注塑模具數(shù)字化設(shè)計與智能制造技術(shù)研究

李祥偉

（湖南省郴州技師學(xué)院，郴州 423000）

數(shù)字化設(shè)計與智能制造技術(shù)是管理科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、制造技術(shù)以及計算機技術(shù)等多種先進技術(shù)的融合與應(yīng)用的結(jié)果，是制造業(yè)向數(shù)字化與智能化發(fā)展的必然趨勢[1]。基于模具制造業(yè)發(fā)展形勢，需要積極研究和應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計與智能制造技術(shù)，將相關(guān)技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)信息化技術(shù)的結(jié)合，打造模具設(shè)計與制造的系統(tǒng)化平臺，從而提升模具設(shè)計與制造的智能化與數(shù)字化水平，以模具數(shù)字化設(shè)計、智能化制造促進高新技術(shù)科學(xué)應(yīng)用，推動模具制造行業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展[2-4]。

1 傳統(tǒng)工藝流程

傳統(tǒng)情況下，精密銑削、精密三坐標測量和精密放電加工都是精密注塑模具制造過程的幾大部分。制造精密注塑模具的過程中，一般從以下幾個方面著手。第一，計算機輔助設(shè)計（Computer Assistant Design，CAD）部門主要負責(zé)模具的設(shè)計工作。第二，計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）部門主要負責(zé)工藝制定和數(shù)控加工工作[5]。第三，電加工部門主要負責(zé)模具主要零件的電火花放電加工工作。其中，電火花放電加工是精密模具制造的重要環(huán)節(jié)。電加工過程中，三坐標指定測量點的選擇、電極是否偏心、放電間隙是否準確等方面都需要進行嚴格的質(zhì)量檢測工作。對于電極偏心和放電間隙存在問題的情況，需要基于質(zhì)量控制（Quality Control，QC）提供的電極檢測報告進行電火花放電加工工作。只有在確定三坐標精密檢測的情況下，才能夠不斷提高整個模具的制造精密度。在電極偏心量和放電間隙存在偏差的情況下，模具精度會受到嚴重影響。這種情況下運用手寫標簽的方式不僅會大大降低整體的生產(chǎn)效率，還無法實現(xiàn)3個工序之間的信息互享，無法達到高效率狀態(tài)。為了提高檢測效率，大多數(shù)企業(yè)會使用電極抽檢的方式進行檢測[6]。電極抽檢是選擇個別電極之間的偏差來指導(dǎo)電極的補償，但是這種方式對模具精度的把控還沒有達到較為準確的狀態(tài)，有時甚至?xí)l(fā)模具報廢。電極全檢是唯一一個可保證模具精度達到標準的方法，但需要加大工作人員檢測工作來保證模具的精準度。智能制造技術(shù)的出現(xiàn)不僅能克服上述問題，還能夠提高電極檢測效率。在信息化日益發(fā)展的今天，推薦使用智能制造技術(shù)完成相應(yīng)的工作。

2 模具制造發(fā)展狀況

對于一些經(jīng)濟發(fā)展較快的先進國家來說，模具制造技術(shù)正處于快速研究和開發(fā)的階段，越來越多的先進技術(shù)以及設(shè)備被投入到模具制造業(yè)來提高模具開發(fā)質(zhì)量。在模具開發(fā)質(zhì)量提高的情況下，整個國家的經(jīng)濟和社會飛速發(fā)展。注塑模具包含各種各樣的模具，其中有疊層模具、倒裝注塑模具、三板模具、普通注塑模具、高光注塑模具以及模內(nèi)轉(zhuǎn)印注塑模具等。我國常用的是從外國進口來的糖塑模具和陰模吸塑模具，但是目前這兩種模具無法滿足我國生產(chǎn)的需求。為了能夠不斷促進我國模具制造業(yè)的發(fā)展，必須重視制造技術(shù)的深化和研究工作。

3 注塑模具制造產(chǎn)品的市場基礎(chǔ)

