曲線孔加工方法概述

何寅

摘 要 冷卻階段是注塑成型的關(guān)鍵階段，隨形冷卻水道利于制件的均勻冷卻和迅速冷卻，可提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。因此對曲線孔加工方法的研究是具有實際意義的，本文介紹了常見幾種曲線孔加工方法及其特點。

關(guān)鍵詞 注塑模 隨形冷卻水道 曲線孔

中圖分類號：TG664 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.05.023

Abstract Cooling stage is a key stage of injection molding. Conformal cooling channel， due to its advantages in uniform cooling and rapid cooling， could improve the cooling effect obviously. Therefore， study on methods of machining curved hole are proposed to be used for practice. In this thesis， some methods of machining curved hole and their features in general were introduced.

Key words Injection mold； Conformal cooling channel； curved hole

0 前言

塑料制品在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用比重越來越大，注塑成型是成型塑料制件的主要方式，而冷卻階段是注塑成型過程中的重要階段，冷卻效果對塑件質(zhì)量（例如：翹曲變形、產(chǎn)品收縮率等）、熔體充模能力以及注塑產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。通過冷卻調(diào)溫，保持合適的模具溫度，有利于減小產(chǎn)品變形，增強(qiáng)產(chǎn)品力學(xué)性能， 改善產(chǎn)品表面質(zhì)量， 提高產(chǎn)品精度，從而提高生產(chǎn)效率。

通常的冷卻方法是在模具內(nèi)開設(shè)冷卻水道，并通入循環(huán)流動的冷卻水帶走塑料熔體的熱量。傳統(tǒng)的直線型冷卻水道受加工方式的限制，與模具型腔表面的距離不一致，造成產(chǎn)品各部位的冷卻速度不均勻，容易引起產(chǎn)品出現(xiàn)翹曲、開裂等缺陷。而且，冷卻不均勻還會降低生產(chǎn)效率，因為模具開模取件要求產(chǎn)品各部分溫度都能達(dá)到開模溫度一下才行。而隨形冷卻水道（Conformal Cooling Channels，CCC），含有大量的曲線孔，并且水道走向是隨注射模具型腔的形狀和結(jié)構(gòu)的變化而變化，水道與整個模腔表面的距離能夠保持一致，有利于實現(xiàn)均勻冷卻和快速冷卻，從而改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高注塑成型生產(chǎn)效率。

隨形冷卻水道需要水道隨模具型腔繞彎，因此首先要解決曲線孔加工問題才能使隨形冷卻水道廣泛應(yīng)用于注塑成型。由于機(jī)械加工只能用直線孔擬合曲線孔，所以現(xiàn)有的研究傾向于精確加工曲線孔的新方法。比如基于快速成型技術(shù)的加工方法以及特種加工法。

1 曲線孔加工方法

1.1 基于快速原型技術(shù)的加工方法

快速原型（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)是一種材料累加制造方法，其成型原理實際上是離散與堆積，也就是現(xiàn)在在全球火熱的3D打印技術(shù)。通過計算機(jī)將模具的三維數(shù)字模型先轉(zhuǎn)為STL格式文件，然后在專用的切片軟件中分層，獲得模型切片分層處理后的每個二維層面的數(shù)據(jù)，再由快速原型機(jī)逐層累積成型，進(jìn)行后處理后，直接獲得內(nèi)置隨形冷卻水道的注塑模具。目前常用的金屬材料快速成型工藝是選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（Selective Laser Sintering， SLS）技術(shù)和選擇性激光熔化技術(shù)（Selective Laser Melting，SLM），這類成型工藝的主導(dǎo)思想都是采用激光選擇性熔化金屬粉末或合金粉末，逐層堆積形成制件。不同之處在于粉末被熔化粘結(jié)的程度和方式。

