電吹風手柄后蓋逆向工程建模與模具設計

王海雄,王軍力,黃啟欣

(桂林理工大學機械與控制工程學院，廣西 桂林 541006)

0 前言

隨著塑料的廣泛運用以及人們對產品外觀要求的提高，要求注塑模具的更新周期越來越短。如果使用傳統的設計流程，即從構思到設計再到產品，產品的設計周期將會很長，無法適應快節奏產品更新和升級的要求。逆向工程(RE)也稱為反向工程，測量建模或反求工程，將已經存在的實物模型反向求出實物的設計數據(CAD模型)的過程[1]，是從樣件原型—幾何數據—重新設計與開發的模式可以大大縮短產品修正、更新、升級的設計周期[2-3]。其中Moldflow軟件是一款強大的計算機輔助工程(CAE)模擬軟件[4]，應用Moldflow輔助注塑模具設計，經過反復的仿真模擬對模具關鍵部位進行優化，可以提高設計的效率和質量，減少模具設計的時間和試模修模的次數，從而提高產品的質量和生產效率，同時降低了生產成本。

1 逆向工程建模

1.1 數據采集

數據采集就是利用機器來獲取實物產品外表面點的三維坐標值的過程。由于電吹風后殼外表面是不規則的曲面，而且有小孔，結構復雜，故采用具有掃描速度快、掃描精度高、掃描質量好的Holon-3DZ拍照式掃描儀。在拍照掃描過程中接收到產品表面的散射光和反射光，會對產品掃描結果擴大測量誤差，因此對掃描產品表面噴涂顯像劑，提高掃描質量。將掃描到的點云進行初步的處理，即點云融合、點云平滑等。圖1是對表面涂顯像劑的電吹風手柄后蓋進行Holon-3DZ拍照掃描得到點云圖。然后將初步處理后的點云以Geomagic Studio軟件能識別的格式導出。重復幾次掃描，導出后進行處理，將各掃描點云進行拼接保存。

圖1 產品的數據采集圖Fig.1 Data acquisition diagram of the product

1.2 數據處理

在點云數據獲取過程中，不可避免出現噪聲點和冗余點，所以需要對點云進行去除噪音、邊界修補等數據處理。通過數據處理實現點云的精確配準[5]。數據處理可分為點處理階段和多邊處理階段，其中點處理階段將采集到的點云數據進行聯合，刪除體外孤點和非連接項，并減少噪音封裝構成多邊形模型；在多邊形處理階段，由于封裝處理后存在單點尖峰，所以需要進行刪除，并將缺失表面進行填充，使模型表面圓融光滑。數據處理后的產品圖如圖2所示。

圖2 數據處理后的產品圖Fig.2 Product diagram after data processing

1.3 模型重構及誤差分析

模型重構(曲面重構)是逆向工程技術的重要環節之一。由于吹風機手柄后蓋表面復雜，所以先對產品進行自動探測大曲率初始輪廓線，然后對未能探測到的小曲率輪廓線進行手動選取，由于探測到的輪廓線存在一定的偏差，所以需要進行輪廓線優化，提高產品的曲線的擬合精度。模型重構后的產品圖如圖3所示。

圖3 重構后的產品圖Fig.3 The reconstructed product diagram

對重建后的模型與實際的產品進行誤差分析，以確定該模型能否作為產品設計的依據。由于復雜的曲面難以測量，所以選擇總的長度、最小處寬度、內側圓柱凸臺、圓形內孔和方孔的尺寸進行測量并分析這些尺寸的誤差，確定逆向工程建模的精確度。重建模型的部分尺寸和實際產品部分尺寸對比如表1所示。從表1中可以看出，應用逆向工程重建后的模型和實際產品相比，各個尺寸誤差在2 %以內，符合建模的要求。

表1 模型誤差分析Tab.1 Model error analysis

2 模具設計

2.1 產品工藝性分析

電吹風手柄后蓋的材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)塑料，其密度為1.03～1.07 cm2，收縮率為0.3 %～0.8 %，一般選0.6 %，該材料具有吸濕性，在注射成形之前要進行干燥[6]。模具溫度：50～80 ℃，盡可能采用較低的模具溫度，以縮短成形周期，提高產品的生產率,熔體溫度：170～220 ℃,注射壓力：80～110 MPa，注射時間：0.5～4 s，保壓壓力：50～80 MPa，保壓時間：10～20 s。