3.1 注塑模具產(chǎn)品存在需求

在實際設(shè)計和加工注塑模具產(chǎn)品的過程中，需要綜合考慮以下幾個方面。首先，要注重模具的安全性，這點極其重要。無論從防水、消防，還是站在安全防范方面，都需要嚴格按照我國的標準規(guī)范嚴格進行。其次，在保證安全性的情況下，可以保證產(chǎn)品更具環(huán)保性、經(jīng)濟性和美觀性。再次，產(chǎn)品的整體布局以及它們之間的相互聯(lián)系關(guān)系需要進行合理搭配，同時要詳細思考分析加工的可靠性和加工難易程度。最后，在實際注塑模具產(chǎn)品設(shè)計過程中，要通過相關(guān)的科學(xué)方法選擇構(gòu)建規(guī)格和類型，不可隨意選擇和生產(chǎn)。在滿足以上要求后，相關(guān)設(shè)計人員可以結(jié)合自身需求進行合理延伸，使得相關(guān)類型的注塑模具產(chǎn)品更加多樣化和新穎。

3.2 注塑模具產(chǎn)品的經(jīng)濟性能好

注塑模具產(chǎn)品的基本性能與生產(chǎn)效率之間有著密切聯(lián)系。在實際設(shè)計工作中，除了要在基本設(shè)計元素和準則上進行考慮之外，產(chǎn)品設(shè)計的經(jīng)濟效益也極其重要。目前，生產(chǎn)模具主要是為了幫助產(chǎn)品向著更好的方向發(fā)展，而實現(xiàn)這一目標需要不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量。所以，在實際生產(chǎn)過程中，要盡可能在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競爭力。此外，產(chǎn)品生產(chǎn)效率的提升需要不斷進行探索與思考，從以往成功經(jīng)驗的角度分析，需要不斷提升注塑模具的設(shè)計與制造水平。

4 注塑模具數(shù)字化設(shè)計與智能制造技術(shù)要點

4.1 智能模具加工島

智能模具加工島由多個方面組成，主要包括數(shù)控加工中心、工件電極庫、六自由度機器人、電子看板以及精密型數(shù)控電火花成型機床等。加工任務(wù)和設(shè)備調(diào)度都遵守加工島的要求來完成。在實際使用加工島進行加工工作的過程中，需要在公建電梯庫上放置凹凸模工件毛坯，之后在每個電極和毛坯的料位上放置傳感器并掃描相應(yīng)的信息，通過對讀取的信息進行關(guān)聯(lián)得出相應(yīng)的設(shè)備加工順序。此時，機械手會嚴格按照指令進行一系列工作，在加工工作完成后重新由機械手放回到工件電極庫中。

4.2 模具方案設(shè)計

在設(shè)計注塑模具方案的過程中，需要從分型面設(shè)計、產(chǎn)品分析、冷卻系統(tǒng)、型腔排列等方面入手，其中脫模機構(gòu)設(shè)計的合理性是設(shè)計工作的要點。根據(jù)模具結(jié)構(gòu)的不同特點設(shè)計模具，選取合適的加工工藝提高模具質(zhì)量，保證加工過程能夠順利進行。對于一些特殊要求，需根據(jù)實際情況查看。如果要求不符合相應(yīng)的數(shù)據(jù)和參數(shù)，那么將會極大地影響最終的產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。此外，需要在CAD軟件上運用圖紙設(shè)計的方式完成3D 建模，以保證模具設(shè)計工作的質(zhì)量達到預(yù)期效果。

4.3 模具工藝設(shè)計

模具型腔和電極加工程序的編制工作基于CAM軟件完成，整個模具表的制定和輸出工作是在實際生產(chǎn)過程的任務(wù)和工作平臺上完成的。通過對零件工藝進行編制工作后，在其基礎(chǔ)上完成零件加工工藝卡，最終順利完成模具工藝的設(shè)計。

