以通過(guò)正確的螺桿轉(zhuǎn)/分的編程， 水壓支持壓力和螺桿速度來(lái)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(lái)縮小流程。填料階段以一般慢并且控制注射速度來(lái)消除，低氣壓注塑成型的優(yōu)點(diǎn)包括減少較大的夾緊力，利用成本較低的模具和壓力機(jī)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(guò)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(dòng)材料在母主注射裝置和輔助注射裝置中來(lái)回流動(dòng)，如下所示。這個(gè)過(guò)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(shù)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(diǎn)?；钚詷?shù)脂也可以在混合過(guò)程中使用。例如，制作高強(qiáng)度和小批量的大型零件，RTM和SRIM可用于長(zhǎng)纖維的預(yù)先成型。另一個(gè)領(lǐng)域是比以往任何時(shí)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(jī)械上料（桶）中的一段溫度上升來(lái)避免固化。不過(guò)，腔通常是有足夠的熱來(lái)啟動(dòng)化學(xué)交聯(lián)。作為熱預(yù)聚合物是被迫進(jìn)入腔中，熱度是從腔墻中，流動(dòng)的粘性（摩擦）熱氣，和反應(yīng)元件所釋放的熱氣中補(bǔ)充的。零件的溫度往往超過(guò)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(qiáng)烈時(shí)完成的然后零件被彈出。設(shè)計(jì)考慮因?yàn)榉磻?yīng)是在填塞和充滿后的階段進(jìn)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(guò)早的膠化和一個(gè)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(dòng)性問(wèn)題或造成材料過(guò)熱。計(jì)算機(jī)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(shí)間短，試錯(cuò)能力強(qiáng)和高的改錯(cuò)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(shuō)明。這個(gè)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?dú)夂突瘜W(xué)填充劑。薄壁成型薄壁件是相對(duì)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(shí)和邊緣尺寸低于1.2毫米的時(shí)候，薄壁設(shè)計(jì)被稱為先進(jìn)。薄壁成型的另一個(gè)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(jì)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(jī)械強(qiáng)度工藝因?yàn)楸”诩鋮s速度非常快，他們需要高的溶化溫度，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(méi)有一個(gè)理想的填充速度來(lái)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(gè)方向收縮，這對(duì)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(jī) 組成要素對(duì)于熱塑性塑料，注塑機(jī)通過(guò)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(gè)典型的注塑機(jī)主要由以下部分組成，在下面圖1中說(shuō)明機(jī)器功能注塑機(jī)基于機(jī)器功能大致可分為三類：一般用途的機(jī)器 精密機(jī)器超高速，薄壁件的機(jī)器輔助設(shè)備注塑機(jī)的主要輔助設(shè)備包括樹(shù)脂干燥機(jī)，材料處理設(shè)備，制粒機(jī)，模溫機(jī)，冷水機(jī)組，搬運(yùn)機(jī)械手以及零件處理設(shè)備?；谧⑺苣＞咪撗心ズ蛼伖夤ば虻淖詣?dòng)化表面處理C. Apreaa, R. Mastrullob, C. Rennoa,* 薩勒諾大學(xué)機(jī)械工程系,通過(guò)Ponte Don Melillo 1、84084 菲夏諾( 薩勒諾)、意大利 那不勒斯大學(xué)DETEC費(fèi)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(guò)是2004年2月18日摘要: 本文研究了注塑模具鋼自動(dòng)研磨與球面拋光加工工序的可能性，這種注塑模具鋼P(yáng)DS5的塑性曲面是在數(shù)控加工中心完成的。這項(xiàng)研究已經(jīng)完成了磨削刀架的設(shè)計(jì)與制造。 最佳表面研磨參數(shù)是在鋼鐵PDS5 的加工中心測(cè)定的。對(duì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(cè)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(dòng)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(diǎn),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(duì)于塑料制品是一個(gè)重要工藝。