基于計算機輔助技術(shù)的數(shù)字化注塑模具優(yōu)化研究

任娟 劉紅梅

摘要：針對塑料制品模具設(shè)計存在的修模頻繁、試模工作量大、浪費大和耗時長等問題，本文基于計算機輔助技術(shù)（computer-aided design，CAD），對數(shù)字化注塑模具進行優(yōu)化，形成數(shù)字模型，并借助逆向工程關(guān)鍵技術(shù)及3D掃描去除雜點，對塑件的注塑模具進行計算機輔助技術(shù)設(shè)計，并進行優(yōu)化。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后，注塑模具成型時間為0.32 s，保壓曲線使整體塑件收縮更均勻，且塑件的殘余壓力減小，壓力趨勢保持一致，翹曲變形符合產(chǎn)品工藝要求，且因收縮不均導致的翹曲變形降低到0.69 mm，提高了22%，優(yōu)化效果滿足要求，驗證了本文所研究的注塑工藝優(yōu)化方法具有可行性，且注塑模具的功能有所提高，縮短了開發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本。該研究具有一定的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：注塑模具； 計算機輔助技術(shù)； 塑料模型； CAE技術(shù)； 塑件曲面

中圖分類號：TP391.4; TQ320.66+1 文獻標識碼：A

文章編號：1006-9798（2023）02-0053-07； DOI：10.13306/j.1006-9798.2023.02.008

基金項目：蘇州市社會科學基金資助項目（Y2020LX117）

作者簡介：任娟（1981-），女，碩士，講師，主要研究方向為機械工程、汽車工程和工業(yè)機器人。

通信作者：劉紅梅（1976-），女，碩士，副教授，主要研究方向為計算機基礎(chǔ)教學、工業(yè)機器人和教育信息化。 Email：wuxiang7210@163.com

目前，塑料制品廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、教育、汽車、建筑等行業(yè)領(lǐng)域，計算機輔助技術(shù)（computer aided engineering，CAE）可以早期發(fā)現(xiàn)塑料注塑模具設(shè)計前期存在的缺陷，從而對模具參數(shù)予以修正，完善優(yōu)化方案。但傳統(tǒng)的注塑模具設(shè)計依靠工人經(jīng)驗，操作誤差大，需要反復修正調(diào)試才能投入生產(chǎn)，存在多次調(diào)試增加成本和周期長等較大局限性，不能滿足規(guī)?；a(chǎn)需求。由于試模工作量大，且修模頻繁，因此為避免浪費大、耗時長和反復試驗，國內(nèi)外學者將數(shù)字化技術(shù)［1］應(yīng)用于注塑模的研究。美國康奈爾航空工程學院在研究注塑模的CAE方面成效顯著，通過實驗注塑模擬構(gòu)建塑料性能方面的數(shù)據(jù)庫，結(jié)合三維流動計算機，計算形成注塑的幾何造型系統(tǒng)［2］；澳大利亞在開發(fā)注塑工藝中，以CAE軟件最具代表性，通過流動分析、冷卻分析和保壓分析，制作注塑成型。我國注塑模以CAD/CAE為主，谷少朋等人［3］基于計算機輔助技術(shù)，對防塵攝像機注塑模具進行改進；田春燕等人［4］通過計算機輔助技術(shù)，對一氧化碳檢測儀注塑模具進行優(yōu)化研究，該研究降低了人工成本，延長模具壽命，改善了模具性能，提高模具制造精度，從而確保標準化生產(chǎn)塑料制品?；诖?，本文借助于數(shù)字化計算機輔助技術(shù)CAD和CAE，對數(shù)字化注塑模具進行優(yōu)化。該設(shè)計降低了開發(fā)難度，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期，推動規(guī)?；a(chǎn)，改善業(yè)內(nèi)模具過分依賴個人經(jīng)驗及反復修改模具的情況。該研究對于物料成本精簡，延長模具使用壽命，提高制造產(chǎn)品精度具有重要意義。

