[转帖]塑料收缩及模具加工1

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steven008

模具高速加工技术
当今企业的竞争集中表现在产品款式、新产品开发周期及产品生产规模方面。模具作为新产品生产的关键工装，其设计与生产日益成为新产品开发周期的决定因素。在汽车工业中，过去新车型的开发周期一般为十年，现在缩短为二到三年，福特及丰田新车型的开发周期仅为一年半，这一切都得益于企业模具设计与制造水平的提高。
高速加工技术随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展而日益成熟，极大地提高了模具加工速度，减少了加工工序，缩短甚至消除了耗时的钳工修复工作，从而大大地缩短了模具的生产周期。模具的高速加工技术逐渐成为我国模具工业技术改造最主要的内容之一。什么是高速加工？高速加工与传统加工在加工工艺上有什么区别？高速加工对加工设备、刀具、夹具及相应的CAD/CAM系统提出了什么特殊的要求？高速加工有哪些技术优势？这些一直是我国模具行业面临的主要问题。
英国Delcam公司是世界上最早致力于高速加工工艺及相应CAD/CAM技术研究的专业CAD/CAM集成系统开发商之一。该公司也是世界上唯一拥有大型模具加工车间的CAD/CAM软件系统开发商。Delcam公司模具车间自1985年购进多台Briageport VF1000 高速加工中心，又于1995年引进行程为6m的Mecof 5轴联动高速加工中心，以进一步加强高速加工工艺及CAM系统的研究。1999年3月又成功地举办了欧洲首届HSM技术研讨会暨HSM现场加工展示会，来自世界各地的100多位专家介绍了各自的经验。
高速加工技术在我国刚刚起步，众多企业非常关注高速加工的发展及在模具行业的应用，以及高速加工的工艺特点，高速加工对设备、刀具的特殊要求以及高速加工对CAD/CAM系统的特殊要求。故将Delcam HSM技术研讨会暨HSM现场加工展示会的资料整理成文，希望与我国从事模具高速加工的工程技术人员交流。
关于高速加工的定义
60多年前，Salomon提出高速加工的概念，并对高速加工进行了深入的研究，其研究成果表明：随着切削线速度的增加，温度及刀具磨损会剧烈增加，当切削线速度达到某临界值时，切削温度及切削力会减小，后又随着切削速度的增加而急剧增加。从图1可看出，以刀具磨损的切削力为限制条件，前一个低于该值的区域是传统加工，后一个低于该值的区域为高速加工。由此也可看出，不同材料有不同的加工临界值， 有其高速加工的特定范围。刀具材料与质量是高速加工最主要的限制条件之一，故高速加工不仅决定于主轴速度与刀具直径，还与所切削的材料、刀具寿命及加工工艺等综合因素有关。
高速加工是缘起自航空铝合金材料零件的加工，高水平合金涂层刀具的寿命不是主要的限制因素。高速加工主要受设备主轴速度及材料熔点的限制，一般主轴速度为50000～60000r/min或更高。本文主要关注塑料模具、压铸模具、冲压模具及锻模等用的合金模具钢的高速加工，这种材料的硬度一般超过洛氏50度，故高速加工的限制因素主要是刀具寿命，而非铝加工中的主轴速度。对于小型模具细节结构的加工，主轴速度可达40000r/min以上，而大型汽车覆盖件模具的加工，一般主轴速度12000r/min以上的加工即可称为高速加工。
高速加工的分类及优势
Delcam高速加工的研究表明，高速加工按其目的而言应分为两类，即以实现单位时间去除材料量最大为目的的高速加工，和以实现高质量加工表面与细节结构为目的的高速加工。任何模具的高速加工都是这两类技术的综合运用。相对而言，后者因极大地减少了钳工抛光、修复时间，减少甚至消除了部分工序，因而大大缩短了模具的生产周期。
与传统加工方式相比，高速加工（HSM）的优势如下：
1.        高速加工提高了模具加工的速度
对于精加工，从材料去除速度而言，高速加工比一般加工快四倍以上——尽管高速加工采取了非常小的进给速度与切深，对粗加工而言高速加工可理解为45m3/min的切削量。
&#8226;        高速加工可获得高质量的加工表面
因高速加工采取了极小的进给量与切深，故可获得很高的表面质量，有时甚至可以省去钳工修光的工序，因表面质量的提高又省去了修光及点火花等工序所需的时间。
&#8226;        简化了加工工序
传统铣削加工只能在淬火之前进行，因淬火造成的变形必须要经手工修整或采用电加工最终成形。现在则可以通过高速加工完成，省去了电极材料、电极加工编程及加工，以及电加工过程所需所有费用，而且不会出现电加工所导致的表面硬化。另外，由于高速加工切削量减少，便可使用更小直径的刀具对更小的圆角半径及模具细节进行加工，节省了部分加工或手工修整工艺。减少人工修光时间及工艺的简化对缩短生产周期的贡献甚至可超过高速加工速度提高而产生的价值。
&#8226;        使模具修复过程变得更加方便
模具在使用过程中往往需要多次修复，以延长使用寿命，过去主要是靠电加工来完成，如果采用高速加工可以更快地完成该工作，而且可使用原NC程序，无需重新编制，且能做到精确无误。
