林錦輝

（福州第一技師學(xué)院，福建 福州 350001）

工業(yè)4.0 時(shí)代，信息技術(shù)、新材料技術(shù)、3D打印技術(shù)等推動(dòng)了工業(yè)現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展進(jìn)程。在注塑模具的設(shè)計(jì)和制造中，高精度、高效率、標(biāo)準(zhǔn)化等成為基本要求。為了滿(mǎn)足這些要求，在注塑模具的設(shè)計(jì)方法上必須要加以創(chuàng)新，而CAE 軟件除了具有優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的功能外，在分析型腔平衡性、縮短設(shè)計(jì)周期等方面也有顯著優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，隨著3D 打印技術(shù)的成熟，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的注塑模具，將CAE 和SLM技術(shù)相結(jié)合，將會(huì)顯著提高注塑模具的精度，從而為提升產(chǎn)品品質(zhì)和改良使用效果提供了技術(shù)支持。

1 注塑模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種生產(chǎn)數(shù)碼相機(jī)前殼塑料件的注塑模具，塑件要求如下：材料為ABS；表面光滑，無(wú)毛刺、氣孔、熔接痕；尺寸精度達(dá)到MT Ⅲ級(jí)。注塑模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

1.1 模具分型面設(shè)計(jì)

通過(guò)分析塑件的工藝特征，判斷屬于深腔殼類(lèi)塑件。為確保塑件不會(huì)產(chǎn)生翹邊等問(wèn)題，將模具設(shè)計(jì)為一模雙腔結(jié)構(gòu)，并采用對(duì)稱(chēng)布置，可以保證模具受力平衡，提高塑件的加工質(zhì)量和延長(zhǎng)模具的使用壽命。在確定型腔布置方案后，還要設(shè)計(jì)用于取出塑件流道凝料的分型面。在該模具中，分型面由兩部分組成：其一是整體分型面，即殼體的邊緣線(xiàn)；其二是細(xì)部分型面，即殼體平面上各個(gè)通孔的邊緣線(xiàn)。為保證塑件美觀(guān)，將細(xì)部分型面均設(shè)置在背面。具體設(shè)計(jì)方式如圖1 所示。

圖1 模具分型面布置意圖

基于上述設(shè)計(jì)思路，打開(kāi)UG NX 9.0 軟件，通過(guò)以下步驟構(gòu)建模具分型面的三維模型：（1）在“項(xiàng)目設(shè)置”中，將材料設(shè)定為ABS，收縮率1.035，單位為mm。（2）在“模具CSYS”中，將模具坐標(biāo)作為產(chǎn)品中心，同時(shí)在“鎖定XYZ 位置”選項(xiàng)欄中，勾選“鎖定Z”位置。（3）在“工件”中，工件方法、工件尺寸等全部采用默認(rèn)參數(shù)即可。（4）選定塑件上的所有通孔，并標(biāo)記其形狀、尺寸、坐標(biāo)等基本信息。然后單獨(dú)創(chuàng)建每一個(gè)通孔的分型面。（5）分別使用紅色、綠色自動(dòng)標(biāo)記型芯和型腔。若有未定義區(qū)域沒(méi)有標(biāo)記顏色，則查明其屬性后手動(dòng)標(biāo)記。最后根據(jù)標(biāo)記結(jié)果，自動(dòng)畫(huà)出分型線(xiàn)，得到分型面。

1.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用注塑模具批量化生產(chǎn)塑件時(shí)，主流道頻繁接觸高溫噴嘴，很容易出現(xiàn)磨損。為了方便更換，在澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要將澆口套設(shè)計(jì)成為可拆卸的組件。根據(jù)塑件的形狀、壁厚，以及標(biāo)準(zhǔn)工況下的注射速度，將分流道的截面設(shè)計(jì)成為U 型，半徑5mm，深度8mm，傾角30°。設(shè)計(jì)澆口位置時(shí)，計(jì)算注塑時(shí)的流動(dòng)陰力，將澆口布置在陰力最小處。在注塑陰力分析中，可借助于Moldflow軟件，分析結(jié)果如圖2 所示。

圖2 澆口注塑流動(dòng)陰力分析圖

結(jié)合圖2 可知，在藍(lán)色區(qū)域內(nèi)注塑陰力較小，選擇這4 個(gè)區(qū)域設(shè)置澆注口，不容易留下澆注痕跡，有助于提高塑件表面的光滑度。為了從4 個(gè)選項(xiàng)中找出最佳澆注口，還要在軟件中模擬注塑過(guò)程，并確定最佳的填充時(shí)間。仿真結(jié)果表示，I 區(qū)域最佳填充時(shí)間為1.33s，II 區(qū)域最佳填充時(shí)間為1.17s，Ⅲ區(qū)域最佳填充時(shí)間為1.12s，IV 區(qū)域最佳填充時(shí)間為1.06s。除了填充時(shí)間外，還可以使用該軟件進(jìn)行氣穴比較、鎖模力比較、體積收縮率比較等。最終結(jié)果如表1 所示。