1 數(shù)字化注塑模具模型的重建

1.1 逆向工程技術(shù)

逆向工程是在原有塑料產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，通過測量儀器獲取輪廓坐標以重構(gòu)曲面，形成模具規(guī)格設(shè)計圖，建構(gòu)數(shù)字化塑件模型，塑件模型如圖1所示。逆向工程技術(shù)通過數(shù)據(jù)重構(gòu)修正模型，利用樣本塑料樣件特征進行數(shù)據(jù)采集，并綜合設(shè)備測量方法，了解產(chǎn)品表面提供的信息［5］。

處理數(shù)據(jù)是指精簡采集的數(shù)據(jù)，降噪拼合，結(jié)合軟件處理獲取軟件模型數(shù)據(jù)，以滿足逆向數(shù)字化模型的精度要求。而重建模型的校核修正，是避免數(shù)據(jù)采集存在的誤差重建模型，可保證模型滿足后續(xù)需求，對其進行精度校核與修正［6］。逆向工程技術(shù)流程如圖2所示。

逆向工程軟件是一款專用的逆向軟件，也是數(shù)字化技術(shù)所使用的計算機輔助軟件，對于任意零部件，借助掃描點，自動生成準確的數(shù)字模型。CAD軟件的逆向功能是借助數(shù)字編輯器的模塊、快速曲面重構(gòu)、數(shù)據(jù)點云進行采樣、編輯和裁剪，進而生成曲線建構(gòu)造型。

1.2 塑件數(shù)據(jù)采集

本研究以不同品牌汽車發(fā)電機后殼的塑料塑件為例，后殼尺寸平均壁厚1.5 mm，形成不規(guī)則的圓柱形深腔，在采集數(shù)據(jù)設(shè)備過程中，被測數(shù)據(jù)存在細節(jié)多、體積小、特征多等一系列問題，容易造成數(shù)據(jù)丟失，導致逆向結(jié)果存在誤差。因此，為考慮塑件本身的細節(jié)，采用無死角數(shù)據(jù)采集及手持式激光掃描采集數(shù)據(jù)，形成三維激光掃描與通過激光成像點，計算三維坐標［7］，數(shù)據(jù)精度提高了0.05 mm。數(shù)據(jù)采集法如圖3所示。

在數(shù)據(jù)采集過程中，由于塑件表面呈黑色，反光不佳，為避免震動導致采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)重疊問題，需要提高塑件數(shù)據(jù)的采集精度，因此需要進行特殊處理，如在塑件產(chǎn)品上粘貼分布均勻的標記點，保證整體采集數(shù)據(jù)的環(huán)境更穩(wěn)定。具體方法是標準掃描儀，擺放待測實物，使拼接好的原始數(shù)據(jù)更豐富，所獲得的點可以直接重構(gòu)曲面，進行點云數(shù)據(jù)處理［8］。

1.3 塑件數(shù)據(jù)處理

由于采集到的原始數(shù)據(jù)較多，因此需要去除無用點。數(shù)據(jù)封裝三角形面片，建立點與點之間的直接關(guān)系，形成多個小三角形片面，并借助底邊和頂點相互連接形成曲面，在相鄰的小片面中形成一條邊線。將所有點建立明確的拓撲關(guān)系，以修正坐標系，重構(gòu)曲面，整體形成沒有破孔的數(shù)據(jù)，而對數(shù)據(jù)進行坐標擺正，形成三維坐標系，對點云數(shù)據(jù)擬合形成的坐標對齊平面，避免翹曲變形，選擇部分片體擬合所得的平面取直垂線［9］。作為坐標系Z軸，擬合坐標系形成XOY平面，并對X軸和Y軸進行擬合，得到對應(yīng)的片體數(shù)據(jù)。坐標系對齊如圖4所示。

1.4 塑件曲面重構(gòu)