高速加工(HSM)对机床及刀具的要求
1.        高速加工对机床的要求
o        主轴速度应能达到12000～40000r/min；
o        进给速度应达40～60m/min；
o        快速移动速度达90m/min；
o        加速度为1g；
o        高刚性的机械结构；
o        高稳定、高刚度、冷却良好的高速主轴；
o        精确的热补偿系统；
o        高速处理能力的控制系统（线性插补5-20Microns或NURBS插补功能）；
o        具有预处理能力的控制系统。
2.        高速加工对刀具及装夹的要求
o        刀夹、刀具的加速度小于3g；
o        刀具的径向跳动小于0.015mm；
o        刀长一般小于刀具直径的4倍。
高速加工(HSM)对CAM系统的要求
高速加工有着不同于传统加工的特殊的加工工艺要求，而数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程，故应用于高速加工的数控自动编程系统——CAM系统必须能够满足相应的特殊要求。
1.        CAM系统应具有很高的计算编程速度
高速加工中采用非常小的进给量与切深，故对NC程序的要求比对传统系统的NC程序要求要严格得多，要求计算速度要快且方便、节约编程时间等。另外，快的编程速度使操作人员能够对多种加工工艺策略进行比较，以便采取最佳的工艺方案，并对刀具轨迹进行编辑、优化，以达到最佳的加工效率。
&#8226;        全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检查
高速加工以高出传统加工近10倍的切削速度加工，一旦发生过切, 其后果不堪设想，故CAM系统必须具有全程自动防过切处理能力。传统的曲面CAM系统是局部加工的概念，极容易发生过切现象，一般都是靠人工选择干预的办法来防止， 很难保证过切防护的安全性，只有通过新一代的、智能化的、面向对象的CAM系统，才能实现防过切处理全部由系统自动完成，才能真正保证其安全性。
高速加工的重要特征之一就是能够使用较小直径的刀具加工模具的细节结构。系统能够自动提示最短夹刀长度并自动进行刀具干涉检查，这对于高速加工非常重要。
&#8226;        进给率优化处理功能
为了能够确保最大的切削效率，并保证在高速切削时加工的安全性，应根据加工瞬时余量的大小，由CAM系统自动对进给率进行优化处理。
&#8226;        符合高速加工要求的丰富的加工策略
与传统方式相比，高速加工对加工工艺走刀方式有着特殊要求，因而要求CAM系统能够满足这些特定的工艺要求：
a.        应避免刀具轨迹中走刀方向的突然变化，以避免因局部过切而造成刀具或设备的损坏。
b.        应保持刀具轨迹的平稳，避免突然加速或减速。
c.        下刀或行间过渡部分最好采用斜式下刀或圆弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料。
d.        行切的端点采用圆弧连接，避免直线连接。
e.        除非情况必须如此，否则仍应避免全力宽切削。
f.        残余量加工或清根加工是提高加工效率的重要手段，一般应采用多次加工或采用系列刀具从大到小分次加工，直至达到所需尺寸，避免用小刀一次加工完成。
g.        刀具轨迹编辑优化功能非常重要，应避免多余空刀，可通过对刀具轨迹的摄像、复制、旋转等操作来避免重复计算。
h.        刀具轨迹裁剪修复功能也很重要，可通过精确裁剪减少空刀提高效率；也可用于零件局部变化编程，仅需编辑修改边际，无需对整个模型重新编程。
&#8226;        高速加工对编程人员的要求与编程方式的改变
采用高速加工设备之后，对编程人员的需求量将会增加，因高速加工工艺要求严格，过切保护更加重要，故需多花时间对NC指令进行仿真检验。一般而言，高速加工编程时间比普通加工编程时间要长得多，然而却大大缩短了加工时间。为了保证高速加工设备足够的使用率，需配置更多的CAM人员。
传统CAD/CAM中，NC指令的编制是由远离加工现场的CAD/CAM工程师来完成的，因编程与加工地点分离，往往因编程人员对现场条件及加工工艺不够清楚而需要对NC指令进行反复检验与修改，影响正常使用。随着CAM系统智能化水平的提高，已经出现了新一代独立运行的智能化的CAM专业系统，如DELCAM公司的PowerMILL，其主要特点是面向对象的实体加工方式，而非传统的曲面局部加工方式。只需输入并选择加工工艺，即可自动完成编程操作。编程的复杂程度与零件的复杂程度无关，只与加工工艺有关，因而非常易于掌握，只需短时间培训即可掌握使用。在欧美发达国家，为了充分发挥NC设备操作人员的优势，缩短加工时间间隔，机侧编程已经成为逐渐流行的发展趋势。

steven008

塑料收缩率和模具尺寸?
