注射成型柔性制造模具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

李正典，宋 樂，李明昊，何雪濤，謝鵬程，楊衛(wèi)民*

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029）

0 前言

2010 年全球近視人群約有19.5 億，占世界總?cè)丝诘?8.3 %，2018 年我國兒童青少年總體近視率為53.6%，遠(yuǎn)超國際水平。一個(gè)關(guān)鍵原因是我國針對(duì)早期近視干預(yù)不足，未能進(jìn)行及時(shí)干預(yù)和矯正，導(dǎo)致近視程度不斷進(jìn)展［1-2］。開發(fā)一種兼具加工周期短、成本低、成型精度高的屈光矯正眼鏡制備技術(shù)是至關(guān)重要的。

注射成型是一種3D 復(fù)印智能制造技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征塑料制品的大規(guī)模復(fù)制加工。注射成型過程自動(dòng)化程度高、速度快、制品精度好。無論是高精度產(chǎn)品制造還是大批量生產(chǎn)，注射成型技術(shù)都有著其他技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢。注射成型技術(shù)的最大特點(diǎn)是成型效率高，在日常生活所需的精密光學(xué)制品中有著廣泛的應(yīng)用［3-4］。在傳統(tǒng)注射成型工藝中，鏡片模具可實(shí)現(xiàn)同一批次產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)，為滿足多樣的鏡片需求，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的鏡片定制，需要開多套模具，這無疑提高了制造成本。為了解決這一問題，筆者提出柔性變焦模塑眼鏡注射成型裝備，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鏡面位置成型模腔變形，使同一套模具系統(tǒng)可生產(chǎn)出不同度數(shù)的鏡片，不僅大幅度降低模具總體投入，省去換模時(shí)間，更有利于實(shí)現(xiàn)智能化云制造的大規(guī)模個(gè)性化定制。

對(duì)于變焦模塑眼鏡而言，鏡片度數(shù)的精密控制是其主要參考因素，因此有必要探索液壓壓力對(duì)鏡片度數(shù)的作用規(guī)律。王永軍等［5］對(duì)板材與型材柔性模具技術(shù)做了解釋，并總結(jié)了3 種柔性模具成型方法，以及其成型關(guān)鍵技術(shù)分析。王曉康等［6］對(duì)模具數(shù)字化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)與制造現(xiàn)狀做了分析與總結(jié)，并介紹了與其他軟件的聯(lián)合運(yùn)用。本文通過UG 靜力學(xué)仿真與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，研究了液壓壓力對(duì)鏡片度數(shù)變化的作用規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 柔性模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)眼鏡的制造，本人設(shè)計(jì)并制造了一套鏡片度數(shù)可調(diào)的柔性制造模具系統(tǒng)，如圖1 所示，本模具中鏡片位置的模具型腔是一個(gè)柔性金屬膜片。金屬膜片后側(cè)是液壓變形腔，液壓變形腔中充入液壓油，可以通過改變液壓油的充填量及充填壓力來改變金屬膜片的曲率，從而達(dá)到柔性變焦的目的，實(shí)現(xiàn)一套模具注射成型不同度數(shù)眼鏡的需求。

圖1 柔性制造模具系統(tǒng)Fig.1 Molding systems for flexible manufacturing

1.2 金屬膜片變形的仿真分析

使用UG 靜力學(xué)仿真模塊對(duì)可變形金屬膜片進(jìn)行仿真分析，為簡化仿真過程，在不影響模型合理的前提下，進(jìn)行以下基本假設(shè)：1、金屬膜片兩側(cè)受力均勻，均為法向壓力；2、在本分析中金屬膜片采用周向曲面固定約束，采用這種約束方式的原因有以下兩點(diǎn)：①本模具中金屬膜片四周均與模具嵌塊使用焊接緊密連接；②在模具工作中，金屬膜片四周的窄邊也會(huì)被模具的裝配結(jié)構(gòu)壓緊。綜上所述，本模具中，金屬膜片四周均已被充分卡緊，無法產(chǎn)生類似鉸鏈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，本研究采用周向曲面固定約束具有合理性。

將金屬膜片實(shí)體模型導(dǎo)入到UG 軟件靜力學(xué)仿真模塊中，設(shè)置金屬膜片材料為彈簧鋼，具體參數(shù)如表1所示。

表1 金屬膜片彈簧鋼的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of metal diaphragm spring steel

本文使用四面體網(wǎng)格對(duì)金屬膜片模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)點(diǎn)和單元總數(shù)量分別為22 772 和11 164。金屬膜片周向曲面設(shè)置固定約束，金屬膜片任意一表面施加的壓力載荷如表2所示［7-8］。

