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与以前以模型为基础的方法相比，用CAD和CIM方法会更经济，这是因为这类模具厂家自身就能制作，而用其他技术，只能由外面的供应商来加工生产。

总之，虽然模具生产中经常会用到一些高性能材料，但用得最多的仍然是那些常规材料。

像陶瓷这类高性能材料几乎不能用于模具制造，这可能是因为其优点（如高温下性能不会改变）在模具中并不需要，相反，像烧结类陶瓷材料，具有低抗张强度和热传递性差的缺点，在模具中也只有少量应用。

这里所用的零件不是采用粉末冶金和热等压工艺生产，而是指烧结成的多空、透气性零件。

在很多成型方法中，都必须将行腔中的气体排出去，人们已经多次尝试使用多孔金属材料排气。

与专门设置的排气装置相比，其优点是显而易见的，尤其是在熔料前锋处如有熔接线的地方，这里是最容易出现问题的区域：

一方面能防止在制品表面有明显的熔接线，还能避免溢流料等残余物堵塞微孔。

采用这类材料制造模具时，在设计和成型工艺上都会出现新的问题。

A．设计原则

模具设计的原则很多，这些原则都是基于逻辑、以往经验、加工的方便性和经济性考虑，在设计、模具制造和模塑成型过程遵守这些规则是很有用的，但有时，忽略某一原则而遵守另一原则往往会更好些。

本文将介绍最常用的设计原则，但设计人员只有从实践经验中才能有所收获。

设计者应随时关注与这些设计原则有关的新观点、模塑方法、材料。

B．模具基础

1．模腔

模腔指的是通过机加工在模具材料内部挖出的空间，以供模塑材料，即塑料填充，并获取该空间形状得到需要的制品。

模具的历史几乎与人类文明一样悠久，通过在沙型这类的模具中注入液体金属如铁、青铜，生产出工具、武器、钟、塑像和厨房用具，如今在铸造厂仍使用这类模具，为了取出固化后的制品，需要将模具打碎，因此这种模具只能用一次，我们一直在寻求可以反复使用的永久模具，现在可以用坚固耐用的材料如钢材、软质铝及其他合金材料生产模具，当生产量不是很大、模具寿命要求不是很高时，甚至可以用某些塑料制品模具。

注塑生产时，熔料以高压注入型腔，因此就需要模具足够结实以抵御变形。

2．型腔数量

多数模具，尤其生产大型制品的模具多为单腔模，但是大批量生产时的模具，会有两个或更多型腔，这纯粹是出于经济考虑。

注射多型腔的时间并不比单腔模多，例如四腔模注射一个产品的时间大约仅是单腔模的1/4，而产量却与型腔数成正比。

多腔模比单腔模贵，并不是说要贵四倍，但需要带有大模板和锁模能力的注塑机，而且该例所需总的塑料量是单腔模的四倍，需要有较大的注射装置，较大设备的单位成本要比用小型模具的设备高。

目前多型腔模大多选择2、4、6、8、12、16、24、32、48、64、96、128这样的数字。

选择这些数字（偶数）的原因是为了方便在长方形区域内布置型腔，这样有利于设计、定尺寸以方便加工制造，也有利于围绕机器中心对称分布型腔，这种对称分布对保证每个型腔分配到相同的锁模力非常重要。

也可以在圆形范围内设置较少量的型腔数，甚至于是3，5，7，9这样的奇数，还可用任意型腔数排布，但要注意围绕注塑机中心线投影面积对称分布。

3．型腔形状及收缩

型腔形状实际上是塑件形状的“反”形状。

尺寸需要家上塑料的收缩量。

型腔形状可以用切削设备或电火花、化学腐蚀及任何新型加工方法进行加工和制造，如电镀工艺，也可以将铜或锌基合金浇铸到具有制品形状的石膏模或硬塑料模如环氧树脂中，再机加工成规定形状。

型腔可以直接在模板上切挖出来，也可做成嵌件攘入模板中。

C．型腔和型芯

通常模具的凹部叫型腔，与之相配的凸起部分叫型芯。

大多塑料制品是杯状的，这并不是它们看起来像水杯，而是有内外两面，其外部由型腔成型，内部由型芯制得。

另一种是平板状制品，模具没有明显的凸起，型腔有时看起来像镜面，这类制品有塑料小刀、游戏筹码、圆片状制品如唱片，产品外表看起来很简单，但注塑成型时却有很多严重问题出现。