　　设计塑料模时，确定了模具结构之後即可对模具的各部分进行详细设计，即确定各模板和零件的尺寸，型腔和型芯尺寸等。这时将涉及有关材料收缩率等主要的设计参数。因而只有具体地掌握成形塑料的收缩率才能确定型腔各部分的尺寸。即使所选模具结构正确，但所用参数不当，就不可能生产出品质合格的塑件。  
塑料收缩率及其影响因素  
　　热塑性塑料的特性是在加热後膨胀，冷却後收缩，当然加压以後体积也将缩小。 在注塑成形过程中，首先将熔融塑料注射入模具型腔内，充填结束後熔料冷却固化，从模具中取出塑件时即出现收缩，此收缩称为成形收缩。塑件从模具取出到稳定这一段时间内，尺寸仍会出现微小的变化，一种变化是继续收缩，此收缩称为後收缩。另一种变化是某些吸湿性塑料因吸湿而出现膨胀。例如尼龙610含水量为3%时，尺寸增加量为2%；玻璃纤维增强尼龙66的含水量为40%时尺寸增加量为0.3%。但其中起主要作用的是成形收缩。 目前确定各种塑料收缩率（成形收缩＋後收缩）的方法，一般都推荐德国国家标准中DIN16901的规定。即以23℃±0.1℃时模具型腔尺寸与成形後放置24小时，在温度为23℃，相对湿度为50±5%条件下测量出的相应塑件尺寸之差算出。
　　收缩率S由下式表示： S={(D－M)/D}×100%(1)
　　其中：S-收缩率； D-模具尺寸； M-塑件尺寸。
　　如果按已知塑件尺寸和材料收缩率计算模具型腔则为 D=M/(1-S) 在模具设计中为了简化计算，一般使用下式求模具尺寸：
　　D=M+MS(2)
　　如果需实施较为精确的计算，则应用下式： D=M+MS+MS2(3)
　　但在确定收缩率时，由於实际的收缩率要受众多因素的影响也只能使用近似值，因而用式(2)计算型腔尺寸也基本上满足要求。在制造模具时，型腔则按照下偏差加工，型芯则按上偏差加工，便於必要时可作适当的修整。
　　难於精确确定收缩率的主要原因，首先是因各种塑料的收缩率不是一个定值，而是一个范围。因为不同工厂生产的同种材料的收缩率不相同，即使是一个工厂生产的不同批号同种材料的收缩率也不一样。因而各厂只能为用户提供该厂所生产塑料的收缩率范围。其次，在成形过程中的实际收缩率还受到塑件形状，模具结构和成形条件等因素的影响。下面对这些因素的影响作一介绍。
塑件形状
　　对於成形件壁厚来说，一般由於厚壁的冷却时间较长，因而收缩率也较大，如图1所示。 对一般塑件来说，当熔料流动方向L尺寸与垂直於熔料流方向W尺寸的差异较大时，则收缩率差异也较大。 从熔料流动距离来看，远离浇口部分的压力损失大，因而该处的收缩率也比靠近浇口部位大。 因加强筋、孔、凸台和雕刻等形状具有收缩抗力，因而这些部位的收缩率较小。
模具结构  
　　浇口形式对收缩率也有影响。用小浇口时，因保压结束之前浇口即固化而使塑件的收缩率增大。 注塑模中的冷却回路结构也是模具设计中的一个关键。冷却回路设计得不适当，则因塑件各处温度不均衡而产生收缩差，其结果是使塑件尺寸超差或变形。在薄壁部分，模具温度分布对收缩率的影响则更为明显。
成形条件   
　　料筒温度：料筒温度（塑料温度）较高时，压力传递较好而使收缩力减小。但用小浇口时，因浇口固化早而使收缩率仍较大。对於厚壁塑件来说，即使料筒温度较高，其收缩仍较大。
　　补料：在成形条件中，尽量减少补料以使塑件尺寸保持稳定。但补料不足则无法保持压力，也会使收缩率增大。
　　注射压力：注射压力是对收缩率影响较大的因素，特别是充填结束後的保压页号335压力。在一般情况下，压力较大的时因材料的密度大，收缩率就较小。
　　注射速度：注射速度对收缩率的影响较小。但对於薄壁塑件或浇口非常小，以及使用强化材料时，注射速度加快则收缩率小。  
　　模具温度：通常模具温度较高时收缩率也较大。但对於薄壁塑件，模具温度高则熔料的流动阻抗小，*]而收缩率反而较小。  
