【文章內(nèi)容簡介】 構(gòu)調(diào)整中，我國制造業(yè)將進一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會嚴(yán)重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定。據(jù)國內(nèi)和國際模具市場的發(fā)展?fàn)顩r，塑料模具的比例將不斷增大，模具技術(shù)含量將不斷提高。塑料注射成型是生產(chǎn)塑料制品的主要手段，隨著塑料工業(yè)的飛速發(fā)展，注塑模傳統(tǒng)的手工設(shè)計與制造己無法適應(yīng)當(dāng)前的形勢，縮短模具設(shè)計與制造時間、提高制品精度與性能的正確途徑是采計算機輔助工程技術(shù)，他已經(jīng)成為解決塑料產(chǎn)品開發(fā)、模具設(shè)計及產(chǎn)品加工中薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑。正是以DAM在模具中的應(yīng)用，才改變了以鉗工技術(shù)為主導(dǎo)的傳統(tǒng)模具生產(chǎn)方式，這一項高效益的系統(tǒng)工程能顯著縮短模具設(shè)計與制造周期、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)與組織管理的高度自動化，提高產(chǎn)品的市場競爭能力，加速新產(chǎn)品對市場需求的響應(yīng)，取得了顯著的經(jīng)濟效益。在這樣的大環(huán)境下，就企業(yè)來說加工生產(chǎn)中如何打破傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)方式，將計算機輔助工程技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)引入模具生產(chǎn)，是一條需要不斷探索的路。而這條探索之路中需要的是大量的技術(shù)人才，在實際以計算機輔助工程技術(shù)進行模具設(shè)計時，對于塑料制品和注塑模的設(shè)計要素，需要打破如塑件的強度、冷卻管道的長度、冷卻系統(tǒng)的平衡等等，缺乏一定理論分析，憑經(jīng)驗和直覺確定的結(jié)果的現(xiàn)象。本論文的主導(dǎo)思想是：以實際生產(chǎn)的注塑模具為例，在分析研究塑模設(shè)計的理論基礎(chǔ)上，使用典型模具CAD/CAM軟件，完成一套生產(chǎn)用的塑料模具設(shè)計，探索理論分析和軟件設(shè)計相互結(jié)合相輔相成的設(shè)計過程。利用現(xiàn)有的數(shù)控設(shè)備對設(shè)計的成型零件進行CAM加工制造，進一步的驗證制品的加工工藝性，從而為企業(yè)的實際產(chǎn)品生產(chǎn)打下堅實的基礎(chǔ)。 本課題研究的目的和意義隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，國家的支柱產(chǎn)業(yè)－機械制造業(yè)蓬勃的發(fā)展起來。同時，隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，以及生活水平的提高，對產(chǎn)品的性能、規(guī)格、品種不斷地提出新的需求，產(chǎn)品的生命周期愈來愈短，傳統(tǒng)的加工制造模式已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)代的社會需求，各制造企業(yè)為適應(yīng)市場瞬息多變的需求，使得數(shù)控機床在我國的占有量和使用量大幅提高，這就使我國需要大量的數(shù)控機床的操作人才。但數(shù)控技術(shù)是一門技術(shù)含量較高的技術(shù)，如何更有效、更經(jīng)濟的培養(yǎng)出合格的數(shù)控人才擺在我們面前。數(shù)控機床價格昂貴，精度高，對操作者的要求更高，如果用傳統(tǒng)的教育方法培訓(xùn)學(xué)員，勢必對設(shè)備造成損壞的危險性大幅提高，提高了培訓(xùn)成本。隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，使得在計算機上利用虛擬技術(shù)對學(xué)員進行培訓(xùn)成為可能。 