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      注塑模具結構設計及鑲塊SLM 制作分析

      2022-01-18 02:34:12林錦輝
      科學技術創(chuàng)新 2021年36期
      關鍵詞:鑲塊注塑模塑件

      林錦輝

      (福州第一技師學院,福建 福州 350001)

      工業(yè)4.0 時代,信息技術、新材料技術、3D打印技術等推動了工業(yè)現代化、智能化的發(fā)展進程。在注塑模具的設計和制造中,高精度、高效率、標準化等成為基本要求。為了滿足這些要求,在注塑模具的設計方法上必須要加以創(chuàng)新,而CAE 軟件除了具有優(yōu)化產品結構設計的功能外,在分析型腔平衡性、縮短設計周期等方面也有顯著優(yōu)勢。同時,隨著3D 打印技術的成熟,對于一些結構復雜的注塑模具,將CAE 和SLM技術相結合,將會顯著提高注塑模具的精度,從而為提升產品品質和改良使用效果提供了技術支持。

      1 注塑模具的結構設計

      設計一種生產數碼相機前殼塑料件的注塑模具,塑件要求如下:材料為ABS;表面光滑,無毛刺、氣孔、熔接痕;尺寸精度達到MT Ⅲ級。注塑模具的結構設計要點如下。

      1.1 模具分型面設計

      通過分析塑件的工藝特征,判斷屬于深腔殼類塑件。為確保塑件不會產生翹邊等問題,將模具設計為一模雙腔結構,并采用對稱布置,可以保證模具受力平衡,提高塑件的加工質量和延長模具的使用壽命。在確定型腔布置方案后,還要設計用于取出塑件流道凝料的分型面。在該模具中,分型面由兩部分組成:其一是整體分型面,即殼體的邊緣線;其二是細部分型面,即殼體平面上各個通孔的邊緣線。為保證塑件美觀,將細部分型面均設置在背面。具體設計方式如圖1 所示。

      圖1 模具分型面布置意圖

      基于上述設計思路,打開UG NX 9.0 軟件,通過以下步驟構建模具分型面的三維模型:(1)在“項目設置”中,將材料設定為ABS,收縮率1.035,單位為mm。(2)在“模具CSYS”中,將模具坐標作為產品中心,同時在“鎖定XYZ 位置”選項欄中,勾選“鎖定Z”位置。(3)在“工件”中,工件方法、工件尺寸等全部采用默認參數即可。(4)選定塑件上的所有通孔,并標記其形狀、尺寸、坐標等基本信息。然后單獨創(chuàng)建每一個通孔的分型面。(5)分別使用紅色、綠色自動標記型芯和型腔。若有未定義區(qū)域沒有標記顏色,則查明其屬性后手動標記。最后根據標記結果,自動畫出分型線,得到分型面。

      1.2 澆注系統(tǒng)設計

      使用注塑模具批量化生產塑件時,主流道頻繁接觸高溫噴嘴,很容易出現磨損。為了方便更換,在澆注系統(tǒng)設計中,需要將澆口套設計成為可拆卸的組件。根據塑件的形狀、壁厚,以及標準工況下的注射速度,將分流道的截面設計成為U 型,半徑5mm,深度8mm,傾角30°。設計澆口位置時,計算注塑時的流動陰力,將澆口布置在陰力最小處。在注塑陰力分析中,可借助于Moldflow軟件,分析結果如圖2 所示。

      圖2 澆口注塑流動陰力分析圖

      結合圖2 可知,在藍色區(qū)域內注塑陰力較小,選擇這4 個區(qū)域設置澆注口,不容易留下澆注痕跡,有助于提高塑件表面的光滑度。為了從4 個選項中找出最佳澆注口,還要在軟件中模擬注塑過程,并確定最佳的填充時間。仿真結果表示,I 區(qū)域最佳填充時間為1.33s,II 區(qū)域最佳填充時間為1.17s,Ⅲ區(qū)域最佳填充時間為1.12s,IV 區(qū)域最佳填充時間為1.06s。除了填充時間外,還可以使用該軟件進行氣穴比較、鎖模力比較、體積收縮率比較等。最終結果如表1 所示。

      綜合表1 中的6 向指標,認為II 接口綜合注塑效果最佳,因此可以將其作為澆注口。

      表1 4 個澆口各項指標的仿真分析結果

      1.3 成型零件設計

      成型零件也是注塑模具的重要組成,按照類型又可分為型芯、型腔、鑲件等。這里以型芯為例,在詳細參數設計上,芯型零件的徑向尺寸為112.5mm,深度為24.1mm。使用CAM軟件進行仿真分析可知,其結構比較復雜,局部有深槽,加上結構精度要求較高,如果采用常規(guī)的數控銑床加工成型,可能會出現精度不達標,或者是損傷零件的情況。因此,在芯型加工中使用SLM技術制作,以保證結構精度。

      1.4 標準模架的選擇

      選擇有型腔、型型及鑲件組成的三分型面模架,使用螺釘進行模架固定,同時在鑲件下方設置獨立的支撐板。參考《模具設計手冊》中的有關規(guī)定,對于尺寸在120-150mm 之內的塑件,其內模鑲塊的壁厚以25mm 為宜。據此設計內模鑲塊的尺寸為240mm×180mm×12mm。同樣參考《模具設計手冊》中的相關規(guī)定,可以分別計算出模板周界尺寸、墊塊厚度以及動/定模板厚度等基本參數。標準模塊的各項參數確定以后,選擇一臺XS-ZY 型螺桿式注射劑,對該模架的開合模行程、取件所需空間等進行校驗。結果如表2 所示。