塑件曲面重構(gòu)是綜合逆向工程技術(shù)關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品，制造二次開發(fā)形成的三維數(shù)字化模型，因此重構(gòu)曲面質(zhì)量，形成基于點云直接擬合的曲面，由數(shù)據(jù)擬合曲線重構(gòu)曲面，曲面重構(gòu)如圖5所示。

點云曲面擬合是針對點予以構(gòu)造，包含盡可能多的點云擬合，成為貼近實物特征的面，平面擬合取決于所選取的數(shù)據(jù)，低于曲線的曲面擬合，影響曲面擬合質(zhì)量。曲線擬合采用B樣條曲線，B樣條曲線擬合方法使用逆向工程技術(shù)，在需要允許誤差范圍內(nèi)，得到接近的數(shù)據(jù)點曲線［10］。

1.5 產(chǎn)品精度校核與實體模型

在片體封閉曲面后構(gòu)建逆向模型，獲取模型精度數(shù)據(jù)，通過校驗存取數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)偏差大，會出現(xiàn)變形，而偏差為0.3 mm左右，在允許范圍以內(nèi)。因此，需要對塑料制品進行數(shù)字化模型綜合三維數(shù)據(jù)采集，并利用數(shù)字化技術(shù)建構(gòu)模型，獲取數(shù)據(jù)曲面相關(guān)信息［11］。模型功能部位偏差處理如圖6所示。

結(jié)合產(chǎn)品修正曲面，對數(shù)字化模型塑料模具制作需降低功能偏差，偏差最大在0.3 mm左右才能達到生產(chǎn)商家的需求。

2 基于計算機輔助技術(shù)的數(shù)字化注塑模具

2.1 注塑模具CAD技術(shù)

CAD是利用系統(tǒng)性的技術(shù)操作進行計算繪圖，在智能化操作中，強化人與計算機的優(yōu)勢［12］。自動化模塊具有強大的三維建模功能，有助于提高塑料模具的生產(chǎn)工作效率，形成企業(yè)統(tǒng)一的標準（包括導套、導柱、推桿、定位環(huán)等），隨時調(diào)用，滿足設(shè)計精度要求。

2.2 注塑模具的設(shè)計安裝

注塑機上的產(chǎn)品成型尺寸精確，形狀復雜，可以嵌件塑料制品的專用工具是注塑模具。大量生產(chǎn)塑料制件，以控制產(chǎn)品尺寸，提高生產(chǎn)效率。注塑機的工作原理是利用熱塑性的塑料和熱固性的塑料制造，使其成為成型的設(shè)備，通過高分子加熱熔融狀態(tài)，在高壓狀態(tài)下，通過噴嘴腔射入模具腔內(nèi)，待冷卻凝固，即成型為需要的塑料制品。而注塑模具的整體結(jié)構(gòu)，按照塑料品種、性能、形狀、結(jié)構(gòu)類型存在著不同變化，但基本結(jié)構(gòu)保持一致，由澆注系統(tǒng)、冷卻、脫模和結(jié)構(gòu)零件等構(gòu)成［13］。

注塑模具設(shè)計流程為設(shè)計圖紙、排列型腔、設(shè)計澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。脫模機構(gòu)設(shè)計需滿足塑件結(jié)構(gòu)特點及工藝要求，通過提高塑料的加工性能，簡化模具結(jié)構(gòu)，降低工作難度，滿足特殊配套結(jié)構(gòu)的需求。

2.3 汽車發(fā)電機后殼模具的CAD設(shè)計

本文以汽車發(fā)電機后殼為生產(chǎn)模具，以CAD技術(shù)的應(yīng)用為研究案例，對產(chǎn)品拔模進行分析，通過檢測體積厚度，測量工藝要求，綜合制作材料的成型方法和特征，對汽車發(fā)電機后殼的不同模具進行設(shè)計。

