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塑料模具設計與制造新技術

塑料模具在塑料加工中占有非常重要的地位,模具的設計水平和制造能力也反應了一個國家的工業水準。近年來塑料成型模具的產量和水平發展十分迅速,高效率,自動化、大型、精密、長壽命的模具所占的比例越來越大,下面從模具設計、加工方法、加工設備、表面處理等幾個方面來總結一下模具的發展現狀。

塑料成型方法及模具設計
氣體輔助成型:氣輔成型不是一種新的技術,但近年來發展很快并出現了一些新的方法。液化氣體輔助注射是將一種預熱的特殊可氣化的液體從噴嘴注入塑料熔體中,液體受熱在模腔中被氣化而膨脹,使制件成為空心,并將熔體推向模腔表面。這種方法可用于任何熱塑性塑料。振動氣體輔助注射是通過振蕩壓縮氣體向塑料熔體施加振動能量,從而達到控制制品的微觀結構,改善制品性能的目的。有些廠家把氣輔成型中所用的氣體轉換成冷水,而成為水輔成型,這種方法可以成型出更薄的制品,也可以生產大型中空制品,其質量更高,成本更抵,但關鍵點是水的泄漏問題。
推拉成型模具:在模具型腔的周圍開設兩個或多個通道,并與兩個或多個注射裝置或能往復移動的活塞相連,在注射完成后熔體固化前,注射裝置的螺桿或活塞來回移動往復推拉型腔中的熔體。這種技術叫動態保壓技術,其目的是為避免用傳統成型方法成型厚制品會有很大收縮的問題。
高壓成型薄殼制品:薄殼制品一般是長流程比的制品,多采用多點澆口的模具,但多點進澆會造成熔結縫,對一些透明制品則會影響其視覺效果。單點進澆又不易充滿模腔,故可以用高壓成型技術來成型。比如美國空軍F16戰機的座艙就是用這種技術生產的。目前已采用此技術來生產PC汽車擋風玻璃。高壓成型的注射壓力一般超過200Mpa,故模具材料也要選擇高楊氏模量的高強鋼。高壓成型成功的關鍵是模溫的控制,另外要注意模腔的排氣一定要順利,否則高速注射導致排氣不暢會燒焦塑料。
熱流道模具:在多腔模中越來越多地利用熱流道技術,其動態進料技術是模具技術中的一個亮點。即通過一個針閥調節塑料的流動,可為每個澆口分別設定注射時間、注射壓力等參數,可以獲得平衡的注射和最佳的質量保證。針閥可通過液壓驅動活塞動態地、無級地移動,針閥的位置決定了注射的流量和壓力。在流道內有壓力傳感器,可連續記錄流道內的壓力大小,進而可以控制針閥位置和調整熔體壓力。
熔芯注射成型用模具:這種成型方法是把低熔點合金制成的可熔型芯放入模具中作為鑲嵌件進行注射成型、然后對含有可溶型芯的制品加熱去除可熔型芯。這種成型方法用于形狀復雜、中空的產品,如汽車的輸油管或送排氣管等復雜形狀的空芯塑件。用這類模具成型的產品還有:網球拍手柄、汽車水泵、離心熱水泵和航天器油泵等。

注射/壓縮成型模具:注射/壓縮成型可生產低應力、光學性能好的產品、其工藝過程為:模具合模(但動定模不完全閉合,留一個間隙以便以后的壓縮)、注入熔體、二次合模(即壓縮使熔體在模內被壓實)、冷卻、開模、脫模。在模具設計上要注意的是由于模具在開始合模時并未完全合攏,故為了防止在注射時溢料,在模具中要設計防止溢料的結構。

疊層模:將多個型腔在合模方向重疊布置,而不是在同一平面上布置多腔。這可以充分發揮注射機的塑化能力。這種模具一般用于熱流道模具中,可極大地提高效率。

層狀制品注射模:層狀制品注射成型兼有共擠出成型和注射成型的特點,能在制品上實現任意厚度不同材料的多層組合。每層厚度可小到0.1~10mm,層數可達上千。這種模具實際上是一注射模具與一多級共擠模具的組合。

模具滑移成型(DSI):此方法可成型中空制品,也可成型多種材料的復合制品。其過程為:閉模(對中空制品而言,此時兩半型腔處于不同的位置)、分別注射、模具移動至兩半型腔對合、在中間注入結合兩半型腔的樹脂。這種方法成型的制品與吹塑制品相比,有表面精度好、尺寸精度高、壁厚均勻、設計自由度大等優點。

