原標(biāo)題：基于杰魔的鋁合金零件逆向建模及壓鑄模具設(shè)計(jì)

摘要

為快速響應(yīng)市場(chǎng)、提高研發(fā)效率，對(duì)某鋁合金信號(hào)放大器外殼進(jìn)行逆向建模和壓鑄模具設(shè)計(jì)。首先采用ATOS藍(lán)色激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，然后應(yīng)用Geomagic Design X（杰魔）軟件對(duì)測(cè)量所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和逆向建模；根據(jù)逆向所得原型進(jìn)行壓鑄工藝分析后，結(jié)合壓鑄模具設(shè)計(jì)理論及經(jīng)驗(yàn)對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行壓鑄模具設(shè)計(jì)。研究過(guò)程表明，采用基于激光掃描和杰魔結(jié)合的逆向建模方法建模快捷、尺寸準(zhǔn)確，通過(guò)產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)的模具設(shè)計(jì)方法能快速研發(fā)出新產(chǎn)品及其壓鑄模具。

壓鑄是一種高效近凈成形工藝，壓鑄件近年來(lái)在各行業(yè)的使用越來(lái)越廣泛。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，高效率、低成本、個(gè)性化及創(chuàng)新已成為企業(yè)提高競(jìng)爭(zhēng)力的核心。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)和測(cè)量方法在很多情況下已難以滿(mǎn)足“快、好、省”的開(kāi)發(fā)要求，從而使得逆向工程（RE）技術(shù)得到快速發(fā)展和應(yīng)用。RE可通過(guò)不同測(cè)量設(shè)備，將現(xiàn)實(shí)的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而將處理結(jié)果用于不同場(chǎng)合的計(jì)算機(jī)輔助交流（CAX），提高設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。

本文采用基于藍(lán)光技術(shù)的ATOS系統(tǒng)對(duì)某鋁合金信號(hào)放大器殼體零件進(jìn)行逆向測(cè)量和建模，然后將模型導(dǎo)入3D繪圖軟件對(duì)零件直接分模，進(jìn)而設(shè)計(jì)出該殼體零件的壓鑄模具。

1 零件的逆向測(cè)量

圖1所示為零件測(cè)量所采用的ATOS Compact Scan 5M光學(xué)三維數(shù)據(jù)采集掃描儀。

圖1 ATOS Compact Scan 5M三維光學(xué)掃描儀

ATOS掃描儀利用光學(xué)三角形原理，采用兩個(gè)電荷耦合器件（CCD）攝像頭檢測(cè)物體形狀，并合成三維數(shù)據(jù)。它還支持利用探針檢測(cè)，對(duì)鏡面等高反射表面及深孔等用CCD攝像頭難以拍攝的物體，由探針實(shí)施輔助檢測(cè)。該掃描儀在精度、銳化度和完整性方面均可達(dá)到基準(zhǔn)質(zhì)量水平，其技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 ATOS Compact Scan 5M技術(shù)規(guī)格

考慮到該鋁合金零件內(nèi)表面反光較強(qiáng)，為得到高精度測(cè)量結(jié)果，對(duì)其表面均勻噴涂顯像劑。由于ATOS 掃描頭需要對(duì)殼體各表面分別掃描，然后進(jìn)行面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼合，這需要在兩片獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的表面重疊區(qū)域布置參考點(diǎn)，即在備測(cè)零件上貼黑圈白點(diǎn)。系統(tǒng)軟件通過(guò)對(duì)這些參考點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)計(jì)算和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)多片點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼合。零件噴涂顯像劑并貼參考點(diǎn)后的效果見(jiàn)圖2a和圖2b，掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2c所示。

圖2 信號(hào)放大器外殼及其點(diǎn)云

2 零件的逆向建模

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

將掃描所得原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入杰魔中，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)預(yù)處理。首先進(jìn)行“雜點(diǎn)消除”，刪除噪音點(diǎn)；再根據(jù)比率“采樣”精簡(jiǎn)云點(diǎn)，然后“平滑”，最后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)“三角面片化”，通過(guò)軟件自帶的面片修補(bǔ)精靈進(jìn)行修補(bǔ)等處理。點(diǎn)云預(yù)處理及最終三角網(wǎng)格修復(fù)后效果如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理效果

