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編號：
畢業(yè)設(shè)計(論文)外文翻譯
（譯文）
學(xué) 院： 國防生學(xué)院
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)生姓名： 黃志勇
學(xué) 號： 1000110103
指導(dǎo)教師單位： 機電工程學(xué)院
姓 名： 曹泰山
職 稱： 講 師
2014年 3 月 9 日
微透鏡陣列注塑成型技術(shù)
摘要
微透鏡陣列注塑成型，可作為一種非常重要的大量生產(chǎn)技術(shù)。因此我們在近來的研究中非常關(guān)注， 為了進一步了解注塑成型在不同的加工條件下對可復(fù)制的微透鏡陣列剖面的影響，如流量、填料壓力和填料時間，對3種不同的高分子材料(PS，PMMA和PC)進行了大量的試驗。 鎳金屬模具嵌件微陣列就是利用改良的LIGA技術(shù)電鍍主裝配的顯微結(jié)構(gòu)制造的。在表面輪廓得到測量的前提下，研究工藝條件對可復(fù)制的微透鏡陣列的影響。實驗結(jié)果表明， 填料壓力和流速對注射模塑的終產(chǎn)品的表面輪廓有重要的影響。 原子力顯微鏡測量表明， 微透鏡陣列注塑成型的平均表面粗糙度值小于模具嵌件成型， 并在實際運用中，能與精細的光學(xué)元件相媲美。
1 說明
微型光學(xué)產(chǎn)品，如微透鏡或微透鏡陣列已廣泛應(yīng)用于光學(xué)數(shù)據(jù)存儲、生物醫(yī)學(xué)、顯示裝置等各個光學(xué)領(lǐng)域。微透鏡和微透鏡陣列不僅在實踐應(yīng)用上，而且在微型光學(xué)的基礎(chǔ)研究上都是非常重要的。有幾種微透鏡或微透鏡陣列的制作方法，如改良的LIGA技術(shù)，光阻回流進程，紫外激光照射等。還有復(fù)制技術(shù)，如注塑模壓成型和熱壓技術(shù) ，這種方法對于減少大規(guī)模生產(chǎn)的微型光學(xué)產(chǎn)品的成本尤為重要。由于其優(yōu)越的生產(chǎn)和再生產(chǎn)能力，只要注塑成型過程中能很好的復(fù)制微觀結(jié)構(gòu)，那么肯定是最適合于降低大量生產(chǎn)成本的方法。
基于這點，檢查注塑成型能力并確定成型加工條件是注塑成型微觀結(jié)構(gòu)過程中最重要的步驟。在本次研究中，我們考察了工藝條件對可復(fù)制的微透鏡陣列的注射成型的影響。微透鏡陣列是用之前介紹過的改良的LIGA技術(shù)來編制的。注塑成型實驗采用的是一種鍍鎳金屬模具，來探討了幾種不同工藝條件對成型的影響。通過對微透鏡陣列的表面輪廓測量，用來分析工藝條件產(chǎn)生的影響。最后，利用原子力顯微鏡(AFM)測量微透鏡的表面粗糙度值的大小。
2 模具嵌件的制造
利用改良的LIGA技術(shù)，在一個有機玻璃板上制造出具有幾種不同直徑微透鏡陣列。此種技術(shù)是先用X光照射有機玻璃板，然后再進行熱處理兩部分構(gòu)成的。X-射線照射引起有機玻璃分子質(zhì)量的減少，同時降低了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，并因此導(dǎo)致凈含量的增加，在熱循環(huán)的作用下，微透鏡發(fā)生微膨脹。利用中提出的方法，結(jié)合改良的LIGA技術(shù)可以預(yù)測微透鏡形狀的變化過程。
在試驗中使用的微透鏡陣列，有500μm (2×2陣列)，300μm (2×2)和200μm (5×5)的直徑陣列，高分別是20.81μm，17.21μm和8.06μm。采用改良的LIGA技術(shù)制造微透鏡陣列作為一個主要的技術(shù)，用來制作鍍鎳的金屬模具的注塑成型。另一些特殊材料，因為它們的強度不夠或熱性能差而不能直接進行微細加工，當作模具或金屬模具使用，如硅、光阻劑或高分子材料。盡量使用具有良好機械性能和熱性能的金屬材料，因為它們能在可復(fù)型加工過程中經(jīng)受高壓力和不斷變化的溫度。因此，為了利用這種復(fù)制技術(shù)進行大批量生產(chǎn)，我們選擇使用金屬模具材料而不是有機玻璃硅晶體。一些特殊技術(shù)，如低壓注塑成型[8]技術(shù)，應(yīng)該作為良好的復(fù)制加工方法被采納。
電鍍模具的最終大小為30 mm×30 mm×3mm。鍍鎳金屬模具所具有的微透鏡陣列如圖1所示。
圖1 鍍鎳模具嵌件的制造 （a）直接觀察；（b）直徑為200μm的微透鏡陣列電子顯微鏡圖像；（c）直徑為300μm的微透鏡陣列電子顯微鏡圖像
3 注塑成型實驗
傳統(tǒng)注塑機(Allrounders 220 M，Arburg)多用做實驗機。注塑模具設(shè)計的模架就是利用一塊框形支撐板固定鍍鎳模具(如圖2所示)。
圖2 注塑模具實驗中使用的模架和嵌件
用修改的微透鏡陣列確定模具零件孔形加強板(在這次實驗中，是一塊矩形板)的外部形狀。模架本身已含有傳輸系統(tǒng)，如注射口，流道及澆口，通過支撐板、模具流道和滑動的模具表面將熔融聚合物引入模腔。用這種方法設(shè)計的模架，能夠使模具零件更換起來簡單容易。不過，有時候也使用具有特定孔徑形狀的支撐板。
