智能化制造技術在精密注塑模具中的應用

寧波喬士橡塑有限公司技術總監 姜黎章

模具應用廣泛，處于制造業的高端，現代制造業中的產品構件成形加工，幾乎都需要使用模具來完成。寧波喬士橡塑有限公司主要研發制造氣體輔助注射成型模具、精密復雜高效及全自動脫模模具和高光無痕注塑模具、電鍍類產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（見圖1）產品，是一家集模具設計研發、制造和汽車零部件產品制造等諸多功能于一體并具有現代化企業管理模式的高新技術企業。

圖1 公司某產品、模具圖

模具加工設備及智能制造

模具制造技術正向著智能化的趨勢迅速發展，與傳統模具相比，智能模具具有技術含量高和市場空間大等明顯優勢。因此，提高模具加工的數字化、智能化水平，對模具行業持續發展具有十分重大的現實意義。

數控機床的普遍應用，保證了模具零件的加工精度和質量，經過智能數控機床加工的零件可直接進行裝配，使裝配鉗工的人數大為減少。

德國進口放電成型機通過旋轉軸不僅方便校正電極，而且可以實現模仁局部角落電火花清角加工，局部修飾拋光，對深腔類工件還可以實現電火花放電加工到局部小區域，直接加工復雜模具，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實問題。

由于加工中心工作時，刀具姿態一直在變化，而且旋轉運動與直線運動完全是一種非線性關系，通過對刀具吹氣清理程序的延時啟動控制，使得機床換刀用氣的峰值被有效降低，可實現將換刀過程中的儲氣壓力控制在正常工作壓力范圍內；同時，通過機床控制器對進給軸相對于機床坐標系的位置數據進行讀取和判斷流程，區分不同區段，使得進給軸采取相應的速度回歸機床坐標參考點，避免進給軸回位過程中可能出現的撞機事故。

高精密級多軸聯動復合數控加工中心是集智能化控制、高性能伺服驅動和精密加工技術于一體的智能型數控機床，其在數控系統、編程技術和智能化程度方面有著諸多優勢，不但加工精度高，而且可靠性、穩定性好。采用工件一次裝夾就可完成零件復雜面的加工，解決了連續平滑和復雜空間曲面進行高精度加工的難題，實現了加工中的高速、高精度、柔性、智能、環保和復合化目標。

多軸聯動復合數控加工中心具備人性化操作和智慧化的功能，在FANUC系統用FANUC PICTURE軟體二次開發人機界面，在刀庫資料管理、機床維護、高效加工模式方面，可在觸摸屏上直接設定控制。觸摸屏上設置主菜單畫面，可以方便地進行菜單操作，并對監控的對象進行參數的設定、修改和查詢，實現全過程的智能控制。如：智能化主軸監控功能-對主軸的溫度、位移和振動等狀況進行自我監控，可預先判斷主軸故障，將停機時間降到最短；智能化熱位移補償功能-對熱位移進行高精度補償，獲得長期穩定的加工精度；智能化維護監控功能-監控單元運行狀況，預防故障發生或故障發生時迅速修復；智能化防止干涉功能-通過與機床同步的三維模型進行干涉檢查，防止干涉發生。從而保證較高的重復定位精度和工件的空間精度與表面粗糙度。

通過應用高速加工和五軸技術，刀路出現撞刀、過切的概率幾乎為零，在加工過程中，可以按照產品的形狀產生流線型刀路。同時，將計算機輔助技術（CAX，如CAD/CAE/CAM等）與人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術集成，為優化注塑模具的智能制造提供最佳解決方案，從而提高精密、高性能模具的質量。另外，為確保理論模型與實際加工模型的最小差異值，采用數字化精密高速切削制造、研配技術和檢測技術，使整體配合公差滿足模具運動配合需要，以確保模具壽命極限提高到100萬次及以上，同時實現更換鑲件的尺寸精度和配合的一致性。五軸加工設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

氣體輔助成型技術在轎車后視鏡外殼模具上的創新

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

圖4 轎車后視鏡外殼

該模具需要注意以下幾個問題：①分析進料位置，解決熔解塑料可能在產品上產生熔接痕和流動遲滯現象。②分析進氣位置，精確預測氣體滲透及對熔融塑料流動的影響。③分析氣體滲透可能產生手指紋的現象及解決方案。④產品內面分析顯示，6個自由度空間，有4個自由度方向存在倒扣。