2.2 模型重構(gòu)

在逆向工程中，模型的構(gòu)建是利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建為實(shí)體的過(guò)程。系統(tǒng)根據(jù)點(diǎn)云的曲率和幾何特征將表面劃分為多塊領(lǐng)域，并用不同顏色區(qū)分，見(jiàn)圖4a。為建立操作平面，方便平移、旋轉(zhuǎn)及快速切換視圖和確定位置等各種操作，采用圓心結(jié)合平面的方式與系統(tǒng)坐標(biāo)對(duì)齊。隨后使用“面片草圖”功能獲取零件截面數(shù)據(jù)，進(jìn)行草圖的編輯與修改，生成封閉截面，見(jiàn)圖4b。

圖4 領(lǐng)域劃分和截面草圖

建立零件草圖后，通過(guò)拉伸和回轉(zhuǎn)等命令生成實(shí)體（圖5a），再將生成的實(shí)體做細(xì)節(jié)修整，得到與原型輪廓一致的零件模型，見(jiàn)圖5b。

圖5 零件逆向效果圖

為驗(yàn)證逆向建模尺寸的準(zhǔn)確性，將逆向模型與經(jīng)預(yù)處理后的點(diǎn)云進(jìn)行比較分析（設(shè)定誤差上下限±4 mm），見(jiàn)圖6所示。由誤差標(biāo)量顏色顯示可見(jiàn)，逆向殼體零件內(nèi)外側(cè)平面誤差極小，圖中所選點(diǎn)誤差主要集中在±1×10-2~±1×10-1 mm區(qū)間，最大誤差主要分布于模型內(nèi)側(cè)的邊沿，數(shù)量在1 mm級(jí)。

圖6 逆向模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)比

需要在此指出，本研究中激光掃描所得點(diǎn)云與逆向模型的誤差主要集中于零件內(nèi)側(cè)邊沿附近的密封槽處（圖6a），這主要是由于激光掃描前噴涂了顯像劑，而逆向建模時(shí)考慮到了“零件設(shè)計(jì)意圖”并對(duì)局部尺寸進(jìn)行了圓整所致。雖然對(duì)模型尺寸進(jìn)行圓整與再設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致模型與點(diǎn)云較大的局部誤差，但這也正體現(xiàn)了逆向工程中理解零件的設(shè)計(jì)意圖（“靈魂”）重于設(shè)計(jì)尺寸（“軀殼”）的本質(zhì)。

逆向模型與點(diǎn)云的絕對(duì)偏差與標(biāo)準(zhǔn)偏差分布見(jiàn)圖7。結(jié)合Geomagic詳細(xì)分析文件可知，絕對(duì)偏差值在-0.75~+0.75 mm范圍內(nèi)的點(diǎn)數(shù)占比97.55%，而根據(jù)圖7b測(cè)量點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差的正態(tài)分布結(jié)果，在3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差內(nèi)的點(diǎn)數(shù)占比高達(dá)98.74%，可見(jiàn)逆向模型與激光掃描點(diǎn)云高度貼合。

圖7 逆向模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的偏差

為檢驗(yàn)?zāi)嫦蚰Ｐ托Ч捎梅直媛蕿?.047 mm級(jí)的Anycubic光固化快速成形機(jī)進(jìn)行2∶1打印，效果見(jiàn)圖8。從槽、孔、柱、加強(qiáng)筋等零件細(xì)節(jié)看，逆向模型的光固化模型完全反應(yīng)出原型特征，且表面光滑（圖中快速原型外表面密集的點(diǎn)狀為去除支撐所留痕跡），內(nèi)外轉(zhuǎn)角及邊沿處過(guò)渡圓滑。經(jīng)游標(biāo)卡尺（精度0.02 mm）對(duì)金屬原型和快速原型的輪廓、槽等主要特征測(cè)量，對(duì)比發(fā)現(xiàn)快速原型尺寸誤差最大在0.07 mm內(nèi)，公差等級(jí)在IT9~IT10。這表明激光掃描、逆向重構(gòu)原型、模型等比縮放打印后累計(jì)誤差能控制在合理范圍，基于激光掃描與杰魔重構(gòu)的模型質(zhì)量達(dá)到零件公差要求。

