王海雄,王軍力,黃啟欣

(桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541006)

0 前言

隨著塑料的廣泛運(yùn)用以及人們對(duì)產(chǎn)品外觀要求的提高，要求注塑模具的更新周期越來越短。如果使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，即從構(gòu)思到設(shè)計(jì)再到產(chǎn)品，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期將會(huì)很長，無法適應(yīng)快節(jié)奏產(chǎn)品更新和升級(jí)的要求。逆向工程(RE)也稱為反向工程，測(cè)量建?；蚍辞蠊こ?，將已經(jīng)存在的實(shí)物模型反向求出實(shí)物的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(CAD模型)的過程[1]，是從樣件原型—幾何數(shù)據(jù)—重新設(shè)計(jì)與開發(fā)的模式可以大大縮短產(chǎn)品修正、更新、升級(jí)的設(shè)計(jì)周期[2-3]。其中Moldflow軟件是一款強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)模擬軟件[4]，應(yīng)用Moldflow輔助注塑模具設(shè)計(jì)，經(jīng)過反復(fù)的仿真模擬對(duì)模具關(guān)鍵部位進(jìn)行優(yōu)化，可以提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，減少模具設(shè)計(jì)的時(shí)間和試模修模的次數(shù)，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。

1 逆向工程建模

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集就是利用機(jī)器來獲取實(shí)物產(chǎn)品外表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值的過程。由于電吹風(fēng)后殼外表面是不規(guī)則的曲面，而且有小孔，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故采用具有掃描速度快、掃描精度高、掃描質(zhì)量好的Holon-3DZ拍照式掃描儀。在拍照掃描過程中接收到產(chǎn)品表面的散射光和反射光，會(huì)對(duì)產(chǎn)品掃描結(jié)果擴(kuò)大測(cè)量誤差，因此對(duì)掃描產(chǎn)品表面噴涂顯像劑，提高掃描質(zhì)量。將掃描到的點(diǎn)云進(jìn)行初步的處理，即點(diǎn)云融合、點(diǎn)云平滑等。圖1是對(duì)表面涂顯像劑的電吹風(fēng)手柄后蓋進(jìn)行Holon-3DZ拍照掃描得到點(diǎn)云圖。然后將初步處理后的點(diǎn)云以Geomagic Studio軟件能識(shí)別的格式導(dǎo)出。重復(fù)幾次掃描，導(dǎo)出后進(jìn)行處理，將各掃描點(diǎn)云進(jìn)行拼接保存。

圖1 產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集圖Fig.1 Data acquisition diagram of the product

1.2 數(shù)據(jù)處理

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取過程中，不可避免出現(xiàn)噪聲點(diǎn)和冗余點(diǎn)，所以需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去除噪音、邊界修補(bǔ)等數(shù)據(jù)處理。通過數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的精確配準(zhǔn)[5]。數(shù)據(jù)處理可分為點(diǎn)處理階段和多邊處理階段，其中點(diǎn)處理階段將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合，刪除體外孤點(diǎn)和非連接項(xiàng)，并減少噪音封裝構(gòu)成多邊形模型；在多邊形處理階段，由于封裝處理后存在單點(diǎn)尖峰，所以需要進(jìn)行刪除，并將缺失表面進(jìn)行填充，使模型表面圓融光滑。數(shù)據(jù)處理后的產(chǎn)品圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理后的產(chǎn)品圖Fig.2 Product diagram after data processing

1.3 模型重構(gòu)及誤差分析

模型重構(gòu)(曲面重構(gòu))是逆向工程技術(shù)的重要環(huán)節(jié)之一。由于吹風(fēng)機(jī)手柄后蓋表面復(fù)雜，所以先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)探測(cè)大曲率初始輪廓線，然后對(duì)未能探測(cè)到的小曲率輪廓線進(jìn)行手動(dòng)選取，由于探測(cè)到的輪廓線存在一定的偏差，所以需要進(jìn)行輪廓線優(yōu)化，提高產(chǎn)品的曲線的擬合精度。模型重構(gòu)后的產(chǎn)品圖如圖3所示。