　　成形周期：成形周期与收缩率无直接关系。但需注意，当加快成形周期时，模具温度、熔料温度等必然也发生变化，从而也影响收缩率的变化。在作材料试验时，应按照由所需产量决定的成形周期进行成形，并对塑件尺寸进行检验。用此模具进行塑料收缩率试验的实例如下。 注射机：锁模力70t 螺杆直径Φ35mm 螺杆转速80rpm 成形条件：最高注射压力178MPa 料筒温度230(225-230-220-210)℃ 240(235-240-230-220)℃ 250(245-250-240-230)℃ 260(225-260-250-240)℃ 注射速度57cm3/s 注射时间0.44～0.52s 保压时间6.0s 冷却时间15.0s  
模具尺寸和制造公差  
　　模具型腔和型芯的加工尺寸除了通过D=M(1+S)公式计算基本尺寸之外，还有一个加工公差的问题。按照惯例，模具的加工公差为塑件公差的1/3。但由於塑料收缩率范围和稳定性各有差异，首先必须合理化确定不同塑料所成形塑件的尺寸公差。即由收缩率范围较大或收缩率稳定较差塑料成形塑件的尺寸公差应取得大一些。否则就可能出现大量尺寸超差的废品。 为此，各国对塑料件的尺寸公差专门制订了国家标准或行业标准。中国也曾制订了部级专业标准。但大都无相应的模具型腔的尺寸公差。德国国家标准中专门制订了塑件尺寸公差的DIN16901标准及相应的模具型腔尺寸公差的DIN16749标准。此标准在世界上具有较大的影响，因而可供塑料模具行业参考。
关於塑件的尺寸公差和允许偏差  
　　为了合理地确定不同收缩特性材料所成形塑件的尺寸公差，让标准引入了成形收缩差△VS这一概念。 　　△VS＝VSR_VST(4)
　　式中： VS－成形收缩差　VSR－熔料流动方向的成形收缩率　VST－与熔料流动垂直方向的成形收缩率。  
　　根据塑料△VS值，将各种塑料的收缩特性分为4个组。△VS值最小的组是高精度组，以此类推，△VS值最大的组为低精度组。 并按照基本尺寸编制了精密技术、110、120、130、140、150和160公差组。并规定，用收缩特性最稳定的塑料成形塑件的尺寸公差可选用110、120和130组。用收缩特性中等稳定的塑料成形塑件的尺寸公差选用120、130和140。如果用这类塑料成形塑件的尺寸公差选用110组时，即可能出大量尺寸超差塑件。用收缩特性较差的塑料成形塑件的尺寸公差选用130、140和150组。用收缩特性最差的塑料成形塑件的尺寸公差选用140、150和160组。 在使用此公差表时，还需注意以下各点。 表中的一般公差用於不注明公差的尺寸公差。直接标注偏差的公差是用於对塑件尺寸标注公差的公差带。其上、下偏差可设计人员自行确定。例如公差带为0.8mm，则可以选用以下各种上、下偏差构成。0.0;-0.8;±0.4;-0.2;-0.5等。 每一公差组中均有A、B两组公差值。其中A是由模具零件组合形成的尺寸，增加了模具零件对合处不密合所形成的错差。此增加值为0.2mm。其中B是直接由模具零件所决定的尺寸。 精密技术是专门设立的一组公差值，供具有高精度要求塑件使用。 在此用塑件公差之前，首先必须知道所使用的塑料适用哪几个公差组。
模具的制造公差  
　　德国国家标准针对塑件公差制订了相应模具制造公差的标准DIN16749。该表中共设4种公差。不论何种材料的塑件，其中不注明尺寸公差尺寸的模具制造公差均使用序号1的公差。具体公差值由基本尺寸范围确定。 不论何种材料塑件中等精度尺寸的模具制造公差为序号2的公差。不论何种材料塑件较高精度尺寸的模具制造公差为序号3的公差。精密技术相应的模具制造公差为序号4的公差。
　　可以合理地确定各种材料塑件的合理公差和相应的模具制造公差，这不仅给模具制造带来方便，还可以减少废品，提高经济效期益。