實驗主要用三種普通高分子材料，PS(615APR，陶氏化學(xué))，有機玻璃(IF870， LG MMA)和PC(Lexan 141R)進行注塑成型。這些高分子材料通常在光學(xué)元件上使用，它們有不同的折射率(PS，PMMA和PC的折射率分別為1.600，1.490和1.586)，能生產(chǎn)出具有不同的光學(xué)特性的產(chǎn)品，例如:具有相同的幾何尺寸卻有不同的焦距的光學(xué)元件。
通過改變每個高分子材料的流速，充填壓力和充填時間獲得7種加工條件進行注塑成型試驗。此外，為了檢查是否能可再生產(chǎn)，同一實驗往往需要重復(fù)三次?？赡苡腥藭赋?，實驗中沒有考慮模具溫度的影響，這是因為溫度效應(yīng)相對來說不是主要因素，而且微透鏡陣列曲率半徑比其他微觀結(jié)構(gòu)的高寬縱橫比大。正是因為較大的微觀結(jié)構(gòu)高寬縱橫比，使我們目前研究的溫度效應(yīng)更加可靠，并計劃在將來實驗時進行單獨報告。 因此，在這項研究中，我們保持模具溫度不變，而流速、充填壓力和充填的時間都變化的情況下，能更清楚的觀察其產(chǎn)生效果。表1詳細的列出了三種高分子材料PC，PMMA和PS在其他加工條件都保持不變，將模具溫度分別設(shè)定為80℃，70℃和60℃的情況下的實驗結(jié)果。
表1注塑模具實驗中詳細的工藝條件
序號
流 速 (cc/s)
充填時間 (/s)
充填壓(MPa)
1
12.0
5.0
10.0
2
12.0
5.0
15.0
3
12.0
5.0
20.0
PS
4
12.0
2.0
10.0
5
12.0
10.0
10.0
6
18.0
5.0
10.0
7
24.0
5.0
10.0
PMMA
1
6.0
10.0
10.0
2
6.0
10.0
15.0
3
6.0
10.0
20.0
4
6.0
5.0
10.0
5
6
6.0
9.0
15.0
10.0
10.0
10.0
續(xù)表1
序號
流 速 (cc/s)
充填時間 (/s)
充填壓力(MPa)
7
12.0
10.0
10.0
PC
1
6.0
5.0
5.0
2
6.0
5.0
10.0
3
5
6.0
6.0
9.0
5.0
10.0
15.0
5.0
6
5.0
5.0
7
12.0
5.0
5.0
可能有人會指出，我們的實驗沒有考慮型腔出現(xiàn)真空狀態(tài)時的情況，其實大可不必擔心，因為在本研究中的注射階段，大曲率半徑的微透鏡陣列不會把空氣引入到型腔中。
4 討論和結(jié)果
在詳細討論實驗結(jié)果之前，認真思考一下，可能有助于總結(jié)為什么流速、充填壓力和充填時間(在這項研究中被選為不同的加工條件)影響復(fù)制的質(zhì)量。就流速而言，可能存在一個最佳流速，而在完成充填之前，流速太小會使得熔融聚合物過冷卻，從而可能導(dǎo)致所謂的短暫的不連續(xù)現(xiàn)象，而過高的流速增大了壓力面積，這是不可取的。
充填階段是一般要求，是要在冷卻時能夠彌補熱熔融聚合物的體積收縮 。 因此，在這個階段應(yīng)有足夠的熔融聚合物流入型腔并控制產(chǎn)品的尺寸精度。 越高的充填壓力，越長的充填時間，將使更多的材料持續(xù)不斷的流向型腔。然而， 過高的充填壓力，有時可能造成不均勻的密度分布，從而產(chǎn)生劣質(zhì)的光學(xué)質(zhì)量。過長的充填時間，不利于在各自澆口處的冷凝，并且會阻止熔融聚合物流入型腔。因此，我們需要研究不同的充填壓力和充填時間所產(chǎn)生的影響。
4.1 表面輪廓
圖3所示的是用電子顯微鏡(SEM) 掃描的不同注塑微透鏡的直徑的PMMA圖像(a)以及不同 材料的圖像(b)。代表性的模具表面輪廓以及所有注塑微陣列都是通過三維輪廓測量系統(tǒng)(NH-3N， Mitaka)測定的。
圖3 注塑模具的微透鏡陣列和微透鏡的電子顯微鏡圖像
（a）PMMA微透鏡陣列 （b）不同材料直徑為300μm微透鏡陣列的注塑模具
作為一個可復(fù)制陣列的測量工具，我們已經(jīng)確定了在模具與相應(yīng)的模具嵌件分開的微陣列之間輪廓的相對高度偏差，所有的微透鏡陣列相對偏差值列在表2中，具體見表所示：
表2 表面輪廓相對偏差
直徑 (μm)
相對偏差(%)
1
2
3
4
5
6
7
PS
200
300
500
-7.62
5.86
2.38
-7.59
2.03
-0.38
2.08
2.86
0.51
-5.56
5.61
1.47
-8.66
60.16
1.47
-11.44
4.29
1.47
-9.47
5.73
1.95
PMMA
200
300
500
7.20
5.77
-0.66
1.31
5.60
-1.62
-3.88
6.45
3.98
-5.80
5.95
2.80
-0.97
5.95
-0.72
-8.53
6.68
-0.90
4.86
-2.62
-0.72
PC
200
300
500
23.02
6.20
-0.93
16.05
4.96
5.09
16.87
2.66
-1.86
19.66
4.53
1.88
33.97
4.78
6.96
18.67
1.79
2.43
-2.94
4.15
-1.55
值得一提的是，高分子材料的塑性會影響其重復(fù)使用性能。 因此在研究中，三種高分子材料總的相對誤差是各不相同的。PC是三種聚合物中最難注塑成型的材料。在直徑最小的例子中產(chǎn)生最大的相對偏差，那都是意料之中的事。 在這種特殊情況下，充填時間并不對偏差產(chǎn)生顯著影響，最好的解決方法是采用相對低的流速和充填壓力。PS和PMMA最小的直徑的相對偏差要比PC小的多。
