淺談注塑模具中一些先進技術(shù)

內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李 聰 李 輝

市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，促使工業(yè)產(chǎn)品越來越向多品種、小批量、高質(zhì)量、低成本的方向發(fā)展，于是對成型各種產(chǎn)品的關(guān)鍵工藝裝備——模具的要求就更高。一方面企業(yè)為追求規(guī)模效益，使得模具向著高速、精密、長壽命方向發(fā)展；另一方面企業(yè)為了滿足多品種、小批量、產(chǎn)品更新?lián)Q代快、迅速贏得市場的需要，要求模具向著制造周期短、成本低的快速經(jīng)濟方向發(fā)展。工業(yè)生產(chǎn)中先進技術(shù)的出現(xiàn)，使得在塑料模具快速經(jīng)濟制模如虎添翼，應(yīng)用范圍不斷拓寬，類型不斷增多，創(chuàng)造的經(jīng)濟效益越來越顯著。

1.計算機輔助技術(shù)

1.1 CAD技術(shù)

近年來模具CAD軟件以美國UGS公司針對注射模推出了注射模設(shè)計向?qū)В∕old Wizard）和Pro/E為代表。注射模設(shè)計向?qū)橛脩籼峁┳⑸淠ＴO(shè)計環(huán)境、工具和相關(guān)知識，以及豐富的標(biāo)準(zhǔn)化的模架庫、零件庫和嵌件庫等，用戶可以選擇軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)模架或靈活方便地建立適合自己的標(biāo)準(zhǔn)模架庫，多種形式的動、定模結(jié)構(gòu)中，采用參數(shù)化的方式設(shè)計澆口套、拉料桿、斜滑塊等通用件，然后設(shè)計脫模機構(gòu)和冷卻系統(tǒng)，完成模具的總裝，而實現(xiàn)從塑件到模具的快速設(shè)計過程。用戶利用UG軟件可實現(xiàn)塑料注塑模從設(shè)計到數(shù)控加工成型的全過程，實習(xí)那模具設(shè)計的3D化，減少模具設(shè)計制造周期時間，大大提高效率。

1.2 CAE技術(shù)

塑料模具工業(yè)中CAE軟件以MoldFlow軟件最為代表，其注塑成型模擬分析模塊（簡稱MPI）在計算機上對整個注塑過程進行模擬分析，包括填充、保壓、冷卻、翹曲、纖維取向、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和收縮，以及氣體輔助成型分析等，使設(shè)計者在設(shè)計階段就找出未來產(chǎn)品可能出現(xiàn)的缺陷，提高一次試模的成功率。設(shè)計者在設(shè)計完產(chǎn)品后，運用產(chǎn)品優(yōu)化顧問模塊（簡稱MPA）模擬分析，在很短的時間內(nèi)，就可以得到優(yōu)化的產(chǎn)品設(shè)計方案，并確認(rèn)產(chǎn)品表面質(zhì)量。其注塑成型過程控制專家模塊（簡稱MPX），集軟硬件為一體的注塑成型品質(zhì)控制專家，可以直接與注塑機控制器相連，可進行工藝優(yōu)化和質(zhì)量監(jiān)控，自動優(yōu)化注塑周期、降低廢品率及監(jiān)控整個生產(chǎn)過程。

在注塑成形中將CAD和CAE技術(shù)交互使用，可以減少設(shè)計者對經(jīng)驗的依賴程度，提高一次試模的成功率，大大縮短模具設(shè)計時間，并簡化模具制造切削加工工藝，對注塑機的注射過程進行優(yōu)化和質(zhì)量控制，降低成本，提高效率。

2.逆向工程

傳統(tǒng)的產(chǎn)品實現(xiàn)通常是從概念設(shè)計到圖樣，再制造出產(chǎn)品，我們稱之為正向工程，而相對而言，逆向工程（Reverse Engineering，RE）起源于精密測量和質(zhì)量檢測，是設(shè)計下游想設(shè)計上游反饋信息的回路，主要是通過3D數(shù)字化測量儀或光學(xué)設(shè)備（三坐標(biāo)測量機或激光掃描儀）對物理原物進行掃描，獲得點云數(shù)據(jù)，再通過相應(yīng)的處理軟件轉(zhuǎn)變?yōu)榍娴倪^程。

逆向工程的具體技術(shù)流程是：利用測量儀準(zhǔn)確、快速的量取樣品表面點數(shù)據(jù)或輪廓線數(shù)，對采集的點云進行多視圖點云拼合、過濾、精簡等點數(shù)據(jù)處理過程，由已存在的點創(chuàng)造曲線，檢查、修改曲線的曲線處理過程，由點、線成面的曲面處理過程，考慮被測物對機構(gòu)引起的綜合軌跡誤差、曲線擬合誤差等因素的誤差分析修改過程[1]（可由逆向設(shè)計軟件如imagewave完成）。再傳至CAD/CAM系統(tǒng)，再由CAD系統(tǒng)傳至CNC加工機床或快速成型機來制造工件或模具，如圖1所示。

圖1 逆向工程流程圖

3.熱流道技術(shù)

近年來，熱流道系統(tǒng)在中國注塑模具制造業(yè)逐漸推廣和使用，國內(nèi)一般采用內(nèi)熱式或外熱式熱流道裝置，少數(shù)企業(yè)采用高難度閥式熱流道裝置，但總體上熱流道的采用率達不到10%，與國外的50%～80%相比遠遠不夠。所以，進行熱流道注射模具經(jīng)濟性和技術(shù)性綜合開發(fā)和應(yīng)用，具有廣泛發(fā)展前景[2]。