圖3 重構(gòu)后的產(chǎn)品圖Fig.3 The reconstructed product diagram

對(duì)重建后的模型與實(shí)際的產(chǎn)品進(jìn)行誤差分析，以確定該模型能否作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的依據(jù)。由于復(fù)雜的曲面難以測(cè)量，所以選擇總的長度、最小處寬度、內(nèi)側(cè)圓柱凸臺(tái)、圓形內(nèi)孔和方孔的尺寸進(jìn)行測(cè)量并分析這些尺寸的誤差，確定逆向工程建模的精確度。重建模型的部分尺寸和實(shí)際產(chǎn)品部分尺寸對(duì)比如表1所示。從表1中可以看出，應(yīng)用逆向工程重建后的模型和實(shí)際產(chǎn)品相比，各個(gè)尺寸誤差在2 %以內(nèi)，符合建模的要求。

表1 模型誤差分析Tab.1 Model error analysis

2 模具設(shè)計(jì)

2.1 產(chǎn)品工藝性分析

電吹風(fēng)手柄后蓋的材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)塑料，其密度為1.03～1.07 cm2，收縮率為0.3 %～0.8 %，一般選0.6 %，該材料具有吸濕性，在注射成形之前要進(jìn)行干燥[6]。模具溫度：50～80 ℃，盡可能采用較低的模具溫度，以縮短成形周期，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)率,熔體溫度：170～220 ℃,注射壓力：80～110 MPa，注射時(shí)間：0.5～4 s，保壓壓力：50～80 MPa，保壓時(shí)間：10～20 s。

2.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)良好的冷卻水道可以大大縮短成形件的冷卻時(shí)間，還可減小殘余應(yīng)力[7]。冷卻水路的排列方案主要有2種，第一種方案微水路與產(chǎn)品方向平行，第二種方案為水路與產(chǎn)品方向垂直。應(yīng)用Moldflow軟件對(duì)這2種水路進(jìn)行分析，以選擇最佳的水路排列方式。本次設(shè)計(jì)的冷卻管道的直徑為12 mm，選擇的冷卻液為純水，水溫為25 ℃，雷諾數(shù)為10 000的湍流。冷卻水路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是保證模具冷卻之后型腔各部分的溫差，溫差越小，說明各部分能同時(shí)冷卻，減小產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。

通過仿真分析，得到2種方案的模具型腔冷卻后的溫度分布云圖，如圖4所示，從圖中可以看出，第一種方案溫度比較均勻，選擇第一種方案設(shè)計(jì)電吹風(fēng)手柄后蓋注塑模具的冷卻系統(tǒng)。

(a)第一種方案 (b)第二種方案圖4 2種冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案模具型腔溫度對(duì)比Fig.4 Mold cavity temperature contrast between two design schemes of cooling system

2.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用Mlodflow軟件完成整個(gè)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)2種充填方案，單澆口填充方案和雙澆口填充方案。然后對(duì)這2種充填方案進(jìn)行仿真分析，以最終確定澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)注塑機(jī)噴嘴的直徑(4 mm)、噴嘴球頭半徑(15 mm)確定主流道進(jìn)料口為4.5 mm，主流道與注塑機(jī)噴嘴對(duì)接處的球面凹坑半徑取16 mm。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最關(guān)鍵的是澆口的設(shè)計(jì)。選擇澆口與分流道中心線的夾角在45 °～60 °，截面形狀通常為圓形，澆口大小為1.5 mm[8-9]。首先通過仿真快速分析出2種方案的澆口位置，然后分別對(duì)2種方案進(jìn)行充填、保壓、冷卻分析，以得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

2.3.1 填充分析

填充階段主要分析塑料熔體能否填充滿模具型腔以及填充時(shí)間。圖5為2種方案的填充時(shí)間對(duì)比，從圖中可以看出，2種方案塑料熔體均能完全充滿型腔，確保產(chǎn)品各部位的熔體都可以均勻分布。由于雙澆口流道長度較長，而注射速度一定所以整體的填充時(shí)間長，而單澆口的填充時(shí)間相對(duì)較短，更加有利于材料的成形。