從表2可以看出，直徑越大，相對偏差越小。當然，在注射和保壓階段，直徑大的微透鏡陣列容易比直徑小的更容易填補，不管是在什么加工條件下和使用什么材料，大直徑的微透鏡陣列一般都能得到較好的復(fù)型。研究發(fā)現(xiàn)直徑500μm的PS最好復(fù)型，一般而言，與PMMA和PC相比較，PS具有良好的成型性能。
根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，在考察最小的直徑的PS和PMMA的相對偏差時，可能會有人提出一些消極的觀點，認為偏差過大，但是在這些數(shù)據(jù)中可以得到，高度上的絕對偏差在0.1μm左右，這是在測量系統(tǒng)誤差范圍以內(nèi)。 所以，在解讀復(fù)型實驗數(shù)據(jù)時可以忽略這些消極的觀點。
直徑為300μm的PC和PMMA微透鏡表面輪廓分別如圖4和圖5所示。正如之前所述，在圖4所示的PC中，越高的充填壓力或越高流速復(fù)制微透鏡時效果越好，而充填時間在這些復(fù)型例子中只起一點作用。如圖所示，對于PMMA來說，充填壓力和充填時間的作用微不足道；然而，流速對于PC也有類似的效果。 它可以提醒我們注意如果一個澆口凍結(jié)了，并阻止材料流入型腔時，充填時間并不影響復(fù)型。 因此，經(jīng)過一段時間后，充填時間的影響，主要取決于加工條件。
圖4 直徑為300μm的PC微透鏡表面輪廓
a 充填壓力的影響 b 流速的影響c 充填時間的影響
圖5 直徑為300μm的PMMA微透鏡表面輪廓
a 充填壓力的影響 b 流速的影響 c 充填時間的影響
4.2 表面粗糙度
直徑300μm的微透鏡和模具嵌件的平均表面粗糙度Ra的值，是用原子力顯微鏡(Bioscope AFM，數(shù)字儀表) 測量的。測量了每個微透鏡頂點周圍面積為5μm×5μm區(qū)域， 圖6所示的是原子力顯微鏡圖象和所測量的微透鏡Ra的值。PMMA微透鏡復(fù)型具有最低的Ra值，為1.606nm。通過AFM的測量表明，注塑成型微透鏡陣列的Ra值比相對應(yīng)的模具嵌件要小。 因此，現(xiàn)在還不清楚如何改善可復(fù)制微透鏡陣列的表面粗糙度，也許可以從冷卻過程的回流而造成的表面張力入手，它可能會進一步得出，在實際運用中，微透鏡陣列注塑成型的平均表面粗糙度值能與精細的光學(xué)元件相媲美。
a 鍍鎳模具嵌件; b PS; c PMMA; d PC
圖6 直徑為300μm的模具嵌件和注塑模具微透鏡的原子力顯微鏡(AFM)圖像和平均表面粗糙度Ra值
4.3 焦距
焦距可以通過下面這個著名的等式計算得出：
式中f，nl， R1和R2分別指焦距，透鏡材料的折射率，兩個主曲率半徑。比如，根據(jù)等式可以計算得出，直徑為200μm的模具微透鏡的焦距大約為1.065mm(其中R1=0.624mm和R2=∞)，直徑300μ的微透鏡大約為1.130mm (其中R1=0.662mm和R2=∞)，直徑500μm的微透鏡大約為2.580mm(其中R1=1.512mm和R2=∞)。 (1)這些計算結(jié)果是基于假設(shè)與模具嵌件具有相同形狀的PC(nl=1.586)可復(fù)型的微透鏡而得到的，所以由此推導(dǎo)出的幾何尺寸可能與實驗所測量的焦距相反。
5 總結(jié)
通過使用改良的LIGA技術(shù)電鍍鎳金屬模具嵌件，改變各種加工條件進行大量的實驗，研究工藝條件對可復(fù)型的微透鏡的注塑成型過程的影響。結(jié)果顯示越高的充填壓力或越高流速，能得到越好的可復(fù)型效果。 相比之下，充填時間對微透鏡陣列復(fù)型的影響卻很小。
也許是因為冷卻階段回流的表面張力造成的，注射成型微透鏡陣列比模具嵌件有更小的平均表面粗糙度值，PMMA復(fù)型的微透鏡陣列具有最好的表面質(zhì)量(即最低粗糙度值Ra=1.606 nm)。在實際應(yīng)用中，注塑成型微透鏡陣列的表面粗糙度能與精密的光學(xué)元件相媲美。就憑這一點，注塑成型將成為大規(guī)模生產(chǎn)微透鏡陣列的一個有用方法。
10
現(xiàn)代模具技術(shù)
引言
隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，新的技術(shù)革命不斷取得新的進展和突破，技術(shù)的飛躍發(fā)展已經(jīng)成為推動世界經(jīng)濟增長的重要因素。市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，促使工業(yè)產(chǎn) 品越來越向多品種、小批量、高質(zhì)量、低成本的方向發(fā)展，為了保持和加強產(chǎn)品在市場上的競爭力，產(chǎn)品的開發(fā)周期、生產(chǎn)周期越來越短，于是對制造各種產(chǎn)品的關(guān)鍵工藝裝備——模具的要求越來越苛刻。
一方面企業(yè)為追求規(guī)模效益，使得模具向著高速、精密、長壽命方向發(fā)展； 另一方面企業(yè)為了滿足多品種、小批量、產(chǎn)品更新?lián)Q代快、贏得市場的需要，要求模具向著制造周期短、成本低的快速經(jīng)濟的方向發(fā)展。計算機、激光、電子、新材料、新技術(shù)的發(fā)展，使得快速經(jīng)濟制模技術(shù)如虎添翼，應(yīng)用范圍不斷擴大，類型不斷增多，創(chuàng)造的經(jīng)濟效益和社會效益越來越顯著。
1.注塑模具設(shè)計