表2 金屬膜片壓力值與最大應(yīng)力值Tab.2 Pressure and maximum stress of metal diaphragm

1.3 實(shí)驗(yàn)研究

使用寧波長飛亞塑料機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為ZE1200的電液混合注塑機(jī)，作為柔性變焦模塑眼鏡注射成型設(shè)備。選用沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司生產(chǎn)的牌號(hào)為LEXANTM PC LS2-111 的聚碳酸酯（PC）材料作為注射成型材料，材料在100 ℃下烘干5～6 h后進(jìn)行注射成型。使用一臺(tái)寧波多吉爾公司提供的液壓站，壓力調(diào)節(jié)范圍為0～10 MPa，提供模具度數(shù)改變所需的液壓壓力。

在實(shí)驗(yàn)過程中，首先給液壓變形腔充入液壓油，待液壓壓力穩(wěn)定在所需值后，關(guān)閉輸油管上的截止閥，使對(duì)應(yīng)體積的液壓油封閉在金屬膜片變形的液壓變形腔里，形成一個(gè)恒定體積的系統(tǒng)，由于液壓油幾乎不能被壓縮，因此，在注射成型過程中，即便塑料熔體壓力遠(yuǎn)大于液壓油初始?jí)毫?，由于液壓變形腔已?jīng)被封閉，封閉的液壓油可以與高壓的塑料熔體達(dá)到壓力平衡，并保證金屬膜片維持凸起狀態(tài)。

注塑機(jī)相關(guān)注射參數(shù)為：模具溫度為100 ℃、熔體溫度為300 ℃、注射速度為100 mm/s、保壓時(shí)間為7 s、冷卻時(shí)間為20 s、注射壓力為80 MPa［9-10］。

實(shí)驗(yàn)采用單因素變化的方法，研究注射成型過程中液壓站液壓壓力對(duì)眼鏡制品度數(shù)的影響結(jié)果。液壓變形腔液壓壓力參照靜力學(xué)分析確定，自0.5～4 MPa按照等差數(shù)列進(jìn)行調(diào)節(jié)，每次增加0.5 MPa，共形成8組數(shù)據(jù)，如表3所示。為避免干擾因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，確保每組實(shí)驗(yàn)在工況穩(wěn)定10 模后，取接下來的5 模樣品作為分析樣品。

表3 鏡片測量結(jié)果Tab.3 Result of lens measurement

對(duì)得到的眼鏡鏡片使用激光測量儀進(jìn)行厚度測量，所選測試裝置如圖2所示。首先將激光測量儀固定在桌面上，然后定位眼鏡制品測量位置，測量位置選擇鏡片中心區(qū)域，確保每次測量位置的一致性。分別在眼鏡鏡片的上下表面粘貼遮光膠帶，將所測量的兩項(xiàng)數(shù)據(jù)求差，即為所測鏡片制品厚度數(shù)據(jù)。每一組厚度均在同等條件下制備的塑件制品上測量，分別測量在不同液壓壓力下注射成型眼鏡鏡片的厚度，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，并對(duì)每組編號(hào)下的5 個(gè)樣本求平均值，記錄每組編號(hào)下眼鏡鏡面的平均厚度。

圖2 眼鏡制品和激光測量儀裝置Fig.2 Optical products and laser measuring device

2 結(jié)果與討論

2.1 靜力學(xué)分析結(jié)果

在金屬膜片一側(cè)分別施加不同壓力載荷，求解加載得到金屬膜片的等效應(yīng)力值，通過表1 可以知道，彈簧鋼的屈服強(qiáng)度為1 177 MPa，此值限定液壓壓力允許施加的最大值。經(jīng)多次仿真分析，金屬膜片在施加不同載荷條件下的最大應(yīng)力值如表2 所示，在壓力為4 MPa時(shí)，金屬膜片的等效應(yīng)力圖如圖3所示。

圖3 金屬膜片的等效應(yīng)力圖Fig.3 Equivalent stress diagram of metal diaphragm

在施加壓力載荷為0.5 MPa 時(shí)，金屬膜片承受的最大應(yīng)力為147.52 MPa，增加施加載荷，最大應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)施加載荷增加至4.0 MPa 時(shí)，金屬膜片承受的最大應(yīng)力為1 168.54 MPa，此時(shí)金屬膜片承受的應(yīng)力接近其可承受的最大應(yīng)力值，故不能繼續(xù)增加壓力載荷，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供理論支持。

