風扇上蓋注射模具設計及高速銑削加工

趙振宇,蔡耀安,張澤熙,肖永山

(深圳信息職業技術學院機電工程學院,深圳518172)

0 引言

近年來模具行業飛速發展,模具的設計和制造已經成為衡量一個國家制造業水平的重要標志。Unigraphics(UG)NX是當今世界上最先進、最主流的工業設計軟件之一。UG軟件具有較強大的CAD/CAM/CAE功能,其中Model Wizard模塊的模具設計功能非常強大,操作也很方便,因此UG在模具工業中,尤其在塑料模具設計中應用范圍非常廣泛[1,2]。UG Mold Wizard是一個獨立的應用模塊,主要應用于注射模具自動設計[3－5]。該模塊運用知識嵌入的基本理念,按照注射模具設計過程的一般順序來實現模具設計的整個過程。在此設計過程中,用戶只需根據一個產品的三維實體模型,即可自動設計一般注射模具,還能結合運用UG軟件的其他應用模塊來拓展其功能,設計出復雜程度較高的注射模具。

高速銑削加工技術已廣泛地應用于模具制造行業之中。高速銑削具有如下特點:利用高速低負荷狀態更快地切除材料,高速切削的主軸轉速及進給速度都很高,這樣可使大部分的切削熱通過切屑帶走,以減少零件的熱變形;此外,高速切削低負荷切削意味著可通過減小切削深度而減輕切削力,從而減少切削過程中的振動和變形。

本文以風扇上蓋為例,綜合利用UG Mold Wizard的功能,系統地闡述了設計過程及要點,設計了一套風扇上蓋的注塑模具,并對風扇型腔進行了高速銑削加工。文中實例表明,在注塑模具設計過程中應用UG Mold Wizard,可以顯著縮短模具設計和改進的周期,提高塑料產品的品質,為企業節省了生產成本,提高了經濟效益。

1 風扇上蓋的注塑模具的設計

注塑模具的三維設計一般是根據注塑工藝要求和塑件的三維模型,通過分型、創建型腔、型芯、頂針、滑塊、鑲件等,并通過導入標準模架和其他標準部件,完成模具的設計。

基于UG的注塑模具設計的主要流程是:在UG建模環境下創建塑件的三維模型;在UG Mold Wizard設計環境加載塑件;對塑件進行模具分型和結構設計。具體設計過程如下:

1)創建塑件三維模型

根據提供的塑件樣品,在UG Modeling模塊下靈活運用各種建模命令,創建風扇上蓋的三維模型如圖1所示。

2)注塑模具總體結構的確定

針對這個模型,為了保證模具的質心盡量靠近其幾何中心,又要盡可能的簡化模具結構,擬采用一模一腔的設計思路;由于零件對底面、側面粗糙度要求不高,可選用大水口系統模架;為了提高加工效率和節省成本,定模型芯和動模型芯均采用整體嵌入式結構。

圖1 三維模型

將創建好的零件三維模型文件拷貝到即將建立的模具結構項目文件所在的目錄下,然后用UG Mold Wizard模塊所對應的工具條中的按鈕(Load)打開項目初始化對話框,材料選擇ABS＋PC;收縮率為1.0055,輸入相應的參數后,進入UG Mold Wizard模具設計系統項目初始化如圖2。

圖2 項目初始化

3)分模

2018年9月25日，習近平總書記親臨黑龍江墾區考察，并對農墾定位、發展戰略、深化改革、糧食生產、綠色發展、農業科技等工作作出了一系列重要指示，為推進農墾改革發展指明了方向。墾區廣大干部群眾備受鼓舞，更加堅定了推進農墾改革發展的信心和決心。集團（總局）黨委把學習宣傳貫徹習近平總書記在墾區考察時的重要講話精神作為首要政治任務，以把握精神實質、核心要義、統一思想行動為根本，以推動農墾改革發展為目標，注重以上率下，注重全面系統，注重知行合一，在“高”“廣”“深”“實”上發力，高標準高質量地做好習近平總書記重要講話精神的學習宣傳貫徹工作，收到了良好的效果。