注塑成型使用溫度依賴性改變材料性能，通過使用模具取得最后的形狀離散部件完成或接近完成尺寸。在這種制造過程中，液體材料是被迫填入，在型腔模具內(nèi)凝固。
首先，要創(chuàng)造一個模式塑造需要一個設(shè)計模型和一個載箱。 首先，要創(chuàng)造一個模式塑造需要一個設(shè)計模型和一個載箱。設(shè)計模型代表了成品，而載箱代表模具組件的總體積。注塑模具設(shè)計涉及模具結(jié)構(gòu)與功能的組成部分廣泛的經(jīng)驗知識(啟發(fā)式知識)。典型的過程中塑造新的發(fā)展可以分為四大階段:產(chǎn)品設(shè)計，模具的能力評估，部件詳細設(shè)計，插入型腔設(shè)計和詳細的模具設(shè)計。
在開始階段，產(chǎn)品概念是在一起由幾個人(通常是一個組合營銷和工程)完成。開始階段主要焦點是分析市場的機遇與適應(yīng)戰(zhàn)略。在第一階段，典型相關(guān)工藝制造信息被添加到設(shè)計中，設(shè)計出幾何細節(jié)。概念設(shè)計利用適當?shù)闹圃煨畔⑥D(zhuǎn)化為可制造的物品。在第二階段，脫模方向和分型線位置用來檢測模具的能力。否則，零件形狀再次修改。在第三階段，零件幾何是用來建立模具的型芯和型腔形狀，模具的型芯和型腔，將用來形成零件。一般，收縮和擴張需要加以考慮，這樣，在處理溫度下，成型將具有正確的尺寸和形狀。澆口、流道、冷料穴、通風(fēng)口也需要加以補充。幾何數(shù)據(jù)和分模信息之間的聯(lián)系在這一點是至關(guān)重要的。第四階段與模具總體機械結(jié)構(gòu)相關(guān)，模具總體機械結(jié)構(gòu)包括連接模具到注塑機，注塑機是用于澆注、冷卻、取出和模具裝配的機械裝置。零件的熱處理工序，在使零件獲得要求的硬度的同時，還需對內(nèi)應(yīng)力進行控制，保證零件加工時尺寸的穩(wěn)定性，不同的材質(zhì)分別有不同的處理方式。隨著近年來模具工業(yè)的發(fā)展，使用的材料種類增多了，除了Cr12、40Cr、Cr12MoV、硬質(zhì)合金外，對一些工作強度大，受力苛刻的凸、凹模，可選用新材料粉末合金鋼，如V10、ASP23等，此類材質(zhì)具有較高的熱穩(wěn)定性和良好的組織狀態(tài)。針對以Cr12MoV為材質(zhì)的零件，在粗加工后進行淬火處理，淬火后工件存在很大的存留應(yīng)力，容易導(dǎo)致精加工或工作中開裂，零件淬火后應(yīng)趁熱回火，消除淬火應(yīng)力。淬火溫度控制在900-1020℃，然后冷卻至200-220℃出爐空冷，隨后迅速回爐220℃回火，這種方法稱為一次硬化工藝，可以獲得較高的強度及耐磨性，對于以磨損為主要失效形式的模具效果較好。生產(chǎn)中遇到一些拐角較多、形狀復(fù)雜的工件，回火還不足以消除淬火應(yīng)力，精加工前還需進行去應(yīng)力退火或多次時效處理，充分釋放應(yīng)力。針對V10、APS23等粉末合金鋼零件，因其能承受高溫回火，淬火時可采用二次硬化工藝，1050-1080℃淬火，再用490-520℃高溫回火并進行多次，可以獲得較高的沖擊韌性及穩(wěn)定性，對以崩刃為主要失效形式的模具很適用。粉末合金鋼的造價較高，但其性能好，正在形成一種廣泛運用趨勢。
1.1.執(zhí)行
事實表明，SolidWorks的API接口采用了面向?qū)ο蟮姆椒ê虯PI函數(shù)允許選擇對象語言，例如:作為編程語言的Visual C++。利用這種方法，在Windows NT下，基于Windows的注塑模具三維設(shè)計的應(yīng)用軟件通過Visual C++的代碼與商業(yè)軟件SolidWorks99接口開發(fā)。這個應(yīng)用模具設(shè)計過程分為幾個階段，提供模具設(shè)計者制造模具設(shè)計可靠方法。圖3概述了這個框架。每一個階段可以視為一個獨立程序模塊。幾個單元已成功使用SolidWorks開發(fā).它們中的兩個模板模塊和分模模塊如下所示。
1.2 基于模架設(shè)計的模具
基于模架設(shè)計的模具與所有的組件和配件，像HASCO，DME，HOPPT，LKM和FUTABA可自動創(chuàng)建參數(shù)化標準模板。設(shè)計師常用可以輕松地定制模板的這種模架。主要特點包括:像支柱、澆道襯套、兩板，三板那樣的標準模架組件的實用性，以及定制非標準模具模板基于。模架設(shè)計的模具分為四個主要部分，即構(gòu)件庫(包括標準和非標準件庫)，設(shè)計表中的尺寸驅(qū)動功能，結(jié)構(gòu)關(guān)系管理。在這里，SolidWorks提供了尺寸驅(qū)動的功能是，以支持其申請。
（1）組件庫
