智能化制造技術(shù)在精密注塑模具中的應(yīng)用

寧波喬士橡塑有限公司技術(shù)總監(jiān) 姜黎章

模具應(yīng)用廣泛，處于制造業(yè)的高端，現(xiàn)代制造業(yè)中的產(chǎn)品構(gòu)件成形加工，幾乎都需要使用模具來(lái)完成。寧波喬士橡塑有限公司主要研發(fā)制造氣體輔助注射成型模具、精密復(fù)雜高效及全自動(dòng)脫模模具和高光無(wú)痕注塑模具、電鍍類產(chǎn)品注塑模具和多腔多款快速更換成型鑲件的熱流道模具等（見(jiàn)圖1）產(chǎn)品，是一家集模具設(shè)計(jì)研發(fā)、制造和汽車零部件產(chǎn)品制造等諸多功能于一體并具有現(xiàn)代化企業(yè)管理模式的高新技術(shù)企業(yè)。

圖1 公司某產(chǎn)品、模具圖

模具加工設(shè)備及智能制造

模具制造技術(shù)正向著智能化的趨勢(shì)迅速發(fā)展，與傳統(tǒng)模具相比，智能模具具有技術(shù)含量高和市場(chǎng)空間大等明顯優(yōu)勢(shì)。因此，提高模具加工的數(shù)字化、智能化水平，對(duì)模具行業(yè)持續(xù)發(fā)展具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。

數(shù)控機(jī)床的普遍應(yīng)用，保證了模具零件的加工精度和質(zhì)量，經(jīng)過(guò)智能數(shù)控機(jī)床加工的零件可直接進(jìn)行裝配，使裝配鉗工的人數(shù)大為減少。

德國(guó)進(jìn)口放電成型機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸不僅方便校正電極，而且可以實(shí)現(xiàn)模仁局部角落電火花清角加工，局部修飾拋光，對(duì)深腔類工件還可以實(shí)現(xiàn)電火花放電加工到局部小區(qū)域，直接加工復(fù)雜模具，有效地解決了汽車飾件表面要求和型腔加工精度要求較高的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

由于加工中心工作時(shí)，刀具姿態(tài)一直在變化，而且旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)完全是一種非線性關(guān)系，通過(guò)對(duì)刀具吹氣清理程序的延時(shí)啟動(dòng)控制，使得機(jī)床換刀用氣的峰值被有效降低，可實(shí)現(xiàn)將換刀過(guò)程中的儲(chǔ)氣壓力控制在正常工作壓力范圍內(nèi)；同時(shí)，通過(guò)機(jī)床控制器對(duì)進(jìn)給軸相對(duì)于機(jī)床坐標(biāo)系的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和判斷流程，區(qū)分不同區(qū)段，使得進(jìn)給軸采取相應(yīng)的速度回歸機(jī)床坐標(biāo)參考點(diǎn)，避免進(jìn)給軸回位過(guò)程中可能出現(xiàn)的撞機(jī)事故。

高精密級(jí)多軸聯(lián)動(dòng)復(fù)合數(shù)控加工中心是集智能化控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)和精密加工技術(shù)于一體的智能型數(shù)控機(jī)床，其在數(shù)控系統(tǒng)、編程技術(shù)和智能化程度方面有著諸多優(yōu)勢(shì)，不但加工精度高，而且可靠性、穩(wěn)定性好。采用工件一次裝夾就可完成零件復(fù)雜面的加工，解決了連續(xù)平滑和復(fù)雜空間曲面進(jìn)行高精度加工的難題，實(shí)現(xiàn)了加工中的高速、高精度、柔性、智能、環(huán)保和復(fù)合化目標(biāo)。

多軸聯(lián)動(dòng)復(fù)合數(shù)控加工中心具備人性化操作和智慧化的功能，在FANUC系統(tǒng)用FANUC PICTURE軟體二次開(kāi)發(fā)人機(jī)界面，在刀庫(kù)資料管理、機(jī)床維護(hù)、高效加工模式方面，可在觸摸屏上直接設(shè)定控制。觸摸屏上設(shè)置主菜單畫(huà)面，可以方便地進(jìn)行菜單操作，并對(duì)監(jiān)控的對(duì)象進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定、修改和查詢，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的智能控制。如：智能化主軸監(jiān)控功能-對(duì)主軸的溫度、位移和振動(dòng)等狀況進(jìn)行自我監(jiān)控，可預(yù)先判斷主軸故障，將停機(jī)時(shí)間降到最短；智能化熱位移補(bǔ)償功能-對(duì)熱位移進(jìn)行高精度補(bǔ)償，獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定的加工精度；智能化維護(hù)監(jiān)控功能-監(jiān)控單元運(yùn)行狀況，預(yù)防故障發(fā)生或故障發(fā)生時(shí)迅速修復(fù)；智能化防止干涉功能-通過(guò)與機(jī)床同步的三維模型進(jìn)行干涉檢查，防止干涉發(fā)生。從而保證較高的重復(fù)定位精度和工件的空間精度與表面粗糙度。

