CAD/CAE/CAM技術(shù)在塑料薄壁制品成型中應(yīng)用*

蘇燕，梁武

（北海職業(yè)學(xué)院電子信息工程系 廣西北海 536000）

CAD/CAE/CAM技術(shù)在塑料薄壁制品成型中應(yīng)用*

蘇燕，梁武

（北海職業(yè)學(xué)院電子信息工程系 廣西北海 536000）

塑料薄壁制件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且制件的尺寸精度要求較高，通常對加工原料、生產(chǎn)工藝及模具結(jié)構(gòu)要求較為苛刻。其中ABS樹脂、聚烯烴材料等具有較好的流動性及較低的尺寸收縮率，可用于薄壁制品的加工。在傳統(tǒng)加工過程中，僅依賴生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)會造成生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)效率低。計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）/計算機(jī)輔助工程（CAE）/計算機(jī)輔助制造（CAM）新興的數(shù)控加工技術(shù)，建立在計算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)上，同時融合了高分子學(xué)科中的流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、量子力學(xué)等知識，通過計算機(jī)仿真可以實(shí)現(xiàn)材料的篩選、工藝和模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，可以大幅降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期、提高塑料制件的精度、減小塑料制件的缺陷。

CAD技術(shù)；CAE技術(shù)；CAM技術(shù)；高分子材料成型

隨著化工和高分子科學(xué)的發(fā)展，聚合物材料在軍用、醫(yī)用、民用等各個領(lǐng)域都發(fā)揮了不可或缺的作用。聚合物材料一般具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、耐候性、尺寸穩(wěn)定等性能，可在較為苛刻的環(huán)境下使用。另外，聚合物材料也具有良好的加工性能和力學(xué)性能，可以制備成各種類型的零件和模型。但在聚合物加工過程中，尤其是在薄壁型塑料制件的加工時，聚合物熔體冷卻后容易產(chǎn)生尺寸收縮和翹曲變形，抑或產(chǎn)生裂紋、氣泡等缺陷，從而降低了塑料件的質(zhì)量和使用性能。

計算機(jī)輔助技術(shù)是融合了分子力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、量子力學(xué)等學(xué)科知識，在分子設(shè)計和材料加工領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD），計算機(jī)輔助工程（CAE）和計算機(jī)輔助制造（CAM）［1-4］均屬于計算機(jī)輔助技術(shù)，這3種計算機(jī)輔助的功能各不相同，應(yīng)用領(lǐng)域囊括了由微觀分子結(jié)構(gòu)設(shè)計到宏觀加工成型等各個方面，其功能涉及了新材料的開發(fā)、分子設(shè)計和模擬、材料加工成型時產(chǎn)品的模型設(shè)計、材料加工過程中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化、材料加工的整個過程輔助控制等［5-8］。CAD，CAE和CAM通常進(jìn)行聯(lián)用，也可單獨(dú)使用，筆者主要綜述了這3種計算機(jī)輔助技術(shù)在塑料薄壁制品中的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1　塑料薄壁制品

塑料薄壁制品是一種壁厚為1.2～2.0 mm左右，甚至更薄的塑料制品，常見的塑料薄壁制品有電話機(jī)殼、數(shù)控面板、薄板飾品等等。在加工過程中主要采用注塑工藝，但是由于材料由熔融態(tài)冷卻至高彈態(tài)或玻璃態(tài)后尺寸發(fā)生收縮，制件形狀偏離模具，發(fā)生翹曲變形。為了避免塑料薄壁制品加工過程中的缺陷發(fā)生，選擇合適的原材料、加工工藝參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)是較為有效的途徑?？墒侨绻灰揽總鹘y(tǒng)的加工經(jīng)驗(yàn)來解決上述問題，會在很大程度上提高生產(chǎn)成本、降低生產(chǎn)效率，因此利用計算機(jī)輔助技術(shù)是目前塑料薄壁制件成型加工領(lǐng)域的一大發(fā)展趨勢。在現(xiàn)代塑料加工產(chǎn)業(yè)中，CAD是利用計算機(jī)技術(shù)對塑料產(chǎn)品的模型進(jìn)行設(shè)計，CAE是通過數(shù)值分析和計算機(jī)模擬對塑料產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行評估，CAM則是在產(chǎn)品經(jīng)過CAE預(yù)估后對整個加工過程進(jìn)行輔助調(diào)控。通常在實(shí)際生產(chǎn)過程中，這3種計算機(jī)輔助技術(shù)是同時啟用的。利用CAD/CAE/CAM聯(lián)用計算機(jī)輔助技術(shù)，同時結(jié)合3D技術(shù)，可以在三維條件下對材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行仿真，可以準(zhǔn)確直觀地進(jìn)行評估和預(yù)測［9-12］，在塑料薄壁制品加工中應(yīng)用較為廣泛［13-15］。

