曲线孔加工方法概述

何寅

摘 要 冷却阶段是注塑成型的关键阶段，随形冷却水道利于制件的均匀冷却和迅速冷却，可提高产品质量和生产效率。因此对曲线孔加工方法的研究是具有实际意义的，本文介绍了常见几种曲线孔加工方法及其特点。

关键词 注塑模 随形冷却水道 曲线孔

中图分类号：TG664 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.05.023

Abstract Cooling stage is a key stage of injection molding. Conformal cooling channel， due to its advantages in uniform cooling and rapid cooling， could improve the cooling effect obviously. Therefore， study on methods of machining curved hole are proposed to be used for practice. In this thesis， some methods of machining curved hole and their features in general were introduced.

Key words Injection mold； Conformal cooling channel； curved hole

0 前言

塑料制品在工业生产中的应用比重越来越大，注塑成型是成型塑料制件的主要方式，而冷却阶段是注塑成型过程中的重要阶段，冷却效果对塑件质量（例如：翘曲变形、产品收缩率等）、熔体充模能力以及注塑产品的生产效率。通过冷却调温，保持合适的模具温度，有利于减小产品变形，增强产品力学性能， 改善产品表面质量， 提高产品精度，从而提高生产效率。

通常的冷却方法是在模具内开设冷却水道，并通入循环流动的冷却水带走塑料熔体的热量。传统的直线型冷却水道受加工方式的限制，与模具型腔表面的距离不一致，造成产品各部位的冷却速度不均匀，容易引起产品出现翘曲、开裂等缺陷。而且，冷却不均匀还会降低生产效率，因为模具开模取件要求产品各部分温度都能达到开模温度一下才行。而随形冷却水道（Conformal Cooling Channels，CCC），含有大量的曲线孔，并且水道走向是随注射模具型腔的形状和结构的变化而变化，水道与整个模腔表面的距离能够保持一致，有利于实现均匀冷却和快速冷却，从而改善产品质量、提高注塑成型生产效率。

随形冷却水道需要水道随模具型腔绕弯，因此首先要解决曲线孔加工问题才能使随形冷却水道广泛应用于注塑成型。由于机械加工只能用直线孔拟合曲线孔，所以现有的研究倾向于精确加工曲线孔的新方法。比如基于快速成型技术的加工方法以及特种加工法。

1 曲线孔加工方法

1.1 基于快速原型技术的加工方法

快速原型（Rapid Prototyping，RP）技术是一种材料累加制造方法，其成型原理实际上是离散与堆积，也就是现在在全球火热的3D打印技术。通过计算机将模具的三维数字模型先转为STL格式文件，然后在专用的切片软件中分层，获得模型切片分层处理后的每个二维层面的数据，再由快速原型机逐层累积成型，进行后处理后，直接获得内置随形冷却水道的注塑模具。目前常用的金属材料快速成型工艺是选择性激光烧结技术（Selective Laser Sintering， SLS）技术和选择性激光熔化技术（Selective Laser Melting，SLM），这类成型工艺的主导思想都是采用激光选择性熔化金属粉末或合金粉末，逐层堆积形成制件。不同之处在于粉末被熔化粘结的程度和方式。

选择性激光烧结技术所使用的激光功率较小、光斑温度较低，只能熔化混合粉末中的低熔点材料或黏合剂，使高熔点粉末材料被粘结在一起，形成单层面，并不断累积成制件。由于选择性激光烧结技术没有把粉末材料完全熔化，制件的致密度较低，粉末粘结部位强度较差，必须进行渗透填充、烧结等后处理以提高制品的力学性能。

选择性激光熔化技术所使用的激光功率较大、光斑温度较高，在制造过程中，粉末材料被全部熔化，金属材料产生冶金结合，制件内部材料组织均匀，致密度较高，力学性能较好，不需要后处理。这种工艺制造的带有随形冷却水道的注塑模模具致密度高、力学性能较好。

快速成型工艺的二维层面累积制造方式使曲线孔加工无需考虑驱动和导向问题，避免了曲线孔加工中的技术难点，制造方便。但是基于RP技术生产的注塑模具由于其特殊的生产方式也存在生成成本较高、模具使用寿命短的缺点。

1.2 特种加工方法

1.2.1 电火花加工方法

为了实现对曲线孔加工过程中的导向控制，有研究者提出了使用弹簧的压缩和伸长特性，驱动电极转向和加工。

这种方法由一根弹簧连接在电火花加工机床的主轴和加工曲线孔的电极之间，三根细钢丝的一端连接弹簧，并以120熬确植迹硪欢肆釉谕獠康某ざ鹊鹘诨股稀T诩庸す讨校韧ü鹘诨顾醵谈炙康牧映ざ龋玫裳顾酰缓笫头挪煌恢酶炙康牧映ざ龋沟煞蔷壬斐ぃ愿谋涞缂淖呦颍庸こ銮呖住U庵旨庸し椒ㄓ玫勺隽樱缘ψ銮Γ诩庸ぶ腥菀撞穸档土饲呖椎募庸ぞ取6宜孀偶庸ど疃鹊耐平傻纳斐ち看锏郊藓螅招越档停档停跋炝思庸さ奈榷ㄐ浴？