通常将型腔设置在注塑一侧的半模上，而将型芯设置在动模一侧。

这样放的原因是所有注塑机在动模侧都设置有顶出机构，而且制品通常易于收缩并包覆在型芯上，随后被顶出。

绝大多数注塑机在注射侧不安置顶出机构。

聚合物成型过程

聚合物成型加工是将固体（有时是液体状）粉末、粒状、珠粒等形状的树脂转变成具有一定形状、尺寸和性能的固体塑料制品，通常包括：

挤出、模塑、压延、涂布、热成型等。

为了实现上述目标，成型过程通常包括一下步骤：

国体物料输送、压缩、加热、熔融、混合、成型、冷却、固化、修饰。

很显然，这些操作不一定顺序完成，其中有一些是同时进行的。

为了赋予塑料材料规定的几何形状和尺寸，需要通过成型加工来完成。

还要综合考虑黏弹性形变和若传递，他们和溶体的固化有关。

成型加工包括下述两种方式：

二维成型如口模成型、压延和涂布；

三维成型。

二维成型既包括连续稳定的操作也包括间歇式操作，连续式如薄膜和片材挤出、线缆包裹、纸张和片材涂布、压延、纤维纺丝、管材和异型材基础等，间歇式操作如挤出吹塑成型。

通常，模塑成型是间歇式的，所以工作条件有时会不稳定。

热成型、真空成型及其他类似方法常可以被看作是对已有的二次加工，例如在吹塑成型中，就包括预成型（型胚的生成）和二次成型（型胚的吹胀）两部分。

成型过程中既有同步的液体流动和热传递，也有交错的流动和热传递。

在二维成型过程中，一般成型后再接着固化，而在三维成型时，固化和成型往往在模具内同时进行。

根据材料的性质、设备和成型条件，结合流动面的情况（自由与否），流动通常包括剪切、拉伸及压缩流动（国内一般将流动形式只分为剪切和拉伸流动）。

聚合物流动和固化时的热力学－机械性能决定了制品的微观结构变化如形态、结晶度和取向分布等，制品的最终性能与期微观结构密切相关。

因此，只有了解树脂性能、设备、操作条件、热力学－力学性能、微观结构和制品最终性能之间的相互作用，才能更好的实现生产过程和制品的质量控制。

已经运用数学模型和计算机模拟来研究它们之间的相互作用，鉴于CAD/CAM/CAE系统在塑料成型中应用越来越广泛，此种研究思路也越来越重要。

注塑成型

将粒状、粉末及液体塑料转变为制品有很多种方法，塑料材料处于可模塑状态并可适用于多种成型方法。

大多数情况下，热塑性材料可以用某些方法成型，而热固性材料需要用其他方法。

这是因为热塑性材料加热后会软化，冷却前可被重塑，而热固性材料在加工前未聚合，成型过程中会发生化学反应，这种反应通常是在热、催化剂或压力的作用下完成的，在进行塑料加工研究和应用时，了解这一点尤为重要。