2　在ABS薄壁制品中的應(yīng)用

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）是一種應(yīng)用十分廣泛的熱塑性工程塑料，具有較高的尺寸穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、阻燃性、介電性能、優(yōu)異的耐沖擊性能等，可以用于扇葉、機(jī)器外殼等薄壁部件和機(jī)械零件的制造。另外，ABS具有流動性優(yōu)異、成型收縮率低、凝固速率快等優(yōu)點(diǎn)，較為適合用于薄壁制品的加工。張友宏［16］在制備手機(jī)外殼時利用CAE技術(shù)對其原材料進(jìn)行了篩選，最終確定用熱導(dǎo)率為0.18 W/（m·K），比熱容為2.4 kJ/（kg·K）的ABS；通過對注塑工藝的仿真確定了注塑溫度為230℃，模具溫度為50℃，最大剪切應(yīng)力為0.3 MPa，最大剪切速率為5 000 s-1；他也利用CAE技術(shù)對ABS物料填充過程進(jìn)行了模擬，通過對澆口數(shù)目、尺寸、形狀、位置等優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)對稱分布的潛伏式澆口可以將制件的翹曲變形量降低至0.296 7 mm；在保壓過程的模擬中，他將保壓過程分為恒壓和衰減兩個步驟，當(dāng)物料溫度降低至流動溫度以下后壓力開始衰減，制件的翹曲變形量可降低至0.284 5 mm；另外，通過模擬沿厚和沿寬分布的冷卻系統(tǒng)對制件的影響，發(fā)現(xiàn)不同的冷卻系統(tǒng)對翹曲變形量影響不大。王巍［17］以ABS為原料制造了厚度為0.5 mm的葉片，并利用CAD/CAE/CAM技術(shù)進(jìn)行了加工過程的仿真和模擬。與傳統(tǒng)的加工工藝相比，運(yùn)用CAD/CAE/CAM技術(shù)的加工周期大大縮短，并且加工誤差減小，制件質(zhì)量得到提高。尹小定［18］在制造塑料控制面板時也選用了ABS材料，利用CAD/CAE/CAM技術(shù)對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的塑料控制面板的結(jié)構(gòu)和分型面進(jìn)行分析，設(shè)計了合理的模具結(jié)構(gòu)以及澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，制備出了尺寸為170.00 mm×90.60 mm×46.64 mm，壁厚為2.20 mm塑料件，并成功將收縮率控制在了0.5%以內(nèi)。王蕾等［19］也同樣以ABS為生產(chǎn)原料制備了電話機(jī)的外殼，這是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁型制件，對精度要求較高。通過利用CAD/CAE/CAM技術(shù)，他們對模具結(jié)構(gòu)、模具制造工藝、制件結(jié)構(gòu)和制件成型工藝的優(yōu)化和仿真，成功制備出了表面粗糙度為Ra0.8 μm，壁厚為2 mm的塑料件，并且將精度等級控制在了4級。

