原標(biāo)題：基于大數(shù)據(jù)分析的鎂合金壓鑄?？焖僭O(shè)計系統(tǒng)開發(fā)研究

摘 要：以鎂合金筆記本電腦后蓋壓鑄模為例，介紹了基于大數(shù)據(jù)分析的壓鑄模CAD集成系統(tǒng)快速設(shè)計鎂合金壓鑄模的一般過程。該系統(tǒng)不僅可以快速、合理地設(shè)計壓鑄模的側(cè)抽芯和復(fù)雜的型腔結(jié)構(gòu)，而且可以查詢壓鑄模設(shè)計的相關(guān)數(shù)據(jù)和。實踐證明，該系統(tǒng)能快速完成復(fù)雜型腔壓鑄模的設(shè)計，對復(fù)雜鎂合金壓鑄模的設(shè)計具有參考價值。

鎂合金壓鑄模具具有充型熔液溫度高，內(nèi)部型腔復(fù)雜，使用壽命長，成型零件間易高溫粘結(jié)以及冷卻速度快等特點。若采用傳統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計工作量較大，模具設(shè)計周期長。采用專用CAD集成系統(tǒng)對鎂合金壓鑄模進行快速設(shè)計，既可縮短設(shè)計周期，又可提高模具結(jié)構(gòu)的合理性和加工精度。智能制造是人工智能主戰(zhàn)場，CAD/CAM/CAE/CAPP技術(shù)是現(xiàn)代模具設(shè)計的核心和重點發(fā)展方向。本課題將人工智能應(yīng)用到傳統(tǒng)的鎂合金壓鑄模模具設(shè)計，采用大數(shù)據(jù)+專用鎂合金壓鑄模CAD系統(tǒng)的開發(fā)理念，利用VC++6.0以及Windows系列視窗化操作系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了基于大數(shù)據(jù)分析的鎂合金壓鑄模CAD集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用中文界面，下拉菜單設(shè)計，操作簡單，壓鑄模設(shè)計更準(zhǔn)確、快捷、方便，具有較好的借鑒意義。

1、壓鑄成形工藝分析

1.1 壓鑄材料特性分析

AZ91D鎂合金筆記本電腦后蓋原設(shè)計材料是工程塑料。AZ91D合金具有密度低（1.82 g/cm³，質(zhì)量為85.2 g，投影面積為123cm³，質(zhì)量為100.8 g，可以計算鎂合金熔液總澆注質(zhì)量為186 g，壓鑄機所需的最小鎖緊力為1 012 kN，選擇J1118H（180t）1800  kN臥式冷室壓鑄機，最大鎖緊力為1 800  kN，壓鑄電機座板行程為350 mm，注射力為200 kN，一次金屬注射量為（鎂合金）700 g，能滿足生產(chǎn)需要。

1.2 壓鑄件結(jié)構(gòu)特點分析

鎂合金筆記本電腦后蓋的幾何形狀見圖1。其外形尺寸最大為350 mm×250 mm×11 mm，平均壁厚為0.6 mm。鑄件周圍有裝配用的孔和槽，特別是在側(cè)面有裝配用矩形孔，需要考慮側(cè)向抽芯機構(gòu)。為了簡化模具結(jié)構(gòu)，脫模機構(gòu)采用斜頂出方式。根據(jù)設(shè)計要求，配合件的高精度尺寸選用IT11，外形尺寸選用IT12。壓鑄件平行度公差和同軸度公差的最小值為0.1 mm。根據(jù)壓鑄件缺陷大數(shù)據(jù)分析，在不影響鑄件裝配的情況下，對其進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用圓角設(shè)計，盡量擴大圓角的尺寸，使液態(tài)金屬流動更加順暢，氣體容易排出，可避免氣孔以及裂紋等缺陷。過渡圓角半徑為為1 mm。鑄件內(nèi)表面起模角度取β=1°，外表面起模斜度取α=1°。鑄件后殼蓋內(nèi)表面粗糙度等級為1級，Ra=0.8um；外表面為2級，Ra=1.6um；其余為3級，Ra=3.2um，均要求為壓鑄自然表面，無二次加工。

圖1：筆記本電腦后蓋三維圖

2、壓鑄設(shè)備與模具設(shè)計參數(shù)

