王智森，韋洪新，汪兆棟，許啟慶

（景德鎮(zhèn)學(xué)院 機械電子工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

隨著經(jīng)濟全球化的蓬勃發(fā)展，塑料制品的應(yīng)用范圍越來越廣，直接帶動模具行業(yè)技術(shù)的日益革新［1］。據(jù)統(tǒng)計，截至2020年，近5年來塑料模具約占模具行業(yè)的45%，其中注塑成型模具需求量最大［2］。世界上每年大約有九千億升飲料被生產(chǎn)，飲料瓶的材料主要有塑料制品、金屬制品和玻璃制品等，其中塑料制品的飲料瓶更易于加工制造且可重復(fù)利用、成本低廉、攜帶方便，被國內(nèi)外廣泛推崇［3］。飲料瓶生產(chǎn)的核心工藝是中空吹塑，根據(jù)消費者的需求可以制成各種所需的形狀，響應(yīng)市場變化。本文以某型飲料瓶制造工藝為例，提出中空吹塑模具設(shè)計及數(shù)控仿真加工的一體化分析方法，解決模具造型與NC編程分析軟件不統(tǒng)一、兼容性不強且效率不高的問題。

1 飲料瓶中空吹塑模具設(shè)計

1.1 中空吹塑模具工藝分析

目前中空吹塑應(yīng)用成熟的方法有2種：擠壓吹塑和注射吹塑。前者是通過擠出管狀預(yù)制件，在吹塑模具胚料加熱時夾緊，用壓縮空氣將預(yù)制件膨脹，使其接近型腔內(nèi)壁并保持壓力和冷卻的條件而形成。后者是通過注射機將處于熔融狀態(tài)下的塑料先注射到模具中形成管坯；然后將模具打開，管坯保留在芯模上，并迅速趁著余熱的環(huán)境吹塑模具，壓縮空氣吹入芯模的原始通道，使模坯膨脹并靠近模腔內(nèi)壁［4-5］。擠壓成型裝置工藝簡單，僅需要1個凹模；注射吹塑裝置需要2個模具，其中一個與普通模具類似且型芯設(shè)有吹塑通道，另一個類似于擠壓吹塑模具，底部結(jié)構(gòu)相對簡單，無需切割殘留材料［6］。

型腔模具的材料選擇應(yīng)綜合考慮工作場合、加工性能及應(yīng)力分布等因素，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效問題［7］。通過選用高質(zhì)量的鋼并應(yīng)用表面處理技術(shù)來提高型腔模具的使用壽命，其中高性能高速鋼以鈷高速鋼（W2Mo9Cr4VCo8）和鋁高速鋼（W6Mo5Cr4V2A1）為代表。

1.2 飲料瓶結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計

某型飲料瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 飲料瓶結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of beverage bottle

通過UG軟件的自由曲面CAD功能模塊對飲料瓶結(jié)構(gòu)進行建模，得到飲料瓶三維模型如圖1所示。建模步驟分為8個：點擊旋轉(zhuǎn)實體命令創(chuàng)建飲料瓶三維模型父特征；點擊倒角及圓角命令完成邊角細節(jié)特征；點擊旋轉(zhuǎn)切除命令在父特征基礎(chǔ)上完成剪切特征；點擊偏移混合命令創(chuàng)建曲面特征；點擊合并實體化命令將曲面特征合并實體化；點擊陣列命令創(chuàng)建飲料瓶底部4個支腳特征；點擊抽殼命令完成飲料瓶壁厚特征；點擊螺旋掃描命令完成飲料瓶口螺紋特征。

圖1 飲料瓶自由曲面三維造型Fig.1 3D modeling of free-form surface of beverage bottle

1.3 飲料瓶型腔模具設(shè)計

通過UG軟件對飲料瓶型腔進行模具設(shè)計的一般流程以及利用UG的MOLD WIZARD模塊完成具體步驟如圖2所示。

圖2 飲料瓶型腔模具設(shè)計流程Fig.2 Design process of cavity mould for beverage bottle

（1）型腔模具材料選擇。由于吹塑工藝產(chǎn)生的內(nèi)部壓力相比注塑工藝較小，同時型腔布置的冷卻系統(tǒng)要求熱傳導(dǎo)性能好，以保證飲料瓶成型質(zhì)量及型腔模具的使用壽命。因此型腔模具材料采用W6Mo5Cr4V2A1，在輕量化基礎(chǔ)上提高吹塑模具耐磨性。

