快速模具實(shí)驗(yàn)裝置開發(fā)及在實(shí)踐教學(xué)中的運(yùn)用

張海光， 何嵐嵐

(上海大學(xué) a. 機(jī)電工程與自動化學(xué)院； b. 上海市智能制造及機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c. 工程訓(xùn)練國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 上海 200444)

0 引 言

在當(dāng)前大工程、大制造的工程教育背景下，對我國高校學(xué)生深入掌握工程技能和工程創(chuàng)新能力提出了更高的要求，工程實(shí)踐教學(xué)已經(jīng)成為我國高等教育的重要組成部分，是增強(qiáng)學(xué)生掌握現(xiàn)代制造工藝的工程能力，推動學(xué)生盡快了解和掌握先進(jìn)制造技術(shù)，以及符合企業(yè)需求的掌握現(xiàn)代制造技術(shù)的有效途徑，也是不可替代的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。

先進(jìn)制造技術(shù)作為工程實(shí)踐教學(xué)體系中的重要組成部分，各高校均設(shè)置了相關(guān)的實(shí)踐課程，大多集中于數(shù)控切削技術(shù)方面的訓(xùn)練。而具有周期性短、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的增材制造(Additive Manufacturing，AM)為先進(jìn)制造提供了新的工藝選擇和技術(shù)支撐，應(yīng)用越來越廣泛，也越來越受到業(yè)界的關(guān)注，對掌握該類技術(shù)的人才需求也越來越大[1-5]。因此，部分國家級的實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心也在工程訓(xùn)練課程中開設(shè)了相關(guān)的實(shí)踐項(xiàng)目，但基本上都以熔融沉積成形工藝為代表讓學(xué)生了解3D打印的基本工作原理。

而AM的兩大技術(shù)支柱包括3D打印(Three Dimension Printing，3DP)和快速模具(Rapid Tooling，RT)。在實(shí)際工業(yè)領(lǐng)域中由于3D打印的產(chǎn)品成本高且不能滿足強(qiáng)度以及耐用性等方面的要求，通常都需要 RT技術(shù)以3D打印樣品作為母模進(jìn)行產(chǎn)品的中小批量翻制，因此從知識的系統(tǒng)性、完整性、實(shí)用性等方面考慮，開設(shè)RT技術(shù)的實(shí)踐課程具有很大的必要性，現(xiàn)在較少有高校開設(shè)快速模具實(shí)踐課程，缺少適合學(xué)生操作使用的實(shí)驗(yàn)裝置是其中最主要的原因之一。因此，本文從學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的便捷性、安全性等方面考慮，就RT實(shí)踐課程所需的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了研究。

1 快速模具技術(shù)及工藝流程

1.1 快速模具技術(shù)簡介

快速模具與傳統(tǒng)模具相比，其制造周期僅為后者的30%～50%，制造成本僅為后者的20%～30%，目前已成為增材制造領(lǐng)域發(fā)展最迅速、產(chǎn)值增長最明顯的技術(shù)[6-9]。真空注型(Vacuum Casting，VC)技術(shù)是RT技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的工藝方法[10-12]，典型模具及樣件如圖1所示。

圖1 典型VC模具

1.2 真空注型工藝基本流程

VC工藝首先在真空條件下利用3D打印的母模制作出硅膠模具，然后對澆注材料進(jìn)行抽真空、材料混合、進(jìn)氣消泡等操作之后，將其注入硅膠模具型腔，最后通過交聯(lián)、固化等化學(xué)反應(yīng)完成液體向固體的形態(tài)轉(zhuǎn)變，從而得到澆注件，具體工藝流程如圖2所示。

1.3 真空注型裝置存在的問題

對于沒有任何實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生而言，現(xiàn)有的真空注型裝置主要存在以下幾個(gè)問題：

圖2 真空注型工藝流程

(1) 國內(nèi)外VC設(shè)備的控制方式主要有手動、電動和記憶三種模式，設(shè)備操作復(fù)雜，對于操作人員的經(jīng)驗(yàn)要求很高，學(xué)生操作安全性差、產(chǎn)品廢品率高。

(2) 現(xiàn)有的VC設(shè)備內(nèi)部機(jī)構(gòu)運(yùn)行情況需要通過觀察窗口進(jìn)行監(jiān)視，不利于教師對工藝過程的講解和操作過程的示范，也不利于學(xué)生操作過程中的觀察。

