注塑模具數(shù)字化設(shè)計與智能制造研究
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摘要：模具數(shù)字化設(shè)計與智能制造技術(shù)具有自動化、柔性化以及智能化等優(yōu)點(diǎn)。智能制造技術(shù)對于模具設(shè)計和智能化加工具有重要作用，推動著模具制造業(yè)向智能制造方向發(fā)展。在實(shí)際使用智能制造技術(shù)進(jìn)行模具設(shè)計與制造時，需要運(yùn)用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件（如Pro/E、UG等）進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計，再應(yīng)用一系列先進(jìn)制造技術(shù)加工模具零件，根據(jù)相關(guān)工業(yè)產(chǎn)品提出的一系列要求不斷進(jìn)行完善，以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量?；诖耍攸c(diǎn)研究注塑模具數(shù)字化設(shè)計與智能制造技術(shù)。
關(guān)鍵詞：注塑模具；數(shù)字化設(shè)計；智能制造；應(yīng)用分析
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(jī)技術(shù)等多種先進(jìn)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]?；谀＞咧圃鞓I(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(jìn)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(biāo)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(jī)輔助設(shè)計（ComputerAssistantDesign，CAD）部門主要負(fù)責(zé)模具的設(shè)計工作。第二，計算機(jī)輔助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）部門主要負(fù)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(fù)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(biāo)指定測量點(diǎn)的選擇、電極是否偏心、放電間隙是否準(zhǔn)確等方面都需要進(jìn)行嚴(yán)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（QualityControl，QC）提供的電極檢測報告進(jìn)行電火花放電加工工作。只有在確定三坐標(biāo)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(yán)重影響。這種情況下運(yùn)用手寫標(biāo)簽的方式不僅會大大降低整體的生產(chǎn)效率，還無法實(shí)現(xiàn)3個工序之間的信息互享，無法達(dá)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(jìn)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(bǔ)償，但是這種方式對模具精度的把控還沒有達(dá)到較為準(zhǔn)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的方法，但需要加大工作人員檢測工作來保證模具的精準(zhǔn)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?fàn)顩r
對于一些經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的先進(jìn)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(jìn)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(diǎn)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(yán)格按照我國的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范嚴(yán)格進(jìn)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(jì)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(jìn)行合理搭配，同時要詳細(xì)思考分析加工的可靠性和加工難易程度。最后，在實(shí)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(jìn)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(jì)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(shí)際設(shè)計工作中，除了要在基本設(shè)計元素和準(zhǔn)則上進(jìn)行考慮之外，產(chǎn)品設(shè)計的經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量。所以，在實(shí)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(jìn)行探索與思考，從以往成功經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)
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(jī)器人、電子看板以及精密型數(shù)控電火花成型機(jī)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(shí)際使用加工島進(jìn)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(jìn)行關(guān)聯(lián)得出相應(yīng)的設(shè)備加工順序。此時，機(jī)械手會嚴(yán)格按照指令進(jìn)行一系列工作，在加工工作完成后重新由機(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性是設(shè)計工作的要點(diǎn)。根據(jù)模具結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)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(jìn)行。對于一些特殊要求，需根據(jù)實(shí)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(yùn)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(dá)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(shí)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(jìn)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)（ManufacturingExecutionSystem，MES）、數(shù)控銑床以及射頻識別（RadioFrequencyIdentification，RFID）、文件管理系統(tǒng)（ElectronicDocumentManagements，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(diǎn)，保證整個模具生產(chǎn)過程在實(shí)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(yùn)用MES系統(tǒng)和智能產(chǎn)線來進(jìn)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(jìn)行模具的裝配工作。只有在圖紙上進(jìn)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(jìn)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(xì)了解這些先進(jìn)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(jī)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(yàn)，在整個設(shè)計環(huán)節(jié)需要進(jìn)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(yùn)用軟件UG和Pro/E對注塑模具進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。下面以相機(jī)面殼的注塑模具設(shè)計過程為例進(jìn)行說明。
5.1塑料制件的三維造型
根據(jù)提供的相機(jī)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(jī)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(jī)面殼所使用的材料（ABS，ρ=1.05g·cm-3）設(shè)置收縮率為0.5%，在當(dāng)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(jī)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(jī)
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(shí)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(jī)。
5.4模架及其他零件設(shè)計
運(yùn)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(jī)面殼模具模架及其他零件，相機(jī)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(jī)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(jìn)步，軟件可以提前分析并模擬整個制造過程。先進(jìn)制造設(shè)備能夠保證加工制造精度，而傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)在模具設(shè)計、制造方面越來越不能滿足需求?，F(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(biāo)準(zhǔn)。知識經(jīng)濟(jì)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(jìn)行強(qiáng)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(fèi)，縮短產(chǎn)品研發(fā)過程，提高產(chǎn)品設(shè)計的準(zhǔn)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(qiáng)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(shí)際加工前也可以用軟件先模擬加工，確認(rèn)正確后再實(shí)際動刀加工，避免造成實(shí)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(jìn)行實(shí)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(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，將結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化，而標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)水平參差不齊，未來將會出現(xiàn)專門研究標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)組件進(jìn)行合理堆疊。
6.43D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(qiáng)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。
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作者:李祥偉 單位:湖南省郴州技師學(xué)院