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塑料注射成型過程的設(shè)計與仿真
機械與制造工程特拉馬來西亞，43400 UPM，Serdang，雪蘭莪、 馬來西亞
本文介紹了用于生產(chǎn)塑料產(chǎn)品的注塑模具的設(shè)計。把塑料模設(shè)計成兩種不同的部分，但是擁有相同的使用功能，其中一部分是凹模功能，另一部分則是凸模功能。在計算機輔助設(shè)計 (CAD)中，兩個塑料零部件使用 Pro-Engineer （Pro E） 參數(shù)化軟件繪出3維（3D）視圖。在計算機輔助制造(CAM)過程中，亦可利用 Pro-E 參數(shù)化軟件開發(fā)加工程序，同時對于模具設(shè)計而言，在同一模架上，可利用可變的鑲塊生產(chǎn)出不同種類的塑料產(chǎn)品。在操作注塑機和模具設(shè)計之前，利用Mold Flow或Part Advisor軟件，我們可以分析和模擬出最合適的注射部位、物質(zhì)的溫度和注射壓力，預(yù)測出熔接橫和氣泡的位置。.
關(guān)鍵字: 多變插入模具、注射壓力、氣泡，注射位置、模具設(shè)計
簡介
當(dāng)今，工具和模具制造的塑料注射成型技術(shù)是世界上增長最快的行業(yè)之一?，F(xiàn)在幾乎每個應(yīng)用都涉及到了塑料產(chǎn)品，從生活用品到太空旅行，從運輸?shù)桨b，從醫(yī)學(xué)到玩具，從橋梁建設(shè)到體育運動，無不使用塑料產(chǎn)品。通常塑料注射成型是熔化的塑料材料在壓力作用下進入到模腔，在冷卻或化學(xué)反應(yīng)的熱固性下實現(xiàn)所需形狀的過程。模具的設(shè)計與制造是一個高昂的消費和高科技投入的過程，因為它使用以科學(xué)為基礎(chǔ)的計算機輔助工程 (CAE) 軟件來分析和模擬塑件部分，其中計算機輔助設(shè)計 (CAD) 軟件設(shè)計的復(fù)雜的塑料產(chǎn)品和計算機輔助制造 (CAM) 為銑削或閂鎖編制的所要運行的計算機數(shù)字控制 (CNC)程序。隨著計算機技術(shù)的進步，導(dǎo)致了計算機的成本被人忽略，所以這種先進和昂貴技術(shù)將會提高生產(chǎn)力和改善工藝性。因此，對于這個快速發(fā)展的新興行業(yè)來說，確保新技術(shù)達到完善是很重要的。因此計算機輔助工程 (CAE) 是協(xié)助處理和計算注塑材料在注塑模內(nèi)部的流動情況。
理論
如何注塑材料如何填充模具
注射成型過程可以畫分為三個階段：1.灌裝階段2.加壓階段3.補償階段
（1）灌裝階段
設(shè)計塑料零件的注射成型過程時，最需要掌握的是如何使塑料填充到模具中。在模具注射填充階段，熔融狀態(tài)下的塑料注入型腔內(nèi)直到腔內(nèi)填滿為止。隨著塑料流入腔內(nèi)，塑料與模具內(nèi)壁接觸迅速凝固，進而在模具內(nèi)壁和融化的塑料之間產(chǎn)生凝固層
板 1 顯示塑料材料如何從后往前的擴展和流動，在流動的前沿與模具接觸后凝固。冷凍層中的分子因此沒有高度的導(dǎo)向，一旦被凝固，方向不會改變。板1：
板1塑料在模具內(nèi)部的流動
紅色箭頭顯示熔化了的塑料的流動方向，模具中暗藍色的層則顯示塑料的凝固層。綠色箭頭表示模具內(nèi)的熱量沿聚合物熔體的流動方向。
融化狀態(tài)下的塑料在經(jīng)過凝固層吸收部分熱量后，填充到模具內(nèi)。當(dāng)冷凍層達到一定厚度時，腔內(nèi)出現(xiàn)平衡，這通常發(fā)生在注塑過程早期的十幾秒后。
（2）加壓階段
在灌裝階段完全填充型腔后，進入加壓階段。在此階段，所有路徑將都被融化的塑料所填充，但是腔內(nèi)填充區(qū)域的邊緣和角落可能沒有填充到。為了實現(xiàn)完全填充，在加壓階段需要向模具內(nèi)注入額外的塑料。
板 2 顯示灌裝階段 （左圖） 的結(jié)束和加壓階段 （右圖像） 結(jié)束之間的差異。注意未填充的角（藍色的圓圈），將一直保留到灌裝階段的結(jié)束。黃色的圓錐指示聚合物注射位置，塑料是紅色的。
板2填充和加壓階段的差別
FillinR Phase：填充階段
Pressurization Phase：加壓階段
（3）補償階段
塑料材料具有較高的體積收縮率，塑料從熔融狀態(tài)到固體，它的收縮率平均為25%。因此加壓階段之后，必須將更多的材料注入腔來彌補收縮后凝固的塑料，這是補償性階段 。
模具基礎(chǔ)制造