注塑成型是迄今为止用得最多的一中热塑性材料的成型方法，同时也是历史悠久的一种方法，目前占到塑料成型总量的30%。

由于原料可惜此一步成型，注塑方法适于大批量和一步自动成型复杂几何形状的塑料制品，大多数情况下不需要后续加工。

典型制品有玩具、汽车配件、家庭用具和电子产品。

由于注塑成型时有很多相互关联的变量，这种方法是相当复杂的。

成功的注塑生产不仅有赖于设备参数的正确设置，还在于要消除每次注射时的泼动，这种泼动是由液压系统、料筒温度及材料黏度变化引起的。

提高每次注射时设备参数的稳定性，可得到公差小、次品率低和质量高的产品。

任何成型加工最根本的目标都是：

提高产品质量，缩短成型周期，采用重复性和自动化程度高的循环过程。

模具人员在生产过程中总是想尽办法降低或消除不合格。

用注塑法生产那些精度要求很高的化学产品，或者附加值很高的产品如电器外壳，降低次品率的好处很大。

典型的注塑成型过程由五个阶段组成：

1.注射与充模；

2.补料或压缩；

3.保压；

4.冷却；

5.顶出制品。

注塑概况

工艺

注射成型是一个塑料在压力下进入一个空腔中成为理想形状的的循环过程。

塑造，是通过冷却（热塑性塑料）或由一个化学反应（热固性）来实现的。

这是一个为大规模生产具有优良尺寸精度的复合塑料零部件最常见和最灵活方式。

它需要极少或根本没有整理或装配作业。

除了热塑性塑料和热固性，这个进程现在通过用聚合物粘结剂被扩展到象纤维，陶器，金属粉末这样的材料。

应用

按重量计算大约所有塑料加工的32%是通过注塑成型机器的。

历史上，注入成型的主要里程碑包括往复移动螺丝机器和各种新的替代过程，和应用电脑仿真，以及设计和制造的塑料零部件的发明。

注射机的发展

从19世纪70年代初注入成型机器问世以来它已经经历了显著的修改和改进。

尤其是往复移动螺杆机器的发明使热塑性塑料注塑成型过程的多功能性和生产力得到了彻底改革。

往复移动螺杆的好处

除在机器控制方面和机器起动功能上有明显改进外，注塑成型机器的一个主要发展是从一个活塞机器到一个往复移动螺丝杆的变化。

虽然活塞机本身简单，它的普及受到限制归咎与它仅仅通过纯传导的缓慢的加热速度。

往复移动螺杆用它旋转的运动能使材料塑化更迅速而均匀，如图1中所示使可塑材料。

另外，它能把这个熔融的聚合物注入在一个向前的方向，就像一个活塞。

注塑成型过程的发展

注塑成型过程开始只与热塑性塑料聚合物一起使用在活性材料方面的发展，在塑造设备方面的改进，并且由于特殊工业的需要已经把工艺的用途扩展到超出了他原先的范围

供选择的注塑工艺

在过去二十年期间发展注射模塑已经被做出许多尝试，随着特殊设计发展道具生产零件的工序可用作替换过程，从传统的注射模塑中派生而来的应用策划新时代，它有更多自由设计和特殊结构上特征通过这些努力产生了许多类型，包括：

级进注射（夹心）成型

易熔芯注塑成型

气体辅助注塑成型

压缩注塑成型

层状（微）注射

交替供料的注塑成型

低压注入成型

推拉注塑成型

反应注塑成型

结构泡沫注塑成型

薄壁件成型

计算机模拟注塑成型过程

由于他们的扩展性和希望性,电脑仿真也已经扩展超出早期的"

外行-扁平物"

现在,复杂程序在过程期间模仿填充后行为,反作用动力学和两材料的不同性质或者二维的使用。

仿真部分提供关于使用C-类型产品的信息在设计题目有中间几例子,其给你怎样能使用CAE工具改进你的部分和塑造设计和使处理状况最优化配上插图。

总体上说

级进注塑成型是通过两种不同的材料连续的和或同时地由同一浇口注射完成的。

材料层板和凝固。

这工艺生产零件,其随着在层皮材料之间把型芯材料嵌入有一层积的结构中.这项创新过程为用最优性能的每一种材料或修改模的一部分属性提供了固有的灵活性。

图1四个阶段的级进注塑成型（a）短球的皮合物融化（显示在里深绿色）注入进那些模型（b）核心聚合物的注射熔化，直到型腔被差不多填补如（c）中所示皮聚合物再次被注入，以便把离开的这个核心聚合物从浇注系统中清除出去

熔心注射成型

熔芯工艺在单个产品中，空的部分用复杂内部结构的易熔（丢失，可溶）如下图。

这个工艺在塑造核芯内部完成，核芯将自身融化或者化学消失，留下它的外部结构作为塑料部分的内部形状。

图1。

易熔（失芯，熔芯）核心注射成型

气体辅助工艺

气体辅助注塑成型过程的是树脂聚合物熔体欠料进入模腔。

压缩气体，然后注入的聚合物核心部分帮助填满模具。

这个过程如下所示。

图1。

气体辅助注射成型（a）电气系统（b）液压系统，，（c）控制面板，（d）汽缸。

注射--压缩成型

注射压缩成型工艺是传统注射成型的延续。

在把一种预调装置量的聚合物熔化注入一个开放型腔,如同下面展示那样,聚合物注射的时候被压紧,这过程的最重要特点是相对于无压力部件要在低夹具方面保证尺寸上稳定,（百分之20到50甚至更低）.

