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收稿日期: 2010?04?12 作者简介: 童永华( 1972- ) , 女, 高校实验师。 文章编号: 1001?4934( 2010) 06?0049?04 打印机支架模具设计与编程 童永华, 李慕译 ( 江苏省无锡交通高等职业技术学校, 江苏? 无锡? 214046) 摘? 要: 阐述了 CAD/ CAM/ CAE 技术在塑料模具设计中的应用。以UG 5. 0 为平台 进行产品建模及模具设计, 以 Moldflow 为分析软件对产品进行优化, 使用Power? MILL 对成型零件的制造过程进行设计仿真, 通过后置处理输出 NC( 数控) 代码, 传输 到数控机床上进行产品的加工。整个设计过程实现了无纸化, 提高了模具的生产效 率, 节约了生产成本, 并大大缩短了生产周期。 关键词: 模具设计; 打印机支架; 产品优化; 加工; 仿真 中图分类号:TP391. 7文献标识码:B Abstract: In this article, a comprehensive overview of the CAD/CAM/CAE technology ap? plied in plastic mold design with UG 5. 0 as the platform for product modeling and designing is given. In the research, Moldflow is applied for optimization design; PowerMILL is ap? plied for simulating the manufacturing process of the product and outputting NC code which is transmitted to the CNC machine. The entire designing process is paperless, which im? proves productivity, saves mold production costs and shortens the production cycle. Keywords:mold design; printer stand; product optimization; processing; simulation 0 ? 引言 随着科技的进步, 注塑模 CAD/CAM/ CAE 技术在现代模具设计生产中被广泛应用, 主要 从3 个方面对技术人员提供强有力的帮助: (1) 完成注塑模结构 CAD, 包括塑料产品的建模、 模 具总体结构方案设计和零部件设计、 模具模拟 装配、 零件图和装配图的生成与绘制等; (2) 应 用CAE 技术对模具进行有限元结构力学分析、 流动分析模拟和冷却分析模拟等; ( 3) 利用 CAM 数控编程系统产生刀具路径, 进而用后处 理程序生成 NC 代码, 这样可以通过 DNC 传输 软件, 传给数控机床, 实现边传边加工。这些技 术大大提高了模具制造的精度, 缩短了新产品 的试制周期, 甚至可以一次试模成功。这种方 法使产品造型设计、 模具设计、 加工编程及工艺 设计都以 3D 数据为基础, 实现数据共享, 快速 提高设计效率, 保证质量, 降低成本。 1 ? 模具设计制造 1. 1 ? 模具设计流程 以打印机支架为例, 材质选用 PP, 塑件的 平均厚度为 2. 0 mm, 产品建模及模具设计以 UG 5. 0 为平台, 以 M oldflow Plastics Insight 6. 1为分析软件, 使用 PowerMILL 对成型零件 的制造过程进行设计仿真, 并通过后置处理输 49模 具 技 术 2010. No. 6 出NC(数控) 代码。 1. 2 ? 创建塑件三维模型 首先依据打印机支架的尺寸及功能说明, 应用三维设计软件 UG 5. 0 对产品进行参数化 建模, 可以方便地生成二维工程图和用于数控 加工的零件三维编程模型, 整个设计过程实现 无纸化。