注塑模具的表面質(zhì)量是設(shè)計(jì)的本質(zhì)要求,因?yàn)樗苯佑绊懥怂苣z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(dòng)化表面研磨加工工具的幾何模型將在1中介紹。自動(dòng)化表面處理的球磨研磨工具將在2中得到示范和開(kāi)發(fā)。 磨削速度, 磨削深度，進(jìn)給速率和砂輪尺寸、研磨材料特性（如磨料粒度大小）是球形研磨工藝中主要的參數(shù)，如圖1（球面研磨過(guò)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(lái) ，已經(jīng)進(jìn)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(guò)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(qiáng)度3,4,5,6。 拋光的工藝的過(guò)程是由加工中心 3,4和車床5,6共同完成的。對(duì)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(jìn)給速率,拋光速度,潤(rùn)滑、拋光率及其他因素等。注塑模具鋼P(yáng)DS5的表面拋光的參數(shù)優(yōu)化，分別結(jié)合了油脂潤(rùn)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(jìn)給量7。采用最佳參數(shù)進(jìn)行表面研磨和球面拋光的深度為2.5微米。 通過(guò)拋光工藝，表面粗糙度可以改善大致為40%至90%3-7。 此項(xiàng)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(shí)在加工中心完成的。表面光潔度的球研磨與球拋光的自動(dòng)化流程工序，如圖3所示。 我們開(kāi)始自行設(shè)計(jì)和制造的球面研磨工具及加工中心的對(duì)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(shí)驗(yàn)相應(yīng)的四個(gè)因素和三個(gè)層次。 用最佳參數(shù)進(jìn)行表面球研磨則適用于一個(gè)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(jìn)行對(duì)表層打磨。圖1.球狀研磨的過(guò)程的簡(jiǎn)圖圖2.球面拋光的過(guò)程的簡(jiǎn)圖PDS試樣的設(shè)計(jì)與制造選擇最佳矩陣實(shí)驗(yàn)因子確定最佳參數(shù)實(shí)施實(shí)驗(yàn)分析并確定最佳因子進(jìn)行表面拋光應(yīng)用最佳參數(shù)加工曲面測(cè)量試樣的表面粗糙度球研磨和拋光裝置的設(shè)計(jì)與制造圖3.自動(dòng)球面研磨與拋光工序的流程圖二、球研磨的設(shè)計(jì)和對(duì)準(zhǔn)裝置:實(shí)施過(guò)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(jì)，如圖4（球面研磨工具及其調(diào)整裝置）所示。電動(dòng)磨床展開(kāi)了兩個(gè)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(gè)可調(diào)支撐螺絲被收緊時(shí)，其后的對(duì)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(gè)數(shù)控坐標(biāo)測(cè)量機(jī)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。 機(jī)床的機(jī)械振動(dòng)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(jìn)行，主軸通過(guò)球鎖機(jī)制而被鎖定。三、矩陣實(shí)驗(yàn)的規(guī)劃3.1Taguchi正交表:利用矩陣實(shí)驗(yàn)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(jìn)給速率，研磨深度,再次研究中電氣磨床被假定為四個(gè)因素(參數(shù))，指定為從A到D（見(jiàn)表1實(shí)驗(yàn)因素和水平）。三個(gè)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(lái)研究. 這三個(gè)數(shù)值的大小取決于每個(gè)因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果。選定L18型正交矩陣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而研究四三級(jí)因素的球形研磨過(guò)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(jì)問(wèn)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(lái)優(yōu)化產(chǎn)品或者工藝設(shè)計(jì)。 被加工面的表面粗糙度值經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)亟M合磨削參數(shù)，應(yīng)小于原來(lái)的未加工表面。 因此,球面研磨過(guò)程屬于工程問(wèn)題中的小而好類型。這里的信噪比（S/N）,按下列公式定義8: =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(shí)驗(yàn)次數(shù)從每個(gè)L18型正交實(shí)驗(yàn)得到的信噪比（S/N）數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算后，運(yùn)用差異分析技術(shù)(變異)和殲比檢驗(yàn)來(lái)測(cè)定每一個(gè)主要的因素 8。 優(yōu)化小而好類型的工程問(wèn)題問(wèn)題更是盡量使最大而定。