王智森，韋洪新，汪兆棟，許啟慶

（景德鎮(zhèn)學院 機械電子工程學院，江西景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

隨著經濟全球化的蓬勃發(fā)展，塑料制品的應用范圍越來越廣，直接帶動模具行業(yè)技術的日益革新［1］。據統(tǒng)計，截至2020年，近5年來塑料模具約占模具行業(yè)的45%，其中注塑成型模具需求量最大［2］。世界上每年大約有九千億升飲料被生產，飲料瓶的材料主要有塑料制品、金屬制品和玻璃制品等，其中塑料制品的飲料瓶更易于加工制造且可重復利用、成本低廉、攜帶方便，被國內外廣泛推崇［3］。飲料瓶生產的核心工藝是中空吹塑，根據消費者的需求可以制成各種所需的形狀，響應市場變化。本文以某型飲料瓶制造工藝為例，提出中空吹塑模具設計及數控仿真加工的一體化分析方法，解決模具造型與NC編程分析軟件不統(tǒng)一、兼容性不強且效率不高的問題。

1 飲料瓶中空吹塑模具設計

1.1 中空吹塑模具工藝分析

目前中空吹塑應用成熟的方法有2種：擠壓吹塑和注射吹塑。前者是通過擠出管狀預制件，在吹塑模具胚料加熱時夾緊，用壓縮空氣將預制件膨脹，使其接近型腔內壁并保持壓力和冷卻的條件而形成。后者是通過注射機將處于熔融狀態(tài)下的塑料先注射到模具中形成管坯；然后將模具打開，管坯保留在芯模上，并迅速趁著余熱的環(huán)境吹塑模具，壓縮空氣吹入芯模的原始通道，使模坯膨脹并靠近模腔內壁［4-5］。擠壓成型裝置工藝簡單，僅需要1個凹模；注射吹塑裝置需要2個模具，其中一個與普通模具類似且型芯設有吹塑通道，另一個類似于擠壓吹塑模具，底部結構相對簡單，無需切割殘留材料［6］。

型腔模具的材料選擇應綜合考慮工作場合、加工性能及應力分布等因素，避免出現結構失效問題［7］。通過選用高質量的鋼并應用表面處理技術來提高型腔模具的使用壽命，其中高性能高速鋼以鈷高速鋼（W2Mo9Cr4VCo8）和鋁高速鋼（W6Mo5Cr4V2A1）為代表。

1.2 飲料瓶結構參數化設計

某型飲料瓶結構設計參數如表1所示。

表1 飲料瓶結構參數Tab.1 Structural parameters of beverage bottle

通過UG軟件的自由曲面CAD功能模塊對飲料瓶結構進行建模，得到飲料瓶三維模型如圖1所示。建模步驟分為8個：點擊旋轉實體命令創(chuàng)建飲料瓶三維模型父特征；點擊倒角及圓角命令完成邊角細節(jié)特征；點擊旋轉切除命令在父特征基礎上完成剪切特征；點擊偏移混合命令創(chuàng)建曲面特征；點擊合并實體化命令將曲面特征合并實體化；點擊陣列命令創(chuàng)建飲料瓶底部4個支腳特征；點擊抽殼命令完成飲料瓶壁厚特征；點擊螺旋掃描命令完成飲料瓶口螺紋特征。

圖1 飲料瓶自由曲面三維造型Fig.1 3D modeling of free-form surface of beverage bottle

1.3 飲料瓶型腔模具設計

通過UG軟件對飲料瓶型腔進行模具設計的一般流程以及利用UG的MOLD WIZARD模塊完成具體步驟如圖2所示。

圖2 飲料瓶型腔模具設計流程Fig.2 Design process of cavity mould for beverage bottle

（1）型腔模具材料選擇。由于吹塑工藝產生的內部壓力相比注塑工藝較小，同時型腔布置的冷卻系統(tǒng)要求熱傳導性能好，以保證飲料瓶成型質量及型腔模具的使用壽命。因此型腔模具材料采用W6Mo5Cr4V2A1，在輕量化基礎上提高吹塑模具耐磨性。

