电吹风手柄后盖逆向工程建模与模具设计

王海雄,王军力,黄启欣

(桂林理工大学机械与控制工程学院，广西 桂林 541006)

0 前言

随着塑料的广泛运用以及人们对产品外观要求的提高，要求注塑模具的更新周期越来越短。如果使用传统的设计流程，即从构思到设计再到产品，产品的设计周期将会很长，无法适应快节奏产品更新和升级的要求。逆向工程(RE)也称为反向工程，测量建模或反求工程，将已经存在的实物模型反向求出实物的设计数据(CAD模型)的过程[1]，是从样件原型—几何数据—重新设计与开发的模式可以大大缩短产品修正、更新、升级的设计周期[2-3]。其中Moldflow软件是一款强大的计算机辅助工程(CAE)模拟软件[4]，应用Moldflow辅助注塑模具设计，经过反复的仿真模拟对模具关键部位进行优化，可以提高设计的效率和质量，减少模具设计的时间和试模修模的次数，从而提高产品的质量和生产效率，同时降低了生产成本。

1 逆向工程建模

1.1 数据采集

数据采集就是利用机器来获取实物产品外表面点的三维坐标值的过程。由于电吹风后壳外表面是不规则的曲面，而且有小孔，结构复杂，故采用具有扫描速度快、扫描精度高、扫描质量好的Holon-3DZ拍照式扫描仪。在拍照扫描过程中接收到产品表面的散射光和反射光，会对产品扫描结果扩大测量误差，因此对扫描产品表面喷涂显像剂，提高扫描质量。将扫描到的点云进行初步的处理，即点云融合、点云平滑等。图1是对表面涂显像剂的电吹风手柄后盖进行Holon-3DZ拍照扫描得到点云图。然后将初步处理后的点云以Geomagic Studio软件能识别的格式导出。重复几次扫描，导出后进行处理，将各扫描点云进行拼接保存。

图1 产品的数据采集图Fig.1 Data acquisition diagram of the product

1.2 数据处理

在点云数据获取过程中，不可避免出现噪声点和冗余点，所以需要对点云进行去除噪音、边界修补等数据处理。通过数据处理实现点云的精确配准[5]。数据处理可分为点处理阶段和多边处理阶段，其中点处理阶段将采集到的点云数据进行联合，删除体外孤点和非连接项，并减少噪音封装构成多边形模型；在多边形处理阶段，由于封装处理后存在单点尖峰，所以需要进行删除，并将缺失表面进行填充，使模型表面圆融光滑。数据处理后的产品图如图2所示。

图2 数据处理后的产品图Fig.2 Product diagram after data processing

1.3 模型重构及误差分析

模型重构(曲面重构)是逆向工程技术的重要环节之一。由于吹风机手柄后盖表面复杂，所以先对产品进行自动探测大曲率初始轮廓线，然后对未能探测到的小曲率轮廓线进行手动选取，由于探测到的轮廓线存在一定的偏差，所以需要进行轮廓线优化，提高产品的曲线的拟合精度。模型重构后的产品图如图3所示。

图3 重构后的产品图Fig.3 The reconstructed product diagram

对重建后的模型与实际的产品进行误差分析，以确定该模型能否作为产品设计的依据。由于复杂的曲面难以测量，所以选择总的长度、最小处宽度、内侧圆柱凸台、圆形内孔和方孔的尺寸进行测量并分析这些尺寸的误差，确定逆向工程建模的精确度。重建模型的部分尺寸和实际产品部分尺寸对比如表1所示。从表1中可以看出，应用逆向工程重建后的模型和实际产品相比，各个尺寸误差在2 %以内，符合建模的要求。

表1 模型误差分析Tab.1 Model error analysis

2 模具设计

2.1 产品工艺性分析

电吹风手柄后盖的材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)塑料，其密度为1.03～1.07 cm2，收缩率为0.3 %～0.8 %，一般选0.6 %，该材料具有吸湿性，在注射成形之前要进行干燥[6]。模具温度：50～80 ℃，尽可能采用较低的模具温度，以缩短成形周期，提高产品的生产率,熔体温度：170～220 ℃,注射压力：80～110 MPa，注射时间：0.5～4 s，保压压力：50～80 MPa，保压时间：10～20 s。

