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塑料注射模擬和設(shè)計模制過程
摘要
本文介紹了一種產(chǎn)品的注射模具設(shè)計生產(chǎn)。它被劃分為三個部分：設(shè)計、仿真和分析。塑料產(chǎn)品的設(shè)計有兩種不同形式，但具有相同的功能。產(chǎn)品使用簡單，并延長了產(chǎn)品的使用時間。計算機輔助形式（CAD）和計算機軟件Pro/Engineer是用于安排在三維（3D）設(shè)計模具產(chǎn)品中。二是在室溫模具中設(shè)計成不同的產(chǎn)品INSE可以交換，以產(chǎn)生兩種不同的產(chǎn)品。機械制造計算機輔助（CAD）和計算機軟件Pro/E用來生成一些數(shù)控加工的代碼。使用塑料流體分析進行的軟件（Moldflow—零件說明第四版）從中分析位置注射劑，材料溫度和注射壓力可以確定。還可以發(fā)現(xiàn)分析產(chǎn)品預期缺陷，如焊接線和被困空氣。
關(guān)鍵詞：可變插入模具，注射壓力，氣泡，噴射位置，模具設(shè)計
說明
如今，在注塑加工刀具的模具及工藝是一個世界上增長最快的產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)在的塑料從家庭用品到太空旅行，從運輸包裝，醫(yī)學玩具，到橋梁建筑運幾乎所有的應用程序都使用。一般來說，注塑是形成所需形狀的一個過程，由熔化的塑料材料并使塑料在壓力下進入模腔。期望的塑料形狀是通過冷卻熱塑性或通過熱固性化學反應完成的。
模具設(shè)計與制造是一個昂貴和高科技的過程。因為它使用了以科學為基礎(chǔ)的計算機輔助工程（CAE）軟件來分析和模擬塑料配件，電腦輔助設(shè)計（CAD）軟件設(shè)計復雜的塑料制品和計算機輔助制造（CAD）做程序設(shè)計制造。計算機技術(shù)的進步導致更多計算機成本比例提高，計算機數(shù)字控制銑床（CNC）或鎖存器來運行。因此，這種優(yōu)勢和昂貴的技術(shù)將提流程和高效率的一致性。
因此，對于這個快速增長的行業(yè)新技術(shù)是至關(guān)重要的，目的是以確保技術(shù)達到完美。因此，電腦輔助工程（CAE）助理麥克羅公司一直供應和計算注塑成型的塑料材料內(nèi)的流動。
理論
塑料填充模具
注塑成型過程可以被分解成三個階段：
1填充階段
2加壓階段
3補償階段
填充階段
涉及塑料部件的注塑成型工藝時要明確的是重要的元素如何在塑料模具中填充。在模具注射填充階段，熔融塑料被注入到空腔中，直到剛填充空腔。當塑料流入空腔后塑料接觸模具壁迅速冷卻，這將創(chuàng)建一個塑料模具和熔融塑料的冷凍層。
屏1顯示了材料的擴散是從后向前推著走，流到前方的邊緣進入接觸的模具并且凍結(jié)，一旦冷凍，冷凍層中的分子沒有更高的去向，去向也不會改變。
屏1 模具內(nèi)熔融塑料的流動
紅色的箭頭顯示熔融塑料的流動方向，深藍色層顯示針對模具壁上冷凍的塑料層。綠色箭頭指示的方向是熱量從聚合物熔體流進模具壁。
當冷凍層達到一定厚度達到平衡時，通過空腔流動冷凍層獲得更多的熔融塑料熱量，并到達模具后失去熱量。這通常發(fā)生在早期的注塑成型過程中的后幾十分之一秒。
加壓階段
加壓階段后會發(fā)生完全填充到空腔區(qū)的填充階段。在這個階段，所有的流動路徑將被熔融的塑料填充。在空腔中的填充區(qū)域的邊緣和角部分可能不包含塑料，為了完全填充幾何形狀，在加壓階段額外的塑料被壓入模腔內(nèi)。
屏2顯示填充階段（左側(cè)圖像）結(jié)束和加壓階段（右側(cè)圖像）結(jié)束之間的差異。注意填充階段結(jié)束時留下的未填充角落（藍色圓圈內(nèi)）。黃色錐表示聚合物注入位置，紅色表示的是塑料。
屏2 填充階段和加壓階段的區(qū)別
補償階段