3　在聚烯烴薄壁制品中的應(yīng)用

除了ABS以外，還有很多其它的塑料可用于薄壁制品的制備，如尺寸穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐候性和力學(xué)性能均較為優(yōu)異的聚烯烴材料，由于其熔點(diǎn)較低，流動性能好，以及較好的結(jié)晶性又賦予其較低的收縮率，是一種理想的薄壁制品生產(chǎn)用塑料。C. Maruccio等［20］利用這種技術(shù)生產(chǎn)了一種結(jié)構(gòu)和形狀比較復(fù)雜的復(fù)合材料制件，通過蠕變、彎曲等對材料的力學(xué)性能進(jìn)行分析和非線性仿真以及生產(chǎn)加工過程的預(yù)測，成功制備出了表面光滑、質(zhì)量符合要求的制件。潘秀石等［21］以聚丙烯（PP）為加工原料，制備壁厚為2 mm的電機(jī)罩蓋板，他們利用CAD/CAE/CAM聯(lián)用技術(shù)進(jìn)行了塑料薄壁制件的加工研究，通過對模具的澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，以及制件的加工工藝和制件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，成功地制備出了符合生產(chǎn)要求的PP薄壁發(fā)動機(jī)蓋板，制件尺寸收縮率控制在1%～2.5%。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝相比，CAD/CAE/CAM技術(shù)簡化了生產(chǎn)流程、降低了生產(chǎn)成本，減少了制件缺陷、提高了生產(chǎn)效率。另外，CAD/CAE/CAM技術(shù)由于其高精度的特性，更適用于高精度制件的加工。汽車后視鏡蓋也是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁塑料制件，沈曉偉［22］通過對該塑料薄壁制件的尺寸進(jìn)行分析，利用CAD/CAE/CAM技術(shù)對塑料制件的工藝性、體積、質(zhì)量、成型方案、分型面及零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，設(shè)計出結(jié)構(gòu)和裝配合理的模具，并對制件進(jìn)行加工成型。其研究結(jié)果也表明，CAD/CAE/CAM技術(shù)可以有效提高塑料制品加工效率，提高了模具和制件的加工精度。不同的塑料制品對高分子材料類型的要求不同，而全塑車身所用的材料一般為聚乙烯和超輕纖維發(fā)泡材料。秦柳等［23］采用CAD/CAE/CAM聯(lián)用計算機(jī)輔助技術(shù)對聚乙烯/超輕纖維復(fù)合發(fā)泡材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，并且通過對模型結(jié)構(gòu)設(shè)計以及成型方法的選擇，最后確定加工方法為旋塑成型工藝，通過對溫度場的控制和加工過程的簡化制備出了尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能均較為優(yōu)異的聚乙烯基車身制件。除了CAD/CAE/CAM聯(lián)用技術(shù)在高分子材料成型中有較為廣泛的應(yīng)用，CAE技術(shù)也經(jīng)常作為一種單獨(dú)的計算機(jī)輔助技術(shù)用于高分子材料的成型加工模擬領(lǐng)域。汽車內(nèi)飾板一般用高分子復(fù)合材料或發(fā)泡塑料來制備，屬于一種塑料薄壁制品。在加工過程中容易發(fā)生翹曲變形。范亞博［24］利用CAE技術(shù)建立了塑料汽車內(nèi)飾板的加工工藝參數(shù)、翹曲變形量以及縮痕指數(shù)之間的映射模型，對注射溫度、注射速率、模具溫度、保壓時間等因素進(jìn)行優(yōu)化從而成功降低了該產(chǎn)品的翹曲變形量以及縮痕指數(shù)。洗衣機(jī)面板也是一種薄壁類塑料制件，并且結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，不同部位薄厚不均，常用材料為聚乙烯、PP或聚酯類高分子材料。沈洪雷等［25］利用CAE技術(shù)對洗衣機(jī)面板的加工參數(shù)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明采用針閥式噴嘴可以滿足不同部位對保壓時間和保壓壓力的不同要求，并且可以降低制件的翹曲變形程度以及熔接痕數(shù)量，進(jìn)而提高塑料制件的質(zhì)量。另外，CAE對其加工工藝進(jìn)行仿真的過程中可以對各個工藝進(jìn)行優(yōu)化，從而對實(shí)際生產(chǎn)起到指導(dǎo)性作用。