在我國數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用表現(xiàn)出不同的層次差別，從完全的手工編程到完全采用計算機實現(xiàn)零件設(shè)計及工藝和加工NC代碼的生成都有相當(dāng)大的覆蓋面，數(shù)控機床往往應(yīng)用于加工形狀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的工件。由于人為因素或計算機程序問題，編制出的NC代碼往往可能存在一定的錯誤，因此加工零件的NC代碼在投入實際的加工之前通常需要進行試切，以檢驗NC代碼的正確性和被加工零件是否達到設(shè)計要求。這一過程周期長、成本高、勞動強度大，而且占用了加工設(shè)備的工作時間。采用計算機建模和仿真技術(shù)來模擬實際的數(shù)控加工環(huán)境并對加工過程進行仿真分析可以幫助設(shè)計人員在實驗室就可以檢查制造中的問題，以部分或者完全取消試切環(huán)節(jié)，從而減少設(shè)計和制造周期和費用。利用仿真器還可以檢查數(shù)控加工中出現(xiàn)的各種危險，如存在于刀具與工件、夾具、工作臺之間的碰撞、干涉和過切現(xiàn)象，甚至檢查由于工件裝夾的不合理及加工參數(shù)的不合理等問題，減輕了數(shù)控編程和操作人員的勞動強度。因此，用數(shù)控加工仿真技術(shù)利用計算機來模擬實際的加工過程，來驗證數(shù)控加工程序的可靠性和預(yù)測切削過程，以減少工件的試切，是提高生產(chǎn)效率的有效方法。第二章 塑件結(jié)構(gòu)與工藝分析 剃須刀刀頭零件結(jié)構(gòu)的分析目前市場常見的剃須刀有2種，分別是雙頭的和三頭的，本章內(nèi)容是設(shè)計雙頭刀頭的。 圖 21 剃須刀刀頭的圖片該類零件的特點是薄壁件，尺寸不大質(zhì)量輕、零件的壁厚小、壁厚四處均勻，不利于原料流動，在殼空隙易產(chǎn)生熔積痕與氣穴，其制件表面光滑、無融合線、應(yīng)力均勻等的高強度高精度產(chǎn)品，其產(chǎn)品不但加工精度要求高，而且零件的一致性和互換性要求也很高，刀頭殼體材料為 PC+ABS，將它看作一般的彈塑性材料，其參數(shù)為：屈服強度為 80MPa，密度為 1140kg/cm3，彈性模量為 ，泊松比為 ，刀頭殼體厚度為 ，其外形尺寸為 14,剃須刀總體質(zhì)量為10g。外形結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，四周都有圓角過渡。要求塑件表面美觀、光潔、無明顯熔接痕、銀絲和流痕，同時不產(chǎn)生明顯的翹曲變形。塑件兩側(cè)都帶有側(cè)孔，需采用側(cè)抽芯機構(gòu)。可設(shè)置側(cè)型芯，利用側(cè)滑塊和斜導(dǎo)柱驅(qū)動，便于分型。另外，為了從成型零件上順利脫出塑件，必須在塑件內(nèi)外表面沿脫模方向設(shè)計足夠的脫模斜度。塑件的轉(zhuǎn)角處應(yīng)盡可能采用圓弧過渡，以增加塑件的強度和改善充模流動性，同時增加美觀程度該模具塑件的三維圖和二維圖如圖223所示。 成型零件的尺寸計算成型零件的工作尺寸是指凹模和凸模直接構(gòu)成塑件的尺寸，它通常包括凹模和凸模的高度尺寸以及位置(中心距)尺寸等：(1) 成型收縮率：所謂成型收縮率是指室溫時塑件與模具型腔兩者持此的相對差；平均收縮率：Scp=％型腔尺寸：12凹模有關(guān)尺寸的計算徑向尺寸：L=[L塑（1+k）］=[12(1+)］=[］ =深度尺寸：H=[H塑（1+K）］ =[2（1+）］=[］= 凸模有關(guān)尺寸的計算：高度尺寸：h=[h塑(1+K)+］=[2(1+)+］ =[+］=) 模具型芯位置尺寸計算： C=C塑(1+K)=15(1+)=(2) 確定成型設(shè)備及計算塑件的體積和質(zhì)量計算(塑件的體積由CAD繪制模型得知)：V=,M=ρv1== 澆注系統(tǒng)凝料體積的初步計算(，因該模具采用一模四腔。所以凝料體積為)：V===。該模具一次注射所需的塑料計算：總體積：V=4V+V=，總質(zhì)量：M=ρV= 塑件材料性能分析 塑件材料選擇(1)注塑成型的材料：即塑料，它原材料為樹脂，也可以是加有各種添加劑混合物，性能和注塑條件息息相關(guān)。