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)所使用的激光功率較小、光斑溫度較低，只能熔化混合粉末中的低熔點材料或黏合劑，使高熔點粉末材料被粘結(jié)在一起，形成單層面，并不斷累積成制件。由于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)沒有把粉末材料完全熔化，制件的致密度較低，粉末粘結(jié)部位強(qiáng)度較差，必須進(jìn)行滲透填充、燒結(jié)等后處理以提高制品的力學(xué)性能。

選擇性激光熔化技術(shù)所使用的激光功率較大、光斑溫度較高，在制造過程中，粉末材料被全部熔化，金屬材料產(chǎn)生冶金結(jié)合，制件內(nèi)部材料組織均勻，致密度較高，力學(xué)性能較好，不需要后處理。這種工藝制造的帶有隨形冷卻水道的注塑模模具致密度高、力學(xué)性能較好。

快速成型工藝的二維層面累積制造方式使曲線孔加工無需考慮驅(qū)動和導(dǎo)向問題，避免了曲線孔加工中的技術(shù)難點，制造方便。但是基于RP技術(shù)生產(chǎn)的注塑模具由于其特殊的生產(chǎn)方式也存在生成成本較高、模具使用壽命短的缺點。

1.2 特種加工方法

1.2.1 電火花加工方法

為了實現(xiàn)對曲線孔加工過程中的導(dǎo)向控制，有研究者提出了使用彈簧的壓縮和伸長特性，驅(qū)動電極轉(zhuǎn)向和加工。

這種方法由一根彈簧連接在電火花加工機(jī)床的主軸和加工曲線孔的電極之間，三根細(xì)鋼絲的一端連接彈簧，并以120熬確植跡硪歡肆釉諭獠康某ざ鵲鶻諢股稀T詡庸す討校韌ü鶻諢顧醵談炙康牧映ざ齲玫裳顧酰緩笫頭挪煌恢酶炙康牧映ざ齲溝煞薔壬斐ぃ愿謀淶緙淖呦潁庸こ鑾嚦住U庵旨庸し椒ㄓ玫勺雋櫻緣ψ鑾Γ詡庸ぶ腥菀撞穸檔土飼嚦椎募庸ぞ取6宜孀偶庸ど疃鵲耐平傻納斐ち看锏郊蘚螅招越檔停檔停跋熗思庸さ奈榷ㄐ浴？

后來有日本學(xué)者提出外拉控制線式的曲線孔電火花加工方法和以形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）功能材料作為轉(zhuǎn)向驅(qū)動機(jī)構(gòu)的加工方法。外拉控制線式的曲線孔電火花加工方法是將工具電極連接在轉(zhuǎn)向節(jié)上，該轉(zhuǎn)向節(jié)的偏轉(zhuǎn)由外拉線控制，從而帶動電極改變加工方向，電極上導(dǎo)線既提供電流，又用于傳遞旋轉(zhuǎn)扭矩。

采用SMA功能材料的加工方法，其轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)示意圖

這種加工方法用附加電源調(diào)節(jié)SMA材料的溫度，從而控制其變形量和變形速度，使電極在不同的方向上產(chǎn)生不同量的偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)曲線孔加工。

這類加工方法中，驅(qū)動加工電極的裝置繞度較差，僅適合加工曲率較大的曲線孔，而且其曲線孔的彎曲軌跡是擬合而成，形狀精度和位置精度較低，當(dāng)曲線孔較長時排屑問題也有待解決，而且電極的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向控制系統(tǒng)往往比較復(fù)雜。

1.2.2 柔性電解裝置加工法

日本的M.Uchiyama等人提出了使用柔性電極結(jié)構(gòu)的加工方法，這種方法也可用于電火花加工，但是電解加工的生產(chǎn)速度更快，約為電火花加工的5～10倍）。這種方法將工具電極做成球狀，直接接近曲線孔直徑，然后把電極安裝在柔性絕緣軟管上，管內(nèi)有供電導(dǎo)線和電解液，電解液最終由電極上的預(yù)留小孔流出。加工時使球狀電極相對于電極的中心軸偏移一定的角度以改變加工方向，實現(xiàn)曲線孔的加工，如圖2所示：