鋁材模:塑料模制造技術中一個突出點就是鋁合金材料的應用,Corus公司開發的鋁合金塑料模的使用壽命可達30萬次以上。Pechiney Rhenalu公司用其M1-600鋁材制造塑料模,壽命可達50萬次以上。
模具制造

高速銑削:目前,高速切削已進入了精密加工領域,其定位精度已提高到±2~5µm/全程,加工精度提高到±2~5µm。采用液體靜壓軸承的高速電動主軸,主軸回轉精度在0.2µm以下,機床主軸轉速可達100,000r/min;采用空氣靜壓軸承的高速電動主軸,主軸回轉精度可在50µm以下,轉速可高達200,000r/min?焖龠M給速度能達30~60m/min,如果采用大導程滾珠絲杠和高速伺服電機、直線電機和精密直線導軌,進給速度甚至可達60~ 120m/min。換刀時間減少到1~2s,其加工的粗糙度Ra<1µm。結合新型刀具(金屬陶瓷刀具、PCBN刀具、特殊硬質合金刀具等),還可加工硬度達60HRC的材料。其加工過程的溫度只升高3度左右,熱變形很小,特別適合于成型對溫度和熱變形敏感的材料(如鎂合金等)。高速切削的速度在5~100m/s,完全可以達到模具零件的鏡面車削和鏡面銑削。另外由于切削小,可以加工薄壁和剛性差的零件。

激光焊接:激光焊接設備可用于修復模具或熔覆金屬層以增加模具耐磨性,經激光熔覆處理后的模具表面層硬度可達62HRC。采用顯微焊接工藝時在城激光聚集處的溫度可高達1500℃,焊接時間僅為10-9秒,因而可避免熱量傳到焊點鄰近區域。采用一般的激光焊接工藝,在工件上距焊點15mm處的溫度可達150~200℃,而采用顯微焊接技術時溫度僅為36℃,因此不會引起材料的金相組織和性能的改變,也不會引起翹曲變形可開裂等問題。

電火花銑削:也稱為電火花創成加工技術,它是用高速旋轉的簡單管狀電極作二維或三維輪廓加工,因而不再需要制造復雜的成型電極。

三維微加工(DEM)技術:DEM技術克服了LIGA技術加工周期長、價格昂貴的缺點,綜合了三個主要的工藝:深層刻蝕、微電鑄和微復制?梢陨a厚度僅100µm齒輪等微型零件的模具。

三維型腔的精密成形及鏡面電火花加工一體化技術:采用在普通煤油工作液中添加固體微細粉末的方法,來增大精加工的極間距離,減小電容效應,增大放電通道的分散性。從而可使排屑好、放電穩定、加工效率提高,并有效降低加工表面的粗糙度。同時使用混粉工作液還可在模具工作表面形成硬度較高的鍍層,提高模具型腔表面的硬度和耐磨性。

模具表面處理、強化
為了提高模具的壽命、除了常規熱處理方法外,下面是一些常用的模具表面處理與強化技術。

化學處理:其發展趨勢是由滲入單一元素向多元素共滲,復合滲發展。由一般的擴散滲向化學氣相沉積(PVD)、物理化學氣相沉積(PCVD即等離子氣體相沉積)、離子滲入、離子注入等方向發展。

激光表在處理:1.利用激光束獲得極高的加熱速度和冷卻速度,實現金屬材料的表面淬火,在表面獲得高碳極細的馬氏體晶體,硬度比常規淬火層高15%~20%,而心部組織不會發生變化.2.利用激光進行表面重熔或表面合金化,獲得高性能的表面硬化層。例如用CrWMn復合粉末合金化后,其體積磨損量為淬火CrWMn的1/10,其使用壽命提高14倍。3.激光熔凝處理是利用高能量密度的激光束時金屬表面進行熔融和激冷處理,使金屬表面層形成一層液態金屬的激冷組織。由于表面層的加熱和冷卻非常迅速,故得到的組織非常細密,如果通過外部的介質使冷卻速度達到足夠高,則可抑制結晶過程,而形成非晶態,故了被稱為激光熔化—非晶態處理,又稱激光上釉。
稀土元素表面強化:這可以改善鋼的表層結構,物理、化學及機械性能等。它可以提高滲速25%~30%,使處理時間縮短1/3以上。常見是有稀土碳共滲、稀土碳氮共滲、稀土硼共滲、稀土硼鋁共滲等。