模具設(shè)計和制造是注塑系統(tǒng)最重要的過程。這是因為模具的設(shè)計與制造對于生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量有著巨大的影響?；旧夏＞呔哂袃蓚€功能。第一使聚合物形成所需的形狀；第二冷卻注塑成型零件。模具，包含一個或多個腔，由兩個基本部分組成：
?注入塑料的固定模具
? 關(guān)閉或者噴射的一面，分離的兩個模具是稱為分型線
模具將決定產(chǎn)品的最終屬性，如大小、 形狀、 尺寸和加工表面。通常情況下，模具配合注射機缸噴嘴將融化的塑料材料填充到型腔稱為澆口到腔。表1分別是模具組件和功能的摘要列表。
模具設(shè)計
要啟動一個新的模具設(shè)計，在產(chǎn)品的外觀設(shè)計、材料使用、 材料、 型腔的數(shù)目正確收縮和模具基地的選擇等做進一步設(shè)計之前，設(shè)計者應(yīng)該了解一些重要點，以避免產(chǎn)生一些錯誤，另外犯了錯誤可以導(dǎo)致不合格的模具，在最終的裝配，以及制作出來的塑料產(chǎn)品超出了公差而被客戶所拒絕。
模流分析軟件5 板顯示實體模型的澆口位置在模具的頂部，黃色圓錐形狀顯示在此分析中的位置。
在注射和自動成型過程中，澆口作為鑄造零件的一部分，允許熔融狀態(tài)下的材料流動，從注入口到模腔，澆口一般都是相同的大小和形狀，但通常是要小得多。最合適的澆口，對于填充率應(yīng)該足夠大，對于密封和防止回流應(yīng)該盡可能小。
產(chǎn)品模擬結(jié)果
在模擬過程開始之前，材料供應(yīng)商和材料牌號必須設(shè)置和選擇，通常情況下，在模中設(shè)計數(shù)據(jù)庫中已有數(shù)據(jù)，用戶只須根據(jù)需求選擇具體材料規(guī)格。下圖顯示了材料這一分析：
Material Grade：材料牌號
Mould Temperature：模具溫度
Melt Temperature：熔體溫度
Max Injection Pressure：最大注射壓力
填充的時間
填充時間是填滿腔內(nèi)部分所需的時間，它也是顯示了塑料材料如何填充模具的流動，從這點我們也可以了解到短時間內(nèi)部分不被填充的的模型部分，從這一結(jié)果也可以了解到熔接橫和氣泡的產(chǎn)生。6 板顯示材料填充入模具的情況
（材料百分之百填充模具）
填充的程度
填充程度的結(jié)果顯示該區(qū)域與腔內(nèi)的空隙。這一結(jié)果是由壓力和溫度所致的結(jié)果。填充程度會顯示三種顏色： 綠色、 黃色、 紅色和半透明。綠色顯示肯定會填充、 黃色表示可能很難填補或可能有質(zhì)量問題，紅色將是很難填補或?qū)⒂匈|(zhì)量問題，半透明則表示不會填充。
如果未能填充型腔，可能是設(shè)計澆口位置的原因，則必須進一步的更改塑料或工藝條件的選擇。然而，要確保已完成的部分是質(zhì)量好，腔內(nèi)還必須充分地裝入塑料。7 板顯示在此分析中填充的程度。
注射壓力
模型的每點上的顏色上表示模型上該點的壓力，紅色顯示為最高壓力，綠色則表示最低壓力。而一點的壓力則是注射壓力和壓力降結(jié)合的結(jié)果。例如，即使某一部分具有可接受的壓降，實際注射壓力在同一地區(qū)可能太高，高注射可引起超緊密堆積作用，為了減少這種情況發(fā)生的可能，請按照下列步驟：1.增加最大注射壓力2.改變聚合物注射位置3.改變零件形狀4.選擇不同的材料
板 8 是從 0 MPa 至47.02MPa注射壓力的顯示結(jié)果
氣泡
10 板分析后顯示產(chǎn)生氣泡結(jié)果，顯示小藍色表示氣泡的分布情況。分析結(jié)果顯示各區(qū)，至少兩個材料流向匯聚的地方最終產(chǎn)生氣泡，使塑件變的不合格，若要防止材料流經(jīng)的匯合產(chǎn)生氣泡，可通過以下兩種平衡路徑：
1.使用導(dǎo)流板
2.改變模具型腔壁的厚度
3.改變聚合物注射的位置
模具的開發(fā)
做完所有產(chǎn)品模擬實驗之后，依據(jù)實驗?zāi)M的結(jié)果設(shè)計模具。使用一個模具架來生產(chǎn)兩種不同塑料部件，這是因為幾乎70%的塑料產(chǎn)品形狀是相似的，所以在這種情況下使用可變的鑲塊，而核心鑲塊將作為永久的鑲塊。
模具基本尺寸
對于本項目，模具采用三板類型系統(tǒng)精確澆注，基模的大小是與 FCI 類型，A 板尺寸 100 毫米，B板 250 毫米 × 250， 軋機70 毫米，分隔塊和卸料版的大小尺寸為 100 毫米。卸料板的功能是使塑件和澆筑塑料之間分開，形成合格的產(chǎn)品。從澆口到腔，此模架每次注射一腔熔融的塑料材料，冷卻后，冷卻凝固后的塑料部件和模具通過使用肩式推桿彈出。
