淺析薄壁塑料零件模具的數控加工范文

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摘要:薄壁塑料件結構輕薄，符合當前工業制品輕量化的理念，但是薄壁塑料件通常結構復雜，相應注塑模具的設計加工過程也較為復雜，采用數控加工技術可降低加工過程難度;簡要介紹了計算機輔助編程的數控加工技術的優勢，以及在薄壁塑料件注塑模具設計和加工中的應用。

關鍵詞:薄壁塑料件;注塑模具;計算機輔助技術;編程;數控技術

薄壁塑料零件是一類壁厚約1.0～2.5mm，結構相對復雜的塑料制品，通常由注塑工藝制得，在注塑成型過程中塑料熔體冷卻固化時，由于材料的熱脹冷縮以及塑料的高分子長鏈運動性減弱，宏觀上表現為固化后材料尺寸變小，導致薄壁塑料制品產生翹曲變形的缺陷;此外，缺料、表面不平整、拉白、氣孔、毛邊等也是常見的缺陷類型;因此，相對于常規厚度的塑料制品，薄壁塑料零件的注塑加工過程更加復雜，對其模具的設計精度等要求也更高。數字化控制技術(NC)可以通過電腦編程程序控制機床的運行，使其按照預先編寫好的程序進行機械加工，可以極大地提高加工精度、降低勞動強度、縮短產品生產周期，并能減少產品缺陷，提高產品合格率，是薄壁塑料零件注塑模具設計加工過程中常用的技術手段［1］。數控技術需要進行編程，通常有手工編程、自動編程和計算機輔助編程三種方法，其中計算機輔助編程主要借助于CAD、CAE、CAM技術，完成圖像造型及自動編程，尤其適用于復雜零件的加工，操作簡便易行，本文主要圍繞計算機輔助編程的數控技術，對薄壁塑料零件注塑模具的設計和加工過程進行分析。

1計算機輔助編程的數控技術

NC技術中，計算機輔助編程手段可利用人機交互和圖像形式實現更高效率的工作:CAD技術可協助工作人員完成圖形設計，在設計過程中運用計算機的高速運算能力，將多種設計方案進行對比，選擇最佳設計形式，計算機的海量存儲能力可使多個設計方案并存，CAD的模塊功能使繪圖速度更快，由CAD軟件得出的設計圖紙準確度遠高于手工圖紙;CAE可以模擬整個注塑過程，將包括塑料熔體在模具型腔的填充、充填壓力和溫度、熔體冷卻、澆口、加熱和冷卻系統的設置等的全過程用靜態和動態圖像的形式展示在計算機上，使設計人員更直觀地看到模擬的全過程，并發現注塑制品缺陷，隨時對模具的設計部位進行更改，減少缺陷的發生;CAM可利用CAD和/或CAE的模型，加上合適的連接程序，應用于數控加工機床進行輔助制造過程，大大提高編程的精度及效率［2］。對于復雜薄壁塑料零件的設計，一種軟件通常難以得到較好的結果，將CAD、CAE和CAM聯用，可實現數據共享，提高工作效率，降低錯誤的發生率。采用CAD/CAE/CAM編程系統時，首先應熟悉系統的功能和編程能力;其次要對加工的模具產品進行分析，確定加工方法:CAD軟件得到三維模型;經過數據格式變換，可導入CAE模塊，進行工程分析;隨后數據導入至CAM模塊中，CAM對其進行仿真分析和加工處理，可得到NC編碼程序，對NC編碼程序進行準確性檢驗后，即可控制機床的運行，操作流程如下圖1所示，多模塊相互聯系，確保設計過程高精度運作，一旦發現問題，也能迅速解決。CAD也可單獨與CAM聯用，實現操作過程，常見的CAD/CAM軟件有MasterCAM、Pro/ENGINEER等［3］。

2薄壁塑料零件注塑模具的設計

薄壁塑料零件由于壁厚較薄，薄壁部分用料少，需要選用流動性較好的原材料，還要結合產品的應用環境和強度要求等，常用的原材料有聚烯烴樹脂、ABS樹脂(丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物)、尼龍等。聚烯烴樹脂的來源廣、價格低、熔點低，耐候性、流動性和穩定性好，其中聚乙烯、聚丙烯、共聚聚丙烯等是最常用的聚烯烴樹脂種類。ABS樹脂結合了丙烯腈、丁二烯、苯乙烯這三種單體的優異性能，尺寸穩定性和力學強度高，尤其適合薄壁塑料結構件的生產加工。尼龍的大分子長鏈中有酰胺鍵，具有一定的吸水性，且化學穩定性和力學性能優異，也易于加工，用纖維進行增強的尼龍材料力學強度、剛性可與某些金屬材料相媲美，甚至可用作齒輪箱的原材料［4］。對薄壁塑料零件進行注塑模具設計時，首先分析塑料件的結構、尺寸和表面質量要求，據此可大致進行原材料的選擇;然后根據塑料件的壁厚、圓角等分析模具結構的脫模斜度，減少脫模產生的缺陷。薄壁塑料零件在注塑成型時，易出現多種問題，這些問題通過改進模具的設計結構及成型工藝，能夠得到一定程度的改善，具體如表1［5］所示。結合表1中給出的常見問題，可以有針對性地進行模具設計，避免缺陷的產生。