為了在這競爭日益激烈的世界加強模具設(shè)計能力，降低設(shè)計成本和縮短生產(chǎn)周期，減少人力、自動化等是達到這一目的主要因素。換句話說，使用計算機軟件是非常必要的。 計算機軟件能夠容易地創(chuàng)建，修改，分析模具設(shè)計的部件，更新變化中的設(shè)計模型。為達到這個目標，三維構(gòu)件庫提供儲存標準和非標準零部件的數(shù)據(jù)，其尺寸是儲存在Microsoft Excel中 。通過指定合適的尺寸，這些組件可以生成和插入裝配結(jié)構(gòu)。 這個庫是完全可定制和設(shè)計師能放入自己的部分加入組件庫。表面處理及組配, 零件表面在加工時留下刀痕、磨痕是應(yīng)力集中的地方，是裂紋擴展的源頭，因此在加工結(jié)束后，需要對零件進行表面強化，通過鉗工打磨，處理掉加工隱患。對工件的一些棱邊、銳角、孔口進行倒鈍，R化。一般地，電加工表面會產(chǎn)生6-10μm左右的變質(zhì)硬化層，顏色呈灰白色，硬化層脆而且?guī)в袣埩魬?yīng)力，在使用之前要充分消除硬化層，方法為表面拋光，打磨去掉硬化層。在磨削加工、電加工過程中，工件會有一定磁化，具有微弱磁力，十分容易吸著一些小東西，因此在組裝之前，要對工件作退磁處理，并用乙酸乙脂清洗表面。組裝過程中，先參看裝配圖，找齊各零件，然后列出各零件相互之間的裝備順序，列出各項應(yīng)注意事項，然后著手裝配模具，裝配一般先裝導(dǎo)柱導(dǎo)套，然后裝模架和凸凹模，然后再對各處間隙，特別是凸凹模間隙進行組配調(diào)整，裝配完成后要實施模具檢測，寫出整體情況報告。對發(fā)現(xiàn)的問題，可采用逆向思維法，即從后工序向前工序，從精加工到粗加工，逐一檢查，直到找出癥結(jié)，解決問題。
（2）尺寸驅(qū)動
SolidWorks提供了強有力的尺寸驅(qū)動功能，以支持參數(shù)化設(shè)計。儲存在Microsoft Excel中的尺寸和幾何存在邏輯關(guān)系。當尺寸設(shè)置與相應(yīng)物件幾何參數(shù)設(shè)置相結(jié)合，可以獲得確切的模型。
（3）設(shè)計表
設(shè)計表允許設(shè)計師在嵌入的Microsoft Excel 制表中通過具體參數(shù)建立多種零部件配置。設(shè)計表保存在零件文件夾，，是用來存儲的尺寸， 制止特點和性能配置， 其中包括在材料，組件和客戶的要求中的零件數(shù)量。 當增加適當?shù)某叽?，設(shè)計表將包含所有必要的信息，以建立一個精確的裝配模型。
（4）結(jié)構(gòu)關(guān)系管理
本部分講述了組建模板之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，從設(shè)計表供應(yīng)的某些參數(shù)設(shè)置能幫助模具設(shè)計師插入這些部件裝配結(jié)構(gòu)， 因此，一個特定的裝配模板就可以自動生成。
1.3 分模模塊
一些分模算法以前就報導(dǎo)過。在這方面的發(fā)展，分模用來處理型芯和型腔。在注塑模具計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)中，這是一個最重要的模塊。設(shè)計一個模具模型需要有設(shè)計模型， 工件和有效分型面。設(shè)計模式體現(xiàn)了成品，而裝載箱體現(xiàn)了模具組件的總量。為了把工件分成型芯和型腔，設(shè)計模型首先從工件中去除。然后用分模面把工件塑造成半，常指型芯和型腔。當熔融塑料射入型腔，模具對立的兩面形成成品。凝固后，兩半模子沿分模面d和?d分別移開。然后獲得了實際部分。
(1) 分模方向決定
型芯和型腔打開的相反兩個方向就是分模方向，為了形成分型線，分模方向應(yīng)首先確定。 分模方向影響分型線定位。分型線決定了模具的復(fù)雜度。 在大多數(shù)情況下， 分模方向是由幾何和制造問題同時決定。
(2) 識別和修補"穿孔"
當產(chǎn)品中有穿孔，設(shè)計者必須標明孔的分模位置，在這些孔里邊生成分型面。在這篇論文中，這就是所謂的"補丁"。表面都需要用來修補的通孔。 由于上模具和下模具在通孔處相連。如果沒有事先修補通孔，模具是不能分開，型芯和型腔不能自動創(chuàng)建(見圖6b)。
(3) 確定分型線和頂出方向
在成型中，模具的設(shè)計是提高模具質(zhì)量的最重要的一步，需要考慮到很多因素，包括模具材料的選用，模具結(jié)構(gòu)的可使用性及安全性，模具零件的可加工性及模具維修的方便性，這些在設(shè)計之初應(yīng)盡量考慮得周全些。?模具材料的選用既要滿足客戶對產(chǎn)品質(zhì)量的要求，還需考慮到材料的成本及其在設(shè)定周期內(nèi)的強度，當然還要根據(jù)模具的類型、使用工作方式、加工速度、主要失效形式等因素來選材.一組零件的表面由型芯塑造，而另一組是由型腔塑造。分型線因此是由型芯和型腔塑造的兩組表面的相交線。分型線在表面組選擇最大邊緣線。從分型線到型芯或型腔邊界，頂出方向在頂出過程中，分型線將會跟隨。分型線是垂直于分模方向，平行于模具工件面的表面法線(見圖 6c)
圖（6）
(4) 分型面生成
分型面是型芯和型腔的匹配面。分型面可以作為分裂面把模具分成兩半。兩種方法可以用來生成分型面。席卷法：分型面通過頂出分型線到型芯和型腔外邊界形成。拉伸方法：在SolidWorks中，分模面可以使用拉伸分模線到指定距離的方法創(chuàng)建，這個距離要足夠大，大到可以沿伸到工件的外表面。(見圖6e)
(5) 工件的創(chuàng)建
物件裝入工件中，工件外圍額外空間用計算機計算。工件大小由物件的幾何大小、模具強度、模具參數(shù)決定。模具參數(shù)可以有效定義模具裝配。
(6) 型芯和型腔的生成
為了生成型芯和型腔，工件被子分成兩半。首先，設(shè)計模型從工件中取出。在工件內(nèi)部獲得一個空的空間。然后，分模面和修補面被使用把工件分成型芯塊和型腔塊。最后，在模擬模具開啟過程和檢查模具組件之間的干擾后，工件兩半分別沿分模方向d和?d從分模面分離(圖6g)。
2快速經(jīng)濟制模技術(shù)類型