1） 設(shè)計模仁。模仁是關(guān)鍵精密零件，其制作材料價格高，結(jié)構(gòu)比其他部分更復雜，結(jié)合產(chǎn)品生產(chǎn)批量大，本文采用特殊鋼材加工制造模仁［14］。模仁產(chǎn)品設(shè)計中，包含30%的玻璃纖維尼龍66，可提高使用率，間隔利于排氣、易于加工、降低生產(chǎn)成本、延長使用壽命。為避免注塑過程中出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象，要進行特殊設(shè)計配合模仁。模仁鑲件如圖7所示。

2） 澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)主要分為澆口分流道和主流道。考慮使用的熔料快速充滿模具，腔體以內(nèi)降低壓力損失，減少熱量，盡量減少小流道凝料體積，避免浪費原料［15］。澆口痕跡要小，并清除，其中主流道設(shè)計要從注塑機的噴嘴開始分流形成，使熔料進入流動通道中。澆注系統(tǒng)流道通道設(shè)計如圖8所示。

目前，熱塑塑料模具往往借助于可拆卸的唧嘴操作使用，或者采用U型截面分流道，設(shè)計主流道末端澆口為止的熔料流動通道。采用多腔模具和多點進膠模具會產(chǎn)生多極流道，采用U形流道，二級分流借助于圓形截面流道。澆口設(shè)計時，注重注塑模具分流道和模具型腔通道，填充結(jié)束之后冷卻凝固，防止熔料倒流，連接流料和塑件，改變其中的原料玻璃纖維取向，使產(chǎn)品成型滿足要求［16］。本文采用側(cè)澆口進膠，側(cè)膠口進膠截面面積小，距離短，熔體進入膠口后受剪切速率大，降低熔體粘度，避免填充難度過大，影響產(chǎn)品外觀。

本設(shè)計采用二級冷料穴，設(shè)計模式與一級冷料穴相同，使冷料穴凝料順利被頂出，加大拔模角度，更好地頂出冷料穴。

3 基于計算機輔助技術(shù)Moldflow的數(shù)字化注塑模具CAE的優(yōu)化

3.1 注塑模具CAE技術(shù)

計算機輔助工程（computer aided engineering，CAE）可以降低注塑模具開發(fā)成本，優(yōu)化產(chǎn)品出現(xiàn)的翹曲狀況［17］。其中，塑料產(chǎn)品CAE軟件主要使用Moldflow，有助于澆口位置分析流動模擬模塊。對不同類型的塑件進行網(wǎng)格類型劃分，可劃分為3D網(wǎng)格、雙層面網(wǎng)格、中性面網(wǎng)格。Moldflow分析流程主要是對普通塑件的分析，屬于前處理，而構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)定分析參數(shù)，屬于后處理。

3.2 發(fā)電機后殼模具的CAE

在熱塑性注塑模模流中，導入三維模型并劃分網(wǎng)格，結(jié)合軟件為專業(yè)模流分析軟件。建模功能需要在CAE之前，采用軟件導出能夠識別的格式文件，形成有限元網(wǎng)格劃分，澆口位置影響塑件成型質(zhì)量［18］。為此，熔料模型腔體內(nèi)流動的熔料，會影響塑件的翹曲面和原料中的玻璃纖維，通過對比，利用計算機輔助軟件，確定最佳澆口位置，明確一點（1個位置進膠）、二點（2個位置點同時進膠）、三點（3個位置點同時進膠）進膠方案，并進行分析。創(chuàng)建澆注系統(tǒng)如圖9所示。

由圖9可以看出，三點位置可以均勻分布澆注熔料，翹曲變形主要是塑件沒有按照預期設(shè)計，模具形狀表面出現(xiàn)扭曲變形，不同區(qū)域的收縮厚度不均及分子垂直平行收縮不均，均會影響塑件質(zhì)量。進膠產(chǎn)品最大變形是1.17 mm，選擇合理化的進膠設(shè)計，其中以兩點進膠產(chǎn)品最大翹曲變形是0.85 mm成為最優(yōu)設(shè)計方案［19］。因此，嘗試分離翹曲原因，進一步探究翹曲變形值的成因，選擇翹曲變形最低工藝，從而進行優(yōu)化。