4　在其它薄壁制品及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

CAD/CAE/CAM聯(lián)用計算機(jī)輔助技術(shù)除了可以應(yīng)用于上述高分子材料的加工研究中，還可以應(yīng)用于很多類型的高分子材料加工。例如，長玻璃纖維增強(qiáng)尼龍6復(fù)合材料耐候性、化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能都較為優(yōu)異，并且在加工過程中更易于一次成型。王鳳等［26］擬利用這種材料制造齒輪箱，通過CAD/CAE/CAM技術(shù)對模型設(shè)計和制造進(jìn)行模擬和仿真，對模具和加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，在實(shí)際加工過程中應(yīng)予以物料補(bǔ)償，有效減小了澆口處的翹曲變形。另外，通過對齒輪箱各部位振動強(qiáng)度的仿真，準(zhǔn)確確定了齒輪箱各部位的壁厚，在實(shí)際生產(chǎn)中具有重大的指導(dǎo)作用。CAD/CAE /CAM聯(lián)用計算機(jī)輔助技術(shù)從產(chǎn)品的設(shè)計、結(jié)構(gòu)和性能的預(yù)估、加工過程的仿真和監(jiān)控都能較為詳細(xì)和準(zhǔn)確地進(jìn)行模擬，不僅能夠?qū)Ξa(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行預(yù)測，還能仿真出產(chǎn)品加工過程中可能出現(xiàn)的缺陷，從而在實(shí)際生產(chǎn)中采取補(bǔ)償措施來避免。這種聯(lián)用的計算機(jī)輔助技術(shù)對高分子材料加工產(chǎn)業(yè)具有十分重大的指導(dǎo)意義，并且可以在很大程度上縮短產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)的周期，減小成本，規(guī)避風(fēng)險。

塑料薄壁制件的質(zhì)量在很大程度上也受到模具結(jié)構(gòu)的影響，設(shè)計結(jié)構(gòu)合理的模具可以在很大程度上降低塑料制件的缺陷。CAD/CAE/CAM技術(shù)在模具設(shè)計與制造中的應(yīng)用也極為廣泛。例如，CAD技術(shù)可以對模具外形進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，CAE技術(shù)則可以利用數(shù)值關(guān)系對模具進(jìn)行評估和分析，CAM技術(shù)則是在通過設(shè)計計算機(jī)代碼對模具具體生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真和模擬［27］。張琦［28］利用CAD/CAE/ CAM聯(lián)用計算機(jī)輔助技術(shù)對手機(jī)殼的凹模和凸模的設(shè)計和制造進(jìn)行了仿真，通過結(jié)合溫度場和流體力學(xué)特性分析，利用有限元計算對模架、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等進(jìn)行了仿真，得到了最佳的澆口位置，并通過注塑工藝的優(yōu)化得到了有利于降低塑料制品翹曲變形的注塑、冷卻、脫模等工藝參數(shù)。