      表2 標準模架的校核結果

      2 注塑模具鑲塊SLM 制作

      2.1 鑲件的參數設置和打印

      在利用SLM技術打印模具零件之前,首先要確定型芯和鑲塊的工藝參數。在使用UG NX 軟件制作注塑模具的三維模型之后,將該模型的原始文件以STL 格式單獨保存。使用Materialise 3-matic 軟件,在新建項目中勾選剛才保存的STL 格式文件。成功導入之后,可以在設置選項中,對型芯、型腔、鑲塊的工藝參數進行調整和優(yōu)化。在參數設定完畢后,可以利用SLM技術將鑲塊打印出來??紤]到鑲塊體積較小、結構復雜并且對精度要求極高,因此在打印設備的選擇上也有較高要求,本文選擇德國EOS 公司生產的M290 型選擇性激光熔化3D 打印設備,基本參數如表3 所示。

      表3 M290 3D 打印設備的基本參數

      鑲塊的成型材料選擇專門用于3D 打印的MS1 鋼粉末,該材料的機械性能優(yōu)、熱處理效果好,易于焊接、拋光和鍍膜。打印設備和打印材料都準備妥當后,按照設計好的注塑模具鑲塊三維模型,啟動設備完成自動打印。需要注意的是,為了進一步提高鑲塊表面質量,防止出現翹邊、毛刺等問題,打印上層表皮時,選擇雙層打印模式,一層為打印,另一層為重熔。

      2.2 鑲件的優(yōu)化處理

      在SLM制作鑲塊時,噴出的金屬粉末一部分通過激光熱熔組成了鑲塊,還有一部分則粘附在鑲塊表面或溝槽中。因此在制作完成后,還要借助于氣槍等工具將這些金屬粉末全部清理干凈。然后取出鑲塊,采用肉眼觀察或借助于放大鏡觀察的方式,將局部存在的毛刺或凸起的顆粒等,使用砂紙輕輕打磨。在完成優(yōu)化處理后,還要采取線切割的方式,讓鑲塊與打印設備的載物臺分離。最終得到的鑲塊表面光滑,無翹邊、毛刺、氣孔等瑕疵。上表面重熔效果優(yōu)良,未發(fā)現有熔接痕。各通孔的斷面成型良好,尺寸精度符合設計要求,成果圖如圖3 所示。

      圖3 SLM 制作鑲塊的成果圖

      按照同樣的方法,使用SLM制作注塑模具的型腔與型腔。經優(yōu)化處理后,采用螺釘固定的方式,將型腔固定在檢測設備的臺板上,再將型腔、鑲塊等安裝在型腔上,進行精度檢測,對比判斷基于SLM 制作的注塑模具和CAD 設計的模型之間是否存在尺寸誤差。

      2.3 鑲件的誤差分析

      2.3.1 粗糙度檢測

      粗糙度是評價注塑模具制作質量的關鍵指標,尤其是對于數碼相機這類高端的精密化產品,對模具的粗糙度要求更加嚴格。粗糙度檢測使用日本三豐(Mitutoyo)生產的電子式粗糙度檢測儀,測量參數設定為:速度0.8mm/s,橫向波長3.0mm,縱向波長12μm,其他參數均為默認值。在固定好的注塑模具表面和立面,分別隨機選擇10 個點位測量其表面粗糙度。其中,表面粗糙度的最小值為3.67μm,最大值為4.02μm,平均值為3.82μm。粗糙度達標,且誤差較小。而里面粗糙度的最小值為8.25μm,最大值為11.33μm,平均值為10.04μm。粗糙度較差,且誤差較大。因此需要根據測量結果,對局部進行打磨、拋光處理。

      2.3.2 關鍵尺寸檢測

      對于注塑模具整體尺寸的檢測,一般使用激光掃描儀即可,具有效率高、易操作等特點,但是對于關鍵部位的精度檢測來說,激光掃描儀的精度可能達不到要求。這種情況下就需要使用三坐標測量機,對于一些結構比較復雜,精度要求較高的部分,做進一步的精度測量。測量時要求室內溫度恒定在(22±3)℃,檢測步驟如下:(1)將三坐標測量機置于平整的工作臺上,使用酒精布擦拭三坐標測量機的載物臺。利用一側手柄調節(jié)縱測針,使其歸零。之后將需要檢測的注塑模具放置到載物臺上,并利用上下夾具將待測模具固定好。(2)三坐標測量機掃描注塑模具后,提取其三維坐標,并在系統(tǒng)中聲場對應的三維模型。(3)導入設計好的CAD 圖,系統(tǒng)自動對比CAD 圖中各點坐標與三維模型中各點坐標的匹配度。(4)平面上各點坐標的允許公差為±0.1mm,立面上各點坐標的允許公差為±0.3mm。實際誤差在該范圍內,即為精度達標;若超出該范圍,則需要進行打磨或拋光處理。

      結束語

      在塑料制品對精度要求日益嚴格的背景下,注塑模具的結構設計成為決定塑料制品生產質量的關鍵因素。在信息化背景下,使用CAD/CAE 等軟件進行注塑模具的結構設計,既簡化了設計流程,同時也提高了設計精度。尤其是對于型腔、型芯和鑲塊等體積較小、結構緊密的零件,選擇基于CAE 軟件的三維設計,為制作中的精度控制創(chuàng)設了良好條件。在此基礎上,配合使用SLM制作工藝,可以顯著提高注塑模具的表面精度,在提高塑料制品質量方面效果明顯。

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