(a)第一種方案 (b)第二種方案圖5 填充時(shí)間對(duì)比Fig.5 Comparison of filling time

2.3.2 氣穴分析

由于高溫熔體的揮發(fā)性氣體殘留在型腔內(nèi)部和塑件各部分冷卻不均勻容易產(chǎn)生氣穴。氣穴對(duì)塑料制品的強(qiáng)度和外觀質(zhì)量影響較大，故對(duì)塑料件的氣穴進(jìn)行分析，如圖6所示。2種方案都在產(chǎn)品形狀復(fù)雜的部分處產(chǎn)生了氣穴，需要在這些部分的對(duì)應(yīng)的模具型腔部位增設(shè)排氣槽，方能排出氣體，減少氣穴的產(chǎn)生。對(duì)2種方案的氣穴比較可以看出，單澆口產(chǎn)生的氣穴要比雙澆口的氣穴少，所以在產(chǎn)生氣穴方面，單澆口優(yōu)于雙澆口。

(a)第一種方案 (b)第二種方案圖6 氣穴對(duì)比Fig.6 Air-pocket contrast

2.3.3 熔接痕分析

熔接痕是由于熔體在型腔中會(huì)合時(shí)，因不同路線的熔體前沿溫度不一樣，而在接合處容易產(chǎn)生的痕跡。熔接痕對(duì)塑料制品的外觀和強(qiáng)度影響較大。熔接痕的分析結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出，2種方案的熔接痕明顯，這就必須在充模之前適當(dāng)提高模具的溫度，使得熔體在充滿型腔前溫度變化減小。另外從圖中可以看出，雙澆口方案容易在制品的中部產(chǎn)生熔接痕，這樣會(huì)嚴(yán)重降低制品的強(qiáng)度。

(a)第一種方案 (b)第二種方案圖7 熔接痕對(duì)比Fig.7 Weld mark contrast

2.3.4 翹曲分析

由于手柄后蓋是薄殼狀制品，而且長寬比較大，如果冷卻不均勻則會(huì)發(fā)生翹曲現(xiàn)象[10]。圖7顯示2種方案的翹曲趨勢(shì)基本相同，都是以澆注口附近為中心，兩端向內(nèi)翹曲。單澆口的最大翹曲量為0.572 1 mm，雙澆口的最大翹曲量為0.791 3 mm?？梢园l(fā)現(xiàn)單澆口的翹曲變形比雙澆口的翹曲變形小。

圖8 翹曲對(duì)比Fig.8 Warping contrast

通過對(duì)單澆口與雙澆口的填充時(shí)間、氣穴數(shù)量、熔接痕、及翹曲總變形的數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知單澆口比雙澆口效果好，故最終選擇單澆口的填充方案。

2.4 模具結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.4.1 模架的確定

選擇尺寸為330 mm×350 mm的模架。由于電吹風(fēng)手柄后蓋模具較小，且不是高壓注塑，所以厚度選擇默認(rèn)值為30 mm。墊塊的高度由塑件的頂出距離決定，由于SZ-160/100的注塑機(jī)的頂出行程為100 mm，所以墊塊的高度選擇90 mm。

2.4.2 斜頂設(shè)計(jì)

電吹風(fēng)手柄后蓋中有2個(gè)倒扣，所以必須使用斜頂進(jìn)行脫模。設(shè)計(jì)斜頂時(shí)，斜頂?shù)捻斆嬉陀谒芗?.05 mm，否則會(huì)拉傷塑件表面。斜頂在頂出過程中不能與其他斜頂或頂桿發(fā)生干涉，若發(fā)生干涉，斜頂可能會(huì)被碰歪。斜頂?shù)慕嵌纫话銥? °～10 °，本次設(shè)計(jì)選用6 °的斜度，選用工字型斜頂座。每個(gè)塑件設(shè)置兩根斜頂，共設(shè)置4根斜頂。設(shè)置完的頂出系統(tǒng)如圖9所示，一個(gè)塑件上共有2根司筒、2根斜頂及8根推。