塑形材料形成熔融材料的固體，具有高體積收縮，平均它會收縮25%。因此加壓階段后，更多的材料被注入到空腔中以補償冷卻后的塑形收縮。這就是補償階段（Moldflow軟件幫助文件）
模具基本建立
模具設(shè)計和制造是注射成型系統(tǒng)中認為最重要的過程。這是因為模具設(shè)計和模具制造的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響?；旧夏＞叩墓δ苁请p重的。第一是灌輸所需形狀的聚合物，第二就是冷卻模具中包含一個或多個空腔注射模具零件，包括兩個基本部分：
·注射塑料定半膜的一側(cè)
·半關(guān)閉或頂側(cè)移動，這兩個模具被稱為分型面。
該模具將決定最終產(chǎn)品的性能，如大小、形狀、尺寸和表面精加工。通常稱為通過中心進料通道澆注到模腔的填充是熔化的塑形材料。模具將與注塑機料筒噴嘴相吻合。表1是模具組件和匯總表。
模具設(shè)計
開始一個新的模具設(shè)計。設(shè)計者應該掌握一些重要的點。即在產(chǎn)品外觀設(shè)計材料的使用，材料的正確收縮，腔和模架的選擇，進一步避免一些錯誤。在最后的裝配中，犯的錯誤可能造成不合適的模具，使塑料產(chǎn)品不被承認并且被客戶拒絕。圖一顯示了模具設(shè)計圖表。
圖2 程序圖部分顧問模擬
Moldflow軟件。屏5顯示黃色的圓錐形狀表明本文分析的位置與澆口位置放置在頂部的新型固體模型。 在注射和傳遞成型中認為澆口是模制件的一部分，它允許熔融樹脂流入流道或從澆口進入型腔。澆口和澆道的尺寸形狀可能是相同的，但是一般來說是非常小的。這里存在一個最佳的澆口尺寸，對于適合的填充率它應該足夠大，對于密封防止回流或過度包裝它又足夠小。
產(chǎn)品模擬結(jié)果
在啟動仿真過程中，部分信息進行設(shè)置，如材料供應商和材料等級。這些通常已經(jīng)在Moldflow數(shù)據(jù)庫中設(shè)置，用戶僅僅選擇材料規(guī)格的特點，表2表示用于此分析的要素：
屏5 澆口位置的實體模型
澆注過程特點
成型工藝規(guī)范
零件名稱
TNG剪輯版
材料等級
ABS 650
模具溫度
50 ℃
熔體溫度
235 ℃
最大注射壓力
60 Mpa
填充時間
填充時間是填充空腔內(nèi)部所需要的時間，它也顯示塑形材料如何流入填充模具。從我們知道缺料（其中沒有填充模型）的部分將顯示。從這個結(jié)果中也可以了解焊接線和氣泡的形成，屏6顯示模具材料填充。
屏6 100%材料填充的塑料件中
填充質(zhì)量
在塑料腔內(nèi)，填充質(zhì)量結(jié)果顯示了該區(qū)域的概率，這個結(jié)果來自于壓力和溫度。填充質(zhì)量用三種顏色顯示，綠色，黃色，紅色并且半透明。用綠色表示完全填充，黃色表示可能填充困難或是有質(zhì)量問題，紅褐色表示填充困難或是有質(zhì)量問題，并且半透明的將不能填充（缺料）。
如果模腔不能填充，無論設(shè)計澆口位置，塑料的選擇或是加工條件都必須做一些改變。然而，為了確保高質(zhì)量的完成零件，塑料必須完全填充模腔。屏7顯示用這種分析填充質(zhì)量。
屏7 填充質(zhì)量
注射壓力
模型的每個位置上的顏色表示在該模型上的壓力，兩種顏色顯示高壓（紅色）和低壓（藍色），注射壓力可以連同壓降顯示結(jié)果。例如，事實上同一個區(qū)域可能注射壓力過高，即使零件的一個區(qū)域已經(jīng)有了一個可以接受的壓降，高的注射可以造成過度填充。為了減少這種情況的發(fā)生的機會，按照下列步驟操作：
1增大最大噴射壓力
2改變聚合物注射位置
3改變零件的尺寸
4選擇不同的材料
屏8顯示從0Mpa到47.02Mpa注射壓力的結(jié)果。
屏8 注射壓力
壓降
屏9顯示壓降結(jié)果。在填充位置，壓力將從注射位置到填充部分的端部下降。高壓降區(qū)域（紅色）通過低壓降區(qū)域（藍色，）使用一系列顏色去表示壓降結(jié)果。壓降是決定填充結(jié)果質(zhì)量的一個因素之一。