模具實現：綜合考慮該模具的特點，采用滑塊溢料方式的氣體輔助成型技術，自動脫模。相對于一般溢料方式的氣體輔助成型技術和缺料法氣體輔助技術，其優勢是可以任意在產品的外表面設置溢料點，解決異向溢料的技術難題，克服厚壁形狀遠端堆積的料較厚、冷卻成型周期長、表面質量不穩定、人工成本高、注塑成型工藝穩定性差的問題。

（1）斜頂與活動鑲件的運用。產品的內壁斜頂脫模，采用直頂塊與活動鑲件活動連接的方式進行預復位，上、下模合模的斜面和產品側面滑塊的斜鍥面進行精確復位和鎖模。

一般模具上的斜頂脫模方法在此模具上根本無法實現，因此采用了改進后的斜頂，應用二級運動提供原動力的功能（即斜頂上的活動鑲件在斜頂滑槽上的斜面運動），利用注塑產品凝固后產生的倒扣力和斜頂復合運動所產生的抽拔力來實現活動鑲件向下運動的脫模方式。斜頂上活動鑲件的復位，采用了直頂塊穿過斜頂與活動鑲件活動配合，斜頂復位時，活動鑲件由于直頂塊限位作用，活動鑲件只能上、下移動，由于活動鑲件與斜頂由斜向梯形槽連接，因此活動鑲件在直頂塊提供的動力下，相對于斜頂的斜面運動，而預復位。

（2）氣體輔助成型中的溢料機構和溢料頂出機構的運用。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，以及滑塊內設置溢料系統和輔助頂出系統，克服了氣輔技術中溢料位置的限制。氣體輔助成型及溢料結構的工作原理圖如圖5所示。

在滑塊上設置溢料閥機構：通過滑塊上液壓油缸的抽拔動作，控制溢料閥機構的開啟和關閉，實現氣體輔助成型的溢料工序。

滑塊上設置輔助頂出系統：通過模具上主頂出系統提供的動力，完成對滑塊上的溢料頂出動作。

溢料點的位置設計在滑塊上，根據產品要求，溢料機構的設置必須滿足氣體充填時，溢料機構的溢料閥打開，多余的塑料熔體流出；氣體保壓時，溢料閥關閉，熔融塑料覆蓋溢料閥口。溢料閥的控制機構，采用微型油缸與滑塊連接，滑塊內設置溢料閥的機構，油缸提供溢料閥機構的開啟和關閉動力，油缸的工作信號由氣體控制閥的電信號傳遞給注塑機的油泵電信號。

溢料采用模具頂出機構和滑塊內的輔助頂出機構頂出，由于滑塊在開模時斜導柱的作用，而產生運動，因此滑塊上需設置單獨的溢料頂出機構。該獨立頂出機構為輔助頂出系統，頂出機構具備完整的頂出、復位功能。主頂出系統提供輔助頂出系統的動力，即滑塊打開后，主頂出系統運作，通過滑塊下面的頂出桿，提供輔助頂出系統的動力，從而將溢料頂出。

圖5 氣體輔助成型及溢料結構的工作原理圖

精密模具設計制造過程的智能化技術

圍繞精密模具的多個環節，應用智能化為核心的先進制造技術，攻克其中的關鍵技術問題，將其應用到模具領域。

（1）采用典型、標準工藝匹配與人工智能決策相結合的方法進行工藝決策與排序優化，CAPP事務處理過程中通過COM和進程通信技術利用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：根據零件最小包圍尺寸與加工余量，自動生成圓形毛坯、方形毛坯或符合企業規范的標準毛坯。也可以直接在設計CAD模型上添加加工余量、去除小孔、倒角等細小特征等，獲得復雜的鑄型毛坯。

（3）工序計算與檢查工具：包括進行加工面積、加工余量體積計算，工時計算，用設定顏色標識各種加工面、粗糙度面等。

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

（5）在塑性成形過程中，產品的功能需求與產品的形狀特征、產品的形狀特征與成形件形狀特征、模具結構設計和工藝設計都有著密切的內在關系與映射關系。如考慮材料特性（收縮、翹曲和回彈）后模具的結構形狀和產品形狀（特征）的凹凸映射、比例映射關系等。因此，通過研究、分析產品結構形狀、所采用的成形工藝，以及具體工藝條件、工藝過程和材料特性等，可揭示產品的功能需求與形狀特征、產品形狀特征與模具結構設計和工藝設計的映射或轉換關系，從而總結出產品的形狀參數與模具結構形狀和合理成形工藝參數等的模型與公式。在此基礎上，開發基于特征知識（KBE）的CAD系統，結合CAE分析，實現由產品形狀到模具成形工作部件的準確映射。