快速經(jīng)濟制模技術(shù)與傳統(tǒng)的機械加工相比，具有制模周期短、成本低、精度與壽命又能滿足生產(chǎn)上的使用要求，是綜合經(jīng)濟效益比較顯著的一類制造模具的技術(shù)，概括起來，有以下幾種類別。
2.1快速原型制造技術(shù)
快速原型制造技術(shù)簡稱RPM，是80年代后期發(fā)展起來的一種新型制造技術(shù)。美國、日本、英國、以色列、德國、中國都推出了自己的商業(yè)化產(chǎn)品，并逐漸形成了新型產(chǎn)業(yè)。
RPM是電腦、激光、光學(xué)掃描、先進的新型材料、計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助加工(CAM)、數(shù)控(CNC)綜合應(yīng)用的高新技術(shù)。在成型概念上以平面離散、堆積為指導(dǎo)，在控制上以計算機和數(shù)控為基礎(chǔ)，以最大柔性為總體目標。它摒棄了傳統(tǒng)的機械加工方法，對制造業(yè)的變革是一個重大的突破，利用RPM技術(shù)可以直接或間接地快速制模，該技術(shù)已被汽車、航空、家電、船舶、醫(yī)療、模具等行業(yè)廣泛應(yīng)用。下面簡述一下目前已經(jīng)商業(yè)化的幾種典型快速成型工藝。
2.1.1激光立體光刻技術(shù)(SLA)
SLA技術(shù)是交計算機CAD造型系統(tǒng)獲得制品的三維模型，通過微機控制激光，按著確定的軌跡，對液態(tài)的光敏樹脂進行逐層掃描，使被掃描區(qū)層層固化，連成一體，形成最終的三維實體，再經(jīng)過有關(guān)的最終硬化打光等后處量，形成制件或模具。
激光立體光刻技術(shù)主要特點是可成型任意復(fù)雜形狀，成型精度高，仿真性強，材料利用率高，性能可靠，性能價格比較高。適合產(chǎn)品外型評估、功能實驗、快速制造電極和各種快速經(jīng)濟模具。但該技術(shù)所用的設(shè)備和光敏樹脂價格昂貴，使其成本較高。
2.1.2疊層輪廓制造技術(shù)(LOM)
LOM技術(shù)是通過計算機的三維模型，利用激光選擇性地對其分層切片，將得到的各層截面輪廓層層粘結(jié)，最終疊加成三維實體產(chǎn)品。
其工藝特點是成型速度快，成型材料便宜、成本低，因無相變，故無熱應(yīng)力、收縮、膨脹，翹曲等，所以形狀與盡寸精度穩(wěn)定，但成型后廢料塊剝離較費事，特別是復(fù)雜件內(nèi)部的廢料剝離。該工藝適用于航空、汽車等和中體積較大制件的制作。
2.1.3激光粉末選區(qū)燒結(jié)成型技術(shù)(SLS)
SLS技術(shù)是將計算機的三維模型通過分層軟件將其分層，在計算機控制下，使激光束依據(jù)分層的切片截面信息對粉末逐層掃描，掃描到的粉末燒結(jié)固化(聚合、燒結(jié)、粘結(jié)、化學(xué)反應(yīng)等)，層層疊加，堆積成三維實體制件。該技術(shù)最大特點是能同時用幾種不同材料(聚碳酸脂、聚乙烯氯化物、石蠟、尼龍、ABS、鑄造砂)制造一個零件。
2.1.4熔融沉積成型技術(shù)(FDM)
FDM技術(shù)是由計算機控制可擠出熔融狀態(tài)材料的噴嘴，根據(jù)CAD產(chǎn)品模型分層軟件確定的幾何信息，擠出半流動狀態(tài)的熱塑材料沉積固化成精確的實際制件薄層 ，自下而上層層堆積成一個三維實體，可直接做模具或產(chǎn)品。
2.1.5三維印刷成型技術(shù)(3D-P)
3D-P技術(shù)用微機控制一個連續(xù)噴墨印刷頭，依據(jù)分層軟件逐層選擇性地在粉末層上沉積液體粘結(jié)材料，最終由順序印刷的二維層堆積成一個三維實體，猶如不使用激光的快速制模技術(shù)。該技術(shù)主要應(yīng)用在金屬陶瓷復(fù)合材料的多孔陶瓷預(yù)成型件上，其目標是由CAD產(chǎn)品模型直接生產(chǎn)模具或功能性制作。
2.2表面成型制模技術(shù)
表面成型制模技術(shù)，主要是利用噴涂、電鑄、化學(xué)腐蝕等新的工藝方法形成型腔表面及精細花紋的一種工藝技術(shù)，實際應(yīng)用中包括以下幾種類型。
2.2.1電弧噴涂成型制模技術(shù)
電弧噴涂成型技術(shù)的原理是：利用2根通電的金屬絲之間產(chǎn)生電弧的熱量將金屬絲熔化，依靠高壓氣體將其充分霧化，并給予一定的動能，高速噴射在樣模表面，層層鑲嵌，形成一金屬殼體，即型腔的內(nèi)表面，再用充填基體材料(一般為金屬粉粒與樹脂的復(fù)合材料)加以支撐加固，提高其強度和剛性，連同金屬模架組合成模具。這種制模技術(shù)工藝簡單、成本低，制造周期非常短，型腔表面的成型僅需幾個小時，節(jié)省能源和金屬材料，一般型腔表面僅2-3mm厚，仿真性極強，花紋精度可達到0.5μm。
目前該技術(shù)被廣泛地用于飛機、汽車的內(nèi)飾件模具、家電、家俱、制鞋、美術(shù)工藝品等表面形狀復(fù)雜及花紋精細的各種聚氨酯制品的吹塑、吸塑、PVC注射、PU發(fā)泡及各類注射成型模具中。
2.2.2電鑄成型技術(shù)
電鑄成型技術(shù)的原理同電鍍一樣，是依樣模(現(xiàn)成制品或按制品圖紙制成的母模)為基準(陰極)，置放在電鑄液中(陽極)，使電鑄液中的金屬離子還原后一層一層地沉積在樣模上，形成金屬殼體，將其剝離后，與樣模接觸的表面即為模具的型腔內(nèi)表面。??