圖9 塑件連接的頂出裝置Fig.9 Ejection device for connecting plastic parts

2.4.3 模具工作過程

圖10所示為設(shè)計(jì)得到的電吹風(fēng)手柄后蓋注塑模。該模具為常見的兩板式注塑模，也叫做單分型面注塑模。澆注系統(tǒng)的主流道設(shè)置在模具的定模一側(cè)，而分流道設(shè)置在模具的分型面上。

1—?jiǎng)幽Ｗ?2—推板 3—推桿固定板 4—墊塊 5—?jiǎng)幽０?6—型芯 7—型腔 8—定模板 9—定模座板 10—導(dǎo)套 11—導(dǎo)柱 12—澆口套 13—定位圈 14、15、25—內(nèi)六角螺絲 16—拉料桿 17—斜頂座 18—斜頂 19—水嘴 20—復(fù)位桿 21—彈簧 22—垃圾釘 23—推桿 24—司筒

合模時(shí)，注塑機(jī)通過鎖模裝置推動(dòng)模具的動(dòng)模部分，動(dòng)模部分在導(dǎo)柱與導(dǎo)套的導(dǎo)向作用下與定模部分相配合，并且鎖模裝置提供足夠大的鎖模力，防止注射壓力太大而引起飛邊。動(dòng)模板和定模板緊密貼合后，注塑機(jī)開始向電吹風(fēng)手柄后蓋模具內(nèi)注射塑料熔體。塑料熔體通過主流道和分流道流經(jīng)澆口，再通過澆口流入型腔中。當(dāng)塑料熔體注射滿型腔之后，對(duì)型腔內(nèi)的塑料熔體進(jìn)行保壓、冷卻。等到塑件的溫度達(dá)到頂出溫度之后進(jìn)行開模。

開模時(shí)，注塑機(jī)的鎖模裝置帶動(dòng)動(dòng)模部分移動(dòng)。由于塑件的冷卻收縮，其對(duì)型芯有一個(gè)包緊力，并且澆注系統(tǒng)凝料被拉料桿拉住，所以動(dòng)模部分與定模部分分離時(shí)，塑件與澆注系統(tǒng)凝料會(huì)留在動(dòng)模一側(cè)。當(dāng)動(dòng)模部分移動(dòng)一定的距離之后，注塑機(jī)頂桿將與模具的推板相接觸。推板推動(dòng)復(fù)位桿、拉料桿、司筒、斜頂和頂桿。司筒、斜頂和頂桿頂出塑件，而拉料桿頂出澆注系統(tǒng)凝料。頂出塑件和澆注系統(tǒng)凝料的同時(shí)，在動(dòng)模型芯側(cè)刃的作用下切斷澆口，塑件與澆注系統(tǒng)凝料分離。在注塑機(jī)頂桿推動(dòng)推板的過程中，套在復(fù)位桿上的彈簧不斷被壓縮。合模時(shí)，頂在推板上的注塑機(jī)頂桿消失，脫模機(jī)構(gòu)在彈簧的彈力作用下進(jìn)行復(fù)位，等待下一次的注塑。

3 結(jié)論

(1)使用高精度的3D掃描儀對(duì)電吹風(fēng)手柄后蓋進(jìn)行三維坐標(biāo)點(diǎn)采集，將采集的點(diǎn)云以PLY格式導(dǎo)入到Geomagic Studio逆向工程軟件中進(jìn)行處理，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出電吹風(fēng)手柄后蓋的3D模型；

(2)將3D模型導(dǎo)入Moldflow模流分析軟件中，創(chuàng)建電吹風(fēng)手柄后蓋的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，分析在進(jìn)行注塑過程中遇到的問題，優(yōu)化澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；

(3)根據(jù)得到的最優(yōu)的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，應(yīng)用三維軟件對(duì)模具進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定其模具的模架，并闡述關(guān)鍵的零部件設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出整套模具。