（2）型腔模具定位及導(dǎo)向確定。將飲料瓶三維模型導(dǎo)入型腔模具文件中，設(shè)置型腔模具坐標原點與飲料瓶三維模型坐標原點重合。根據(jù)中空吹塑原理及飲料瓶結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)置型腔模具脫模斜度和收縮率，其中收縮率計算公式：

式中S——收縮率，%；

D——模具尺寸；

M——塑料尺寸。

在型腔模具設(shè)計過程中，考慮上模與下模裝配精度要求，避免上、下模閉合期間發(fā)生碰撞造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞，因此確定定位及導(dǎo)向結(jié)構(gòu)布置形式十分關(guān)鍵。按照上、下模合模裝配的順序，設(shè)計兩面四銷均布鎖模塊進行定位安裝，如圖3所示。上、下模裝配同步進行，主模中間后端設(shè)置導(dǎo)向谷肚，提高上、下模定位準確性，避免飲料瓶制品由于合模誤差產(chǎn)生不同軸的現(xiàn)象。

圖3 型腔模具定位及導(dǎo)向設(shè)計Fig.3 Positioning and guiding design of cavity mould

（3）型腔模具分型面創(chuàng)建。分型面根據(jù)飲料瓶制品外觀要求與結(jié)構(gòu)特點設(shè)置，同時考慮型腔模具數(shù)控仿真加工可行性及內(nèi)部冷卻水通道的管路布置，提取型腔模具中飲料瓶制品的分型線，通過掃描和拉伸等操作創(chuàng)建上、下模的分型面。在保證飲料瓶精度、外觀質(zhì)量且不影響成型區(qū)域的前提下，分別創(chuàng)建模具體積塊和谷肚分型面。對于模具設(shè)計來說，分模是難點之一，確定分型面需要考慮4點因素：方便飲料瓶脫模；滿足飲料瓶型腔精度要求；分模完成后使模具型腔深度較小，便于制造加工；分型面便于排氣，防止出現(xiàn)氣孔。

創(chuàng)建型腔分型面，分割型芯、型腔體積塊，如圖4所示。創(chuàng)建型腔模口及冷卻槽，如圖5所示。在模口部位，將1個冷卻槽切除，保證管坯在模具內(nèi)部能夠均勻受熱，避免出現(xiàn)飲料瓶口翹曲和頸部歪斜等現(xiàn)象。從模口位置的螺紋成型鑲件吹塑口通入潔凈空氣壓力為0.5 MPa左右，保證飲料瓶制品凝固過程內(nèi)應(yīng)力分散均勻。吹塑過程中為保證冷卻應(yīng)力均勻和合理的冷卻速度，如圖6所示，將冷卻水回路創(chuàng)建到型腔背面的水箱中，其中各水路通道直徑設(shè)定為10 mm，蓋上蓋板和防漏墊片并用螺釘擰緊形成1個密封的循環(huán)水回路。

圖4 型腔分型面Fig.4 Cavity parting surface

圖5 型腔模口冷卻槽Fig.5 Cavity mould cooling groove

圖6 型腔冷卻水回路Fig.6 Cavity cooling water circuit

（4）型腔模具裝配組合。創(chuàng)建谷肚定位銷與螺栓，中空吹塑時將谷肚、型芯及型腔3部分結(jié)構(gòu)連接，在型芯部件上創(chuàng)建螺栓孔和銷釘孔。根據(jù)型腔模具整體結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計型腔模具導(dǎo)柱參數(shù)為16×150 mm，模架參數(shù)為 280×250×25 mm，裝配上述創(chuàng)建完成的零部件，得到飲料瓶型腔模具結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖7所示。借助UG開模仿真進行整體結(jié)構(gòu)干涉自檢，無邊界重疊或缺失區(qū)域，滿足模具設(shè)計要求。

圖7 飲料瓶型腔模具結(jié)構(gòu)爆炸圖Fig.7 Exploded view of cavity mould structure of beverage bottle

2 型腔模具數(shù)控仿真加工

2.1 型腔模具數(shù)控加工流程

UG軟件數(shù)控加工模塊功能包括平面銑削、表面手動銑、點加工、車削、連續(xù)銑削、線切割和變軸曲面輪廓銑削等。后處理模塊包含2種程序：圖形后處理程序和UG通用后處理程序，經(jīng)過工具路徑生成NC程序，導(dǎo)入指定機床識別，實現(xiàn)無縫銜接［8-9］。