冷卻系統(tǒng) （水通道）
水通道是用來控制模具表面溫度和冷卻熔融的塑料材料成為剛性的塑件。對于本項設(shè)計水通道被設(shè)計成穿過模具腔的長度和滑塊，同時垂直于模具。圖下板顯示插入模具的流水通道：
Chiller water out：出水口 Chiller water in：進水口
澆注系統(tǒng)
澆注口是澆注系統(tǒng)和零件之間的連接，它必須允許足夠的材料流進填充模具，同時還要克服材料的熱塑性和收縮。在此項目，使用針點澆口，當(dāng)模具澆注完成打開后，產(chǎn)生合格的塑料產(chǎn)品，下圖為針點澆口系統(tǒng)：
完成模具裝配
Top Clamp Plate：釘夾板 Stripper plate：卸料版
Slider：滑塊 Spacer Block：間隔塊
Bottom Clamp plate：底部夾緊塊 Ring：鎖緊閥
Sprue：澆口 Support pin：支撐桿
Cavity Insert：型腔嵌 Return Pin：復(fù)位桿
Spring：彈簧 Ejector Return Plate：引射器返回板
CAD/CAM 模具設(shè)計
在塑膠行業(yè)中，CAD/CAM 的出現(xiàn)有望成為本世紀的最重要的科技進步之一。
CAD/CAM的使用，使模具設(shè)計者可以在短時間內(nèi)設(shè)計出出色和可多次利用的模具，而不是在做重復(fù)性模具設(shè)計的任務(wù)。
CAD/CAM 的優(yōu)點
CAD/CAM 模具設(shè)計中的優(yōu)點是：
a) CAD/CAM 技術(shù)通常用于數(shù)控加工技術(shù)制造模具，同時還能夠自動生成產(chǎn)品模型中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
b）CAD/CAM 可以幫助設(shè)計人員加速塑料零件及模具設(shè)計，縮短設(shè)計周期。
c） CAD/CAM 模具制造的重復(fù)性以及在日常任務(wù)中的使用，有助提高那些熟練掌握模具制造商的工作滿意度。
d） 用戶易于重新定義零件幾何 ；這意味著它可以提高質(zhì)量，減少模具設(shè)計中的錯誤。
模具設(shè)計中 CAD/CAM 及方法的應(yīng)用
在此項目中，采用 了CAD/CAM 軟件的類型是Pro/Engineer 2000i。Pro/Moldesign是對于Pro/ Engineer模具制造環(huán)境的擴展，它涵蓋了產(chǎn)品模具設(shè)計的各方面，例如：模板、澆注系統(tǒng) 、分型面、 頂桿孔、 收縮，以及數(shù)百種的其他功能。同時Prof C and Pro/MFG是Pro/Engineer到CNC制造的擴展，它廣泛的涵蓋了從3到5 軸銑削、2和4 軸線切割、車削、 激光、火焰等。設(shè)計完之后所有的模具，Pro/NC 和 Pro/MFG將發(fā)揮重要作用，在生產(chǎn)過程中將會生成所需的詳細NC刀具路徑以及實際的模具。同時在三維模型中完成的產(chǎn)品CNC刀具路徑存入模型數(shù)據(jù)庫中。例如，從制造、 模具設(shè)計數(shù)據(jù)庫提取核心鑲塊和想要做的一些制造模具數(shù)據(jù)。在啟動 CAD /CAM之前，一些重要的特性必須考慮像進給率、 主軸轉(zhuǎn)速、 步深度、 磨、 柱塞速度、 坐標系統(tǒng)、 材料和使用哪種類型的立銑刀的工具。若要啟動 CAD/CAM，第一必須要決定工作的維度，然后設(shè)置工件的坐標系統(tǒng)。工作片坐標必須與數(shù)控機床的坐標設(shè)置相同。錯誤的設(shè)置會導(dǎo)致機器與工件的崩潰。
討論和結(jié)論
使用來源于Pro/ENGINER中的 pro/Moldesign、Pro/MFG和 Pro/NC用于模具設(shè)計和制造，在模具制作行業(yè)中，精度和公差是重要的問題 ，因此使用 CAD/CAM 將提高和優(yōu)化模具設(shè)計和減少制造中的錯誤。
從分析模擬中得出足夠的信息，例如填充時間、注射壓力、壓力降等，用戶可以避免在實際操作過程中產(chǎn)生的例如氣泡等塑件缺陷。同時分析還將幫助模具設(shè)計者通過較小的改動設(shè)計出更好的模具，減少模具安裝時間。因此分析和仿真，它將幫助減少模具設(shè)計和生產(chǎn)的時間和成本。
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