(3) 現(xiàn)有的VC設(shè)備箱體壓力檢測通常采用模擬式的壓力表，需要人為判斷并作出快速響應(yīng)，否則易錯(cuò)過最佳操作時(shí)間，對學(xué)生的操作敏捷性要求過高。

(4) 整個(gè)操作過程要求操作人員對工藝流程非常清晰，且大多沒有任何保護(hù)和錯(cuò)誤操作提示信息，學(xué)生誤操作情況很嚴(yán)重。

因此，本文旨在開發(fā)一款適用于本科實(shí)踐教學(xué)，適合學(xué)生使用，具有安全性高、操作性好、自動化程度高的真空注型實(shí)驗(yàn)裝置。

2 真空注型裝置結(jié)構(gòu)及模塊功能

2.1 真空注型裝置總體結(jié)構(gòu)

針對真空注型裝置存在的問題，根據(jù)VC工藝流程，開發(fā)的真空注型實(shí)驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3 真空注型實(shí)驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)框架

2.2 真空注型裝置模塊功能介紹

(1) 控制模塊。控制模塊是硬件部分的核心，由計(jì)算機(jī)(PC)和可編程邏輯控制器(PLC)構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)真空注型工藝過程的控制，與監(jiān)測模塊、執(zhí)行模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，保證工藝過程順利按需進(jìn)行。該模塊是實(shí)現(xiàn)裝置自動化的關(guān)鍵，從而降低了對學(xué)生操作經(jīng)驗(yàn)的要求。

(2) 監(jiān)測模塊。監(jiān)測模塊由視頻監(jiān)視器及2個(gè)壓力傳感器和4個(gè)限位開關(guān)構(gòu)成，主要功能包括料杯位置檢測、真空室壓力檢測、實(shí)時(shí)監(jiān)視等。該模塊是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程可視化的關(guān)鍵，適合教師進(jìn)行開放式教學(xué)和學(xué)生操作過程的觀察。

(3) 執(zhí)行模塊。執(zhí)行模塊主要是接收控制模塊的控制信號，實(shí)現(xiàn)抽真空、進(jìn)氣、攪拌、傾倒?jié)沧⒌葎幼鳌?/p>

2.3 真空注型裝置硬件

該裝置的機(jī)械本體采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，由箱體模塊、上下門模塊、AB杯模塊、機(jī)架模塊、鈑金模塊組成，本文所開發(fā)的數(shù)控真空注型[13-14]裝置硬件部分如圖4所示。

圖4 真空注裝置硬件設(shè)計(jì)

2.4 真空注型裝置軟件開發(fā)

本文開發(fā)的真空注型裝置采用典型的上下位機(jī)控制模式，因此，其軟件組成主要包括上位機(jī)軟件以及下位機(jī)程序。

(1) 下位機(jī)軟件開發(fā)。下位機(jī)主要完成硅膠模具制作的程序和澆注件制作的程序，澆注件制作中又分為手動操作和自動操作，下位機(jī)程序采用主程序調(diào)用子程序的設(shè)計(jì)思路，在滿足相應(yīng)的條件之后分別調(diào)用自動控制子程序、手動控制子程序、硅膠模具制作子程序，下位機(jī)程序框架如圖5所示。

(2) 上位機(jī)軟件開發(fā)。上位機(jī)是以PC為核心，由人機(jī)界面模塊、實(shí)時(shí)控制模塊、數(shù)據(jù)庫模塊組成，采用VB進(jìn)行開發(fā)[15]，代表性的人機(jī)界面如圖6所示。

2.5 真空注型裝置特點(diǎn)

該數(shù)控真空注型裝置主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1) 機(jī)械本體體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，適合學(xué)生分組

圖5 下位機(jī)程序框架

(c) 澆注件制作操作界面(d) 案例資源界面

圖6 真空注型裝置軟件界面開發(fā)

(3～5人)實(shí)驗(yàn)操作；

(2) 裝置控制面板僅有“電源”和“急停”兩個(gè)按鈕，全部操作功能均由上位機(jī)軟件界面實(shí)現(xiàn)，相對現(xiàn)有的真空注型設(shè)備，大大降低了操作難度，適合操作經(jīng)驗(yàn)少的學(xué)生適用；