提供设计产品三维模型如图 1 所示。 图 1? 打印机支架立体图在 UG 5. 0 中建模 1. 3 ? 塑件 CAE分析 将架构的三维模型通过转换为. STL 格式 的文件导入到 M oldflow Plastics Insiht 6. 1 中 进行模流分析。选用 Fusion(表面)进行网格划 分, 网格划分的匹配率达到85%以上, 选择的材 料为: 树脂, Polyflam RPP1058UHF: A Schul? man GMBH。 1. 3. 1 ? 浇口位置的选择 通过 Moldflow 的分析, 确定使用侧浇口, 浇口位置如图 2 中圆锥体表示的位置。 图 2? 浇口位置 1. 3. 2 ? 熔融塑料填充时间分析 图 3 是 Fill time( 填充时间)结果, 可以得到 制品所需的填充时间为 0. 61 s。熔体基本上在 同一时刻达到型腔各端部, 填充过程较为均衡。 1. 3. 3 ? 注塑口位置压力的 X Y 图 在注塑口位置压力的X Y 图如图4 所示, 可 以查看注射所需的最大射压, 为成型时选择注 塑机提供参考。从图 4 中可以看到注射时间为 0. 61 s 时, 射压压力达到最大为 15. 16 MPa。 1. 3. 4 ? 锁模力 X Y 分析预测 用于预测最大锁模力, 得到注塑所需的最 大注射压力值, 当时间为 1. 0 s 时, 锁模力达到 最大值 10. 58 kN, 从而为注塑机的选择做最直 接的参考。 1. 3. 5 ? 模具结构优化 经过模流分析后, 结合生产成本和生产效 50Die and Mould T echnology No. 6 2010 率, 确定成型方案, 采用一模二腔, 浇注形式采 用冷流道, 浇口为矩形侧浇口, 分流道为圆形, 主流道为圆锥形, 分型面为产品的上表面且穿 过分流道。 1. 4 ? 模具设计 利用 UG 软件中的 M oldwizard 模块进行 模具的结构设计。 1. 4. 1 ? 打印机支架的分模 确定分型面采用阶梯分型面, 以前支撑上 表面、 后支撑内凹槽面和支承平面侧面组成阶 梯分型面。再利用一个斜面起辅助定位。为了 简化加工, 局部采用镶件结构, 型腔、 型芯创建 如图5 和图 6 所示。 1. 4. 2 ? 确定模架和模具标准件 选择型号为 1518 的 FUTABA _S模架。 模架的型式采用 TYPE SC, 选择 A 板为35 mm, B 板为 50 mm, C 板为 60 mm, 系统自动载入模 架。选择标准件, 包括定位圈、 浇口套、 镶块、 分 流道(横截面为圆形)、 浇口( 矩形) 、 顶针及顶针 后处理、 支承柱、 复位弹簧等。 1. 4. 3 ? 冷却系统设计 创建型腔( 型芯) 区域, 创建冷却水道。定 位圈、 浇口套、 冷水孔、 闷头、 O 形圈、 水嘴、 侧抽 芯机构、 镶块分流道、 浇口和顶针和支承柱等创 建为腔体。 1. 4. 4 ? 模具的材料清单和工程图 模具 3D 设计完成后, 利用材料清单工具可 自动生成该套模具的材料清单, 利用装配图样、 组件图样工具可以创建模具的装配图和相关零 件的工程图。整套模具装配图如图 7 所示。 图 7? 模具装配图 1. 5 ? 成型材料的选择 根据塑件的精度要求, 成型零件的材料选 择变形小、 淬透性好P20 钢。 1. 6 ? 模具制造 由于模架已经标准化, 模具的制造主要是 针对型芯、 型腔及镶块的加工。采用数控铣或 加工中心进行粗加工、 半精加工、 精加工及部分 电火花区域的粗加工, 再采用线切割、 精雕机、 电火花进行精加工来达到加工要求。该打印机 支架采用 PowerMILL 进行加工仿真, 进入 PowerMILL 对话框制定工艺流程: ( 1) 根据零件的三维模型选择合适的加工 模式; ( 2) 确定加工坐标系, 选择刀具的切削方式 和工艺参数; ( 3) 选择加工步骤, 产生 CLSF 刀具源文件; ( 4) 依据机床类型选择后处理文件, 生成 NC 加工程序; ( 5) 传输 NC 加工程序至机床; 51模 具 技 术 2010. No. 6 (6) 选择夹具, 安装工件, 确定机床工坐标 系进行加工。 