綜合表1 中的6 向指標(biāo)，認(rèn)為II 接口綜合注塑效果最佳，因此可以將其作為澆注口。

表1 4 個(gè)澆口各項(xiàng)指標(biāo)的仿真分析結(jié)果

1.3 成型零件設(shè)計(jì)

成型零件也是注塑模具的重要組成，按照類(lèi)型又可分為型芯、型腔、鑲件等。這里以型芯為例，在詳細(xì)參數(shù)設(shè)計(jì)上，芯型零件的徑向尺寸為112.5mm，深度為24.1mm。使用CAM軟件進(jìn)行仿真分析可知，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，局部有深槽，加上結(jié)構(gòu)精度要求較高，如果采用常規(guī)的數(shù)控銑床加工成型，可能會(huì)出現(xiàn)精度不達(dá)標(biāo)，或者是損傷零件的情況。因此，在芯型加工中使用SLM技術(shù)制作，以保證結(jié)構(gòu)精度。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)模架的選擇

選擇有型腔、型型及鑲件組成的三分型面模架，使用螺釘進(jìn)行模架固定，同時(shí)在鑲件下方設(shè)置獨(dú)立的支撐板。參考《模具設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的有關(guān)規(guī)定，對(duì)于尺寸在120-150mm 之內(nèi)的塑件，其內(nèi)模鑲塊的壁厚以25mm 為宜。據(jù)此設(shè)計(jì)內(nèi)模鑲塊的尺寸為240mm×180mm×12mm。同樣參考《模具設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的相關(guān)規(guī)定，可以分別計(jì)算出模板周界尺寸、墊塊厚度以及動(dòng)/定模板厚度等基本參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)模塊的各項(xiàng)參數(shù)確定以后，選擇一臺(tái)XS-ZY 型螺桿式注射劑，對(duì)該模架的開(kāi)合模行程、取件所需空間等進(jìn)行校驗(yàn)。結(jié)果如表2 所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)模架的校核結(jié)果

2 注塑模具鑲塊SLM 制作

2.1 鑲件的參數(shù)設(shè)置和打印

在利用SLM技術(shù)打印模具零件之前，首先要確定型芯和鑲塊的工藝參數(shù)。在使用UG NX 軟件制作注塑模具的三維模型之后，將該模型的原始文件以STL 格式單獨(dú)保存。使用Materialise 3-matic 軟件，在新建項(xiàng)目中勾選剛才保存的STL 格式文件。成功導(dǎo)入之后，可以在設(shè)置選項(xiàng)中，對(duì)型芯、型腔、鑲塊的工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。在參數(shù)設(shè)定完畢后，可以利用SLM技術(shù)將鑲塊打印出來(lái)?？紤]到鑲塊體積較小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且對(duì)精度要求極高，因此在打印設(shè)備的選擇上也有較高要求，本文選擇德國(guó)EOS 公司生產(chǎn)的M290 型選擇性激光熔化3D 打印設(shè)備，基本參數(shù)如表3 所示。

表3 M290 3D 打印設(shè)備的基本參數(shù)

鑲塊的成型材料選擇專(zhuān)門(mén)用于3D 打印的MS1 鋼粉末，該材料的機(jī)械性能優(yōu)、熱處理效果好，易于焊接、拋光和鍍膜。打印設(shè)備和打印材料都準(zhǔn)備妥當(dāng)后，按照設(shè)計(jì)好的注塑模具鑲塊三維模型，啟動(dòng)設(shè)備完成自動(dòng)打印。需要注意的是，為了進(jìn)一步提高鑲塊表面質(zhì)量，防止出現(xiàn)翹邊、毛刺等問(wèn)題，打印上層表皮時(shí)，選擇雙層打印模式，一層為打印，另一層為重熔。