2.2 冷却系统设计

设计良好的冷却水道可以大大缩短成形件的冷却时间，还可减小残余应力[7]。冷却水路的排列方案主要有2种，第一种方案微水路与产品方向平行，第二种方案为水路与产品方向垂直。应用Moldflow软件对这2种水路进行分析，以选择最佳的水路排列方式。本次设计的冷却管道的直径为12 mm，选择的冷却液为纯水，水温为25 ℃，雷诺数为10 000的湍流。冷却水路的设计重点是保证模具冷却之后型腔各部分的温差，温差越小，说明各部分能同时冷却，减小产品内应力的产生。

通过仿真分析，得到2种方案的模具型腔冷却后的温度分布云图，如图4所示，从图中可以看出，第一种方案温度比较均匀，选择第一种方案设计电吹风手柄后盖注塑模具的冷却系统。

(a)第一种方案 (b)第二种方案图4 2种冷却系统设计方案模具型腔温度对比Fig.4 Mold cavity temperature contrast between two design schemes of cooling system

2.3 浇注系统设计

应用Mlodflow软件完成整个浇注系统设计。设计2种充填方案，单浇口填充方案和双浇口填充方案。然后对这2种充填方案进行仿真分析，以最终确定浇注系统的设计。根据注塑机喷嘴的直径(4 mm)、喷嘴球头半径(15 mm)确定主流道进料口为4.5 mm，主流道与注塑机喷嘴对接处的球面凹坑半径取16 mm。浇注系统设计中，最关键的是浇口的设计。选择浇口与分流道中心线的夹角在45 °～60 °，截面形状通常为圆形，浇口大小为1.5 mm[8-9]。首先通过仿真快速分析出2种方案的浇口位置，然后分别对2种方案进行充填、保压、冷却分析，以得到最优的设计方案。

2.3.1 填充分析

填充阶段主要分析塑料熔体能否填充满模具型腔以及填充时间。图5为2种方案的填充时间对比，从图中可以看出，2种方案塑料熔体均能完全充满型腔，确保产品各部位的熔体都可以均匀分布。由于双浇口流道长度较长，而注射速度一定所以整体的填充时间长，而单浇口的填充时间相对较短，更加有利于材料的成形。

(a)第一种方案 (b)第二种方案图5 填充时间对比Fig.5 Comparison of filling time

2.3.2 气穴分析

由于高温熔体的挥发性气体残留在型腔内部和塑件各部分冷却不均匀容易产生气穴。气穴对塑料制品的强度和外观质量影响较大，故对塑料件的气穴进行分析，如图6所示。2种方案都在产品形状复杂的部分处产生了气穴，需要在这些部分的对应的模具型腔部位增设排气槽，方能排出气体，减少气穴的产生。对2种方案的气穴比较可以看出，单浇口产生的气穴要比双浇口的气穴少，所以在产生气穴方面，单浇口优于双浇口。

(a)第一种方案 (b)第二种方案图6 气穴对比Fig.6 Air-pocket contrast

2.3.3 熔接痕分析

熔接痕是由于熔体在型腔中会合时，因不同路线的熔体前沿温度不一样，而在接合处容易产生的痕迹。熔接痕对塑料制品的外观和强度影响较大。熔接痕的分析结果如图7所示，从图中可以看出，2种方案的熔接痕明显，这就必须在充模之前适当提高模具的温度，使得熔体在充满型腔前温度变化减小。另外从图中可以看出，双浇口方案容易在制品的中部产生熔接痕，这样会严重降低制品的强度。

(a)第一种方案 (b)第二种方案图7 熔接痕对比Fig.7 Weld mark contrast

2.3.4 翘曲分析

由于手柄后盖是薄壳状制品，而且长宽比较大，如果冷却不均匀则会发生翘曲现象[10]。图7显示2种方案的翘曲趋势基本相同，都是以浇注口附近为中心，两端向内翘曲。单浇口的最大翘曲量为0.572 1 mm，双浇口的最大翘曲量为0.791 3 mm。可以发现单浇口的翘曲变形比双浇口的翘曲变形小。