3數控加工技術在薄壁塑料零件注塑模具加工中的優勢

數控加工技術在薄壁塑料零件的注塑模具加工中有著廣泛的應用，主要有以下優勢:第一，得到的模具產品性能好且穩定，計算機技術得到的編程程序通過數控技術實現對機床等設備的智能控制，計算機系統極大的存儲能力和數據轉換功能，可使得到的產品精度更高;第二，能夠加工復雜結構的零件，依賴于人工操作制造模具產品，無法快速完成多曲線尤其是三維曲線的操作，而這些復雜曲線正是結構復雜零件中常見的，采用CAD繪圖軟件可快速實現三維作圖，其放大、縮小和移動編輯功能可以輕松完成復雜的工作;第三，極大地提高了生產效率，數控技術可用計算機編程程序控制模具的加工過程，能夠控制整個生產流程，調節生產工藝，短時間內完成大量工作，提高企業的生產效益［6］。

4數控技術在薄壁塑料零件注塑模具加工中的應用

采用計算機輔助編程的數控技術，可以針對薄壁塑料零件結構復雜的特點，快速準確地設計出模具，將計算機與數控機床聯系起來，工藝操作和編程過程都在計算機上完成，設計人員只需要了解模具制造用刀具的種類和切削量選擇的原則，在已編寫完成的程序基礎上設置相關的參數，輸送至數控機床即可完成模具的加工;操作過程產生的數據都存儲于計算機中，可隨時回看，查找并修正不當之處。下圖2給出了兩種典型的薄壁塑料零件。

4.1小尺寸的薄壁塑料零件對于小尺寸的薄壁塑料零件，用CAD軟件設計出該零件的三維結構模型，可以直接進行加工設計得到注塑模具的凸模，再通過CAE和CAM規劃刀具的路徑，同時CAM生成NC編碼，進行模擬加工過程。對于小型注塑件如電話機的話筒，CAD得出凸模的結構后，利用MasterCAM軟件操作界面上的加工功能再對凸模結構進行粗加工和精加工;最后輸出NC代碼，模擬后可得到效果圖，操作過程工作量小，精度高，節省了大量的設計時間［7］。薄壁手機殼也是小型薄壁注塑件，采用CAD的Molddesign功能，在建立完模具結構后，可快速實現分型面的創建，還能夠在該功能上建立澆注系統、頂出結構等，直接得到模具的型腔結構，操作十分簡便［8］。模具的結構設計對小尺寸的薄壁塑料零件產品質量影響程度高于大尺寸零件，這是因為小尺寸零件的細小誤差會在本身尺寸就較小的制品上較為明顯地顯示出來。CAD/CAE/CAM聯用，并結合所選塑料原材料的具體性能，模擬注塑過程，發現問題，改正并優化，可得到最佳的澆口位置、澆注和冷卻系統，可以設計出最優的注塑模具。用熱塑性彈性體制成的薄壁防水墊片，制品易出現邊緣翹曲和熔接痕等問題，采用Pro-E設計出模具的三維結構，利用Moldflow軟件模擬注塑過程，分析熔體的流動過程，并結合正交試驗方法，能夠顯著提高注塑產品的合格率［9］。電腦風扇盒外殼也是一類典型的小型薄壁注塑制品，選用ABS作為注塑用原材料，可得到表面光亮、力學性能穩定的產品;對注塑過程進行模流分析，在CAD平臺上進行模具設計，隨后對模具進行數控加工，數控加工的程序用UG得出，凸模和凹模分步驟進行加工，編制好數控程序，模擬加工模具的制備過程;模具的設計過程采用了CAE技術與有限元分析方法，研究了模具結構對注塑制品邊緣翹曲的影響，優化了模具結構，獲得了較好的結果［10］。

4.2較大尺寸的薄壁塑料零件尺寸較大的薄壁塑料零件在脫模時易出現問題，由于零件壁厚相對于零件長度和寬度更小，注塑后較薄的零件壁上更易出現尺寸上的缺陷，計算機輔助編程能夠更精確地控制模具結構，減少缺陷的產生。家用轎車的天窗邊框屬于較大尺寸的薄壁塑料零件，實際應用中不暴露于外，因此外觀要求較低，但裝配精度要求高，在此基礎上，利用Pro-E軟件和Moldflow軟件，設計分型面、澆注和冷卻系統，可得到模具的總裝配圖，隨后運用CAE模擬分析，結合正交試驗，優化工藝參數，得到的注塑制品的翹曲變形量相比于未經過計算機輔助設計的注塑工藝下降了0.4mm以上，得到了很大的改善［11］。薄壁塑料零件注塑模具設計中，數控加工過程也應充分考慮注塑后得到的注塑制品質量，模擬注塑成型工藝過程、優化工藝參數，設計出更適合實際生產使用的模具。

5結論

薄壁塑料制品的結構復雜，對其注塑模具的要求更高，采用數控加工技術，尤其是運用了計算機輔助技術的數控加工手段，能夠針對具體問題進行分析和解決，因此得到了廣泛應用。CAD、CAE和CAM的聯用，又增加了數控技術的加工精度和加工效率，無論是小尺寸還是大尺寸的薄壁塑料零件注塑模具，合理選擇功能模塊，結合理論分析，均能夠優化模具結構，并給出最佳的注塑工藝參數，是模具生產加工和注塑生產中的有力工具。

參考文獻

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作者：江灝源 張強 余雁波 單位：云南機電職業技術學院