后来有日本学者提出外拉控制线式的曲线孔电火花加工方法和以形状记忆合金（shape memory alloy，SMA）功能材料作为转向驱动机构的加工方法。外拉控制线式的曲线孔电火花加工方法是将工具电极连接在转向节上，该转向节的偏转由外拉线控制，从而带动电极改变加工方向，电极上导线既提供电流，又用于传递旋转扭矩。

采用SMA功能材料的加工方法，其转向结构如图1所示：

图1 导向机构示意图

这种加工方法用附加电源调节SMA材料的温度，从而控制其变形量和变形速度，使电极在不同的方向上产生不同量的偏转，实现曲线孔加工。

这类加工方法中，驱动加工电极的装置绕度较差，仅适合加工曲率较大的曲线孔，而且其曲线孔的弯曲轨迹是拟合而成，形状精度和位置精度较低，当曲线孔较长时排屑问题也有待解决，而且电极的结构、导向控制系统往往比较复杂。

1.2.2 柔性电解装置加工法

日本的M.Uchiyama等人提出了使用柔性电极结构的加工方法，这种方法也可用于电火花加工，但是电解加工的生产速度更快，约为电火花加工的5～10倍）。这种方法将工具电极做成球状，直接接近曲线孔直径，然后把电极安装在柔性绝缘软管上，管内有供电导线和电解液，电解液最终由电极上的预留小孔流出。加工时使球状电极相对于电极的中心轴偏移一定的角度以改变加工方向，实现曲线孔的加工，如图2所示：

图2 加工转向示意图

这种方法使电极偏转的方式有多种，对应的工具电极和控制结构也不同。

（1）多块电极组合结构及其控制方式。如图3所示，球状电极被平均分成3块，每块电极之间由绝缘层分开，并分别用3根不同导线供电，所以3块可以独立加工。在不旋转电极的情况下，通过给需要转向位置的电极通电，而其它电极不通电，实现曲线孔的加工。

图3 多块电极结构示意图

这种方法由于有3根导线，绝缘软管的柔性受到影响，转向角度较大，适合加工大曲率的曲线孔。

（2）改变电解液压力控制曲率。这种方法的结构为整体的球状电极，流经绝缘软管的电解液，一部分通过电极头上小孔流出；另一部分则从绝缘软管和绝缘层之间的流出，通过调节这部分电解液的压力使电极转向。

这种控制方式由于电解液的分流，容易造成加工后期导致排屑不充分。以后的研究倾向于设计能分别控制排屑的电解液和控制电极偏转的电解液系统。

（3）改变引线张力控制加工转向。这种控制方式所使用的工具电解也是球状的，但是在软管内只有一根供电导线，同时也是用于控制曲线孔加工转向的引线。引线较粗，硬度较大，使其能够承受较大的拉力使工具电极发生转向。但是由于只有一根引线，电极的转向控制不精确，加工精度和稳定性较差。

2 曲线孔加工的研究趋势

（1）解决排屑问题。孔的加工中，排屑是影响加工效果的主要问题，对于曲线孔来说，孔的深度越深，曲率变化越大，排屑难度也会增加。对于电火花加工和电解加工，在加工工艺上可以采取加工工具间歇式进给，实现小间隙加工、大间隙冲刷，或者加上超声振动，改善排屑效果。

（2）优化快速制造工艺。RP技术将制造模式转化为简单的二维层面，不受结构复杂性的限制，而且发展至今工艺已经比较成熟，是最为合适的曲线孔加工方式。由于这类成型工艺的核心是材料累积的过程，因此成型材料的性质对成型工艺和成型效果有很大的影响，因此RP技术要与材料科学同步发展。

（3）研究电极结构和控制方式与曲率的关系。以特种加工技术为基础的曲线孔加工方法，工具电极的结构和电极转向的控制方式，对曲线孔的曲率都有很大的影响，目前的研究仍处在试验阶段，曲率多为拟合，所以必须建立明确的电极结构和控制方式与曲率变化的数值关系，才能运用于实际生产。

（4）研究精确测量曲线孔位置的方法。完成曲线孔加工后，要精确测量出曲线孔在模具中的实际位置，确保其与原设计的随形冷却水道走向相同，并能够均匀、等距离地包裹在注塑模具型腔表面，从而达到随形冷却水道均匀冷却和快速冷却的目的。目前的测量方法中超声检测能较准确地测量曲线孔的位置。

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