在進行模具設(shè)計時需要確定注塑材料后根據(jù)此材料的各種物理、化學(xué)、力學(xué)性能來確定各種物理參數(shù)大小，保證生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。塑料總體具有如下性能：具有良好的收縮性、流動性、熱性能和冷卻速度，好的吸濕性。(2)剃須刀刀頭材料分析：塑件所用材料為PC+ABS。ABS塑料的主體是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的共混物或三元共聚物，是一種堅韌而有剛性的熱塑性塑料[8]。苯乙烯使ABS有良好的模塑性、光澤和剛性；丙烯腈使ABS有良好的耐熱、耐化學(xué)腐蝕性和表面硬度；丁二烯使ABS有良好的抗沖擊強度和低溫回彈性。三種組分的比例不同，其性能也隨之變化。前者化學(xué)名為聚碳酸脂其物理性能為沖擊強度高、尺寸穩(wěn)定性好、無色透明、著色性好、電絕緣性、耐腐蝕性、耐磨性好、但自潤滑性差、有應(yīng)力開裂傾向、高溫易水解、與其它樹脂相溶性差的性能。于制作儀表小零件、絕緣透明件和耐沖擊零件。后者化學(xué)名稱叫丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物，其物理性能為綜合性能較好、沖擊強度較高、化學(xué)穩(wěn)定性高、電性能良好的性能。有高抗沖、高耐熱、阻燃、增強、透明等級別。流動性比HIPS差一點，比PMMA、PC等好，其柔韌性好。適于制作一般機械零件,減磨耐磨零件,傳動零件和電訊零件。ABS工程塑料一般是不透明的，外觀呈綠牙色、無毒、無味，兼有韌、硬、剛的特性。ABS工程塑料具有優(yōu)良的綜合性能，有極好的沖擊強度、尺寸穩(wěn)定性好、電性能好、耐磨性、抗化學(xué)藥品性、染色性，成型加工和機械加工較好。ABS在一定溫度范圍內(nèi)具有良好的抗沖擊強度和表面硬度，有較好的尺寸穩(wěn)定性、一定的耐化學(xué)藥品性和良好的電氣絕緣性。它不透明，一般呈淺象牙色，能通過著色而制成具有高度光澤的其它任何色澤制品，電鍍級的外表可進行電鍍、真空鍍膜等裝飾。通用級ABS不透水、燃燒緩慢，燃燒時軟化，火焰呈黃色、有黑煙，最后燒焦、有特殊氣味，但無熔融滴落，可用注射、擠塑和真空等成型方法進行加工。ABS按用途不同可分為通用級(包括各種抗沖級)、阻燃級、耐熱級、電鍍級、透明級、結(jié)構(gòu)發(fā)泡級和改性ABS等。通用級用于制造齒輪、軸承、機器外殼和部件、各種儀表、收錄機電話等外殼和玩具等；阻燃級用于制造電子部件，如計算機終端、機器外殼和各種家用電器產(chǎn)品；結(jié)構(gòu)發(fā)泡級用于制造電子裝置的罩殼等；耐熱級用于制造動力裝置中自動化儀表和電動機外殼等；電鍍級用于制造汽車部件、各種旋鈕、銘牌、裝飾品和日用品；透明級用于制造度盤、冰箱內(nèi)食品盤等。 ABS塑料性能一般性能：ABS外觀為不透明呈象牙色粒料，其制品可著成五顏六色，并具有高光澤度。，吸水率低。ABS同其他材料的結(jié)合性好，易于表面印刷、涂層和鍍層處理。ABS的氧指數(shù)為18~20，屬易燃聚合物，火焰呈黃色，有黑煙，并發(fā)出特殊的臭味[9]。力學(xué)性能：ABS有優(yōu)良的力學(xué)性能，其沖擊強度極好，可以在極低的溫度下使用；ABS的耐磨性優(yōu)良，尺寸穩(wěn)定性好，又具有耐油性，可用于中等載荷和轉(zhuǎn)速下的軸承。ABS的耐蠕變性比PSF及PC大，但比PA及POM小。ABS的彎曲強度和壓縮強度屬塑料中較差的。ABS的力學(xué)性能受溫度的影響較大。熱學(xué)性能：ABS的熱變形溫度為93~118℃，制品經(jīng)退火處理后還可提高10℃左右。ABS在40℃時仍能表現(xiàn)出一定的韌性，可在40~100℃的溫度范圍內(nèi)使用。電學(xué)性能：ABS的電絕緣性較好，并且?guī)缀醪皇軠囟取穸群皖l率的影響，可在大多數(shù)環(huán)境下使用。環(huán)境性能：ABS不受水、無機鹽、堿及多種酸的影響，但可溶于酮類、醛類及氯代烴中，受冰乙酸、植物油等侵蝕會產(chǎn)生應(yīng)力開裂。ABS的耐候性差，在紫外光的作用下易產(chǎn)生降解；于戶外半年后，沖擊強度下降一半。ABS塑料的加工性能。．ABS塑料涂料ABS塑料涂料的性能特點如表所示。