4.4 完成智能調(diào)試工作

在設(shè)置模具設(shè)計各項參數(shù)的過程中，要綜合考慮制造執(zhí)行系統(tǒng) （Manufacturing Execution System，MES）、數(shù)控銑床以及射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）、文件管理系統(tǒng)（Electronic Document Managements ，EMD）等多個方面，在必要的情況下需要在并網(wǎng)的基礎(chǔ)上完成大數(shù)據(jù)調(diào)試工作。這個工作需要保證具有對應(yīng)的人工位點，保證整個模具生產(chǎn)過程在實現(xiàn)自動化的情況下完成智能化調(diào)試工作。

4.5 模具成型零件加工

模具成型零件的加工工作是在RFID管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過運用MES系統(tǒng)和智能產(chǎn)線來進行整體的零件加工工作。

4.6 模具裝配

在模具結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上進行模具的裝配工作。只有在圖紙上進行不斷探討，才能夠得出更加科學(xué)合理的注塑膜全部零件裝配工作內(nèi)容，同時可以選擇一些比較先進的電動工具幫助完成相應(yīng)的裝配加工工作。但是，相關(guān)工作人員一定要詳細了解這些先進的設(shè)備和技術(shù)，確保順利完成整個模具裝配工作。

4.7 試模與修模

在選擇注塑成型參數(shù)的過程中，通常需要合理選擇塑料成型工藝。所有的注塑工作都需要在注塑機的模架上完成。

5 注塑模具數(shù)字化設(shè)計

設(shè)計注塑模具時，一般包含有產(chǎn)品分析、分型面設(shè)計、型腔排列、模架選用、澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計等過程。利用傳統(tǒng)方法設(shè)計時，設(shè)計人員憑借經(jīng)驗，在整個設(shè)計環(huán)節(jié)需要進行大量計算，翻閱技術(shù)手冊，選定技術(shù)參數(shù)，手工繪制模具相關(guān)圖如總裝圖。整個設(shè)計過程模具修改頻繁，設(shè)計效果不佳。運用軟件UG和Pro/E 對注塑模具進行數(shù)字化設(shè)計，可以實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。下面以相機面殼的注塑模具設(shè)計過程為例進行說明。

5.1 塑料制件的三維造型

根據(jù)提供的相機面殼工程圖，通過拉伸、切除、倒圓角、拔模和抽殼等特征造型方法創(chuàng)建相機面殼模型，如圖1所示。

5.2 塑料注塑模主要零/部件設(shè)計

根據(jù)相機面殼所使用的材料（ABS，ρ=1.05 g·cm-3）設(shè)置收縮率為0.5%，在當前文件下建立毛坯工件，利用側(cè)面影像線和裙邊曲面建立分型面，利用分型面將工件拆分成注塑模型芯和注塑模型腔兩個體積塊。抽取模具元件，采用合適的澆注系統(tǒng)命令完成相機面殼的模具設(shè)計。

模具開模仿真效果圖如圖2所示。

5.3 選擇注射機

利用Pro/E軟件的模型分析功能求出塑件的體積和質(zhì)量，從實際注射量應(yīng)在額定注射量的20%～80%考慮，選擇相應(yīng)的注射成型機。

5.4 模架及其他零件設(shè)計

運用EMX4.1（模架設(shè)計專家），結(jié)合注塑模型芯、注塑模型腔，設(shè)計相機面殼模具模架及其他零件，相機面殼模具效果圖如圖3所示。

5.5 模具裝配圖

利用Pro/E中的繪圖模塊和AutoCAD軟件生成模具裝配圖，相機面殼模具（主視圖）如圖4所示。

6 模具智造技術(shù)的應(yīng)用

隨著分析軟件的逐漸完善、加工設(shè)備和檢測設(shè)備的快速技術(shù)進步，軟件可以提前分析并模擬整個制造過程。先進制造設(shè)備能夠保證加工制造精度，而傳統(tǒng)經(jīng)驗在模具設(shè)計、制造方面越來越不能滿足需求。現(xiàn)代模具技術(shù)具有系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析能力，并能夠從分析結(jié)果中找出規(guī)律形成標準。知識經(jīng)濟時代，就要用知識改變模具制造模式。未來模具制造將被淘汰，模具智造才是模具技術(shù)發(fā)展的未來。