层状（微层）注塑成型

层状注射成型通过同步注射和层倍增加的综合了供挤出和注射成型，如同在图下面1中展示那样,层状注射成型同时实施不同的树脂注射.不同树脂叠加在一起提高其性能，例如阻隔气密性,尺寸稳定性，耐熔性和光学透明性。

交替注射成型

交替注射成型过程是在入口压力下引起聚合物熔化摆动，如这下面的插图中所示。

当不同的层分子或者纤维由于凝固而被在模具里增加时，活塞的行动保持材料在门里熔融，、。

这个过程提供简单的方法使简单或者复杂部分从空间中释放出来，下沉标明，以及结合处缺陷。

低压注射成型

低气压注塑成型，基本上是一种优化并延长的常规注塑成型（见图1）。

低压可以通过正确的螺杆转/分的编程，水压支持压力和螺杆速度来控制熔化的温度和注射速度。

它也利用很多阀门的连续关闭来缩小流程。

填料阶段以一般慢并且控制注射速度来消除，低气压注塑成型的优点包括减少较大的夹紧力，利用成本较低的模具和压力机和降低模塑制品成型应力。

推拉注射成型

该推拉注射成型过程中使用了传统的两套注射液系统和双浇口模具，推动材料在母主注射装置和辅助注射装置中来回流动，如下所示。

这个过程中消除熔体缝，空隙，裂纹，并控制纤维方向。

多数反应注塑成型工艺，包括反应注射成型（RIM），以及混合成型

加工，如树脂传递模塑（RTM）和结构反应注射成型（SRIM）。

与热塑性塑料塑造相比具有典型的低粘性，模具压力低，模具成本低的特点。

活性树脂也可以在混合过程中使用。

例如，制作高强度和小批量的大型零件，RTM和SRIM可用于长纤维的预先成型。

另一个领域是比以往任何时候接受的都是微电子集成电路芯片。

注塑成型的适应性是在这些物质中包括在机械上料（桶）中的一段温度上升来避免固化。

不过，腔通常是有足够的热来启动化学交联。

作为热预聚合物是被迫进入腔中，热度是从腔墙中，流动的粘性（摩擦）热气，和反应元件所释放的热气中补充的。

零件的温度往往超过模具的温度。

零件的固性（甚至在高温中）的循环是当反应足够强烈时完成的然后零件被弹出。

设计考虑

因为反应是在填塞和充满后的阶段进行的，所以活性材料的注塑成型的加工工艺是复杂的。

例如，慢的填充经常引起过早的胶化和一个合力，然而快速填充能引起内部间隙混乱。

模具壁温度的不适当控制和厚度不足要么引起的注射剂流动性问题或造成材料过热。

计算机仿真是普遍公认的作为更具成本效益的工具，比传统的时间短，试错能力强和高的改错能力。

概况

结构泡沫注塑生产的零件是有固体外表面周围的围绕内部气孔（或者泡沫）的核心组成的，在下面的图1说明。

这个工艺适合大型厚零件在最终用途应用中承受弯曲负荷，结构泡沫零件还可以高低压生产或者是氮气和化学填充剂。

薄壁成型

薄壁件是相对的，传统的塑料零件通常是2到4毫米厚。

当厚度在1.2到2毫米时和边缘尺寸低于1.2毫米的时候，薄壁设计被称为"

先进"

