原標題：基于大數據分析的鎂合金壓鑄模快速設計系統開發研究

摘 要：以鎂合金筆記本電腦后蓋壓鑄模為例，介紹了基于大數據分析的壓鑄模CAD集成系統快速設計鎂合金壓鑄模的一般過程。該系統不僅可以快速、合理地設計壓鑄模的側抽芯和復雜的型腔結構，而且可以查詢壓鑄模設計的相關數據和。實踐證明，該系統能快速完成復雜型腔壓鑄模的設計，對復雜鎂合金壓鑄模的設計具有參考價值。

鎂合金壓鑄模具具有充型熔液溫度高，內部型腔復雜，使用壽命長，成型零件間易高溫粘結以及冷卻速度快等特點。若采用傳統設計，設計工作量較大，模具設計周期長。采用專用CAD集成系統對鎂合金壓鑄模進行快速設計，既可縮短設計周期，又可提高模具結構的合理性和加工精度。智能制造是人工智能主戰場，CAD/CAM/CAE/CAPP技術是現代模具設計的核心和重點發展方向。本課題將人工智能應用到傳統的鎂合金壓鑄模模具設計，采用大數據+專用鎂合金壓鑄模CAD系統的開發理念，利用VC++6.0以及Windows系列視窗化操作系統集成開發環境，開發了基于大數據分析的鎂合金壓鑄模CAD集成系統。該系統采用中文界面，下拉菜單設計，操作簡單，壓鑄模設計更準確、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計材料是工程塑料。AZ91D合金具有密度低（1.82 g/cm³，質量為85.2 g，投影面積為123cm³，質量為100.8 g，可以計算鎂合金熔液總澆注質量為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，能滿足生產需要。

1.2 壓鑄件結構特點分析

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，特別是在側面有裝配用矩形孔，需要考慮側向抽芯機構。為了簡化模具結構，脫模機構采用斜頂出方式。根據設計要求，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。根據壓鑄件缺陷大數據分析，在不影響鑄件裝配的情況下，對其進行了結構優化，采用圓角設計，盡量擴大圓角的尺寸，使液態金屬流動更加順暢，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、壓鑄設備與模具設計參數

使用CAD集成系統進行三維實體造型，也可以使用其他專業造型軟件（UG-NX、Pro/E）進行造型后導入CAD集成系統。通過系統的手冊查詢和相關的尺寸計算模塊，可以計算出鑄件的體積和質量。鑄件的體積為46.8cm³，質量為85.2 g，投影面積為123 m㎡，模具型腔為一模一腔。澆注系統和溢流槽的總體積為55.4 cm³，質量為100.8 g，可以計算鎂合金熔液總澆注質量為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，能滿足生產需要。

3、基于大數據分析的鎂合金壓鑄模快速設計系統

壓鑄模設計的主要工作是模具工作零件的創建，包括型腔、斜滑塊、澆注系統、頂出機構等。首先基于大數據分析結構優化，建立鑄件的三維模型，設定鎂合金材料的收縮率，基于大數據分析引導設置，設置模具分型面，自動生成模具工作零件，調用鎂合金壓鑄模標準模架和標準件，修改細節，完成設計。

3.1 流程設計

壓鑄模設計流程：①建立三維圖；②系統引導建立模具工作零件，包括設定收縮率、分型面設置、模具凹凸腔、周邊斜滑塊、中心澆注通道和分流通道設計；③系統引導調用標準模架和標準件，最終設計點澆口、頂出機構以及壓鑄模加熱和冷卻系統，具體流程見圖2。壓鑄模快速設計系統大大節省了數據查詢和三維建模的時間，基于壓鑄件缺陷的大數據分析可以盡量避免大量缺陷產生。將傳統壓鑄模設計周期從18天縮短為1天左右，大大節省了壓鑄模設計時間，提高了設計效率。

圖2：快速壓鑄模設計具體流程

3.2 分型面設置

分型面是模具設計和制造的基準面。它直接影響到模具的加工工藝和壓鑄成形的效率和效果。分型面是否設置合理，直接決定壓鑄模設計成功與否。采用大數據分析，可以指導專業設計人員正確設置分型面，本鑄件較簡單，分型面設置在外徑最大的截面上，斜頂出4個扣位。模具結構簡單，制造方便。根據鑄件的結構分析，本設計選用單分型面。

3.3 模具工作零件構建

借助快速模具設計系統和可視化系統的引導，只需設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。整個過程由軟件自動生成，避免人為誤差，模具型腔尺寸更準確。系統自動生成的模芯和型腔見圖3。在此環節，可以通過大數據分析，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建完成后，通過系統軟件對整體模具型腔及澆注系統進行圓角化，盡量減少附著應力，避免鑄件缺陷產生。

（ａ）動模                                                                            （ｂ）定模

圖3：壓鑄模工作零件

3.4 標準模架調用

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

（ａ）ＣＡＤ集成系統                                           （ｂ）標準模架調用界面

圖4：鎂合金壓鑄模CAD集成系統及標準模架調用界面

3.5 標準零件調用

選擇“調用零件庫”按鈕，該按鈕有三個子菜單，即導向定位機構、脫模機構和標準件，見圖5。選擇其菜單按鈕，調用用戶操作界面，然后選擇所需部件的圖標。將顯示“零件參數輸入”對話框。輸入參數后，單擊“創建”生成所需的零件。點擊菜單按鈕“調用零件庫-導向定位機構”顯示的用戶界面，點擊導柱圖標顯示的操作界面。

圖5：鎂合金壓鑄模CAD集成系統標準零件調用界面

3.6 壓鑄模三維總裝圖

根據系統引導，調用標準模架和標準件，再調用壓鑄模的工作零件。修改模具細節后，完成壓鑄模總體設計，三維總裝圖見圖6。壓鑄模總體設計完成后，經模具運動干涉檢查確認后，結合大數據分析進行壓鑄模整體結構審查驗證，對壓鑄模細節進行優化，修正，對后期壓鑄模試模可能出現的問題進行預判，排除因壓鑄設備以及壓鑄工藝造成壓鑄件缺陷的其他設計因素，有條件的廠家可以進行運動仿真以及充型過程模擬，分析模擬結果后，再對壓鑄模整體結構進行優化，確認整體無誤后，方可進行下一步數字化制造，以保證在后期壓鑄模試模中一次性成功，節約設計加工成本。模具設計在系統的指導下逐步計算和調用，無需對各個零件進行重復的模具建模和裝配，避免了大量的重復工作，大大縮短了模具設計時間。

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，模具整體側抽芯機構采用斜頂機構，模具結構簡單，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而損壞。

圖7：壓鑄模二維裝配圖

4、結束語

以筆記本電腦后蓋為例，介紹了基于大數據分析的鎂合金壓鑄模CAD集成系統的開發思路和壓鑄模快速設計流程。該系統根據企業生產實際，把產生鑄件缺陷的因素進行收集，采用大數據進行分析，在鑄件三維建模以及模具分型面設置，澆注系統設計以及模具加熱與冷卻系統設計時，起到積極的引導與優化作用，此外，其他主要功能還包括壓鑄模具標準模架庫和零件庫、壓鑄模設計手冊查詢、壓鑄模型腔尺寸計算與驗證系統、壓鑄模價格評估系統等，該系統即可以擺脫模具設計中復雜的查詢工作，有可以對將來出現的壓鑄缺陷進行收集整理，可實現快速壓鑄模具設計的數字化和智能化。

作者：
張艷琴 鄭州城市職業學院電子信息工程系
張占領 鄭州科技學院機械工程學院
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