（2）型腔模具定位及導向確定。將飲料瓶三維模型導入型腔模具文件中，設置型腔模具坐標原點與飲料瓶三維模型坐標原點重合。根據中空吹塑原理及飲料瓶結構參數，設置型腔模具脫模斜度和收縮率，其中收縮率計算公式：

式中S——收縮率，%；

D——模具尺寸；

M——塑料尺寸。

在型腔模具設計過程中，考慮上模與下模裝配精度要求，避免上、下模閉合期間發(fā)生碰撞造成內部結構損壞，因此確定定位及導向結構布置形式十分關鍵。按照上、下模合模裝配的順序，設計兩面四銷均布鎖模塊進行定位安裝，如圖3所示。上、下模裝配同步進行，主模中間后端設置導向谷肚，提高上、下模定位準確性，避免飲料瓶制品由于合模誤差產生不同軸的現象。

圖3 型腔模具定位及導向設計Fig.3 Positioning and guiding design of cavity mould

（3）型腔模具分型面創(chuàng)建。分型面根據飲料瓶制品外觀要求與結構特點設置，同時考慮型腔模具數控仿真加工可行性及內部冷卻水通道的管路布置，提取型腔模具中飲料瓶制品的分型線，通過掃描和拉伸等操作創(chuàng)建上、下模的分型面。在保證飲料瓶精度、外觀質量且不影響成型區(qū)域的前提下，分別創(chuàng)建模具體積塊和谷肚分型面。對于模具設計來說，分模是難點之一，確定分型面需要考慮4點因素：方便飲料瓶脫模；滿足飲料瓶型腔精度要求；分模完成后使模具型腔深度較小，便于制造加工；分型面便于排氣，防止出現氣孔。

創(chuàng)建型腔分型面，分割型芯、型腔體積塊，如圖4所示。創(chuàng)建型腔模口及冷卻槽，如圖5所示。在?？诓课?，將1個冷卻槽切除，保證管坯在模具內部能夠均勻受熱，避免出現飲料瓶口翹曲和頸部歪斜等現象。從?？谖恢玫穆菁y成型鑲件吹塑口通入潔凈空氣壓力為0.5 MPa左右，保證飲料瓶制品凝固過程內應力分散均勻。吹塑過程中為保證冷卻應力均勻和合理的冷卻速度，如圖6所示，將冷卻水回路創(chuàng)建到型腔背面的水箱中，其中各水路通道直徑設定為10 mm，蓋上蓋板和防漏墊片并用螺釘擰緊形成1個密封的循環(huán)水回路。

圖4 型腔分型面Fig.4 Cavity parting surface

圖5 型腔?？诶鋮s槽Fig.5 Cavity mould cooling groove

圖6 型腔冷卻水回路Fig.6 Cavity cooling water circuit

（4）型腔模具裝配組合。創(chuàng)建谷肚定位銷與螺栓，中空吹塑時將谷肚、型芯及型腔3部分結構連接，在型芯部件上創(chuàng)建螺栓孔和銷釘孔。根據型腔模具整體結構尺寸，設計型腔模具導柱參數為16×150 mm，模架參數為 280×250×25 mm，裝配上述創(chuàng)建完成的零部件，得到飲料瓶型腔模具結構爆炸圖如圖7所示。借助UG開模仿真進行整體結構干涉自檢，無邊界重疊或缺失區(qū)域，滿足模具設計要求。

圖7 飲料瓶型腔模具結構爆炸圖Fig.7 Exploded view of cavity mould structure of beverage bottle

2 型腔模具數控仿真加工

2.1 型腔模具數控加工流程

UG軟件數控加工模塊功能包括平面銑削、表面手動銑、點加工、車削、連續(xù)銑削、線切割和變軸曲面輪廓銑削等。后處理模塊包含2種程序：圖形后處理程序和UG通用后處理程序，經過工具路徑生成NC程序，導入指定機床識別，實現無縫銜接［8-9］。