3.3 冷卻系統(tǒng)分析

按照參數(shù)要求，冷卻系統(tǒng)要明確冷卻時間，通過數(shù)字化計算獲取最佳冷卻時長，指導設(shè)計模具。冷卻回路具有合理流動速率，流動速率是每分鐘流過的冷卻介質(zhì)總量，以達到介質(zhì)流動的要求［20］?；芈防字Z數(shù)會影響流量，要求冷卻回路流量的雷諾系數(shù)要超過10 000，以提高冷卻效率，因此冷卻回路的流動速率最小為3.387 m/min。冷卻回路分析如圖10所示。

3.4 注塑工藝優(yōu)化研究

在注塑過程中，需要借助注塑機生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，而注塑工藝主要是結(jié)合注塑機的生產(chǎn)工藝參數(shù)，通過調(diào)節(jié)參數(shù)，最終調(diào)整模具，將熔料汁放在模具中生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。由于塑件成型受到注塑工藝參數(shù)的影響，對于注塑生產(chǎn)各環(huán)節(jié)，工藝參數(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。注塑工藝參數(shù)包括產(chǎn)品成型時間、冷卻時間、注塑壓力保壓、模料冷卻介質(zhì)溫度以及模具溫度各工藝參數(shù)相結(jié)合，影響塑件產(chǎn)品質(zhì)量。為提高模具生產(chǎn)的整體效率，確保產(chǎn)品質(zhì)量，需要對工藝予以進一步優(yōu)化設(shè)計［21］。

3.4.1 成型時間優(yōu)化

本文采用Moldflow對注塑模具進行成型時間優(yōu)化，通過借助剪切熱算法，對模腔和流道進行優(yōu)化［22］。

1） 確定最佳成型時間。為優(yōu)化模具成型的最佳時間，采用Moldflow軟件對模具空間進行探測，計算塑件最佳成型的曲線函數(shù)時間，首選成型窗口時間是0.23～0.43 s，結(jié)合計算圖，明確成型窗口的質(zhì)量，綜合函數(shù)曲線數(shù)據(jù)所選的塑件最佳成型時間是0.32 s。為保障結(jié)果確實可行，本文主要從最低流動前沿溫度和最大剪切應(yīng)力及剪切速率3個環(huán)節(jié)進行驗證。

2） 最佳成型時間驗證。為驗證塑件最佳成型時間0.32 s是否具有可行性，在最低前沿流動溫度中，統(tǒng)計出最佳成型時間為0.32 s，然而熔體最低流動前沿溫度是290 ℃，超過0.32 s時，不利于塑件成型。最低流動前沿溫度如圖11所示。由圖11可以看出，在使用最佳成型時間0.32 s的條件下，熔體最低溫度達到290 ℃，與推薦的工藝接近。最大剪切應(yīng)力和剪切速率如圖12所示。最佳成型時間對應(yīng)的最大剪切應(yīng)力和剪切速率處于原料推薦的工藝窗口中，結(jié)合驗證計算，得出最終時間參數(shù)優(yōu)化為0.32 s。

3.4.2 保壓曲線的優(yōu)化

1） 初始保壓時間計算。在計算保壓時間中，主要了解熔料充填入道澆口到完全凝固整體時間段，而在初次充填的母基礎(chǔ)模型中，需要計算初始保壓時間。本文采用Moldflow建立澆口凍結(jié)層因子圖，溫度驟降，為一般溫度時計算澆口處的熔料，凝結(jié)凝固時間是4.5 s。說明在4.5 s時，數(shù)字化注塑模具的塑件達到填充和保壓的目的，結(jié)合初次流動的分析，塑件填充時間為0.46 s，進而得出塑件保壓時間為4.1 s。

2） 優(yōu)化保壓曲線。收縮不均是造成塑件翹曲的原因，需要優(yōu)化調(diào)整保壓曲線的方法，確保塑件收縮率分布均勻。借助于軟件提取的塑件，對末端壓力圈數(shù)進行壓力充填，充填時間為0.9 s，直到衰減到0時，達到使用時間為2.5 s。保壓曲線參數(shù)表如表1所示，由表1可以看出，第1階段持續(xù)時間為0.1 s，填充壓力為90%。