各級(jí)選擇的最大化將對(duì)最終的因素有重大影響。 最優(yōu)條件可視研磨球而待定。表1。 實(shí)驗(yàn)性因素和等級(jí)四、實(shí)驗(yàn)工作和結(jié)果: 這項(xiàng)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(guó)內(nèi)汽車零件領(lǐng)域和國(guó)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(jìn)一步加工工序而對(duì)這一材料進(jìn)行加工。式樣的設(shè)計(jì)和制造,應(yīng)使它們可以安裝在底盤，來(lái)測(cè)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(jìn)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(hào)),配備了FANUC-18M公司的數(shù)控控制器(0.99型)10。用hommelwerket4000設(shè)備來(lái)測(cè)量前機(jī)加工前表面的粗糙度,使其可達(dá)到1.6微米。 圖6試驗(yàn)顯示了球面磨削加工工藝的設(shè)置。 一個(gè)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(lái)測(cè)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(guò)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(shí)驗(yàn)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(jì)算了每一個(gè)L18型矩陣實(shí)驗(yàn)的信噪比（S/N）,從而用于方程1。通過(guò)表2提供的各個(gè)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(shí)驗(yàn)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(guò)確定每一種因子的最佳優(yōu)化程度值，來(lái)使試樣光滑表層的表面粗糙度值達(dá)到最小。因?yàn)?log是一個(gè)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)程度使得的值達(dá)到最大。因此基于這個(gè)點(diǎn)陣式實(shí)驗(yàn)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(guò)使用數(shù)據(jù)方差分析的技術(shù)和F比檢驗(yàn)方法，進(jìn)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(jiàn)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(gè)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(duì)表面粗糙度有顯著影響。結(jié)果，進(jìn)給量和磨削深度都對(duì)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(jìn)行了5種不同類別的實(shí)驗(yàn)，如表6所示。獲得被測(cè)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(jìn)一步被拋光。經(jīng)過(guò)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(jìn)行觀察，如圖8.（未加工表面、光滑面和拋光面的測(cè)試樣品的顯微鏡象(30)的比較）所示。經(jīng)過(guò)拋光工藝，工件機(jī)加工前的表面粗糙度改善了近95%。從Taguchi矩陣實(shí)驗(yàn)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(gè)測(cè)試載體。對(duì)于被測(cè)物體的模具數(shù)控加工中心，由PowerMILL軟件來(lái)模擬測(cè)試。經(jīng)過(guò)精銑，通過(guò)使用從Taguchi矩陣實(shí)驗(yàn)獲得的球面研磨優(yōu)化參數(shù)，模具表面進(jìn)一步光滑。緊接著,使用打磨拋光的最佳參數(shù)，來(lái)對(duì)光滑曲面進(jìn)行拋光工藝，進(jìn)一步改善了被測(cè)物體的表面粗糙度。(見(jiàn)圖 9)。模具內(nèi)部的表面粗糙度用hommelwerket4000設(shè)備來(lái)測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(xiàng)工作中,對(duì)注塑模具的曲面進(jìn)行了自動(dòng)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(yùn)用到加工中心上。 設(shè)計(jì)和制造了球面研磨裝置(及其對(duì)準(zhǔn)組件)。通過(guò)實(shí)施TaguchiL18型矩陣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定了球面研磨的最佳參數(shù)。對(duì)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(jìn)給量料500毫米/分鐘，磨削深度20微米，轉(zhuǎn)速為18000RPM。通過(guò)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(lái)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(guó)國(guó)家科學(xué)理事會(huì)對(duì)本次研究的支持, NSC 89-2212-E-011-059.