通過(guò)應(yīng)用高速加工和五軸技術(shù)，刀路出現(xiàn)撞刀、過(guò)切的概率幾乎為零，在加工過(guò)程中，可以按照產(chǎn)品的形狀產(chǎn)生流線型刀路。同時(shí)，將計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（CAX，如CAD/CAE/CAM等）與人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)集成，為優(yōu)化注塑模具的智能制造提供最佳解決方案，從而提高精密、高性能模具的質(zhì)量。另外，為確保理論模型與實(shí)際加工模型的最小差異值，采用數(shù)字化精密高速切削制造、研配技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)，使整體配合公差滿足模具運(yùn)動(dòng)配合需要，以確保模具壽命極限提高到100萬(wàn)次及以上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更換鑲件的尺寸精度和配合的一致性。五軸加工設(shè)備及加工中心群分別如圖2、圖3所示。

圖2 五軸加工中心

圖3 加工中心群

氣體輔助成型技術(shù)在轎車后視鏡外殼模具上的創(chuàng)新

轎車后視鏡外殼（見(jiàn)圖4）產(chǎn)品底部壁厚局部最大處14mm，最小處3mm，邊緣6～8mm不等。該產(chǎn)品的外觀要求極高，不允許出現(xiàn)熔接線、縮影、紊亂痕跡、飛邊等注塑缺陷，要求表面光滑圓潤(rùn)。

圖4 轎車后視鏡外殼

該模具需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：①分析進(jìn)料位置，解決熔解塑料可能在產(chǎn)品上產(chǎn)生熔接痕和流動(dòng)遲滯現(xiàn)象。②分析進(jìn)氣位置，精確預(yù)測(cè)氣體滲透及對(duì)熔融塑料流動(dòng)的影響。③分析氣體滲透可能產(chǎn)生手指紋的現(xiàn)象及解決方案。④產(chǎn)品內(nèi)面分析顯示，6個(gè)自由度空間，有4個(gè)自由度方向存在倒扣。

模具實(shí)現(xiàn)：綜合考慮該模具的特點(diǎn)，采用滑塊溢料方式的氣體輔助成型技術(shù)，自動(dòng)脫模。相對(duì)于一般溢料方式的氣體輔助成型技術(shù)和缺料法氣體輔助技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)是可以任意在產(chǎn)品的外表面設(shè)置溢料點(diǎn)，解決異向溢料的技術(shù)難題，克服厚壁形狀遠(yuǎn)端堆積的料較厚、冷卻成型周期長(zhǎng)、表面質(zhì)量不穩(wěn)定、人工成本高、注塑成型工藝穩(wěn)定性差的問(wèn)題。

（1）斜頂與活動(dòng)鑲件的運(yùn)用。產(chǎn)品的內(nèi)壁斜頂脫模，采用直頂塊與活動(dòng)鑲件活動(dòng)連接的方式進(jìn)行預(yù)復(fù)位，上、下模合模的斜面和產(chǎn)品側(cè)面滑塊的斜鍥面進(jìn)行精確復(fù)位和鎖模。

一般模具上的斜頂脫模方法在此模具上根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此采用了改進(jìn)后的斜頂，應(yīng)用二級(jí)運(yùn)動(dòng)提供原動(dòng)力的功能（即斜頂上的活動(dòng)鑲件在斜頂滑槽上的斜面運(yùn)動(dòng)），利用注塑產(chǎn)品凝固后產(chǎn)生的倒扣力和斜頂復(fù)合運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的抽拔力來(lái)實(shí)現(xiàn)活動(dòng)鑲件向下運(yùn)動(dòng)的脫模方式。斜頂上活動(dòng)鑲件的復(fù)位，采用了直頂塊穿過(guò)斜頂與活動(dòng)鑲件活動(dòng)配合，斜頂復(fù)位時(shí)，活動(dòng)鑲件由于直頂塊限位作用，活動(dòng)鑲件只能上、下移動(dòng)，由于活動(dòng)鑲件與斜頂由斜向梯形槽連接，因此活動(dòng)鑲件在直頂塊提供的動(dòng)力下，相對(duì)于斜頂?shù)男泵孢\(yùn)動(dòng)，而預(yù)復(fù)位。

（2）氣體輔助成型中的溢料機(jī)構(gòu)和溢料頂出機(jī)構(gòu)的運(yùn)用。由于氣體輔助成型的工藝方法不同，采用100%的完全注塑+溢料方式的氣體輔助成型技術(shù)，以及滑塊內(nèi)設(shè)置溢料系統(tǒng)和輔助頂出系統(tǒng)，克服了氣輔技術(shù)中溢料位置的限制。氣體輔助成型及溢料結(jié)構(gòu)的工作原理圖如圖5所示。

