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研究论文

TRNAVA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/rput-2016-0034 2016，第24卷，第38号

CAX辅助注射模的设计和生产

Lukaacute;scaron; LIKAVČAN, Martin FRNČIacute;K, Rudolf ZAUJEC, Lukaacute;scaron; SATIN,

Maroscaron; MARTINKOVIČ

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院，

生产技术研究所，

ULICA·JAacute;NA BOTTU 2781/25917 24 TRNAVA，斯洛伐克共和国

电子邮件：lukas.likavcan@stuba.sk, martin.frncik@stuba.sk, rudolf.zaujec@stuba.sk,

lukas.satin@stuba.sk, maros.martinkovic@stuba.sk

摘要

本文主要研究利用三维CAD系统设计所需的塑料零件和注射模的过程。随后对注射模过程进行有限元分析，以便通过CAE系统确定塑料材料的收缩和变形。然后修改模具尺寸以补偿收缩效应。模具的加工过程（铣削和激光变形）通过CAM系统进行。最后，在通过注射模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。研究还表明，CAx系统是预生产和生产过程中不可或缺的一部分。

关键词

注射模、有限元分析、CAD模型、CAM加工、CAQ检验

引言

如今的CAD系统相当复杂；这包括部件设计所需的所有操作，如建模操作、进行各种工程计算和分析、编制完全数字化的技术文件，并最终实现单个部件甚至组件的可视化。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。中间的CAD软件（f.i.AutoCAD）可以放入组中

1. 最后一类由大型CAD系统表示，该系统使用一系列具有

最新的集成建模以及成像和信息技术，以实现组件的整个设计和生产过程（1）。

计算机辅助辅助设计已经广泛应用于注塑件的设计和注塑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零件形状，在下一步生成零件外壳，并通过从零件外壳中减去零件形状的函数，最终获得注射模的形状。通过CAD软件进行部件设计，并通过CAM软件进行生产，具有一些优势，因为这些过程在计算机中进行各种分析：

• 在CAD系统中，首次将未来部件的模型可视化，然后可以评估部件表面和形状的质量。通过选择使用基本布尔运算（如几何体的加法、减法或求交等），实体建模变得简单。
• 通过使用曲率分析，可以很容易地评估用于加工给定表面的刀具。这在模具型腔的生产中很重要，尤其是当模具作为零件模型形状的负片生产时。
• 必须对模具型腔进行分析，以确定是否可以用常规方法加工型腔形状。还应检查刀具是否达到所需深度，以及刀具是否可用于加工所需形状。有时会出现某些表面无法仅用常规方法加工的情况。然后采用常规方法和电火花加工工艺相结合的方法对模具型腔进行加工（2）。

目前机器上使用的注射模在技术上是复杂的设备。他们在质量、生产率、可靠性和生产自动化方面提出了很高的要求。从方法论的角度来看，注塑模具可分为两个部分。第一部分是一个成型的模具型腔。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的塑料材料。塑料材料随后固化成最终部件的形状和尺寸。模具型腔的结构往往非常多样化；设计受最终产品的功能、形状和外观的影响。第二部分是模具结构的定制设计。它通常有重要的相似之处（3）。

本文描述了最简单、最精确的注塑模的制造，并展示了CAx软件在设计工程活动中的重要性。使用Delcam PowerShape的CAD软件生成模具的三维模型。使用基本几何元素，通过CSG方法（构造实体几何）形成数字刀具模型。建模方法的简单性在于使用基本的布尔运算，如加法、减法或求交。选择块作为模型的基本对象，并通过添加或减去基本数学对象逐渐修改为所需形状。所设计的模具模型必须满足注塑模上的所有构造原则，以便最终生产的模具正确地实现其功能。以下几页描述了通过注射模技术生产部件的过程，包括以下步骤：生成部件的CAD模型、注射过程的FEM分析、生成工具的CAD模型、工具的生产和部件的生产。

注塑模工具的多样性（图1）由几个方面给出。例如，必须考虑产品的精度和特性、注塑机的尺寸和容量、所需产品的数量以及机器的经济性。应考虑所有这些要求的折衷，以获得最佳的工具多样性。在这种情况下，注塑模具由四个型腔组成（一个产品一个型腔）。