2.2 冷卻系統設計

設計良好的冷卻水道可以大大縮短成形件的冷卻時間，還可減小殘余應力[7]。冷卻水路的排列方案主要有2種，第一種方案微水路與產品方向平行，第二種方案為水路與產品方向垂直。應用Moldflow軟件對這2種水路進行分析，以選擇最佳的水路排列方式。本次設計的冷卻管道的直徑為12 mm，選擇的冷卻液為純水，水溫為25 ℃，雷諾數為10 000的湍流。冷卻水路的設計重點是保證模具冷卻之后型腔各部分的溫差，溫差越小，說明各部分能同時冷卻，減小產品內應力的產生。

通過仿真分析，得到2種方案的模具型腔冷卻后的溫度分布云圖，如圖4所示，從圖中可以看出，第一種方案溫度比較均勻，選擇第一種方案設計電吹風手柄后蓋注塑模具的冷卻系統。

(a)第一種方案 (b)第二種方案圖4 2種冷卻系統設計方案模具型腔溫度對比Fig.4 Mold cavity temperature contrast between two design schemes of cooling system

2.3 澆注系統設計

應用Mlodflow軟件完成整個澆注系統設計。設計2種充填方案，單澆口填充方案和雙澆口填充方案。然后對這2種充填方案進行仿真分析，以最終確定澆注系統的設計。根據注塑機噴嘴的直徑(4 mm)、噴嘴球頭半徑(15 mm)確定主流道進料口為4.5 mm，主流道與注塑機噴嘴對接處的球面凹坑半徑取16 mm。澆注系統設計中，最關鍵的是澆口的設計。選擇澆口與分流道中心線的夾角在45 °～60 °，截面形狀通常為圓形，澆口大小為1.5 mm[8-9]。首先通過仿真快速分析出2種方案的澆口位置，然后分別對2種方案進行充填、保壓、冷卻分析，以得到最優的設計方案。

2.3.1 填充分析

填充階段主要分析塑料熔體能否填充滿模具型腔以及填充時間。圖5為2種方案的填充時間對比，從圖中可以看出，2種方案塑料熔體均能完全充滿型腔，確保產品各部位的熔體都可以均勻分布。由于雙澆口流道長度較長，而注射速度一定所以整體的填充時間長，而單澆口的填充時間相對較短，更加有利于材料的成形。

(a)第一種方案 (b)第二種方案圖5 填充時間對比Fig.5 Comparison of filling time

2.3.2 氣穴分析

由于高溫熔體的揮發性氣體殘留在型腔內部和塑件各部分冷卻不均勻容易產生氣穴。氣穴對塑料制品的強度和外觀質量影響較大，故對塑料件的氣穴進行分析，如圖6所示。2種方案都在產品形狀復雜的部分處產生了氣穴，需要在這些部分的對應的模具型腔部位增設排氣槽，方能排出氣體，減少氣穴的產生。對2種方案的氣穴比較可以看出，單澆口產生的氣穴要比雙澆口的氣穴少，所以在產生氣穴方面，單澆口優于雙澆口。

(a)第一種方案 (b)第二種方案圖6 氣穴對比Fig.6 Air-pocket contrast

2.3.3 熔接痕分析

熔接痕是由于熔體在型腔中會合時，因不同路線的熔體前沿溫度不一樣，而在接合處容易產生的痕跡。熔接痕對塑料制品的外觀和強度影響較大。熔接痕的分析結果如圖7所示，從圖中可以看出，2種方案的熔接痕明顯，這就必須在充模之前適當提高模具的溫度，使得熔體在充滿型腔前溫度變化減小。另外從圖中可以看出，雙澆口方案容易在制品的中部產生熔接痕，這樣會嚴重降低制品的強度。

(a)第一種方案 (b)第二種方案圖7 熔接痕對比Fig.7 Weld mark contrast

2.3.4 翹曲分析

由于手柄后蓋是薄殼狀制品，而且長寬比較大，如果冷卻不均勻則會發生翹曲現象[10]。圖7顯示2種方案的翹曲趨勢基本相同，都是以澆注口附近為中心，兩端向內翹曲。單澆口的最大翹曲量為0.572 1 mm，雙澆口的最大翹曲量為0.791 3 mm。可以發現單澆口的翹曲變形比雙澆口的翹曲變形小。