使用CAD集成系統(tǒng)進行三維實體造型，也可以使用其他專業(yè)造型軟件（UG-NX、Pro/E）進行造型后導(dǎo)入CAD集成系統(tǒng)。通過系統(tǒng)的手冊查詢和相關(guān)的尺寸計算模塊，可以計算出鑄件的體積和質(zhì)量。鑄件的體積為46.8cm³，質(zhì)量為85.2 g，投影面積為123 m㎡，模具型腔為一模一腔。澆注系統(tǒng)和溢流槽的總體積為55.4 cm³，質(zhì)量為100.8 g，可以計算鎂合金熔液總澆注質(zhì)量為186 g，壓鑄機所需的最小鎖緊力為1 012 kN，選擇J1118H（180t）1800  kN臥式冷室壓鑄機，最大鎖緊力為1 800  kN，壓鑄電機座板行程為350 mm，注射力為200 kN，一次金屬注射量為（鎂合金）700 g，能滿足生產(chǎn)需要。

3、基于大數(shù)據(jù)分析的鎂合金壓鑄?？焖僭O(shè)計系統(tǒng)

壓鑄模設(shè)計的主要工作是模具工作零件的創(chuàng)建，包括型腔、斜滑塊、澆注系統(tǒng)、頂出機構(gòu)等。首先基于大數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化，建立鑄件的三維模型，設(shè)定鎂合金材料的收縮率，基于大數(shù)據(jù)分析引導(dǎo)設(shè)置，設(shè)置模具分型面，自動生成模具工作零件，調(diào)用鎂合金壓鑄模標(biāo)準(zhǔn)模架和標(biāo)準(zhǔn)件，修改細節(jié)，完成設(shè)計。

3.1 流程設(shè)計

壓鑄模設(shè)計流程：①建立三維圖；②系統(tǒng)引導(dǎo)建立模具工作零件，包括設(shè)定收縮率、分型面設(shè)置、模具凹凸腔、周邊斜滑塊、中心澆注通道和分流通道設(shè)計；③系統(tǒng)引導(dǎo)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)模架和標(biāo)準(zhǔn)件，最終設(shè)計點澆口、頂出機構(gòu)以及壓鑄模加熱和冷卻系統(tǒng)，具體流程見圖2。壓鑄?？焖僭O(shè)計系統(tǒng)大大節(jié)省了數(shù)據(jù)查詢和三維建模的時間，基于壓鑄件缺陷的大數(shù)據(jù)分析可以盡量避免大量缺陷產(chǎn)生。將傳統(tǒng)壓鑄模設(shè)計周期從18天縮短為1天左右，大大節(jié)省了壓鑄模設(shè)計時間，提高了設(shè)計效率。

圖2：快速壓鑄模設(shè)計具體流程

3.2 分型面設(shè)置

分型面是模具設(shè)計和制造的基準(zhǔn)面。它直接影響到模具的加工工藝和壓鑄成形的效率和效果。分型面是否設(shè)置合理，直接決定壓鑄模設(shè)計成功與否。采用大數(shù)據(jù)分析，可以指導(dǎo)專業(yè)設(shè)計人員正確設(shè)置分型面，本鑄件較簡單，分型面設(shè)置在外徑最大的截面上，斜頂出4個扣位。模具結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)分析，本設(shè)計選用單分型面。

3.3 模具工作零件構(gòu)建

借助快速模具設(shè)計系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)的引導(dǎo)，只需設(shè)定鎂合金材料的收縮率（0.8%）即可自動生成壓鑄模具工作零件，包括壓鑄模的凸凹模、斜滑塊和澆注系統(tǒng)。整個過程由軟件自動生成，避免人為誤差，模具型腔尺寸更準(zhǔn)確。系統(tǒng)自動生成的模芯和型腔見圖3。在此環(huán)節(jié)，可以通過大數(shù)據(jù)分析，因鎂合金壓鑄件體積收縮率較大，在鑄件脫模時，鑄件會因收縮率大而不易脫模，若強行脫模會造成較大裂紋等缺陷，可在壓鑄模工作零件構(gòu)建完成后，通過系統(tǒng)軟件對整體模具型腔及澆注系統(tǒng)進行圓角化，盡量減少附著應(yīng)力，避免鑄件缺陷產(chǎn)生。

（ａ）動模                                                                            （ｂ）定模

圖3：壓鑄模工作零件

3.4 標(biāo)準(zhǔn)模架調(diào)用

用戶在客戶端成功配置相關(guān)環(huán)境并安裝組件后，可以在基于大數(shù)據(jù)分析的鎂合金壓鑄CAD集成系統(tǒng)的菜單欄和工具欄上加載相關(guān)模塊的控制按鈕（見圖4）。從圖4可以看出，壓鑄模CAD集成系統(tǒng)包括模架庫參數(shù)的選擇、模架庫調(diào)用、零件庫調(diào)用、手冊查詢、各類尺寸計算公式、模具冷卻及加熱系統(tǒng)、注射機校核、模具價格估算系統(tǒng)等。