????該技術(shù)主要特點是節(jié)省材料、模具制造周期短，電鑄層硬度可達40HRC，提高了耐磨性和壽命，粗糙度、尺寸精度與樣模完全一致，適用于注射、吸塑、吹塑、搪塑、膠木模、玻璃模、壓鑄模等模具型腔及電火花成型電極的制造。
2.2.3型腔表面精細花紋成型的蝕刻技術(shù)
蝕刻技術(shù)是光學(xué)、化學(xué)、機加工綜合應(yīng)用的一種技術(shù)，它的基本原理是先把花紋圖案制成膠片，再把膠片上的花紋圖案復(fù)制在已涂上光敏材料的模具型腔表面上，經(jīng)過化學(xué)處理，模具型腔表面形成不被蝕刻部分的保護層，再根據(jù)模具材質(zhì)，選擇相應(yīng)蝕刻工藝，將花紋圖案蝕刻在模具內(nèi)表面上。
該技術(shù)的主要特點是時間短、費用低，修補破損花紋圖案可做到天衣無縫。
2.3澆鑄成型制模技術(shù)
澆鑄成型制模技術(shù)的共同特點是依樣件為基準，澆鑄出凸、凹模，型腔表面不需要機械加工。實際制模中主要有以下幾種類型。
2.3.1鉍錫合金制模技術(shù)
鉍錫合金快速制模技術(shù)是經(jīng)樣件為基準，以Bi-Sn(鉍錫)二元共晶合金(熔點138℃，脹縮率萬分之三)為材料，有精密鑄造的方法同時鑄出凸模、凹模、壓邊圈的一種技術(shù)。該技術(shù)的特點是制模成本低，合金可重復(fù)使用，制造周期短，尺寸精度高，形狀、尺寸與樣件完全相符，一次鑄模壽命可達500-3000件，非常適合新產(chǎn)品開發(fā)、工藝驗證、樣品試制及中小批量和平。
2.3.2鋅基合金制模技術(shù)
這是一種以樣件(或樣模)為基準，以熔點為380℃左右的鋅基合金為材料，分別澆注凸、凹模，原則上型腔表面不進行機械加工的一種制模技術(shù)。該技術(shù)特點是制模成本低、周期短，適用于制作薄板大型拉伸模、沖裁模及塑料模。
2.3.3樹脂復(fù)合成型模具技術(shù)
這是一種以樣模(或工藝模型)為基準，以樹脂或其復(fù)合材料為流體材料，先澆注出凸(凹)模，再依據(jù)凸(凹)模貼上蠟片(間隙層)，澆注凸(凹)模。該技術(shù)成型的型腔表面不需機械加工。該技術(shù)與CAD/CAM相結(jié)合，特點是模具尺寸精度高、制造周期短、成本低，是新產(chǎn)品試制、小批量生產(chǎn)工藝裝備的新途徑。適用于制作大型覆蓋件拉伸模(也可局部鑲鋼)、真空吸塑、聚氨酯發(fā)泡成型模、陶瓷模、仿型靠模、鑄造模等。
2.3.4硅橡膠制模技術(shù)
該技術(shù)以制件原型或模型為基準，將柔態(tài)硅橡膠制做成塊，再靠高壓力與模型完全吻合。
2.4擠壓成型技術(shù)
2.4.1冷擠壓成型
利用鈹銅合金的良好的導(dǎo)熱性和穩(wěn)定性，經(jīng)固熔時效處理后，采用冷擠壓制造模具凹模型腔。其特點是制造周期短，型腔精度高(IT7級)，表面粗糙度Ra=0.025μm,強度高，壽命可達50萬次，無環(huán)境污染。
2.4.2超塑成型制模技術(shù)
該技術(shù)是利用金屬材料在細化晶粒、一定成型溫度、低變形速率條件下，材料具有最佳超塑性時，將事先制作好的凸模，用較小的力便可擠壓出凹模的一種快速經(jīng)濟制模技術(shù)。超塑成型材料的典型代表是Zn-22%AL。
2.5無模多點成形技術(shù)
無模多點快速成形技術(shù)是以CAD/CAM/CAT技術(shù)為主要手段，利用計算機控制高度可調(diào)基本體群形成上下成形面，代替?zhèn)鹘y(tǒng)模具對板料進行三維曲面成形的又一現(xiàn)代先進制造技術(shù)。此項技術(shù)可以隨意改變變形路徑與受力狀態(tài)，提高材料的成形極限，可反復(fù)成形，以此消除材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，實現(xiàn)無回彈成形。
2.6凱維朗(KEVRON)鋼帶沖裁落料制模技術(shù)
新型鋼帶沖裁落料制模技術(shù)是一種不同于一般具有凸、凹模結(jié)構(gòu)的鋼帶模，它是由單刃鋼帶與特制墊板組成的新型快速經(jīng)濟制模技術(shù)。這種模具重量輕，一般只有200kg，加工精度為±0.35-0.50mm，可適合各種黑色和有色金屬的0.5-0.65mm厚的板料加工。壽命可達到5-25萬次，制造成本低。
2.7模具毛坯的快速制造技術(shù)—實型鑄造
由于大量的模具是屬于單件或小批量生產(chǎn)，模具毛坯的制造質(zhì)量和周期及成本對最終的模具質(zhì)量和周期及成本的影響是至關(guān)重要的。
現(xiàn)代模具毛坯已廣泛地采用子實型鑄造技術(shù)，所謂實型鑄造就是利用泡沫塑料(聚苯乙烯—PS或聚甲基丙烯酸酯—PMMA)制作代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木模或金屬模，造型后不需取出模型，便可以澆鑄，泡沫塑料模型的高溫液體金屬作用下，迅速燃燒氣化而消失，金屬液取代原來泡沫塑料模型所占有的位置，冷凝后形成鑄件。實型鑄造在實際應(yīng)用中有下列幾種情況。
2.7.1干砂實型鑄造
即用55-100目的全干沒有任何粘結(jié)劑的石英砂造型，用EPS或PMMA泡沫塑料制作的模型涂掛0.2-1mm厚透氣性良好的耐火涂料層，以提高鑄件表面光潔度，防止粘砂或塌箱。
2.7.2負壓實型鑄造
負壓實型鑄造又稱V法造型。該技術(shù)是使用全干而無粘結(jié)劑的石英砂做型砂，用EPS或PMMA泡沫塑料做模型，在塑料薄膜的密封條件下，讓整個鑄型在負壓條件下(真空度0.4-0.67MPa)進行液體金屬澆鑄，鑄件凝固后解除負壓即可得到表面光潔的鑄件。
2.7.3樹脂砂實型鑄造
利用樹脂砂做型砂，用EPS或PMMA泡沫塑料做模型，在常溫、常壓下進行液體金屬澆鑄而制取鑄件。利用實型鑄造的技術(shù)制造模具毛坯具有尺寸精度高(ISO9級)，加工余量小(一般在5mm左右)，不需要拔模斜度，不需要制型芯與泥芯撐，節(jié)省金屬材料，節(jié)省做木模型的木材，制造周期短，成本低。該技術(shù)適合大型、復(fù)雜、單件模具毛坯的生產(chǎn)。陶瓷型精鑄、失蠟精鑄等技術(shù)在提高模具毛坯精度、降低加工工時、縮短制造周期、降低成本等方面也顯示出其特有的優(yōu)越性。