分模是注射模具設計的最重要的一環,它是用分模面將包含模具型腔的體積塊分開成動模型芯和定模型腔,而分模面就是動模型芯和定模型腔的接觸面。分模一般按以下步驟進行:修補塑件;提取塑件的分型線;生成分模面;分模得到動模型芯、定模型腔和滑塊型芯。

對于具有孔或者槽的塑件,在分模前需要修補好這些結構。修補分為片體修補和實體修補,風扇上蓋由于具有開放的空間,需要采用實體修補,經實體修補后的風扇上蓋產品和相應的實體修補塊如圖3所示。

圖3 修補塑件

塑件修補好后,開始提取塑件的分型線。分型線是產品的最大輪廓線,是產生分模面的基礎。電池扣分型線可以通過搜索修補好的塑件的邊線獲取,自動搜索分型線,如圖4所示。

圖4 分型線

分模面是以產生的分型線為基礎,采用有界平面的方法獲得。然后提取區域,使得構成塑件的所有面都被指派到型芯側或型腔側。如果面的總數等于型芯和型腔的面的總和,則可以通過自動或分步的方法進一步獲得型腔和型芯,如圖5。

圖5 型芯和型腔的創建

4)確定模架和模具標準件

針對型芯和型腔的大小,選擇合適的模架。選擇大水口系統模架,如圖6所示,系統自動載入模架。接著為模具選擇標準件,包括主流道襯套、定位環、頂針、拉料桿、復位彈簧、垃圾釘、支撐柱等。

圖6 模架

5)創建澆口特征

圖7 澆口的創建

6)冷卻系統設計

利用冷卻系統特征,分別創建冷卻系統的水道特征、堵頭特征、水管連接特征等。這套模具的冷卻系統主要是用來冷卻成型型腔,可以創建形冷卻水道示意圖,如圖8所示。

圖8 冷卻系統的設計

2 電腦風扇型腔高速加工技術的應用

高速銑削加工用量的確定主要考慮加工效率、加工表面品質、刀具磨損以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料時,加工用量會有很大差異,目前尚無完整的加工數據,可根據實際選用的刀具和加工對象參考刀具廠商提供的加工用量選擇。一般的選擇原則是中等的每齒進給量fz,較小的軸向切深ap,適當大的徑向切深ae,切削速度[6]。電腦風扇型腔數控加工在DMU60T加工中心上進行,采用的數控系統是西門子840D。風扇型腔如圖9型腔,材料是模具鋼P20,選用的刀具是TiAlN涂層刀。加工參數設置如表1所示。

圖9 風扇型腔

表1 高速銑削加工的刀具

1)粗加工策略

粗加工的主要目標是追求單位時間內的材料去除率,并為半精加工準備工件的幾何輪廓,保證后續半精加工或精加工余量均勻,以利于粗加工刀路的平穩、高效。UG型腔銑程序分層切除風扇上蓋型腔零件材料,UG軟件粗加工最常用的粗加工方式有平面銑、型腔銑和插銑[7]。高速銑削粗加工采用型腔銑(跟隨周邊),其下切或行間過渡部分應該采用斜式下刀或圓弧下刀,并且盡量采取順銑的加工方式,刀具路徑的尖角處要采用圓角的光順處理,這樣才可能保持刀具負荷的穩定,減少任何切削方向的突然變化,從而符合高速加工的需求。根據粗加工策略和參數設置,刀具軌跡仿真如圖10。利用設定較小的切削步距和切削深度,并考慮切削深度和進給率的合理搭配,以便保持刀具的切削載荷恒定,進而保持恒定的材料切除率[8]。