注塑模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、主流道和流道）后，对该工艺进行了有限元分析。分析提供了有关模具型腔填充过程和塑料材料收缩的信息。不同的塑料材料可用于生产所需的部件。对于生产的部件，不需要获得高的机械强度，只需要低的生产成本。玻璃纤维增强的聚合物不适合其耐磨性。因此，组件将采用聚烯烃材料生产。其低粘度能很好地填充空腔的体积；然而，它们的特点是半结晶结构。因此，在模具设计过程中，必须考虑材料的收缩效应。

注塑过程的有限元计算分析需要对模型进行网格划分（图2）。样品的网格由208 671个元素组成。选择四面体作为基本单元形状。一个四面体单元的边长约为0.5mm。这些元素由38576个节点绑定。

选择熔融温度约为290°C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粘度较高（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），当结晶区分解时，主要转变发生在Tm。这种转变在图4中标出。

图3用过的PP的粘度-剪切速率图图4用过的PP的P-V-T图

在有限元模拟中，使用了与使用注塑机的生产过程中随后应用的工艺参数相同的工艺参数。生产过程中使用的注射参数如下：注射压力6MPa，注射时间2.5s，保压4MPa，注射时间4s，冷却时间10s。

注射成型工艺参数的选择在很大程度上受到注射成型机上可设置的参数范围的限制，而且，工艺参数受所选塑料的材料性能的影响。将这些范围放入有限元模拟中，随后确定了注射模工艺的最佳参数。这些参数因此被用于部件的生产。

有限元模拟表明，由于塑料材料的收缩，为了达到零件的原始尺寸，必须扩大注射模腔。因此，闸门中心和组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

当熔化的塑料材料由于注射的高速而无法到达并填充整个空腔时，就会产生喷射效应。结果，熔融的塑料材料在注入部件（4）表面上显示出一些波浪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，然后开始填充部件空腔（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有限元模拟期间，将组件填充到空腔浇口中

图7在工艺的中间时间（填充时间）填充组分

模拟证实未观察到不良的喷射效应。这是因为模具型腔的设计使每个部件上的注塑浇口和边缘位置不对称。在填充模具型腔的过程中，熔融的塑料材料进入浇口，撞击型腔的上边缘，然后撞击下边缘，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。

模拟结果表明，在尺寸修改和生产注塑模后，由于正确地提出了注射工艺参数，因此有可能启动生产过程。

注射模的生产

图8注射模CAD模型

注塑模的成品模型（图8）被导出到名为PowerMILL 2016的CAM软件中，其中CL数据是通过铣削技术为拟议注塑模的加工生成的。图9描绘了所使用的一种加工策略（粗加工模型）的示例。模具工具的制造使用高速五轴铣床HSC 105线性DMG（图10）。模具工具由AW 6082材料加工而成。

模具型腔铣削完成后，将刀具移至名为LaserTEC 80 Shape的五轴激光加工中心，以完成最终形状。机器（图11a）配备了波长为1064nm的纳秒脉冲光纤Nd:YAG激光器。它被用来在注射模的型腔中制作教员（MTF）和研究所（UVTE）标志。

（a）

b）

图11。 激光加工工艺

• 1. 激光机内部夹紧的注射模，b）烧蚀过程后的状态

优化了激光束参数，使每层切割深度达到5mu;m。激光束跟踪距离参数（激光束在工件表面的两条平行路径之间的距离）设置为5mu;m。制作的徽章的总深度设置为0.5毫米（每个徽章100层）。

加工程序的准备包括将给定的标志（采用*.bmp格式，无颜色信息）导入CAM软件LPSWN。输入所有必要的参数（凹陷的总深度、层厚度和轨迹距离）后，加工程序进入。L4D格式适用于所有类型的标志。图12显示了每种徽章在烧蚀过程中产生的激光束运动轨迹。随后，将注射模夹紧到激光机的钳口虎钳中，开始了微加工过程。

图12 LPSWN软件生成的激光束轨迹

注射模的最终形状如图11b所示。按照上述加工工艺制造的刀具现在已经准备好进行第一次真正的注射试验。

部件的生产和尺寸检查

为了实际生产塑料部件，使用了一台名为Babyplast 6/10p的卧式注塑机，其工艺参数如上所述。

表1塑料部件和注射模的CAD模型尺寸比较

随后，用数字卡尺测量三次所选塑料部件（直径和厚度）和所选型腔的尺寸，以确定部件尺寸相对于其CAD模型的百分比变化。这些发现在表1中说明。1.可以看出，组件的直径小于CAD模型的直径；差异为-2.83%。这种相似性也可以在厚度值中找到，因为组件厚度与CAD模型厚度的差异为-1.79%。这种尺寸变化是由塑料材料

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