化學鍍:它是通過化學試劑將溶液中的Ni、P、B等還原析出在金屬的表面上,從而在金屬表面上獲得Ni-P、Ni-B等的合金鍍層。以提高金屬的機械性能、耐蝕性能和工藝性能等。又被稱為自催化還原鍍、無電鍍等。
納米表面處理:是以納米材料和其它低維非平衡材料為基礎,通過特定的加工技術,對固體表面進行強化或賦予表面新功能的一項技術。(1)納米復合鍍層是在傳統的電鍍液中加入零維或一維納米質點粉體材料而形成納米復合鍍層。納米材料還可用于耐高溫的耐磨復合鍍層。如將n-ZrO2 納米粉體材料加入Ni-W-B非晶態復合鍍層,可提高鍍層在550~850℃高溫抗氧化性能,使鍍層的耐蝕性提高2~3倍,耐磨性和硬度也都明顯提高。(2)納米結構涂層在強度、韌性、抗蝕、耐磨、熱障、抗熱疲勞等方面都用顯著改善,且一種涂層可同時具有上述多種性能。

快速原型制造與快速制模
快速原型制造與快速制模是新產品開發中的一項重要技術,以前人們一直認為快速制模限于小批量試制,然而近年來快速制模也用于中等批量、乃至大批量、準耐久金屬模具的制造。
熔射制模法工藝是在原型表面形成金屬熔射層,然后對熔射層進行補強,并將被熔射原型去除得到金屬模具。用高熔點熔射材料可使模具表面硬度達63HRC。
直接快速制造金屬模具(DRMT)方法主要有:以激光為熱源的選擇性激光燒結法(SLS)和基于激光熔融堆積法(LENS),以等離子電弧等為熱源的熔積法(PDM),噴射成形的三維打。3DP)法和金屬薄板LOM技術等。SLS的制模精度已大為改善,收縮率已由原來的1%降至0.2%以下,LENS制造的制件密度及機械性能雖較SLS方法有很大提高,但仍有約5%的孔隙率.它只適用于制造簡單幾何形狀的零件或模具。由于未熔顆粒的粘結,表面質量也不太高。
形狀沉積制造法(SDM),利用焊接原理熔經焊材(絲狀),并借助熱噴涂原理使超高溫熔滴逐層沉積成形,實現層間冶金結合?杀苊馍鲜龌趯臃e法原理的RT技術會產生側面階梯效應致使精度低、表面質量差,且存在綜合力學性能不高等問題。
快速制模技術是在與傳統的機械加工技術的競爭中產生并發展起來的,但銑削速度高達100,000r/min,表面精度優良的高速銑削技術已成DRMT技術最大的競爭對手。
塑料模具在塑料加工中占有非常重要的地位,模具的設計水平和制造能力也反應了一個國家的工業水準。近年來塑料成型模具的產量和水平發展十分迅速,高效率,自動化、大型、精密、長壽命的模具所占的比例越來越大,下面從模具設計、加工方法、加工設備、表面處理等幾個方面來總結一下模具的發展現狀。

塑料成型方法及模具設計
氣體輔助成型:氣輔成型不是一種新的技術,但近年來發展很快并出現了一些新的方法。液化氣體輔助注射是將一種預熱的特殊可氣化的液體從噴嘴注入塑料熔體中,液體受熱在模腔中被氣化而膨脹,使制件成為空心,并將熔體推向模腔表面。這種方法可用于任何熱塑性塑料。振動氣體輔助注射是通過振蕩壓縮氣體向塑料熔體施加振動能量,從而達到控制制品的微觀結構,改善制品性能的目的。有些廠家把氣輔成型中所用的氣體轉換成冷水,而成為水輔成型,這種方法可以成型出更薄的制品,也可以生產大型中空制品,其質量更高,成本更抵,但關鍵點是水的泄漏問題。
推拉成型模具:在模具型腔的周圍開設兩個或多個通道,并與兩個或多個注射裝置或能往復移動的活塞相連,在注射完成后熔體固化前,注射裝置的螺桿或活塞來回移動往復推拉型腔中的熔體。這種技術叫動態保壓技術,其目的是為避免用傳統成型方法成型厚制品會有很大收縮的問題。
高壓成型薄殼制品:薄殼制品一般是長流程比的制品,多采用多點澆口的模具,但多點進澆會造成熔結縫,對一些透明制品則會影響其視覺效果。單點進澆又不易充滿模腔,故可以用高壓成型技術來成型。比如美國空軍F16戰機的座艙就是用這種技術生產的。目前已采用此技術來生產PC汽車擋風玻璃。高壓成型的注射壓力一般超過200Mpa,故模具材料也要選擇高楊氏模量的高強鋼。高壓成型成功的關鍵是模溫的控制,另外要注意模腔的排氣一定要順利,否則高速注射導致排氣不暢會燒焦塑料。
熱流道模具:在多腔模中越來越多地利用熱流道技術,其動態進料技術是模具技術中的一個亮點。即通過一個針閥調節塑料的流動,可為每個澆口分別設定注射時間、注射壓力等參數,可以獲得平衡的注射和最佳的質量保證。針閥可通過液壓驅動活塞動態地、無級地移動,針閥的位置決定了注射的流量和壓力。在流道內有壓力傳感器,可連續記錄流道內的壓力大小,進而可以控制針閥位置和調整熔體壓力。
熔芯注射成型用模具:這種成型方法是把低熔點合金制成的可熔型芯放入模具中作為鑲嵌件進行注射成型、然后對含有可溶型芯的制品加熱去除可熔型芯。這種成型方法用于形狀復雜、中空的產品,如汽車的輸油管或送排氣管等復雜形狀的空芯塑件。用這類模具成型的產品還有:網球拍手柄、汽車水泵、離心熱水泵和航天器油泵等。