在滑塊上設(shè)置溢料閥機(jī)構(gòu)：通過(guò)滑塊上液壓油缸的抽拔動(dòng)作，控制溢料閥機(jī)構(gòu)的開(kāi)啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)氣體輔助成型的溢料工序。

滑塊上設(shè)置輔助頂出系統(tǒng)：通過(guò)模具上主頂出系統(tǒng)提供的動(dòng)力，完成對(duì)滑塊上的溢料頂出動(dòng)作。

溢料點(diǎn)的位置設(shè)計(jì)在滑塊上，根據(jù)產(chǎn)品要求，溢料機(jī)構(gòu)的設(shè)置必須滿足氣體充填時(shí)，溢料機(jī)構(gòu)的溢料閥打開(kāi)，多余的塑料熔體流出；氣體保壓時(shí)，溢料閥關(guān)閉，熔融塑料覆蓋溢料閥口。溢料閥的控制機(jī)構(gòu)，采用微型油缸與滑塊連接，滑塊內(nèi)設(shè)置溢料閥的機(jī)構(gòu)，油缸提供溢料閥機(jī)構(gòu)的開(kāi)啟和關(guān)閉動(dòng)力，油缸的工作信號(hào)由氣體控制閥的電信號(hào)傳遞給注塑機(jī)的油泵電信號(hào)。

溢料采用模具頂出機(jī)構(gòu)和滑塊內(nèi)的輔助頂出機(jī)構(gòu)頂出，由于滑塊在開(kāi)模時(shí)斜導(dǎo)柱的作用，而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，因此滑塊上需設(shè)置單獨(dú)的溢料頂出機(jī)構(gòu)。該獨(dú)立頂出機(jī)構(gòu)為輔助頂出系統(tǒng)，頂出機(jī)構(gòu)具備完整的頂出、復(fù)位功能。主頂出系統(tǒng)提供輔助頂出系統(tǒng)的動(dòng)力，即滑塊打開(kāi)后，主頂出系統(tǒng)運(yùn)作，通過(guò)滑塊下面的頂出桿，提供輔助頂出系統(tǒng)的動(dòng)力，從而將溢料頂出。

圖5 氣體輔助成型及溢料結(jié)構(gòu)的工作原理圖

精密模具設(shè)計(jì)制造過(guò)程的智能化技術(shù)

圍繞精密模具的多個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)用智能化為核心的先進(jìn)制造技術(shù)，攻克其中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，將其應(yīng)用到模具領(lǐng)域。

（1）采用典型、標(biāo)準(zhǔn)工藝匹配與人工智能決策相結(jié)合的方法進(jìn)行工藝決策與排序優(yōu)化，CAPP事務(wù)處理過(guò)程中通過(guò)COM和進(jìn)程通信技術(shù)利用CAD軟件完成部分工作（如刀具選擇、毛坯生成等）。

（2）三維毛坯CAD模型生成：根據(jù)零件最小包圍尺寸與加工余量，自動(dòng)生成圓形毛坯、方形毛坯或符合企業(yè)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)毛坯。也可以直接在設(shè)計(jì)CAD模型上添加加工余量、去除小孔、倒角等細(xì)小特征等，獲得復(fù)雜的鑄型毛坯。

（3）工序計(jì)算與檢查工具：包括進(jìn)行加工面積、加工余量體積計(jì)算，工時(shí)計(jì)算，用設(shè)定顏色標(biāo)識(shí)各種加工面、粗糙度面等。

（4）在模具制造中，型腔的加工最為復(fù)雜和普遍，其中刀具選擇的好壞不僅直接關(guān)系到模具零件的表面質(zhì)量，還影響到整個(gè)加工成本和加工效率，是模具加工過(guò)程中十分重要的一環(huán)。應(yīng)用一種綜合考慮總切削時(shí)間和總切削體積的模具型腔粗銑加工刀具選擇多目標(biāo)優(yōu)化模型，獲得模具型腔加工效率最高的刀具類型與組合。

（5）在塑性成形過(guò)程中，產(chǎn)品的功能需求與產(chǎn)品的形狀特征、產(chǎn)品的形狀特征與成形件形狀特征、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)都有著密切的內(nèi)在關(guān)系與映射關(guān)系。如考慮材料特性（收縮、翹曲和回彈）后模具的結(jié)構(gòu)形狀和產(chǎn)品形狀（特征）的凹凸映射、比例映射關(guān)系等。因此，通過(guò)研究、分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀、所采用的成形工藝，以及具體工藝條件、工藝過(guò)程和材料特性等，可揭示產(chǎn)品的功能需求與形狀特征、產(chǎn)品形狀特征與模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的映射或轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而總結(jié)出產(chǎn)品的形狀參數(shù)與模具結(jié)構(gòu)形狀和合理成形工藝參數(shù)等的模型與公式。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)基于特征知識(shí)（KBE）的CAD系統(tǒng)，結(jié)合CAE分析，實(shí)現(xiàn)由產(chǎn)品形狀到模具成形工作部件的準(zhǔn)確映射。