(3) 各個(gè)操作按鈕后臺都根據(jù)工藝過程編制了保護(hù)和互鎖功能，有效地防止了學(xué)生實(shí)踐過程中誤操作和亂操作的情況，根據(jù)提示讓學(xué)生更清楚快速模具的制造工藝和注意事項(xiàng)；

(4) 位移傳感器的使用起到了過行程保護(hù)的作用，壓力傳感器的使用實(shí)現(xiàn)了腔內(nèi)壓力值的實(shí)時(shí)顯示，視頻監(jiān)視器的使用實(shí)現(xiàn)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，適于教師進(jìn)行開放式教學(xué)和操作演示，也適合學(xué)生動手實(shí)操時(shí)觀察實(shí)際工藝過程。

3 快速模具實(shí)踐項(xiàng)目

以一個(gè)“汽車天線蓋”樣件為例，使用所開發(fā)的V450NA真空注型裝置讓學(xué)生了解和掌握快速模具工藝方法。

3.1 硅膠模制作

(1) ?？蛑谱鳌Ｃ璩龇帜Ｃ?，再按照母模的尺寸和形狀制作?？?，將母模置于?？騼?nèi)。

(2) 硅膠與固化劑的計(jì)量和混合。將硅膠和固化劑稱量好并按照規(guī)定比例導(dǎo)入桶里并混合攪拌。

(3) 硅膠真空脫泡。將裝硅膠的桶放入模具室，關(guān)閉攪拌室和模具室門；開啟V450NA真空注型機(jī)電源，進(jìn)入控制系統(tǒng)，單擊“硅膠制?！卑粹o進(jìn)入硅膠模制作界面，如圖6(b)所示，反復(fù)進(jìn)行消泡操作，直至達(dá)到消泡要求為止。

(4) 硅膠澆注。將硅膠倒入?？颍賹⒐枘z模?？蚍湃?5～50 ℃的烘箱中6～8 h可完全固化。

(5) 分模。硅膠完全固化后，卸下?？?，在分模面畫出波浪形的分模線，然后用美工刀與分口鉗沿分模線劃開硅膠模，取出母模，如圖7所示。然后開氣孔及澆注口，將上下半模具合并，放入烘箱預(yù)熱。

3.2 澆注件制作

(1) 將硅膠模放入模具室，將漏斗與硅膠模澆注口聯(lián)接，并將放有樹脂和固化劑的A杯、B杯分別放入攪拌室A杯托架和B杯托架，關(guān)閉攪拌室和模具室門。

(2) 開啟V450NA真空注型軟件，單擊“手動差壓”按鈕進(jìn)入手動差壓制作界面，如圖6(c)所示，按照由上到下的順序操作直至澆注完畢。

(3) 單擊“保存案例”按鈕跳轉(zhuǎn)到“案例資源”窗口，可在數(shù)據(jù)庫中保存下本次澆注的步驟及參數(shù)，如圖6(d)所示。

(4) 澆注完成，將硅膠模放入烘箱，在70℃環(huán)境下固化，等到完全固化后，拆除密封和固定的材料，切除澆注口，取出澆注零件，如圖8所示。

4 結(jié) 語

快速模具實(shí)踐內(nèi)容的開展有利于學(xué)生更加系統(tǒng)地了解增材制造技術(shù)的知識，更加清楚作為3D打印后續(xù)必要工藝的快速模具技術(shù)的概念、裝備和操作技能，真正做到和企業(yè)實(shí)際的人才需求相結(jié)合，彌補(bǔ)該領(lǐng)域人才稀缺的問題。該實(shí)踐項(xiàng)目是典型的將應(yīng)用較廣的生產(chǎn)技術(shù)引入教學(xué)的案例，將實(shí)用技術(shù)引入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，讓更多的學(xué)生受益，拓展了學(xué)生的知識面。該實(shí)踐項(xiàng)目的引入為工程訓(xùn)練實(shí)踐課程教學(xué)注入了新的實(shí)用素材，必將會提升該課程的實(shí)用性、先進(jìn)性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對該類課程的教學(xué)改革也將起到一定的促進(jìn)作用。