注射/壓縮成型模具:注射/壓縮成型可生產低應力、光學性能好的產品、其工藝過程為:模具合模(但動定模不完全閉合,留一個間隙以便以后的壓縮)、注入熔體、二次合模(即壓縮使熔體在模內被壓實)、冷卻、開模、脫模。在模具設計上要注意的是由于模具在開始合模時并未完全合攏,故為了防止在注射時溢料,在模具中要設計防止溢料的結構。

疊層模:將多個型腔在合模方向重疊布置,而不是在同一平面上布置多腔。這可以充分發揮注射機的塑化能力。這種模具一般用于熱流道模具中,可極大地提高效率。

層狀制品注射模:層狀制品注射成型兼有共擠出成型和注射成型的特點,能在制品上實現任意厚度不同材料的多層組合。每層厚度可小到0.1~10mm,層數可達上千。這種模具實際上是一注射模具與一多級共擠模具的組合。

模具滑移成型(DSI):此方法可成型中空制品,也可成型多種材料的復合制品。其過程為:閉模(對中空制品而言,此時兩半型腔處于不同的位置)、分別注射、模具移動至兩半型腔對合、在中間注入結合兩半型腔的樹脂。這種方法成型的制品與吹塑制品相比,有表面精度好、尺寸精度高、壁厚均勻、設計自由度大等優點。

鋁材模:塑料模制造技術中一個突出點就是鋁合金材料的應用,Corus公司開發的鋁合金塑料模的使用壽命可達30萬次以上。Pechiney Rhenalu公司用其M1-600鋁材制造塑料模,壽命可達50萬次以上。
模具制造

高速銑削:目前,高速切削已進入了精密加工領域,其定位精度已提高到±2~5µm/全程,加工精度提高到±2~5µm。采用液體靜壓軸承的高速電動主軸,主軸回轉精度在0.2µm以下,機床主軸轉速可達100,000r/min;采用空氣靜壓軸承的高速電動主軸,主軸回轉精度可在50µm以下,轉速可高達200,000r/min?焖龠M給速度能達30~60m/min,如果采用大導程滾珠絲杠和高速伺服電機、直線電機和精密直線導軌,進給速度甚至可達60~ 120m/min。換刀時間減少到1~2s,其加工的粗糙度Ra<1µm。結合新型刀具(金屬陶瓷刀具、PCBN刀具、特殊硬質合金刀具等),還可加工硬度達60HRC的材料。其加工過程的溫度只升高3度左右,熱變形很小,特別適合于成型對溫度和熱變形敏感的材料(如鎂合金等)。高速切削的速度在5~100m/s,完全可以達到模具零件的鏡面車削和鏡面銑削。另外由于切削小,可以加工薄壁和剛性差的零件。

激光焊接:激光焊接設備可用于修復模具或熔覆金屬層以增加模具耐磨性,經激光熔覆處理后的模具表面層硬度可達62HRC。采用顯微焊接工藝時在城激光聚集處的溫度可高達1500℃,焊接時間僅為10-9秒,因而可避免熱量傳到焊點鄰近區域。采用一般的激光焊接工藝,在工件上距焊點15mm處的溫度可達150~200℃,而采用顯微焊接技術時溫度僅為36℃,因此不會引起材料的金相組織和性能的改變,也不會引起翹曲變形可開裂等問題。

電火花銑削:也稱為電火花創成加工技術,它是用高速旋轉的簡單管狀電極作二維或三維輪廓加工,因而不再需要制造復雜的成型電極。

三維微加工(DEM)技術:DEM技術克服了LIGA技術加工周期長、價格昂貴的缺點,綜合了三個主要的工藝:深層刻蝕、微電鑄和微復制?梢陨a厚度僅100µm齒輪等微型零件的模具。

