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塑料模具异型水路制作与应用
点击:270 日期:2018-1-24 13:35:05

        摘要:传统的塑料模具模冷却水路加工往往依赖于钻加工,加工中心必须避免干涉到模具机构,钻加工方式是直线型的,不能均衡地降低模温,无法解决塑料制品中许多缺陷。分析了模具中异型冷却水路的原理,并阐述了加工制造过程。对复合加工技术在模具中应用、结合浇口套实例做了介绍,采用异型冷却水路复合加工技术可达到模具均衡冷却,用以提高塑料制品质量。
        传统的塑料模具冷却水路的设计和制作往往依赖于二次加工。通过交叉钻孔,产生直线管的内部网络,通过内置流体插头与外接胶管来调整流速和改变方向,但这种方法有局限性,冷却水路必须避免干涉到模具内顶杆、滑块和复杂机构等因素。水路网络呈直线形状,冷却水路离模具的表面远近不一致,使得冷却效率低下。有时水路网络盲点部位还有可能被堵塞。在复杂模具的制造中,为了预留冷却水路的加工,模具型芯还需被分割成几件镶块制造,最后再拼接成一整块型芯,这导致了制造成本的增加,并且还会缩短模具使用寿命。[1]
        按照现代模具设计理念产,冷却系统必须考虑到冷却水路的布置、型式、冷却温度、水管内的流率和冷却时间等因素。更重要的是冷却水路的位置必须能够贴近产品轮廓以达到均匀带走热量的目的(如图1所示)。为解决这一问题,新的设计概念便应运而生,通过一些现代模具加工技术,使得冷却水路可不必受到传统加工的限制,可更自由地设计出贴近产品的水路,即异型水路,或称随形水路,或者3D水路,并主要用于塑料模具和压铸模等塑料模具。


1异型冷却水路原理和分析依据
        异型冷却水路原理是随着产品的形状而配置水路,相对于传统直孔水路,它的形状可以是异型、3D形状的。和传统水路相比,由于它能够均匀贴合产品,使得产品在注塑生产过程中冷却时间更短、生产周期缩减,能有效提高制品产量。另外,由于冷却均匀,产品的变形量也会得到很大的控制,产品的合格率也能得到提升。通过冷却液(水)在模具内通道流过,为注塑件带走了更多的热量,达到快速冷却,这种冷却效果的速度和均匀性是由流体通道以及冷却流体的速度来决定的[12]。
        异型冷却水路的分析依赖于CAE模流分析技术。具体有Moldflow和Moldex3D模流分析软件等,能有效模拟各种三维流动效应,并且为了完整呈现真实塑料件外观,分析模型需以真实对象为基准,将所有特征形状列入考虑,建立三维分析模型,在产品设计阶段的各种仿真实验中得到广泛应用[3],安照模型轮廓自动定义和建立异型水路,大幅节省了复杂冷却系统设计,提升了冷却效率。CAE的辅助功能更加快速与精准,大幅缩短了产品在设计与制造上的流程与工时。如果产品设计具有先天的缺陷,则通常会造成塑料加工条件范围狭窄,现场生产时很难找到适当的加工条件,这类问题也很难藉由模具修理来解决。鉴于上述状况,模流分析CAE技术已经日益成熟,不少厂商引进模流分析软件,用以计算分析缩短模具开发、试模的过程。
        在各种塑料模具中,流道与冷却系统的设计对于制件质量及生产周期都有很大影响。当流道系统设计不佳时,造成塑料射压过高、不均匀充填等,都可能会造成日后制品产生翘曲变形等。另外,冷却系统设计不良,也会造成生产周期过长,增加成本。同时,不均匀的冷却效果也会造成产品不均匀收缩而产生翘曲变形,从而影响质量。异型冷却水路让水路能贴着模型(模腔)形状的变化而变化,为模具设计提供了更大的模具设计空间,也简化了冷却水路的设计方法。在一般的塑料成型过程中,需要经过一定的周期才能使模具达到稳定的生产状态,这是因为当熔体注入模具后,模具与熔融熔体在接触面之间发生热量传递,模具通过自身向冷却水路进行热脉冲传导。利用CAE模流分析技术能较好地解决塑料成型和冷却平衡的问题,解决模具均衡散热的问题,保证制件的质量。
2异型冷却水路主要的加工方法
        确立了异型冷却水路的设计方法后,要解决异型冷却水路的制作问题。国内外的快速塑料成型(RP)与快速模具制造技术为异型冷却水路的制作奠定了较好的基础[4]。这些年来人胶把RP技术原理应用到注塑模具制造这一领域的努力从没有停止过。金属粉末的选择性激光烧结(SLS)技术,由德克萨斯大学的Carl Deckard和同事们在1989年发明。其基本理念恙光造型术(SLA)类似,是用激光逐层照射聚合物或者金属粉末,使粉末熔接粘合,从而堆叠为三维物体。后来选择性激光熔化技术(SLM)是在选择性激光烧结(SLS)基础上发展起来的一种金属材料直接成型技术,利用同轴或是旁轴供粉的办法进行快速金属融化(也可采用塑料加工塑化),也叫激光3D打印[5-7]。与选择性激光烧结不同的是,工艺过程中金属粉末之间发生治金结合(分子间结合),加工的成型零件不需要经过后处理,其致密度近乎达到100%,具有较好的材料力学性能,多用于直接制造金属零件。由于这两种加工方法都属于增材加工范围,应用到模具零件上还需要不同程度后加工[8-9]。
        近些年在日本,金属粉末激光造型复合加工技术把金属粉末选择性激光熔化(SLM)的增材加工工艺和传统的高速切削加工工艺融为一体,是增材加工和去除加工这两种反方向加工手法的复合化,综合集成了材料技术、计算机软件技术、激光技术和数控加工技术。应用“复合加工技术”,把选择性激光熔化增材加工工艺和高速切削加工工艺融为一体也将是发展趋势。加工均在专用加工设备上完成,其加工原理如图2所示。