圖10 粗加工

2)半精加工策略

半精加工的主要目標是使工件輪廓形狀平整,表面精加工余量均勻。UG加工軟件應用其中的參考功能,其殘留粗加工能自動識別上一道工序的殘留區域和拐角區域,自動判別在上一道工序留有的臺階的層間進行切削,系統智能地優化刀具路徑,使用戶能夠獲得空走刀最少的優化的刀具路徑。根據半精加工策略和參數設置,刀具軌跡仿真如圖11。

圖11 半精加工

3)精加工策略

精加工的主要目標是獲得幾何尺寸、形狀精度及表面品質的工件,保證加工的零件符合設計要求的表面品質和尺寸精度。UG的精加工的連接處應盡量采用圓弧或螺旋等方式切入切出工件,要盡量減少抬刀次數和減少刀具路徑頻繁的方向變化。使用UG進行高速精加工,不僅要注意使用拐角過渡光順、圓弧進退刀加工策略外,最好把零件表面分為陡峭區域和非陡峭區域分別進行精加工,以保證恒定的殘留高度。陡峭區域適合選用等高輪廓銑方式,其中切削參數選項中的層之間連接方法選擇直接對部件進刀方法,該種層間連接方法中間不抬刀,生成的刀具路徑連續光滑,沒有不同層高之間的刀軌移動,避免了由于抬刀和進刀頻繁對零件表面品質的影響。非陡峭區域適合選用固定軸輪廓銑方式,可通過設置刀軸的方向、投影矢量和驅動方法等在復雜輪廓表面上生成刀具路徑。根據精加工策略和參數設置,刀具軌跡仿真如圖12。

圖12 精加工

4)清根加工策略

使用UG清根加工方法能夠沿著部件表面形成的凹角與溝槽生成刀軌,系統根據加工最佳法則自動確定清根的方向和順序[9]。用該驅動方法創建刀具路徑時,系統使刀具盡可能與部件幾何保持接觸,減少刀具的非切削運動,進一步優化了刀軌。當塑料模具中出現復雜的型芯或型腔時,使用該策略可減少精加工或半精加工的時間,并可確保余量均勻,保證刀具路徑平滑光順,切削負荷均勻一致。

結語

傳統的注塑模具設計,從模具分型到具體結構設計,完全依靠自身的經驗,對設計者的要求較高,并且效率低下。現代制造技術在模具制造業得到了廣泛應用,高速銑削加工技術以其高效、高精度和高的表面加工品質在模具制造中起到越來越重要的作用。采用UG Mold Wizard可以讓系統引導設計者逐步完成設計內容,并且創建出來的模具與塑件產品參數相關,這樣模具設計變得更加快捷、簡單、容易修改。本文以風扇上蓋為例,詳細介紹的這種基于UG Mold wizard模塊的注塑模具設計,操作簡便,快速高效,具有很大的靈活性。應用UG軟件對模具進行設計,提高產品的設計效率,避免傳統方法人為因素多,要多次修改試模的缺點,減少模具設計及制造周期,提高了模具產品品質和經濟效益。

[1]宋玉恒.塑料注射模具設計實用手冊[M].北京:航空工業出版社,1994.

[2]楊佳黎.UG注塑模設計系統在模具設計與制造中的應用[J].南昌大學學報,2010,32(2):196-200.

[3]羅綱.基于UG NX Mold Wizard的一種手機底殼注塑模具設計[J].塑料, 2011,40(06):103-105.

[4]蘇君.基于UG電話上蓋注塑模具設計與數控加工[J].中國制造業信息化,2012,15:83-86.

[5]王玉坤.基于UG和Moldflow的遙控器后蓋注塑模具設計[J].陜西科技大學學報, 2012,30(02):66-68.

[6]張伯霖.高速切削技術及應用[M].北京:機械工業出版社,2003.

[7]楊浩.UG NX4銑制造培訓教程[M].北京:清華大學出版社,2006.

[8]許春停,張沖,汪方寶.高速加工切削參數的選擇[J].合肥工業大學學報,2010,33(2):222-225.

[9]趙振宇.UG軟件在高速銑削加工手機上蓋模具中的應用[J].模具制造,2009(2):83-87.