2.2 鑲件的優(yōu)化處理

在SLM制作鑲塊時(shí)，噴出的金屬粉末一部分通過(guò)激光熱熔組成了鑲塊，還有一部分則粘附在鑲塊表面或溝槽中。因此在制作完成后，還要借助于氣槍等工具將這些金屬粉末全部清理干凈。然后取出鑲塊，采用肉眼觀(guān)察或借助于放大鏡觀(guān)察的方式，將局部存在的毛刺或凸起的顆粒等，使用砂紙輕輕打磨。在完成優(yōu)化處理后，還要采取線(xiàn)切割的方式，讓鑲塊與打印設(shè)備的載物臺(tái)分離。最終得到的鑲塊表面光滑，無(wú)翹邊、毛刺、氣孔等瑕疵。上表面重熔效果優(yōu)良，未發(fā)現(xiàn)有熔接痕。各通孔的斷面成型良好，尺寸精度符合設(shè)計(jì)要求，成果圖如圖3 所示。

圖3 SLM 制作鑲塊的成果圖

按照同樣的方法，使用SLM制作注塑模具的型腔與型腔。經(jīng)優(yōu)化處理后，采用螺釘固定的方式，將型腔固定在檢測(cè)設(shè)備的臺(tái)板上，再將型腔、鑲塊等安裝在型腔上，進(jìn)行精度檢測(cè)，對(duì)比判斷基于SLM 制作的注塑模具和CAD 設(shè)計(jì)的模型之間是否存在尺寸誤差。

2.3 鑲件的誤差分析

2.3.1 粗糙度檢測(cè)

粗糙度是評(píng)價(jià)注塑模具制作質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，尤其是對(duì)于數(shù)碼相機(jī)這類(lèi)高端的精密化產(chǎn)品，對(duì)模具的粗糙度要求更加嚴(yán)格。粗糙度檢測(cè)使用日本三豐（Mitutoyo）生產(chǎn)的電子式粗糙度檢測(cè)儀，測(cè)量參數(shù)設(shè)定為：速度0.8mm/s，橫向波長(zhǎng)3.0mm，縱向波長(zhǎng)12μm，其他參數(shù)均為默認(rèn)值。在固定好的注塑模具表面和立面，分別隨機(jī)選擇10 個(gè)點(diǎn)位測(cè)量其表面粗糙度。其中，表面粗糙度的最小值為3.67μm，最大值為4.02μm，平均值為3.82μm。粗糙度達(dá)標(biāo)，且誤差較小。而里面粗糙度的最小值為8.25μm，最大值為11.33μm，平均值為10.04μm。粗糙度較差，且誤差較大。因此需要根據(jù)測(cè)量結(jié)果，對(duì)局部進(jìn)行打磨、拋光處理。

2.3.2 關(guān)鍵尺寸檢測(cè)

對(duì)于注塑模具整體尺寸的檢測(cè)，一般使用激光掃描儀即可，具有效率高、易操作等特點(diǎn)，但是對(duì)于關(guān)鍵部位的精度檢測(cè)來(lái)說(shuō)，激光掃描儀的精度可能達(dá)不到要求。這種情況下就需要使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，精度要求較高的部分，做進(jìn)一步的精度測(cè)量。測(cè)量時(shí)要求室內(nèi)溫度恒定在（22±3）℃，檢測(cè)步驟如下：（1）將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)置于平整的工作臺(tái)上，使用酒精布擦拭三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的載物臺(tái)。利用一側(cè)手柄調(diào)節(jié)縱測(cè)針，使其歸零。之后將需要檢測(cè)的注塑模具放置到載物臺(tái)上，并利用上下夾具將待測(cè)模具固定好。（2）三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)掃描注塑模具后，提取其三維坐標(biāo)，并在系統(tǒng)中聲場(chǎng)對(duì)應(yīng)的三維模型。（3）導(dǎo)入設(shè)計(jì)好的CAD 圖，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)比CAD 圖中各點(diǎn)坐標(biāo)與三維模型中各點(diǎn)坐標(biāo)的匹配度。（4）平面上各點(diǎn)坐標(biāo)的允許公差為±0.1mm，立面上各點(diǎn)坐標(biāo)的允許公差為±0.3mm。實(shí)際誤差在該范圍內(nèi)，即為精度達(dá)標(biāo)；若超出該范圍，則需要進(jìn)行打磨或拋光處理。

結(jié)束語(yǔ)

在塑料制品對(duì)精度要求日益嚴(yán)格的背景下，注塑模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為決定塑料制品生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在信息化背景下，使用CAD/CAE 等軟件進(jìn)行注塑模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，同時(shí)也提高了設(shè)計(jì)精度。尤其是對(duì)于型腔、型芯和鑲塊等體積較小、結(jié)構(gòu)緊密的零件，選擇基于CAE 軟件的三維設(shè)計(jì)，為制作中的精度控制創(chuàng)設(shè)了良好條件。在此基礎(chǔ)上，配合使用SLM制作工藝，可以顯著提高注塑模具的表面精度，在提高塑料制品質(zhì)量方面效果明顯。