數控仿真加工流程為7個步驟：分析幾何體；選擇加工環(huán)境定義配置；創(chuàng)建及修改型腔模具父節(jié)點組；確定走刀路徑及銑削方式；生成刀軌及檢驗；仿真加工；后置處理導出NC程序［10］。

2.2 型腔模具數控加工工藝

型腔模具表面大部分是弧面，瓶口及邊角細節(jié)特征較多，因此刀具類型依據加工形狀及輪廓曲率確定，粗加工選擇較大的圓角銑刀。進行分層加工時，選取腔銑粗加工，切削深度為0.6 mm，圓角銑刀使用16R4的刀具。粗加工和半精加工步驟完成之后，表面余量更加均勻，再對整個型腔用6的硬質合金球頭銑刀進行精加工。其中型腔模具銑削加工工序如表2所示。

表2 型腔模具銑削加工工序Tab.2 Cavity mold milling process

2.3 數控仿真及后置處理

創(chuàng)建型腔模具粗加工仿真路徑，導入模型確認工作坐標系的坐標原點位于模型底面的中心。進入處理模塊，將CAM流程配置設定為“cam-general”及CAM設定為“mill-contour”以初始化處理環(huán)境。設置粗加工參數：切割法遵循周圍法；根據刀具直徑30%確定切削步驟；將每個切割的全局深度設置為0.6 mm；刀前進/后退的水平間隙為3 mm；垂直間隙和最小間隙為1 mm；傳輸模式設置為前一平面。

粗加工完成后，型腔的某些區(qū)域仍有較大余量，通過半精加工使用輪廓銑削去除。設置半精加工參數：層到層方法用于零件的交叉傾斜。使用零件的橫向傾斜方法，可以連續(xù)切割，并且刀具進給位置呈螺旋形分布。精加工過程選擇遵循周圍的模式，進給方向從外到內，階躍定義方法為殘留波峰高度。型腔模具輪廓面精加工路徑如圖8所示，仿真加工效果如圖9所示。

圖8 輪廓面精加工路徑Fig.8 Contour finish machining path

圖9 型腔模具仿真加工效果Fig.9 Simulation machining effect of cavity mould

UG數控仿真結果表明：型腔模具上、下模芯正面刀具加工平順，無撞刀及干涉現象，弧面、過渡面輪廓清晰光滑，腔體壁厚均勻，模具樣件仿真加工效果顯著。

UG軟件系統(tǒng)對數控機床無法識別的刀具位置進行計算，生成刀具位置文件，并進行后處理生成NC程序。UG/postexecute和UG/postbuilder構成UG的后處理模塊，適用于大多數的數控機床系統(tǒng)，流程如圖10所示。根據型腔上、下模具仿真加工路徑結果，分別生成NC程序，其中起始程序段如表3所示。將NC代碼導入數控銑床加工中心，安裝毛坯、設置銑刀原點、對刀及程序調試等準備事項即可進行實物加工，有效縮短飲料瓶制品開發(fā)周期。

圖10 UG軟件后置處理Fig.10 UG software post-processing

表3 型腔模具NC程序起始段Tab.3 Cavity mould NC program start section

3 結語

本文以某型飲料瓶為例，介紹運用UG軟件進行中空吹塑模具設計及數控仿真加工的一體化分析方法和操作步驟。通過UG軟件的CAD/MOLD功能實現數據無縫銜接，在UG中設計的三維模型文件可以在數控仿真加工界面設置中直接導入，不存在格式轉換過程中造成的兼容性及部分細節(jié)特征丟失問題，有效發(fā)揮UG軟件的CAD/CAM協同優(yōu)勢，對同類塑料制品的模具結構設計與制造工藝具有一定的借鑒意義。