表3 ABS塑料涂料的性能特點項目AP1塑料黑漆塑1清漆塑1各色磁漆丙烯酸金屬閃光漆丙烯酸彩色透明漆特性能常濕干燥、除模堅硬耐磨、防潮漆膜光亮，堅硬耐磨，附著力好漆膜顏色鮮艷，耐水、耐磨，附著力好漆膜光亮，耐磨，附著力好漆膜光亮透明，耐磨性好用途用于ABS、PS、PVC、HIPS塑料涂裝用于ABS、PS塑料涂裝用于ABS、PS塑料涂裝用于ABS塑料涂裝用于ABS塑料涂裝外觀黑色透明各色各色透明硬度光澤＜108~1410~15耐水性/h2424242424耐酸性6020205050 塑件結(jié)構(gòu)的設(shè)計通過SOLIDWORDS軟件來建立塑件的3D模型，造型重點是保證塑件形狀和尺寸精度，本次設(shè)計選用剃須刀刀頭造型比較簡單，難點在于刀頭上兩孔的測抽芯以及兩側(cè)邊上的曲面造型，為了解決側(cè)抽的難點，本次設(shè)計采用斜頂側(cè)抽，其結(jié)構(gòu)簡單，抽芯效果良好。刀頭材料為ABS，將它看作一般的彈塑性材料，ABS 具有較高的力學(xué)性能,流動性能好,易于成型, 成型收縮率小, 理論計算收縮率為0. 6 % ,溢料值為0. 04 mm 。比熱容較低,在模具中凝固較快,模塑周期短。塑件尺寸穩(wěn)定,表面光滑[13]。ABS制品的使用溫度范圍為40～100 ℃,在該產(chǎn)品的使用溫度范圍內(nèi)。ABS 具有一定的吸濕性,成型時會在制品上產(chǎn)生斑痕、云紋、氣泡等缺陷,故在注射成型前應(yīng)進行干燥處理。ABS 耐磨性很好,摩擦因數(shù)較低,具有極好的低溫性能,在 40 ℃下仍表現(xiàn)較好的韌性 。(1)凹模的設(shè)計：由于是凹模形狀簡單的中小型模具，故選用整體式凹模。其特點是牢固、不易變形、不會使塑件產(chǎn)生拼接線痕跡。(2)脫模斜度的設(shè)計：脫模斜度是指為了便于塑件脫模，防止塑件表面劃傷、擦毛等，塑件沿脫模方向平行的內(nèi)外表面設(shè)計的一定斜度。塑件上脫模斜度的大小與塑件的性質(zhì)、收縮率大小、摩擦系數(shù)大小、塑件壁厚和幾何形狀有關(guān)。硬質(zhì)塑料脫模斜度大；形狀復(fù)雜或成型孔較多的塑件應(yīng)取較大的脫模斜度；不厚增加，內(nèi)孔包住型芯，脫模斜度也應(yīng)大些。一般情況下，脫模斜度不包括在塑件公差范圍內(nèi)，否則在圖樣上應(yīng)予以注明。在塑件圖上標(biāo)注時，內(nèi)孔以小端為基準(zhǔn)，斜度沿擴大的方向取得；外形以大端為基準(zhǔn)，斜度沿縮小的方向取得。注塑成型過程包括塑化、填充、保壓和冷卻四個階段。(1)塑化是由固體狀態(tài)的PC和ABS加熱后變化成為具有流動性能的過程。(2)填充是將塑化材料充實到模型腔內(nèi)進行填滿的過程。(3)保壓階段時塑料熔體因受到冷卻而發(fā)生收縮，但因塑料仍處于柱塞或螺桿穩(wěn)定壓力下料筒內(nèi)的熔料[12]會被繼續(xù)注入模腔內(nèi)以補充因收縮而留出空隙。如果柱塞或螺桿停在原址不動，壓力曲線略有衰減。如果柱塞壓力保持不變[2]，也就是隨著熔料入模同時向前作少許移動，則在此階段中模具壓力保持不變。 (4)冷卻的重要工藝參數(shù)是冷卻時間。在保證冷卻均勻前提下，冷卻時間越短越好，這也就是我們要進行冷卻優(yōu)化的目的。 注塑材料成型工藝條件 注塑材料成型工藝條件包含溫度控制、壓力的控制和時間。而這三者對塑料制品質(zhì)量具有非常重要影響。降低溫度時，需要提高壓力以保證塑料進入型腔，溫度過低熔料難以注滿型腔；溫度過高塑料易于降解；注射壓力過高產(chǎn)品易產(chǎn)生飛邊，壓力過低注塑易出現(xiàn)短射，設(shè)計過程中必須結(jié)合實際特點來確定三者之間關(guān)系。完成一次注射成型周期過程中在保證質(zhì)量的前提下，盡量縮短成型周期的時間，其中以注射時間和冷卻時間最為重要，它們對制品質(zhì)量有很大的直接作用。注射時間中的保壓時間就是對型腔中材料的壓力時間，在整個注塑時間占有較大的比例，保壓時間的大小對制品的尺寸精度具有決定性影響。通常依賴澆口和流道的結(jié)構(gòu)形式以及模溫和料溫的因素。冷卻時間主要決定于之間的厚度和塑料的性能等因素。冷卻時間的終點以模件脫模時不引起變動為宜。圖 24 所示反映壓力、溫度、時間三者關(guān)系。圖24 注塑機的發(fā)展及選用