5　技術(shù)的新進(jìn)展

在塑料加工過程中，利用CAD/CAE/CAM聯(lián)用技術(shù)雖然可以大大提高制件質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本，但目前的生產(chǎn)效率依然較低，其中計算機(jī)輔助設(shè)計和計算機(jī)輔助系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換過程便是限制該技術(shù)生產(chǎn)效率提高的主要問題之一。為了進(jìn)一步提高CAD/CAE/CAM聯(lián)用技術(shù)的生產(chǎn)效率，在建模時進(jìn)行模型建檔、選擇合理模架、對加工過程流道及材料的流動特性進(jìn)行詳細(xì)分析，研究新的算法等均能夠在很大程度上提高生產(chǎn)效率［29］。Zhou Huiqun等［30］建立了一個新的STL模型，并將這種新的模型應(yīng)用于塑料制件的應(yīng)用中，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)制件的常規(guī)矢量錯誤、裂紋、圖層重疊等制件缺陷大大降低，可以大幅提高其生產(chǎn)效率和進(jìn)一步提高制件的精度。楊懷剛等［31］為了設(shè)計出高質(zhì)量的內(nèi)燃機(jī)缸蓋，利用CAE方法從流體力學(xué)、溫度場、高周疲勞分析、低周疲勞分析、振動特定等方面進(jìn)行了詳細(xì)而系統(tǒng)的仿真工作，從而制備出了具有合理的剛度、熱流道和冷流道設(shè)計的產(chǎn)品。但是，利用基于塑料成型的離線工藝參數(shù)的CAE方法進(jìn)行仿真的誤差較大，謝鵬程等［32］利用數(shù)據(jù)庫中離線數(shù)據(jù)對塑料制品的注塑加工進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果中最終產(chǎn)品的收縮率為2.183%，而實(shí)際生產(chǎn)中則為5.304%；但是當(dāng)采用在線工藝參數(shù)進(jìn)行CAE仿真時，仿真結(jié)果的產(chǎn)品收縮率4.557%，與實(shí)際收縮率僅相差不到0.75%左右。但總體來說，無論是CAD/CAE/CAM聯(lián)用計算機(jī)輔助技術(shù)，還是CAE單獨(dú)作為計算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用于高分子材料的成型或模具的設(shè)計和制造中，都能夠較為準(zhǔn)確地對設(shè)計、結(jié)構(gòu)、性能及生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真。尤其是利用在線工藝參數(shù)，可以大幅提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對實(shí)際生產(chǎn)過程具有較高的指導(dǎo)意義［33-35］。

6　結(jié)論

塑料薄壁制品對所用的材料及加工工藝要求較為苛刻，其中ABS、聚烯烴以及尼龍等高分子材料可用于塑料薄壁制品的加工。利用CAE技術(shù)以及CAD/CAE/CAM聯(lián)用技術(shù)，結(jié)合3D技術(shù)可以對塑料加工過程進(jìn)行仿真，篩選出合適的原料、工藝以及模具結(jié)構(gòu)等，從而制造出翹曲變形量較低的塑料薄壁制品。與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比，CAD/CAE/ CAM聯(lián)用技術(shù)可以大幅提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。另外，為了進(jìn)一步滿足塑料制品對數(shù)控加工技術(shù)的要求，通過優(yōu)化算法，建立在線數(shù)據(jù)庫，緊密結(jié)合材料流體力學(xué)、振動特性特征等方法，可以進(jìn)一步提高CAD/CAE/CAM聯(lián)用技術(shù)仿真的準(zhǔn)確性，從而提高其對實(shí)際生產(chǎn)指導(dǎo)的可靠性和準(zhǔn)確性。

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Research Progress of CAD/CAE/CAM Technology in the Process of Plastic Thin-Walled Products

Su Yan， Liang Wu
（Electronic Information Engineering of Beihai Vocational College， Beihai 536000， China）

The structures of the thin-walled plastic products are complicated， and the materials and processing requirements of these products are more demanding， and the dimensions of the products require higher accuracy. The polymers as ABS and polyolefin possess excellent fluidity and low mold shrinkage， are suitable for processing of thin-walled products. During the traditional processing， experiences play dominant roles on the production， and cause low production effectives and high costs. Computer aided design （CAD）/computer aided engineering （CAE）/computer aided manufacturing （CAM） technology is a novel digital control machining technique， and demand the knowledge of fluid mechanics， structural mechanics and quantum mechanics. Through computer simulation， this technology can be used in combination for the design， structure performance prediction as well as the monitoring of machining process of the polymer material molding process and mold design and manufacture. The improved technology is promoted to decrease the cost and time of the production， increase the dimensional accuracy and reduce detects of the production.

CAD technology； CAE technology； CAM technology； process of polymer materials

TQ32

A

1001-3539（2016）10-0143-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.10.031

* 2015年度廣西職業(yè)教育教學(xué)改革項(xiàng)目

聯(lián)系人：蘇燕，研究生，講師，主要研究計算機(jī)教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用

2016-07-28