圖8 翹曲對比Fig.8 Warping contrast

通過對單澆口與雙澆口的填充時間、氣穴數量、熔接痕、及翹曲總變形的數據對比分析可知單澆口比雙澆口效果好，故最終選擇單澆口的填充方案。

2.4 模具結構及關鍵零部件設計

2.4.1 模架的確定

選擇尺寸為330 mm×350 mm的模架。由于電吹風手柄后蓋模具較小，且不是高壓注塑，所以厚度選擇默認值為30 mm。墊塊的高度由塑件的頂出距離決定，由于SZ-160/100的注塑機的頂出行程為100 mm，所以墊塊的高度選擇90 mm。

2.4.2 斜頂設計

電吹風手柄后蓋中有2個倒扣，所以必須使用斜頂進行脫模。設計斜頂時，斜頂的頂面要低于塑件面0.05 mm，否則會拉傷塑件表面。斜頂在頂出過程中不能與其他斜頂或頂桿發生干涉，若發生干涉，斜頂可能會被碰歪。斜頂的角度一般為3 °～10 °，本次設計選用6 °的斜度，選用工字型斜頂座。每個塑件設置兩根斜頂，共設置4根斜頂。設置完的頂出系統如圖9所示，一個塑件上共有2根司筒、2根斜頂及8根推。

圖9 塑件連接的頂出裝置Fig.9 Ejection device for connecting plastic parts

2.4.3 模具工作過程

圖10所示為設計得到的電吹風手柄后蓋注塑模。該模具為常見的兩板式注塑模，也叫做單分型面注塑模。澆注系統的主流道設置在模具的定模一側，而分流道設置在模具的分型面上。

1—動模座板 2—推板 3—推桿固定板 4—墊塊 5—動模板 6—型芯 7—型腔 8—定模板 9—定模座板 10—導套 11—導柱 12—澆口套 13—定位圈 14、15、25—內六角螺絲 16—拉料桿 17—斜頂座 18—斜頂 19—水嘴 20—復位桿 21—彈簧 22—垃圾釘 23—推桿 24—司筒

合模時，注塑機通過鎖模裝置推動模具的動模部分，動模部分在導柱與導套的導向作用下與定模部分相配合，并且鎖模裝置提供足夠大的鎖模力，防止注射壓力太大而引起飛邊。動模板和定模板緊密貼合后，注塑機開始向電吹風手柄后蓋模具內注射塑料熔體。塑料熔體通過主流道和分流道流經澆口，再通過澆口流入型腔中。當塑料熔體注射滿型腔之后，對型腔內的塑料熔體進行保壓、冷卻。等到塑件的溫度達到頂出溫度之后進行開模。

開模時，注塑機的鎖模裝置帶動動模部分移動。由于塑件的冷卻收縮，其對型芯有一個包緊力，并且澆注系統凝料被拉料桿拉住，所以動模部分與定模部分分離時，塑件與澆注系統凝料會留在動模一側。當動模部分移動一定的距離之后，注塑機頂桿將與模具的推板相接觸。推板推動復位桿、拉料桿、司筒、斜頂和頂桿。司筒、斜頂和頂桿頂出塑件，而拉料桿頂出澆注系統凝料。頂出塑件和澆注系統凝料的同時，在動模型芯側刃的作用下切斷澆口，塑件與澆注系統凝料分離。在注塑機頂桿推動推板的過程中，套在復位桿上的彈簧不斷被壓縮。合模時，頂在推板上的注塑機頂桿消失，脫模機構在彈簧的彈力作用下進行復位，等待下一次的注塑。

3 結論

(1)使用高精度的3D掃描儀對電吹風手柄后蓋進行三維坐標點采集，將采集的點云以PLY格式導入到Geomagic Studio逆向工程軟件中進行處理，根據點云數據創建出電吹風手柄后蓋的3D模型；

(2)將3D模型導入Moldflow模流分析軟件中，創建電吹風手柄后蓋的澆注系統和冷卻系統，分析在進行注塑過程中遇到的問題，優化澆注系統和冷卻系統；

(3)根據得到的最優的澆注系統和冷卻系統，應用三維軟件對模具進行設計，確定其模具的模架，并闡述關鍵的零部件設計，最終設計出整套模具。