。

薄壁成型的另一个定义是根据流程/壁厚比，这些薄壁的应用典型比率在100：

1到150：

1之间或更高。

典型的应用范围

薄壁件成型更适用于便携式的通讯和计算设备，他们要求塑料壳得非常薄却依然能够同传统零件一样能够承受同样的机械强度

因为薄壁件冷却速度非常快，他们需要高的溶化温度，高的注射速度，和非常高的注射压力，如果多种阀门或者顺序阀门没有一个理想的填充速度来帮助减少压力的要求。

由于高的速度和剪切速率在薄壁件成型上更容易帮助减少薄壁件每个方向收缩，这对于充分的填充非常重要，然而核心的部分仍然是熔化。

注塑机

组成要素

对于热塑性塑料，注塑机通过熔化，注塑，填充和冷却把粒状或丸粒化原料转换成最好的成型零件。

一个典型的注塑机主要由以下部分组成，在下面图1中说明

机器功能

注塑机基于机器功能大致可分为三类：

一般用途的机器精密机器超高速，薄壁件的机器

辅助设备

注塑机的主要辅助设备包括树脂干燥机，材料处理设备，制粒机，模温机，冷水机组，搬运机械手以及零件处理设备。

基于注塑模具钢研磨和抛光工序的自动化表面处理

摘要:

本文研究了注塑模具钢自动研磨与球面抛光加工工序的可能性，这种注塑模具钢PDS5的塑性曲面是在数控加工中心完成的。

这项研究已经完成了磨削刀架的设计与制造。

最佳表面研磨参数是在钢铁PDS5的加工中心测定的。

对于PDS5注塑模具钢的最佳球面研磨参数是以下一系列的组合：

研磨材料的磨料为粉红氧化铝，进给量500毫米/分钟，磨削深度20微米，磨削转速为18000RPM。

用优化的参数进行表面研磨，表面粗糙度Ra值可由大约1.60微米改善至0.35微米。

用球抛光工艺和参数优化抛光，可以进一步改善表面粗糙度Ra值从0.343微米至0.06微米左右。

在模具内部曲面的测试部分，用最佳参数的表面研磨、抛光，曲面表面粗糙度就可以提高约2.15微米到00.07微米。

关键词:

自动化表面处理，抛光，磨削加工，表面粗糙度，Taguchi方法

一、引言:

塑胶工程材料由于其重要特点,如耐化学腐蚀性、低密度、易于制造,并已日渐取代金属部件在工业中广泛应用。

注塑成型对于塑料制品是一个重要工艺。

注塑模具的表面质量是设计的本质要求,因为它直接影响了塑胶产品的外观和性能。

加工工艺如球面研磨、抛光常用于改善表面光洁度。

研磨工具（轮子）的安装已广泛用于传统模具的制造产业。

自动化表面研磨加工工具的几何模型将在[1]中介绍。

自动化表面处理的球磨研磨工具将在[2]中得到示范和开发。

磨削速度,磨削深度，进给速率和砂轮尺寸、研磨材料特性（如磨料粒度大小）是球形研磨工艺中主要的参数，如图1（球面研磨过程示意图）所示。

注塑模具钢的球面研磨最优化参数目前尚未在文献得到确切的依据。

近年来，已经进行了一些研究，确定了球面抛光工艺的最优参数（图2）（球面抛光过程示意图）。

比如，人们发现,用碳化钨球滚压的方法可以使工件表面的塑性变形减少,从而改善表面粗糙度、表面硬度、抗疲劳强度[3,4,5,6]。

抛光的工艺的过程是由加工中心[3,4]和车床〔5,6〕共同完成的。

对表面粗糙度有重大影响的抛光工艺主要参数，主要是球或滚子材料，抛光力，进给速率,抛光速度,润滑、抛光率及其他因素等。

注塑模具钢PDS5的表面抛光的参数优化，分别结合了油脂润滑剂，碳化钨球,抛光速度200毫米/分钟,抛光力300牛，40微米的进给量[7]。

采用最佳参数进行表面研磨和球面抛光的深度为2.5微米。

通过抛光工艺，表面粗糙度可以改善大致为40%至90%[3-7]。

此项目研究的目的是，发展注塑模具钢的球形研磨和球面抛光工序，这种注塑模具钢的曲面实在加工中心完成的。

表面光洁度的球研磨与球抛光的自动化流程工序，如图3所示。

我们开始自行设计和制造的球面研磨工具及加工中心的对刀装置。

利用Taguchi正交法，确定了表面球研磨最佳参数。

选择为TaguchiL18型矩阵实验相应的四个因素和三个层次。

用最佳参数进行表面球研磨则适用于一个曲面表面光洁度要求较高的注塑模具。

为了改善表面粗糙,利用最佳球面抛光工艺参数，再进行对表层打磨。

图1.球状研磨的过程的简图

图2.球面抛光的过程的简图

图3.自动球面研磨与抛光工序的流程图

二、球研磨的设计和对准装置:

实施过程中可能出现的曲面的球研磨,研磨球的中心应和加工中心的Z轴相一致。

球面研磨工具的安装及调整装置的设计，如图4（球面研磨工具及其调整装置）所示。

电动磨床展开了两个具有可调支撑螺丝的刀架。

磨床中心正好与具有辅助作用的圆锥槽线配合。

拥有磨床的球接轨,当两个可调支撑螺丝被收紧时，其后的对准部件就可以拆除。

研磨球中心坐标偏差约为5微米,这是衡量一个数控坐标测量机性能的重要标准。

机床的机械振动力是被螺旋弹簧所吸收。

球形研磨球和抛光工具的安装，如图5（a.球面研磨工具的图片.b.球抛光工具的图片）所示。

为使球面磨削加工和抛光加工的进行，主轴通过球锁机制而被锁定。

三、矩阵实验的规划

3.1Taguchi正交表:

利用矩阵实验Taguchi正交法，可以确定参数的影响程度[8].为了配合上述球面研磨参数，该材料磨料的研磨球（直径10毫米）,进给速率，研磨深度,再次研究中电气磨床被假定为四个因素（参数），指定为从A到D（见表1实验因素和水平）。

三个层次（程度）的因素涵盖了不同的范围特征,并用了数字1、2、3标明。

挑选三类磨料,即碳化硅（SiC）,白色氧化铝（Al2O3,WA）,粉红氧化铝（Al2O3,PA）来研究.这三个数值的大小取决于每个因素实验结果。

选定L18型正交矩阵进行实验，进而研究四——三级因素的球形研磨过程。

图4.球状研磨的工具的概要例证和它调节装置

图5.a球面研磨的工具的照片b球抛光工具的的照片

3.2数据分析的意义:

工程设计问题,可以分为较小而好的类型,象征性最好类型,大而好类型，目标取向类型等[8]。

信噪比（S/N）的比值，常作为目标函数来优化产品或者工艺设计。

被加工面的表面粗糙度值经过适当地组合磨削参数，应小于原来的未加工表面。

因此,球面研磨过程属于工程问题中的小而好类型。

这里的信噪比（S/N）,η,按下列公式定义[8]:

η=−10log

（平方等于质量参数）

=−10log

这里，

y

——不同噪声条件下所观察的质量参数

n——实验次数

从每个L18型正交实验得到的信噪比（S/N）数据，经计算后，运用差异分析技术（变异）和歼比检验来测定每一个主要的因素[8]。

优化小而好类型的工程问题问题更是尽量使η最大而定。

各级η选择的最大化将对最终的η因素有重大影响。

最优条件可视研磨球而待定。

表1。

实验性因素和等级

四、实验工作和结果:

这项研究使用的材料是PDS5工具钢（相当于艾西塑胶模具）[9]，它常用于大型注塑模具产品在国内汽车零件领域和国内设备。

该材料的硬度约HRC33（HS46）[9]。

具体好处之一是,由于其特殊的热处理前处理，模具可直接用于未经进一步加工工序而对这一材料进行加工。

式样的设计和制造,应使它们可以安装在底盘，来测量相应的反力。

PDS5试样的加工完毕后，装在大底盘上在三坐标加工中心进行了铣削，这种加工中心是由杨*钢铁公司所生产（中压型三号）,配备了FANUC-18M公司的数控控制器（0.99型）[10]。

用hommelwerket4000设备来测量前机加工前表面的粗糙度,使其可达到1.6微米。

图6试验显示了球面磨削加工工艺的设置。

一个由Renishaw公司生产的视频触摸触发探头，安装在加工中心上，来测量和确定和原始式样的协调。

数控代码所需要的磨球路径由PowerMILL软件产。

这些代码经过RS232串口界面，可以传送到装有控制器的数控加工中心上。

完成了L18型矩阵实验后，表2（PDS5试样光滑表层的粗糙度）总结了光滑表面的粗糙度RA值，计算了每一个L18型矩阵实验的信噪比（S/N）,从而用于方程1。

通过表2提供的各个数值，可以得到4种不同程度因子的平均信噪比（S/N），在图7中已用图表显示。

表2