图8 翘曲对比Fig.8 Warping contrast

通过对单浇口与双浇口的填充时间、气穴数量、熔接痕、及翘曲总变形的数据对比分析可知单浇口比双浇口效果好，故最终选择单浇口的填充方案。

2.4 模具结构及关键零部件设计

2.4.1 模架的确定

选择尺寸为330 mm×350 mm的模架。由于电吹风手柄后盖模具较小，且不是高压注塑，所以厚度选择默认值为30 mm。垫块的高度由塑件的顶出距离决定，由于SZ-160/100的注塑机的顶出行程为100 mm，所以垫块的高度选择90 mm。

2.4.2 斜顶设计

电吹风手柄后盖中有2个倒扣，所以必须使用斜顶进行脱模。设计斜顶时，斜顶的顶面要低于塑件面0.05 mm，否则会拉伤塑件表面。斜顶在顶出过程中不能与其他斜顶或顶杆发生干涉，若发生干涉，斜顶可能会被碰歪。斜顶的角度一般为3 °～10 °，本次设计选用6 °的斜度，选用工字型斜顶座。每个塑件设置两根斜顶，共设置4根斜顶。设置完的顶出系统如图9所示，一个塑件上共有2根司筒、2根斜顶及8根推。

图9 塑件连接的顶出装置Fig.9 Ejection device for connecting plastic parts

2.4.3 模具工作过程

图10所示为设计得到的电吹风手柄后盖注塑模。该模具为常见的两板式注塑模，也叫做单分型面注塑模。浇注系统的主流道设置在模具的定模一侧，而分流道设置在模具的分型面上。

1—动模座板 2—推板 3—推杆固定板 4—垫块 5—动模板 6—型芯 7—型腔 8—定模板 9—定模座板 10—导套 11—导柱 12—浇口套 13—定位圈 14、15、25—内六角螺丝 16—拉料杆 17—斜顶座 18—斜顶 19—水嘴 20—复位杆 21—弹簧 22—垃圾钉 23—推杆 24—司筒

合模时，注塑机通过锁模装置推动模具的动模部分，动模部分在导柱与导套的导向作用下与定模部分相配合，并且锁模装置提供足够大的锁模力，防止注射压力太大而引起飞边。动模板和定模板紧密贴合后，注塑机开始向电吹风手柄后盖模具内注射塑料熔体。塑料熔体通过主流道和分流道流经浇口，再通过浇口流入型腔中。当塑料熔体注射满型腔之后，对型腔内的塑料熔体进行保压、冷却。等到塑件的温度达到顶出温度之后进行开模。

开模时，注塑机的锁模装置带动动模部分移动。由于塑件的冷却收缩，其对型芯有一个包紧力，并且浇注系统凝料被拉料杆拉住，所以动模部分与定模部分分离时，塑件与浇注系统凝料会留在动模一侧。当动模部分移动一定的距离之后，注塑机顶杆将与模具的推板相接触。推板推动复位杆、拉料杆、司筒、斜顶和顶杆。司筒、斜顶和顶杆顶出塑件，而拉料杆顶出浇注系统凝料。顶出塑件和浇注系统凝料的同时，在动模型芯侧刃的作用下切断浇口，塑件与浇注系统凝料分离。在注塑机顶杆推动推板的过程中，套在复位杆上的弹簧不断被压缩。合模时，顶在推板上的注塑机顶杆消失，脱模机构在弹簧的弹力作用下进行复位，等待下一次的注塑。

3 结论

(1)使用高精度的3D扫描仪对电吹风手柄后盖进行三维坐标点采集，将采集的点云以PLY格式导入到Geomagic Studio逆向工程软件中进行处理，根据点云数据创建出电吹风手柄后盖的3D模型；

(2)将3D模型导入Moldflow模流分析软件中，创建电吹风手柄后盖的浇注系统和冷却系统，分析在进行注塑过程中遇到的问题，优化浇注系统和冷却系统；

(3)根据得到的最优的浇注系统和冷却系统，应用三维软件对模具进行设计，确定其模具的模架，并阐述关键的零部件设计，最终设计出整套模具。