數(shù)控仿真加工流程為7個步驟：分析幾何體；選擇加工環(huán)境定義配置；創(chuàng)建及修改型腔模具父節(jié)點組；確定走刀路徑及銑削方式；生成刀軌及檢驗；仿真加工；后置處理導(dǎo)出NC程序［10］。

2.2 型腔模具數(shù)控加工工藝

型腔模具表面大部分是弧面，瓶口及邊角細節(jié)特征較多，因此刀具類型依據(jù)加工形狀及輪廓曲率確定，粗加工選擇較大的圓角銑刀。進行分層加工時，選取腔銑粗加工，切削深度為0.6 mm，圓角銑刀使用16R4的刀具。粗加工和半精加工步驟完成之后，表面余量更加均勻，再對整個型腔用6的硬質(zhì)合金球頭銑刀進行精加工。其中型腔模具銑削加工工序如表2所示。

表2 型腔模具銑削加工工序Tab.2 Cavity mold milling process

2.3 數(shù)控仿真及后置處理

創(chuàng)建型腔模具粗加工仿真路徑，導(dǎo)入模型確認工作坐標系的坐標原點位于模型底面的中心。進入處理模塊，將CAM流程配置設(shè)定為“cam-general”及CAM設(shè)定為“mill-contour”以初始化處理環(huán)境。設(shè)置粗加工參數(shù)：切割法遵循周圍法；根據(jù)刀具直徑30%確定切削步驟；將每個切割的全局深度設(shè)置為0.6 mm；刀前進/后退的水平間隙為3 mm；垂直間隙和最小間隙為1 mm；傳輸模式設(shè)置為前一平面。

粗加工完成后，型腔的某些區(qū)域仍有較大余量，通過半精加工使用輪廓銑削去除。設(shè)置半精加工參數(shù)：層到層方法用于零件的交叉傾斜。使用零件的橫向傾斜方法，可以連續(xù)切割，并且刀具進給位置呈螺旋形分布。精加工過程選擇遵循周圍的模式，進給方向從外到內(nèi)，階躍定義方法為殘留波峰高度。型腔模具輪廓面精加工路徑如圖8所示，仿真加工效果如圖9所示。

圖8 輪廓面精加工路徑Fig.8 Contour finish machining path

圖9 型腔模具仿真加工效果Fig.9 Simulation machining effect of cavity mould

UG數(shù)控仿真結(jié)果表明：型腔模具上、下模芯正面刀具加工平順，無撞刀及干涉現(xiàn)象，弧面、過渡面輪廓清晰光滑，腔體壁厚均勻，模具樣件仿真加工效果顯著。

UG軟件系統(tǒng)對數(shù)控機床無法識別的刀具位置進行計算，生成刀具位置文件，并進行后處理生成NC程序。UG/postexecute和UG/postbuilder構(gòu)成UG的后處理模塊，適用于大多數(shù)的數(shù)控機床系統(tǒng)，流程如圖10所示。根據(jù)型腔上、下模具仿真加工路徑結(jié)果，分別生成NC程序，其中起始程序段如表3所示。將NC代碼導(dǎo)入數(shù)控銑床加工中心，安裝毛坯、設(shè)置銑刀原點、對刀及程序調(diào)試等準備事項即可進行實物加工，有效縮短飲料瓶制品開發(fā)周期。

圖10 UG軟件后置處理Fig.10 UG software post-processing

表3 型腔模具NC程序起始段Tab.3 Cavity mould NC program start section

3 結(jié)語

本文以某型飲料瓶為例，介紹運用UG軟件進行中空吹塑模具設(shè)計及數(shù)控仿真加工的一體化分析方法和操作步驟。通過UG軟件的CAD/MOLD功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫銜接，在UG中設(shè)計的三維模型文件可以在數(shù)控仿真加工界面設(shè)置中直接導(dǎo)入，不存在格式轉(zhuǎn)換過程中造成的兼容性及部分細節(jié)特征丟失問題，有效發(fā)揮UG軟件的CAD/CAM協(xié)同優(yōu)勢，對同類塑料制品的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝具有一定的借鑒意義。