1. 6. 1 ? 型腔、 型芯的加工 在 PowerM ILL 中生成刀轨路径, 并进行刀 轨路径的验校、 模拟。可以在图形区进行旋转、 平移、 放大视图并进行刀轨动态仿真, 检查生成 的刀轨路径是否合理, 合理后确认, 如图 8 和图 9 所示。 1. 6. 2 ? 后置处理输出 下面是型腔开粗加工操作经三轴后置处理 器后置处理后产生的数控加工程序片段, 所输 出的NC 文件如图 10 所示。 图 10? 数控加工程序 2 ? 结论 本文以打印机支架制品为例, 较全面地阐 述了 CAD/ CAM/CAE 技术在塑料模具设计中 的应用, 综合运用 Moldflow 软件进行塑料流动 分析和 UG 软件进行模具设计, 得到了合理的 注射工艺参数和优化的模具结构, 以及模具的 二维工程图和用于数控加工的零件三维编程模 型。使用 PowerMILL 软件对成型零件的制造 过程进行设计仿真, 通过后置处理输出数控代 码, 传输到数控机床上进行产品的加工。与传 统的模具设计方法相比, 现代模具设计方法提 高了设计的准确率, 整个设计过程实现无纸化, 缩短了模具设计和制造周期, 降低了成本。 ( 下转第55 页) 52Die and Mould T echnology No. 6 2010 1 200 1 300 ? 温度下分解, 管内只有水蒸汽及 其分解的 O2和 H2。在这个高温条件下, 钢管内 壁和顶头表面氧化的结果自然主要是 Fe3O4, 其 次是 FeO 和 Fe2O3, 因此, 保证了顶头表面保 护层的致密性、 耐磨性和强韧性。在热处理 中, 它的氧化分成 3 层: Fe Fe3O4 Fe2O3, 顶 头在穿孔过程中, 按以下方式通过扩散继续 氧化: Fe| Fe3O4| Fe2O3!Fe| FeO| | Fe3O4| Fe2O3 靠近 Fe 的FeO 按下式反应: Fe+ H2O= FeO+ H2 氢气来不及还原反应, 从毛管尾部喷出燃烧成 蓝色火焰。 在两辊穿孔中, 顶头氧化层的润滑机理可 以理解为顶头在热处理中得到的氧化皮, 在初 穿2 3 支毛管时, 起着润滑作用, 使穿孔顺利 进行。由于高温高压, 旋转摩擦, 使顶头表面变 得光滑致密而结实, 然后在不断的穿孔过程中 逐渐陶瓷化。这种陶瓷氧化层是在高速动态及 气体动力学的双重作用下, 在导板方向不断生 成, 在轧辊方向不断被磨损。这样不断交替进 行着, 使得具有高熔点、 隔热性好的陶瓷氧化层 始终保持一定厚度, 从而保护了顶头金属层的 高温强度。 由于试验的顶头中含 Cr、 W、 V, 在高温下工 作形成了尖晶石的氧化物, 如Fe3O4, FeO Cr2O3 和Fe3O4 WO; Fe3O4 V2O5等, 这些氧化物都 是致密结实的, 具有耐热、 耐磨、 隔热性和良好的 润滑性能, 且可防止内部金属氧化过快。 5 ? 结论 ( 1) 两辊穿孔顶头是一种工作状态非常复 杂的热作模具, 对它的热处理不能遵循一般的 热作模具处理方法。 ( 2) 两辊穿孔顶头的热处理在保持材质一 定的强韧性外, 更重要的是获得表面良好的高 温润滑性能。 ( 3) 两辊穿孔顶头最适宜于采用内外水冷。 参考文献: 1 维 依 尼基金. 金属耐热性计算 M . 潘律云, 江先美, 游国旺, 译. 上海: 上海科学技术出版社, 1982. 2 王延. 轧钢工艺学 M . 北京: 冶金工业出版社, 1981. 3 章守华. 合金钢 M. 北京:冶金工业出版社,1988. 4 赵忠, 丁仁亮, 周而康, 等. 金属材料及热处理 M . 北京: 机械工业出版社, 2006. 5 刘益得. 穿孔顶头的试验研究 J . 钢管技术, 1987( 4) : 53?56. 6 吴国梁.无缝钢管斜轧穿孔顶头的应用 J . 钢管 技术, 1987( 4) : 49?52. 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