圖8 光固化快速成形方法打印的模型

3 壓鑄模具設(shè)計(jì)

3.1 鑄件壓鑄工藝分析

信號(hào)放大器外殼材料采用YL112，尺寸為150 mm×差范圍±0.3 mm）。零件整體上為較規(guī)則的長(zhǎng)方形槽殼體，外置凸出螺紋孔（后期加工）和安裝轉(zhuǎn)軸，設(shè)有散熱薄片和邊沿安放密封膠的凹槽。結(jié)合該零件特征并根據(jù)分型面選擇原則，確定如圖 9a所示分型面。由于零件外表面含有較多豎直散熱薄片，不宜選擇中心澆注，故選擇扁平側(cè)澆口，見(jiàn)圖 9b。

圖 9 壓鑄件分型面確定及澆道設(shè)計(jì)

根據(jù)壓鑄件最大截面及澆排系統(tǒng)投影面積，結(jié)合40 MPa注射壓力推薦值計(jì)算，得鎖模力1 099 kN，選用J1113G臥式冷室壓鑄機(jī)。然后經(jīng)過(guò)壓室實(shí)際容量的核算，選擇Φ60 mm滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 模具參數(shù)計(jì)算

壓鑄機(jī)決定壓鑄模厚度范圍，壓鑄機(jī)動(dòng)座板行程則決定取出壓鑄件所需的距離。根據(jù)鑄件大小和所需安全值，壓鑄件脫模取出所需最小距離為85 mm，小于所選壓鑄機(jī)動(dòng)模座板最大行程350 mm，符合要求；內(nèi)澆道深度為1.8 mm，取扇形澆道入口厚度為10 mm，寬度為8.6 mm，測(cè)量開(kāi)口角為60°，符合要求。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，模具設(shè)計(jì)兩個(gè)溢流槽，又根據(jù)鑄件溢流槽的容積占比，確定溢流槽半徑8 mm，溢流口長(zhǎng)12 mm，厚0.8 mm。

3.3 壓鑄模具裝配

鋁合金信號(hào)放大器壓鑄模見(jiàn)圖10所示。定模12固定在澆口套9一側(cè)的定模套板13上，動(dòng)模14被固定在動(dòng)模套板15上。壓鑄機(jī)工作時(shí)，模具合模，活塞壓射鋁液充滿(mǎn)型腔，保壓后直接開(kāi)模，當(dāng)動(dòng)模和定模分開(kāi)到能方便取出鑄件的一定距離時(shí)停止。然后，頂出機(jī)構(gòu)通過(guò)頂桿固定板5和頂桿16傳遞推力將鑄件頂出，最后動(dòng)模14通過(guò)彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)7復(fù)位。

圖10 模具總裝圖

4 結(jié)論

（1）ATOS藍(lán)色光學(xué)掃描儀可通過(guò)噴涂和粘貼參考點(diǎn)準(zhǔn)確獲取金屬零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為逆向建模提供高精度幾何參數(shù)。

（2）基于杰魔可快速實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，并通過(guò)點(diǎn)云分區(qū)-定位-面片草圖操作-拉伸-回轉(zhuǎn)-修剪等系列操作實(shí)現(xiàn)建模，逆向模型符合零件公差要求。

（3）通過(guò)ATOS掃描與杰魔建模的逆向工程可為產(chǎn)品研發(fā)和模具設(shè)計(jì)提供原型參數(shù)，提高研發(fā)效率和市場(chǎng)響應(yīng)速度。

作者：

龔海軍 周濤 李歡
重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院
彭軍
重慶德運(yùn)模具制造有限公公司

本文來(lái)自：鑄造雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