        加工顺序示意图如图3所示。其加工顺序是:在加工装置中,激光发生器是重要的加工能源,激光通过反射镜和聚光透镜聚射在工件上,装置中粉末箱的粉末即时向工件表面送粉铺展。主轴是加工的动力头,根据计算机指令和光电图像传感器摄像头等全帧读出,指令工作台X,Y,Z轴的移动,完成铣削,在此期间,熔化、叠层与铣削不断重复进行。


        ①用激光熔化铺展在金属底板上的金属粉末;②重复铺展金属粉末和进行激光熔化,逐层叠加造型使叠层厚度达到切削刀具的有效刃长;③对叠层侧面用小直径切削刀具施以切削加工;④反复进行激光熔化、叠层造型和高速切削加工;⑤做出具有精密加工表面的立体形状造型[10]。与以往单纯的金属粉末选择性激光熔化叠层造型技术相比,其加工尺寸精度可达±0.005mm以内,热处理后的材质硬度可达到HRC54。图4为SLM技术与复合技术加工件比较示意图。


        通过SLM技术复合技术加工零件的比较可知,SLM技术使用激光有选择地照射预先铺展好的金属粉末,并不断地重复铺粉与照射的过程,从而逐渐叠层造型,最后制成所需形状的金属零件。复合加工技术用选择性激光熔化增材加工和高速切削加工同时进行,加工出的零件可直接用于模具上。复合加工技术为模具内部加工出任意形状的异型水路奠定了较好的基础。这样的异型水路将会有助于改善模具冷却状况,缩短塑料成型周期,提高制件品质。
        通过SLM技术可以打印和加工出所需要的随形水路,另一种与SLM不同的3D打印增材制造技术是基于叠层实体制造(LOM)的热扩散焊技术。德国PVA TePla公司的LOM扩散焊接技术在模具3D随形水路设计中得到了应用。热扩散焊技术又称真空压力热扩散焊,是在真空条件以及一定的压力和温度作用下,通过原子扩散而不需用焊料使焊接件相互联接的焊接方法。真空热扩散焊温度一般设为材料熔点的0.5~0.8倍,在焊接过程中,热扩散时间以及热扩散压力对三维模具焊接质量的影响至关重要[11]。基于LOM的热扩散散焊即使用金属薄板为材料,采用激光将三维零件的轮廓切割出来,进行去污、去毛刺等处理后将二维层片堆叠起来,送人真空扩散焊接(DB)护进行焊接。DB炉具备高真空、最高1350℃以及150t加载压力的工作能力,工作时温度升至1000℃,焊接时间需要60min,整个过程循环8h可完成焊接[11]。真空扩散焊相对于金属粉末3D打印的优势:
        (1)材料可选范围更广,可直接使用标准型材;
        (2)工件尺寸可以更大,最大尺寸可以达到900mm(宽)*1000mm(深)*500mm(高);
        (3)工件性能更好,如强度,耐腐蚀性等,治金性能非常接近母亲材;
        (4)生产效率更高,不管大小件,工艺时间基本可以控制在12h以内,而且可以一炉加工多个产品。
3应用实例
        烧口套上用异型冷却水路是模具制造业从未想过的问题,而有了复合加工技术可实现直径12mm左右烧口套上采用异型冷却水路[10]。从一般模具结构来看,主流道的四周、浇口套与高温的塑料机喷嘴直接接触,是模具中最初被注入高温熔体的部位。当遇到薄壁或小型产品的模具设计时,浇口套结构小无法采取冷却措施,主流道部分比产品部分耗费更多的冷却时间。现在利用金属粉末激光造型复合加工技术(3D打印技术),可直接在浇口套内部设置一定的冷却水路。如果再配置专用温调机,对浇口套进行控制,并根据机塑料周期调节水流进出速度,将能对主流道部分实施快速有效的冷却(如图5所示)。有了浇口套应用后,对其它模具型芯加工(如图1)都迎刃而解。


4结论
        异型冷却方式与传统冷却方式的根本区别在于,其冷却水道的形状随塑料制品的外形变化而变化,是3D形状的,不再是简单的直线状,这种冷却水道更好地解决了传统冷却水道与模具型腔表面距离不均衡的问题,可以使得塑料制品得到均衡的冷却,冷却效率得到提高[12]。金属粉末激光造型复合加工技术是由日本松下电工最初开发出来的,并将这项新技术引入中国,已得到广泛应用。其特点在于可一体化地加工完成有内部异型水路的模具加工,其加工尺寸精度高,热处理后的材质硬度高,符合精密模具的量产水准要求,提供了一种极为宝贵的新型模具加工技术。目前这项技术的推广主要在于加工成本较高,如一般直径为12mm左右浇口套市场售价为20元,而同样加工大小异型水路浇口套价格在1000元左右,这使得人们难于接受。通过对异型水路的认识和接受,在不久的将来这种复合加工技术也会像当初引进线切割、电火花和加工中心那样,得到推广和普及。如今,增材制造技术可制造出以前无法实的复杂随形冷却/加热水道,可以接触到以前无法冷却或加热的嵌件区域,在成型塑料零件质量方面,堪称发生了一场巨大革命[13]。

 
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