2.8其它方面技術(shù)
為了簡化模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低模具成本，縮短模具制造周期，在國內(nèi)外也先后出現(xiàn)了一些其它方面新技術(shù)的應(yīng)用，如快換模架、沖壓單元、刃口堆焊、鑲塊鑄造、氮氣彈簧等。
2.8.1氮氣彈簧在模具上的應(yīng)用
氮氣彈簧是一種新型彈性功能部件，用它代替彈簧、橡膠、聚氨酯或者氣墊，它能夠準確地提供壓邊力，在較小空間便可產(chǎn)生較大初始彈壓力，不需預(yù)緊，在模具整個工作過程中彈壓力基本恒定。彈壓力大小及受力點位置可隨時、準確、方便地調(diào)整，簡化模具拉伸、壓邊、卸料等結(jié)構(gòu)，簡化模具設(shè)計，縮短制模周期，調(diào)試模具方便，縮短更換模具時間，提高生產(chǎn)效率。
2.8.2快速換模技術(shù)
由于產(chǎn)品品種的增多，使模具在生產(chǎn)中更換變得十分頻繁，于是如何縮短沖壓設(shè)備的停機時間，提高生產(chǎn)效率，快速換模技術(shù)受到了人們的關(guān)注。目前發(fā)達工業(yè)國家的一些大公司換模速度達到了驚人的程度，是否具有快速換模技術(shù)已成為企業(yè)技術(shù)進步的一項標志?？偟内厔菥褪菧p少模具在設(shè)備上安裝、固定、調(diào)整的時間，這既要在設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計上予以考慮，又要在模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計、標準化方面予以考慮，將機上的作業(yè)盡可能地放在機下做。
2.8.3沖壓單元組合技術(shù)
沖壓單元組合技術(shù)是將常規(guī)的沖模分解為一個個簡單的單元沖模，根據(jù)工序件的要求，排列組合，在同一次沖程內(nèi)完成多種沖壓工序的新型工藝裝備，工作時沖壓單元不與沖床滑塊聯(lián)接，只需滑塊打擊即可完成沖壓工作。單獨使用時它就是1副完整模具。它可以用來加工板料或型材的沖孔、落料、切角、切槽、切斷及淺拉伸等。具有組裝快捷、使用方便、通用性強、經(jīng)濟性好等特點，特別適合多品種、中小批量生產(chǎn)。
2.8.4刃口堆焊技術(shù)
在沖模制造中，以普通灰鑄鐵為基體，在刃口部位堆焊高硬度的合金鋼，以代替模具鋼鑲塊，這一技術(shù)成為世界先進工藝之一。這是一項節(jié)省制造工時，節(jié)省昂貴的模具鋼材，縮短模具制造周期的快速經(jīng)濟制模技術(shù)。目前熔化極氬弧焊技術(shù)的應(yīng)用，大大地提高了刃口堆焊的速度和質(zhì)量。這項技術(shù)世界各國模具行業(yè)已廣泛采用，取得了良好的經(jīng)濟效益。
2.8.5實型鑄造沖模刃口鑲塊技術(shù)
這是一種用實型鑄造的工藝方法制造沖模刃口的方法，即用合金鋼鑄件鑲塊代替鍛造合金鋼鑲塊。目前由于鑄造工藝和熱處理工藝不斷完善和提高，鑄造鑲塊的內(nèi)在質(zhì)量有了保證，故其應(yīng)用范圍在不斷擴大。這項以鑄代鍛的新技術(shù)的突出特點是節(jié)省貴重模具鋼材，簡化模具制造工序，由于加工余量小，節(jié)省了大量機加工工時，縮短模具制造周期，降低模具成本。
2.8.6可加工塑料在模具制造中的應(yīng)用
可加工塑料在發(fā)達的工業(yè)國家應(yīng)用較普遍，特別是在汽車、飛機等制造業(yè)中，主要代替木材或金屬制作汽車車身主模型、靠模、檢具和鑄造模型等?？杉庸に芰系闹饕攸c是兼?zhèn)淠静暮徒饘俚膬?yōu)良加工性能，制作工藝簡捷(可采用模塑、澆注、拼粘、雕塑等方法)、尺寸穩(wěn)定性好、不變形、耐潮濕、耐腐蝕、易修復(fù)、易改型、重量輕、制作周期短、成本低。
3結(jié)束語
快速經(jīng)濟制模技術(shù)種類很多，其所具有的特點、應(yīng)用范圍各不相同，本文僅能概括地做一些簡單介紹，每種技術(shù)在具體應(yīng)用和實施過程中尚有許多具體的工藝過程、工藝參數(shù)及其技術(shù)特性。
模具是基礎(chǔ)工業(yè)之一，在全球化市場經(jīng)濟和各種高新技術(shù)的迅猛發(fā)展形勢下，快速經(jīng)濟模具賦予了新的使命和全新的內(nèi)涵，分類不斷增加，快速經(jīng)濟制模材料向著多品種系列化邁進，工藝不斷有新的創(chuàng)新和突破，與之配套設(shè)備相繼問世，服務(wù)領(lǐng)域在不斷地拓寬，創(chuàng)造的經(jīng)濟效益越來越顯著。隨著商品經(jīng)濟的發(fā)展，激烈的市場競爭，產(chǎn)品更新?lián)Q代的加速，對快速經(jīng)濟制模技術(shù)在縮短周期、降低成本，提高精度和延長壽命方面的要求勢必會越來越高。由于它能使企業(yè)贏得市場，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益，越來越受到企業(yè)家的青睞和有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)部門的極大關(guān)注與政策資金的支持。各種快速經(jīng)濟制模技術(shù)在推廣應(yīng)用過程中也會不斷完善成熟和發(fā)展，由于高新技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)的復(fù)合與滲透，為適應(yīng)生產(chǎn)中的不同需求，今后必定會形成一些新型、節(jié)約能源、節(jié)約材料的快速制模技術(shù)。