圖2 加工轉(zhuǎn)向示意圖

這種方法使電極偏轉(zhuǎn)的方式有多種，對應(yīng)的工具電極和控制結(jié)構(gòu)也不同。

（1）多塊電極組合結(jié)構(gòu)及其控制方式。如圖3所示，球狀電極被平均分成3塊，每塊電極之間由絕緣層分開，并分別用3根不同導(dǎo)線供電，所以3塊可以獨立加工。在不旋轉(zhuǎn)電極的情況下，通過給需要轉(zhuǎn)向位置的電極通電，而其它電極不通電，實現(xiàn)曲線孔的加工。

圖3 多塊電極結(jié)構(gòu)示意圖

這種方法由于有3根導(dǎo)線，絕緣軟管的柔性受到影響，轉(zhuǎn)向角度較大，適合加工大曲率的曲線孔。

（2）改變電解液壓力控制曲率。這種方法的結(jié)構(gòu)為整體的球狀電極，流經(jīng)絕緣軟管的電解液，一部分通過電極頭上小孔流出；另一部分則從絕緣軟管和絕緣層之間的流出，通過調(diào)節(jié)這部分電解液的壓力使電極轉(zhuǎn)向。

這種控制方式由于電解液的分流，容易造成加工后期導(dǎo)致排屑不充分。以后的研究傾向于設(shè)計能分別控制排屑的電解液和控制電極偏轉(zhuǎn)的電解液系統(tǒng)。

（3）改變引線張力控制加工轉(zhuǎn)向。這種控制方式所使用的工具電解也是球狀的，但是在軟管內(nèi)只有一根供電導(dǎo)線，同時也是用于控制曲線孔加工轉(zhuǎn)向的引線。引線較粗，硬度較大，使其能夠承受較大的拉力使工具電極發(fā)生轉(zhuǎn)向。但是由于只有一根引線，電極的轉(zhuǎn)向控制不精確，加工精度和穩(wěn)定性較差。

2 曲線孔加工的研究趨勢

（1）解決排屑問題?？椎募庸ぶ?，排屑是影響加工效果的主要問題，對于曲線孔來說，孔的深度越深，曲率變化越大，排屑難度也會增加。對于電火花加工和電解加工，在加工工藝上可以采取加工工具間歇式進(jìn)給，實現(xiàn)小間隙加工、大間隙沖刷，或者加上超聲振動，改善排屑效果。

（2）優(yōu)化快速制造工藝。RP技術(shù)將制造模式轉(zhuǎn)化為簡單的二維層面，不受結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的限制，而且發(fā)展至今工藝已經(jīng)比較成熟，是最為合適的曲線孔加工方式。由于這類成型工藝的核心是材料累積的過程，因此成型材料的性質(zhì)對成型工藝和成型效果有很大的影響，因此RP技術(shù)要與材料科學(xué)同步發(fā)展。

（3）研究電極結(jié)構(gòu)和控制方式與曲率的關(guān)系。以特種加工技術(shù)為基礎(chǔ)的曲線孔加工方法，工具電極的結(jié)構(gòu)和電極轉(zhuǎn)向的控制方式，對曲線孔的曲率都有很大的影響，目前的研究仍處在試驗階段，曲率多為擬合，所以必須建立明確的電極結(jié)構(gòu)和控制方式與曲率變化的數(shù)值關(guān)系，才能運用于實際生產(chǎn)。

（4）研究精確測量曲線孔位置的方法。完成曲線孔加工后，要精確測量出曲線孔在模具中的實際位置，確保其與原設(shè)計的隨形冷卻水道走向相同，并能夠均勻、等距離地包裹在注塑模具型腔表面，從而達(dá)到隨形冷卻水道均勻冷卻和快速冷卻的目的。目前的測量方法中超聲檢測能較準(zhǔn)確地測量曲線孔的位置。

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