6.1 重視前期分析

隨著分析軟件的發(fā)展，前期分析軟件逐漸受到重視。

（1）產(chǎn)品設(shè)計完成后可以進行強度分析，包括仿真分析和各種使用工況下的軟件模擬分析，用分析數(shù)據(jù)指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計，避免產(chǎn)品制造過程的浪費，縮短產(chǎn)品研發(fā)過程，提高產(chǎn)品設(shè)計的準確性。

（2）模具設(shè)計前的模流分析可以模擬產(chǎn)品的整個充填過程，為模具設(shè)計和注塑成型提供重要的理論參考數(shù)據(jù)，有效提高模具開發(fā)的成功率。

（3）模具結(jié)構(gòu)仿真分析軟件可以分析模具強度、模擬模具在受力和溫度等條件下的狀況，便于模具開發(fā)技術(shù)人員提前發(fā)現(xiàn)風(fēng)險，避免后續(xù)反復(fù)修改模具，甚至造成模具整體失敗。

（4）模具零件在實際加工前也可以用軟件先模擬加工，確認正確后再實際動刀加工，避免造成實際損失。

6.2 重視數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)分析能力

理論分析完成后要進行實際的制造。模具行業(yè)的技術(shù)人員要具備系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析能力，利用這些數(shù)據(jù)有效權(quán)衡，不斷改善生產(chǎn)。必要時可進行相關(guān)的實驗和驗證，將結(jié)果標準化。長期大量重復(fù)使用的數(shù)據(jù)，要考慮利用軟件來完成。此外，未來具有系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析能力的模具技術(shù)人才將會改變模具行業(yè)的制造模式。

6.3 重視標準化和模組化

模具設(shè)計利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，可促使大量的模具零件形成標準化，而標準化的零件將形成各種模組。目前，各個模具企業(yè)都有自己的標準，技術(shù)水平參差不齊，未來將會出現(xiàn)專門研究標準化零件和模組化模具組件的專業(yè)公司。設(shè)計模具就像堆積木，標準件和標準化模具件可以直接購買。模具設(shè)計只要設(shè)計產(chǎn)品成型部分，并把各種標準組件進行合理堆疊。

6.4 3D打印技術(shù)將在模具制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D金屬打印技術(shù)將大量應(yīng)用于模具制造行業(yè)。目前，3D打印在模具行業(yè)僅僅是打印3D隨形冷卻水路等，將來很有可能打印精密零件甚至整套模具，從而徹底改變模具加工方式。

7 結(jié)語

研究注塑模具數(shù)字化設(shè)計與智能制造技術(shù)，需要在清楚該技術(shù)含義、意義與內(nèi)容的基礎(chǔ)上，分析其中的模具方案設(shè)計與工藝設(shè)計等數(shù)字化設(shè)計，重視其中的大數(shù)據(jù)分析調(diào)試、模具零件加工、模具裝配以及試模修模等模具智能制造工作。未來模具行業(yè)將會出現(xiàn)大量專業(yè)技術(shù)服務(wù)公司，為模具企業(yè)提供各個方面的專業(yè)技術(shù)服務(wù)。比如，方案公司設(shè)計產(chǎn)品、模流分析、仿真結(jié)構(gòu)分析、強度分析、模具設(shè)計、編程服務(wù)和整套技術(shù)解決方案。一般模具企業(yè)將會改變小而全的模式，僅僅留下模具零件加工和組裝等需要加工設(shè)備完成的工作。通過全面分析模具智能制造技術(shù)工作流程，注塑模具數(shù)字化設(shè)計與智能制造技術(shù)的發(fā)展將推動我國制造業(yè)不斷發(fā)展。