屏9 壓降
氣泡
屏10顯示氣泡結(jié)果分析，藍色的小氣泡顯示的是零件上的氣泡。所在的區(qū)域氣泡結(jié)果顯示，在會聚的地方熔體停止至少2個流量的位置，或者在最后填充點氣泡被困住。為了阻止會聚流位置包圍和氣泡陷阱的發(fā)生，通過以下平衡流量路徑：
1使用流量引導/導流板
2改變零件壁厚
3改變注射聚合物位置
屏10 氣泡
模具開發(fā)
在對所有的產(chǎn)品Moldflow模擬之后，模具設(shè)計優(yōu)先作用于模擬結(jié)果，僅一個模具底座被用來生產(chǎn)2個不同塑料零件，這是因為幾乎70%的塑料產(chǎn)品外形是相似的，所以在這種情況下使用可改變的鑲塊，核心嵌件將作為永恒嵌件，更改滑塊和模腔插入件用TNG剪輯版本和TNG粘貼版本，屏11顯示用TNG剪輯版本和粘貼版本的模腔和核心鑲塊。
屏11 模腔,核心和鑲塊
模架尺寸
對于這個項目，三版類型系統(tǒng)模架勢用于精確控制，模架的尺寸是FCI類的250mm*250mm，A版尺寸是100mm，B版尺寸是70mm，墊塊尺寸是100mm和脫料塊（簡稱LKM（龍記五金）模具基礎(chǔ)手冊）。脫料版的作用是移出塑料零件橫澆道。同時就認為塑料零件是一個好的產(chǎn)品不需要潤色。
對于這個模架，每次只有一個模腔澆注，熔融材料的塑料將流經(jīng)澆道的空腔。冷卻之后，塑料零件將變硬粘住鑲塊，同時通過使用肩式噴射器噴出。
三版模具
在這個項目中使用三版模具是因為對于熔融塑料，澆注口小并且三版模具的澆注系統(tǒng)在第二分離平面平行于主分離面。當模具是開放時，第二個分離面允許澆口和澆道噴射。在三版模具中，澆道將從模腔噴射分離，塑料件注射后不需要經(jīng)過任何潤色過程（羅1986）.
滑塊核心
當設(shè)計底座塑料件時，例如側(cè)控，側(cè)凸臺時使用核心滑塊。核心滑塊是因定連接板B（指板14）和板A上的兩個角銷。當模具打開時，角銷將從模具位置中水平移除核心滑塊。在模具打開用時，核心滑塊運動數(shù)量將取決于角和滑塊移動到角銷的距離。核心滑塊足夠移動是為了推桿完全取出塑料件。
冷卻系統(tǒng)（水力槽）
水力槽是從核心滑塊噴射，控制模具表面溫度和冷卻熔融塑料成為僵化狀態(tài)。對于這個項目，水力槽的設(shè)計鉆孔沿著模腔芯塊和滑塊的長度。冷卻系統(tǒng)是模具的垂直方向。屏12顯示了模具內(nèi)水力槽的流動。
屏12 模具中心水力槽流動
澆注系統(tǒng)
澆口是連接澆注系統(tǒng)和模壓部分，加上附加材料必須克服正常的熱收縮部分，它必須允許足夠的材料流入模具填充件。在這個項目中，當模具打開部分將被自動從澆道移除并且不需要接觸塑料產(chǎn)品時，使用傾斜銷澆口。屏13顯示精確定位澆口系統(tǒng)。
屏13 精確定位澆口系統(tǒng)
完成模具裝配
屏14顯示完成模具裝配為TNG剪輯版本，屏16和15顯示出的橫截面，用于模具關(guān)閉組件和打開的裝配位置。
CAD/CAM的模具設(shè)計
在塑料工業(yè)，CAD/CAM已經(jīng)出現(xiàn)，現(xiàn)在顯示的是本世紀最重要的進步技術(shù)之一。在較短時間內(nèi)并且在模具設(shè)計師的創(chuàng)造力，使CAD/CAM將用在更好的設(shè)計中，而不是在做塑料零件重復的模具設(shè)計。
屏14 完整的模具模型
屏15 橫截面模具封閉組
CAD/CAM的優(yōu)點
在設(shè)計方面模具CAD/CAM的優(yōu)勢
a) CAD/CAM技術(shù)通常用于數(shù)控（NC）加工技術(shù)制造的模具，也能夠在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上創(chuàng)建三維產(chǎn)品模型并自動生成。
b) CAD/CAM可以幫助設(shè)計師加快塑料零件和模具設(shè)計過程，并縮短很長時間。
屏16 橫截面模具封閉組