熱流道技術(shù)以無可比擬的優(yōu)越性解決了冷流道中無法解決的問題，主要體現(xiàn)在改善制品的質(zhì)量、節(jié)約原材料（對熱固性塑料注射成型尤為重要）、避免采用三板式模具結(jié)構(gòu)、降低注射壓力和注射量等方面[3]。

如圖2所示，針閥式多腔熱流道。該系統(tǒng)是通過采用閥針控制裝置的作用下，在預(yù)定的時刻以機械運動的方式來打開或關(guān)閉澆口。這種類型的熱流道系統(tǒng)可人為控制澆口開關(guān)時間、澆口光滑平整、可擴大熱流道技術(shù)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域等。近年來國際上各主要汽車公司均采用閥式熱流道，結(jié)合模具內(nèi)多色共注工藝來生產(chǎn)整體車燈燈罩。因燈罩是透明產(chǎn)品，澆口必須光滑平整以滿足美觀要求，只有使用閥式澆口熱流道才能實現(xiàn)。另外一些汽車零件在成型后需要噴涂著色，如果在這些零件上有注塑成型熔合線，那么著色后零件的色澤就會不一樣且無法滿足質(zhì)量要求。為必要此類問題的產(chǎn)生，許多汽車零件供應(yīng)商采用一種基于閥式熱流道的順序開關(guān)澆口的生產(chǎn)工藝，來徹底消除零件上的熔合線問題。在醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)療用塑料零件澆口質(zhì)量要求極為嚴(yán)格，不可有尖利凸起等，此種情況下，也只有依靠閥式澆口流道系統(tǒng)來提高澆口質(zhì)量。

圖2 針閥式多腔熱流道系統(tǒng)

4.氣體輔助成形

氣體輔助注射成形在90年代作為了一項成功的技術(shù)進入了實用階段，在西方發(fā)達工業(yè)國家推廣應(yīng)用，并在我國的家電行業(yè)獲得成功的應(yīng)用。在21世紀(jì)，氣輔成形將成為塑料加工行業(yè)廣泛應(yīng)用的新興工業(yè)技術(shù)[3]。

圖3所示為氣體輔助成型過程，可看出氣體注射系統(tǒng)是把惰性氣體（通常是N2）經(jīng)由壓力或體積控制系統(tǒng)直接注入模腔的熔融塑料內(nèi)，使塑料內(nèi)部膨脹而造成中空，但仍然保持產(chǎn)品表面的外形完整無缺。有節(jié)省原料（約省50%）、降低注塑機的鎖模力（可降低60%）、對某些塑料產(chǎn)品的模具可采用鋁合金材料等顯著優(yōu)點。如電視機前殼塑件的成型工藝，可通過采用氣體輔助注射成形工藝，解決和消除產(chǎn)品表面縮痕問題，提高模具的使用壽命和縮短產(chǎn)品生產(chǎn)成型周期，提高生產(chǎn)率[4]。

圖3 氣體輔助注射成形過程示意圖

5.微注射成形技術(shù)

隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展，微型注射制件在光電通訊，影像傳輸，生化醫(yī)療，信息存儲，精密機械，插頭式光纖連接器，醫(yī)學(xué)用微量泵，內(nèi)窺鏡零件，旋轉(zhuǎn)傳感器中的衍射光柵以及微齒輪等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并以每年20%的速度在增長。德國的Battenfeld公司、Boy公司、日本的Sodick公司和美國的Murray等公司為代表的注塑機生產(chǎn)商，先后研發(fā)了各種不同類型的微型注塑機，其螺桿直徑最小可達Φ5mm，注射容量只有幾立方厘米甚至零點幾立方厘米。

隨著微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及對微小塑件需求的日益增長，微注塑成型技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)如下趨勢[5－6]：

（1）在微注塑選材時，不但要考慮制件的精度要求，還要考慮到材料的可模塑性和脫模性能。

（2）微注塑成形注射量小，需新的材料塑化方式，解決熔體質(zhì)量，流動性等問題。

（3）微注塑成型型腔小，模溫難以控制，需要探索新的方式解決此難題。

（4）需開發(fā)適合微注塑成型技術(shù)的數(shù)值模擬軟件。

6.結(jié)語

傳統(tǒng)的、宏觀上的注塑成形技術(shù)理論及工藝已發(fā)展的比較成熟，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，塑料制品從民用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和交通等行業(yè)發(fā)展。對制品質(zhì)量的要求越來越高，對注塑設(shè)備及技術(shù)提出了更高的要求。注塑設(shè)備和技術(shù)開始向高速高效化、自動化、專業(yè)化、微小化、精密化方面發(fā)展。我國在塑料模具的一些先進技術(shù)的發(fā)展還很緩慢，所以，振興模具行業(yè)，發(fā)展先進的成型技術(shù)是十分必要的，對提高中國產(chǎn)品的質(zhì)量有重要作用。

[1]蔚敬斌.逆向工程技術(shù)及應(yīng)用[J].機械管理開發(fā),2006,2.

[2]盧艷玲等.熱流道注射成型CAE技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[J].模具制造,2006,9.

[3]李德群,唐志玉主編.中國模具設(shè)計大典(第2卷)輕功模具設(shè)計[M].江西科學(xué)技術(shù)出版社.

[4]何文.電視機前殼氣體輔助注射模設(shè)計[J].模具工業(yè),2010.

[5]Yung K L,Liu H,Xu Y.Target tracking in micro injection molding[J].Key Engineering Materials,2008,364-366,1292-1295.

[6]莊儉,張建國等.微注塑成形機的研究現(xiàn)狀與進展[J].塑料科技,2009,5.