（ａ）ＣＡＤ集成系統(tǒng)                                           （ｂ）標(biāo)準(zhǔn)模架調(diào)用界面

圖4：鎂合金壓鑄模CAD集成系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)模架調(diào)用界面

3.5 標(biāo)準(zhǔn)零件調(diào)用

選擇“調(diào)用零件庫”按鈕，該按鈕有三個子菜單，即導(dǎo)向定位機構(gòu)、脫模機構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)件，見圖5。選擇其菜單按鈕，調(diào)用用戶操作界面，然后選擇所需部件的圖標(biāo)。將顯示“零件參數(shù)輸入”對話框。輸入?yún)?shù)后，單擊“創(chuàng)建”生成所需的零件。點擊菜單按鈕“調(diào)用零件庫-導(dǎo)向定位機構(gòu)”顯示的用戶界面，點擊導(dǎo)柱圖標(biāo)顯示的操作界面。

圖5：鎂合金壓鑄模CAD集成系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)零件調(diào)用界面

3.6 壓鑄模三維總裝圖

根據(jù)系統(tǒng)引導(dǎo)，調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)模架和標(biāo)準(zhǔn)件，再調(diào)用壓鑄模的工作零件。修改模具細節(jié)后，完成壓鑄?？傮w設(shè)計，三維總裝圖見圖6。壓鑄模總體設(shè)計完成后，經(jīng)模具運動干涉檢查確認(rèn)后，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析進行壓鑄模整體結(jié)構(gòu)審查驗證，對壓鑄模細節(jié)進行優(yōu)化，修正，對后期壓鑄模試模可能出現(xiàn)的問題進行預(yù)判，排除因壓鑄設(shè)備以及壓鑄工藝造成壓鑄件缺陷的其他設(shè)計因素，有條件的廠家可以進行運動仿真以及充型過程模擬，分析模擬結(jié)果后，再對壓鑄模整體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，確認(rèn)整體無誤后，方可進行下一步數(shù)字化制造，以保證在后期壓鑄模試模中一次性成功，節(jié)約設(shè)計加工成本。模具設(shè)計在系統(tǒng)的指導(dǎo)下逐步計算和調(diào)用，無需對各個零件進行重復(fù)的模具建模和裝配，避免了大量的重復(fù)工作，大大縮短了模具設(shè)計時間。

圖6：壓鑄模三維總裝圖

3.7 壓鑄模二維工程圖

壓鑄模三維裝配圖完成后，利用該系統(tǒng)的“工程圖”模快，可直接生成二維裝配圖（見圖7）以及零件圖，便于安裝和裝配。單個零件也可以直接生成二維工程圖，方便傳統(tǒng)的加工方法對單個零件的加工。從二維裝配圖上可以看出鎂合金壓鑄模具的整個工作過程。從圖7可以看出，模具整體側(cè)抽芯機構(gòu)采用斜頂機構(gòu)，模具結(jié)構(gòu)簡單，減少了模具型腔的相對運動部件，避免了壓鑄模因型腔溫度高、型腔相對運動部件燒結(jié)而損壞。

圖7：壓鑄模二維裝配圖

4、結(jié)束語

以筆記本電腦后蓋為例，介紹了基于大數(shù)據(jù)分析的鎂合金壓鑄模CAD集成系統(tǒng)的開發(fā)思路和壓鑄?？焖僭O(shè)計流程。該系統(tǒng)根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)實際，把產(chǎn)生鑄件缺陷的因素進行收集，采用大數(shù)據(jù)進行分析，在鑄件三維建模以及模具分型面設(shè)置，澆注系統(tǒng)設(shè)計以及模具加熱與冷卻系統(tǒng)設(shè)計時，起到積極的引導(dǎo)與優(yōu)化作用，此外，其他主要功能還包括壓鑄模具標(biāo)準(zhǔn)模架庫和零件庫、壓鑄模設(shè)計手冊查詢、壓鑄模型腔尺寸計算與驗證系統(tǒng)、壓鑄模價格評估系統(tǒng)等，該系統(tǒng)即可以擺脫模具設(shè)計中復(fù)雜的查詢工作，有可以對將來出現(xiàn)的壓鑄缺陷進行收集整理，可實現(xiàn)快速壓鑄模具設(shè)計的數(shù)字化和智能化。

作者：
張艷琴 鄭州城市職業(yè)學(xué)院電子信息工程系
張占領(lǐng) 鄭州科技學(xué)院機械工程學(xué)院
郭懷宮 北京金輝國際投資有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2020年第40卷第06期