2.2 注射成型制品分析

2.2.1 液壓變形腔壓力對(duì)尺寸穩(wěn)定性的影響

通過注塑機(jī)注射成型眼鏡制品，得到了不同液壓變形腔液壓壓力對(duì)應(yīng)的眼鏡制品，通過激光測量儀測得鏡片厚度，其厚度測量值如表3所示。

對(duì)每組編號(hào)下的5 個(gè)樣本求方差，方差分布如圖4所示。根據(jù)方差結(jié)果可知，每組方案內(nèi)鏡片厚度基本維持在一定波動(dòng)范圍之內(nèi)，分析本實(shí)驗(yàn)鏡片度數(shù)改變?cè)砜芍?，液壓變形腔液壓壓力不?huì)影響鏡片的尺寸穩(wěn)定性，厚度基本維持在正常波動(dòng)范圍之內(nèi)，符合注射成型工藝的批量化生產(chǎn)要求。

圖4 鏡片厚度的標(biāo)準(zhǔn)差散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter plot of standard deviation of lens thickness

可以看出，眼鏡鏡片厚度與液壓壓力的關(guān)系，隨著液壓壓力的增加，眼鏡制品的鏡片厚度減小，在此注射成型參數(shù)下，鏡片厚度共減少0.292 mm。對(duì)比眼鏡制品厚度的變化曲線，明顯發(fā)現(xiàn)曲線呈曲率減小的趨勢，進(jìn)一步分析注射成型的過程，可以解釋為注射成型過程中，眼鏡制品厚度受液壓站液壓壓力和熔體保壓壓力的共同影響，熔體保壓壓力會(huì)抵消部分液壓壓力對(duì)金屬膜片變形的影響，在液壓站液壓壓力較大時(shí)，金屬膜片的變形曲率更大，熔體在保壓壓力作用下對(duì)金屬膜片的影響也愈加明顯，因此實(shí)際注射成型中，金屬膜片的變形是多種壓力共同影響的結(jié)果。

2.2.2 液壓變形腔壓力對(duì)鏡面厚度的影響

如圖5 所示為不同液壓變形腔液壓壓力下眼鏡制品鏡面厚度的曲線，橫坐標(biāo)表示液壓壓力值，縱坐標(biāo)表示眼鏡制品的厚度曲線變化。

圖5 液壓壓力對(duì)眼鏡制品厚度的影響曲線Fig.5 Effect of hydraulic pressure on the thickness of eye products

2.2.3 液壓變形腔液壓壓力對(duì)眼鏡度數(shù)的影響

將近視眼鏡結(jié)構(gòu)簡化為如圖6所示，鏡片度數(shù)與鏡片厚度的關(guān)系可以由式（1）～（4）計(jì)算得出。

圖6 近視眼鏡的結(jié)構(gòu)簡圖Fig.6 Structure diagram of myopia glasses

式中R1——眼鏡凸面半徑，m

R2——眼鏡凹面半徑，m

e——鏡面平均半徑，m

d——眼鏡周測厚度，m

LBD——鏡片實(shí)測厚度，m

n——PC材料折射率

注射成型眼鏡凸面半徑為0.5 m，鏡面平均半徑為0.025 m，眼鏡周測厚度為0.004 m，PC 材料折射率為1.56。

經(jīng)上式計(jì)算可以得出所有鏡片厚度對(duì)應(yīng)的眼鏡度數(shù)，如表4 所示。在本實(shí)驗(yàn)注射成型工藝參數(shù)下，當(dāng)液壓站壓力從0.5 MPa 增至4 MPa 的過程中，鏡片厚度從3.516 mm 減小至3.224 mm，鏡片度數(shù)從153 °增至205°，鏡片度數(shù)與鏡片厚度呈線性變化，在保壓壓力的作用下，眼鏡度數(shù)與液壓壓力呈曲率減小的曲線變化。通過改變金屬膜片在不同模具中的初始曲率條件，可以實(shí)現(xiàn)更多類型度數(shù)的眼鏡生產(chǎn)。

表4 鏡片度數(shù)的對(duì)應(yīng)值Tab.4 Corresponding value of lens power

3 結(jié)論

（1）借助注射成型可實(shí)現(xiàn)批量化產(chǎn)品生產(chǎn)的優(yōu)勢，提出柔性變焦眼鏡模具，實(shí)現(xiàn)一套模具可生產(chǎn)多樣制品的功能，降低開模成本，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化鏡片定制。借助UG 靜力學(xué)仿真模塊對(duì)眼鏡模具的金屬膜片進(jìn)行模擬仿真，并借助注塑機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明其實(shí)驗(yàn)方案具有可行性；

（2）通過設(shè)計(jì)多組液壓站液壓壓力方案，借助激光測量儀測試鏡片厚度，經(jīng)對(duì)比分析可知，柔性模具可以實(shí)現(xiàn)同一套模具系統(tǒng)生產(chǎn)出不同度數(shù)的鏡片，并且可實(shí)現(xiàn)鏡片具體度數(shù)的曲率調(diào)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)通過探索鏡片厚度與液壓壓力的曲線關(guān)系，為批量化生產(chǎn)所需度數(shù)的眼鏡制品提供理論依據(jù)。