三維型腔的精密成形及鏡面電火花加工一體化技術:采用在普通煤油工作液中添加固體微細粉末的方法,來增大精加工的極間距離,減小電容效應,增大放電通道的分散性。從而可使排屑好、放電穩定、加工效率提高,并有效降低加工表面的粗糙度。同時使用混粉工作液還可在模具工作表面形成硬度較高的鍍層,提高模具型腔表面的硬度和耐磨性。

模具表面處理、強化
為了提高模具的壽命、除了常規熱處理方法外,下面是一些常用的模具表面處理與強化技術。

化學處理:其發展趨勢是由滲入單一元素向多元素共滲,復合滲發展。由一般的擴散滲向化學氣相沉積(PVD)、物理化學氣相沉積(PCVD即等離子氣體相沉積)、離子滲入、離子注入等方向發展。

激光表在處理:1.利用激光束獲得極高的加熱速度和冷卻速度,實現金屬材料的表面淬火,在表面獲得高碳極細的馬氏體晶體,硬度比常規淬火層高15%~20%,而心部組織不會發生變化.2.利用激光進行表面重熔或表面合金化,獲得高性能的表面硬化層。例如用CrWMn復合粉末合金化后,其體積磨損量為淬火CrWMn的1/10,其使用壽命提高14倍。3.激光熔凝處理是利用高能量密度的激光束時金屬表面進行熔融和激冷處理,使金屬表面層形成一層液態金屬的激冷組織。由于表面層的加熱和冷卻非常迅速,故得到的組織非常細密,如果通過外部的介質使冷卻速度達到足夠高,則可抑制結晶過程,而形成非晶態,故了被稱為激光熔化—非晶態處理,又稱激光上釉。
稀土元素表面強化:這可以改善鋼的表層結構,物理、化學及機械性能等。它可以提高滲速25%~30%,使處理時間縮短1/3以上。常見是有稀土碳共滲、稀土碳氮共滲、稀土硼共滲、稀土硼鋁共滲等。

化學鍍:它是通過化學試劑將溶液中的Ni、P、B等還原析出在金屬的表面上,從而在金屬表面上獲得Ni-P、Ni-B等的合金鍍層。以提高金屬的機械性能、耐蝕性能和工藝性能等。又被稱為自催化還原鍍、無電鍍等。
納米表面處理:是以納米材料和其它低維非平衡材料為基礎,通過特定的加工技術,對固體表面進行強化或賦予表面新功能的一項技術。(1)納米復合鍍層是在傳統的電鍍液中加入零維或一維納米質點粉體材料而形成納米復合鍍層。納米材料還可用于耐高溫的耐磨復合鍍層。如將n-ZrO2 納米粉體材料加入Ni-W-B非晶態復合鍍層,可提高鍍層在550~850℃高溫抗氧化性能,使鍍層的耐蝕性提高2~3倍,耐磨性和硬度也都明顯提高。(2)納米結構涂層在強度、韌性、抗蝕、耐磨、熱障、抗熱疲勞等方面都用顯著改善,且一種涂層可同時具有上述多種性能。

快速原型制造與快速制模
快速原型制造與快速制模是新產品開發中的一項重要技術,以前人們一直認為快速制模限于小批量試制,然而近年來快速制模也用于中等批量、乃至大批量、準耐久金屬模具的制造。
熔射制模法工藝是在原型表面形成金屬熔射層,然后對熔射層進行補強,并將被熔射原型去除得到金屬模具。用高熔點熔射材料可使模具表面硬度達63HRC。
直接快速制造金屬模具(DRMT)方法主要有:以激光為熱源的選擇性激光燒結法(SLS)和基于激光熔融堆積法(LENS),以等離子電弧等為熱源的熔積法(PDM),噴射成形的三維打。3DP)法和金屬薄板LOM技術等。SLS的制模精度已大為改善,收縮率已由原來的1%降至0.2%以下,LENS制造的制件密度及機械性能雖較SLS方法有很大提高,但仍有約5%的孔隙率.它只適用于制造簡單幾何形狀的零件或模具。由于未熔顆粒的粘結,表面質量也不太高。
形狀沉積制造法(SDM),利用焊接原理熔經焊材(絲狀),并借助熱噴涂原理使超高溫熔滴逐層沉積成形,實現層間冶金結合?杀苊馍鲜龌趯臃e法原理的RT技術會產生側面階梯效應致使精度低、表面質量差,且存在綜合力學性能不高等問題。
快速制模技術是在與傳統的機械加工技術的競爭中產生并發展起來的,但銑削速度高達100,000r/min,表面精度優良的高速銑削技術已成DRMT技術最大的競爭對手。

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