c) CAD/CAM模具制造中對于那些熟練的模具制造商，提高更多的挑戰(zhàn)和工作滿意度，模具制造將提高工作生活質(zhì)量。
d) 方便用戶重新定義零件尺寸，這意味著它可以提高模具設(shè)計質(zhì)量，減少錯誤質(zhì)量。
CAD/CAM模具設(shè)計方法應用
在這個項目中，這個類型的CAD/CAM使用Pro/E2000軟件。Pro/Moldesign是Pro/E模具制造環(huán)境的一個擴展。包括各個方面生產(chǎn)模具的設(shè)計。比如模架、熱流道系統(tǒng)創(chuàng)建、水線、錐釘孔、收縮孔和數(shù)以百計的其它功能。模具創(chuàng)建Pro/NC設(shè)計和Pro/MFG生產(chǎn)擴展到CNC生產(chǎn)領(lǐng)域。Pro/E覆蓋3—5軸銑削。2和4軸電火花線切割、車削、激光、火焰等，具備一個寬幅的能力。
在創(chuàng)建詳圖和生成數(shù)控加工刀路的實際模具過程中，所有模具設(shè)計之后。Pro/NC和Pro/MFG制造生產(chǎn)將再次發(fā)揮重要作用。數(shù)控刀路是來源于產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)庫。3D模型產(chǎn)品路線完成將直接從數(shù)據(jù)庫中提取模具設(shè)計制造。例如，從數(shù)據(jù)庫模具的核心插入想做一些制造業(yè)。一些重要特性在CAD/CAM開始之前必須考慮，像Ⅱ圖進給率、主軸轉(zhuǎn)速、步長深度、銑削材料、注塞速度、坐標系和力銑刀種類。
啟動CAD/CAM,，要能確定工件尺寸，然后設(shè)置工件的坐標系統(tǒng)。工件坐標設(shè)置必須與CNC機床中的坐標相同。錯誤的設(shè)置會造成機器和工件崩潰。在選擇制造過程后，決定使用什么樣的制造工藝，例如分析體積、侵吞、鉆孔和傳統(tǒng)的表面，Pro/NC使用了CAM（智能計算機輔助制造）軟件將加工代碼轉(zhuǎn)換成計算機代碼。像G碼和M碼的加工代碼將被存儲在CNC中，然后制造運行。屏17顯示了實際制造運行之前的實體模型模擬。屏18中紅色線是工具運行對點的位置。
屏17 實體模型模擬 屏18 線框仿真模擬
Pro/MFG將創(chuàng)建必要數(shù)據(jù)庫來驅(qū)動數(shù)控機器的一個Pro/Moldesign部分。它通過提供工具來制造，工程師遵循邏輯順序步驟進行，從設(shè)計模型到ASCII CL數(shù)據(jù)文件，可以為數(shù)控機床進行后處理。在圖3CAD/CAM說明可以基本概括了Pro/MFG過程（Pro/MFG.R18）
討論和結(jié)果
概括設(shè)計的塑料部分是基于汽車司機的需要。當駕駛者到達收費站時，為了駕駛員容易拿到它，塑料部件支架盒放置在 Touch N卡中或plus單程票中。在這個項目中，塑料部件被設(shè)計成兩種不同類型的產(chǎn)品。設(shè)計在一個多變的插入模具基礎(chǔ)上，只用一個模具基礎(chǔ)將降低制造業(yè)的成本和時間。Pro/Moldesign，Pro/MFG 和來自于Pro/ENGINER Pro/NC是用來設(shè)計模具和制造行業(yè)，精確度和公差是重要的問題，所以在模具設(shè)計中使用CAD/CAM將提高工件質(zhì)量并且在生產(chǎn)中減少出錯次數(shù)。
從分析模擬仿真提供了足夠的信息結(jié)果如填充時間、注射壓力和壓力降。用戶可以避免在實際注塑中的塑料缺陷如縮痕，停頓,，氣泡和超緊密堆積作用。分析還將幫助模具設(shè)計師以最小的修改來設(shè)計一個完美的模具，這也減少模具設(shè)置時間。這個分析和仿真將幫助減少時間和成本。
圖3 總結(jié)Pro/MFG過程
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