3） 保壓曲線優(yōu)化前后對比。采用對應(yīng)的計算機輔助技術(shù)默認值，構(gòu)建初步保壓優(yōu)化曲線，初步優(yōu)化保壓曲線如圖13所示，優(yōu)化后的保壓曲線如圖14所示。

由圖14可以看出，保壓曲線達到了優(yōu)化后的要求，末端路徑體積收縮率由優(yōu)化前的8%降低到優(yōu)化后的5%。由于翹曲變形影響產(chǎn)品使用質(zhì)量，而優(yōu)化后的保壓曲線，使整體塑件收縮更均勻，且塑件的殘余壓力減小，壓力趨勢保持一致，且由于收縮不均導致的翹曲變形降低到0.69 mm，提高了22%，初步優(yōu)化效果滿足要求。

3.4.3 工藝優(yōu)化結(jié)果

通過對注塑工藝參數(shù)進一步優(yōu)化，最終確定注塑工藝參數(shù)：融料溫度為280 ℃，模具溫度為75 ℃，充填時間為0.46 s，注塑壓力為70 MPa，保壓時間為4.1 s，保壓壓力為63 MPa，冷卻介質(zhì)為使用水，冷卻溫度為50 ℃，冷卻時間為15 s，開模時間為5 s。

綜合對應(yīng)的計算機輔助軟件，將其輸入最佳注塑工藝參數(shù)中，降低產(chǎn)品翹曲變形，塑件所有效應(yīng)翹曲變形如圖15所示。在對應(yīng)的參數(shù)效應(yīng)下，最終得到塑件產(chǎn)品優(yōu)化后的最大翹曲變形為0.65 mm。整體使用計算機輔助技術(shù)的數(shù)字化注塑模具，優(yōu)化之后的翹曲變形符合產(chǎn)品工藝要求，驗證了注塑工藝優(yōu)化方法具有可行性。

4 結(jié)束語

本文主要對計算機輔助技術(shù)的數(shù)字化注塑模具進行研究。通過對塑件的注塑模具進行計算機輔助技術(shù)設(shè)計及對注塑工藝進行優(yōu)化，避免成品表面摩擦，確保產(chǎn)品密度均勻。實驗結(jié)果表明，在優(yōu)化過程中，通過借助激光掃描儀對產(chǎn)品的點參數(shù)進行擬合，得到與原產(chǎn)品功能相同的數(shù)字模型，使用對應(yīng)的計算機輔助技術(shù)軟件，模擬注塑過程與驗證模具的可行性和合理性。同時，通過注塑工藝參數(shù)，可以提高產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量，保證生產(chǎn)效率。由于本文主要分析了有關(guān)塑料制品產(chǎn)品利用數(shù)字化技術(shù)進行模型重建，有待于進一步優(yōu)化數(shù)字化技術(shù)。該研究在實際生產(chǎn)中具有一定的應(yīng)用價值。

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Abstract：Aiming at the problems of frequent mold repairs，large mold trial workload，large waste，and long time-consuming problems in mold design of plastic products，it is necessary to use computer-aided technology to optimize mold design functions by digital injection molding. The digital injection mold based on computer-aided technology was used to form a digital model，and the injection mold was optimized. With the help of the key technology of reverse engineering and 3D scanning to remove impurities，the CAD design of the injection mold of plastic parts is carried out by computer-aided technology，and the process is optimized. The results show that the molding time was optimized，the shrinkage distribution was balanced after the optimization of the packing curve，and the optimized warpage deformation met the product process requirements. The function of injection mold is improved under the design and application of computer aided technology，and the reliability of the structural function application of the mold is improved，so as to shorten the development cycle and reduce the production cost.

Key words：injection mold； computer-aided technology； plastic model； CAE technology； surface of plastic part