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繁原標題：基於傑魔的鋁合金零件逆向建模及壓鑄模具設計
摘要
爲快速響應市場、提高研發效率，對某鋁合金信號放大器外殼進行逆向建模和壓鑄模具設計。首先採用ATOS藍色激光掃描系統進行測量，然後應用Geomagic Design X（傑魔）軟件對測量所得點雲數據進行處理和逆向建模；根據逆向所得原型進行壓鑄工藝分析後，結合壓鑄模具設計理論及經驗對該產品進行壓鑄模具設計。研究過程表明，採用基於激光掃描和傑魔結合的逆向建模方法建模快捷、尺寸準確，通過產品逆向設計和經驗的模具設計方法能快速研發出新產品及其壓鑄模具。
壓鑄是一種高效近淨成形工藝，壓鑄件近年來在各行業的使用越來越廣泛。隨着市場競爭加劇，高效率、低成本、個性化及創新已成爲企業提高競爭力的核心。在產品設計領域，傳統的正向設計和測量方法在很多情況下已難以滿足“快、好、省”的開發要求，從而使得逆向工程（RE）技術得到快速發展和應用。RE可通過不同測量設備，將現實的立體信息轉換爲計算機可處理的點雲數據，從而將處理結果用於不同場合的計算機輔助交流（CAX），提高設計和生產效率。
本文採用基於藍光技術的ATOS系統對某鋁合金信號放大器殼體零件進行逆向測量和建模，然後將模型導入3D繪圖軟件對零件直接分模，進而設計出該殼體零件的壓鑄模具。
1零件的逆向測量
圖1所示爲零件測量所採用的ATOS Compact Scan 5M光學三維數據採集掃描儀。
圖1 ATOS Compact Scan 5M三維光學掃描儀
ATOS掃描儀利用光學三角形原理，採用兩個電荷耦合器件（CCD）攝像頭檢測物體形狀，並合成三維數據。它還支持利用探針檢測，對鏡面等高反射表面及深孔等用CCD攝像頭難以拍攝的物體，由探針實施輔助檢測。該掃描儀在精度、銳化度和完整性方面均可達到基準質量水平，其技術規格見表1。
表1 ATOS Compact Scan 5M技術規格
考慮到該鋁合金零件內表面反光較強，爲得到高精度測量結果，對其表面均勻噴塗顯像劑。由於ATOS 掃描頭需要對殼體各表面分別掃描，然後進行面點雲數據的拼合，這需要在兩片獲取點雲數據的表面重疊區域布置參考點，即在備測零件上貼黑圈白點。系統軟件通過對這些參考點的三維數據進行配準計算和坐標轉換，最終實現多片點雲數據的拼合。零件噴塗顯像劑並貼參考點後的效果見圖2a和圖2b，掃描獲取的點雲數據見圖2c所示。
圖2 信號放大器外殼及其點雲
2零件的逆向建模
2.1 點雲數據處理
將掃描所得原始點雲數據導入傑魔中，對點雲數據進行相應預處理。首先進行“雜點消除”，刪除噪音點；再根據比率“採樣”精簡雲點，然後“平滑”，最後對點雲數據“三角面片化”，通過軟件自帶的面片修補精靈進行修補等處理。點雲預處理及最終三角網格修復後效果如圖3所示。
圖3 點雲數據處理效果
2.2 模型重構
在逆向工程中，模型的構建是利用點雲數據重建爲實體的過程。系統根據點雲的曲率和幾何特徵將表面劃分爲多塊領域，並用不同顏色區分，見圖4a。爲建立操作平面，方便平移、旋轉及快速切換視圖和確定位置等各種操作，採用圓心結合平面的方式與系統坐標對齊。隨後使用“面片草圖”功能獲取零件截面數據，進行草圖的編輯與修改，生成封閉截面，見圖4b。
圖4 領域劃分和截面草圖
建立零件草圖後，通過拉伸和回轉等命令生成實體（圖5a），再將生成的實體做細節修整，得到與原型輪廓一致的零件模型，見圖5b。
圖5 零件逆向效果圖
爲驗證逆向建模尺寸的準確性，將逆向模型與經預處理後的點雲進行比較分析（設定誤差上下限±4 mm），見圖6所示。由誤差標量顏色顯示可見，逆向殼體零件內外側平面誤差極小，圖中所選點誤差主要集中在±1×10-2~±1×10-1 mm區間，最大誤差主要分布於模型內側的邊沿，數量在1 mm級。
圖6 逆向模型與點雲數據對比
需要在此指出，本研究中激光掃描所得點雲與逆向模型的誤差主要集中於零件內側邊沿附近的密封槽處（圖6a），這主要是由於激光掃描前噴塗了顯像劑，而逆向建模時考慮到了“零件設計意圖”並對局部尺寸進行了圓整所致。雖然對模型尺寸進行圓整與再設計會導致模型與點雲較大的局部誤差，但這也正體現了逆向工程中理解零件的設計意圖（“靈魂”）重於設計尺寸（“軀殼”）的本質。
逆向模型與點雲的絕對偏差與標準偏差分布見圖7。結合Geomagic詳細分析文件可知，絕對偏差值在-0.75~+0.75 mm範圍內的點數佔比97.55%，而根據圖7b測量點標準偏差的正態分布結果，在3個標準偏差內的點數佔比高達98.74%，可見逆向模型與激光掃描點雲高度貼合。
圖7 逆向模型與點雲數據的偏差
爲檢驗逆向模型效果，採用分辨率爲0.047 mm級的Anycubic光固化快速成形機進行2∶1打印，效果見圖8。從槽、孔、柱、加強筋等零件細節看，逆向模型的光固化模型完全反應出原型特徵，且表面光滑（圖中快速原型外表面密集的點狀爲去除支撐所留痕跡），內外轉角及邊沿處過渡圓滑。經遊標卡尺（精度0.02 mm）對金屬原型和快速原型的輪廓、槽等主要特徵測量，對比發現快速原型尺寸誤差最大在0.07 mm內，公差等級在IT9~IT10。這表明激光掃描、逆向重構原型、模型等比縮放打印後累計誤差能控制在合理範圍，基於激光掃描與傑魔重構的模型質量達到零件公差要求。
圖8 光固化快速成形方法打印的模型
3壓鑄模具設計
3.1 鑄件壓鑄工藝分析
信號放大器外殼材料採用YL112，尺寸爲150 mm×差範圍±0.3 mm）。零件整體上爲較規則的長方形槽殼體，外置凸出螺紋孔（後期加工）和安裝轉軸，設有散熱薄片和邊沿安放密封膠的凹槽。結合該零件特徵並根據分型面選擇原則，確定如圖 9a所示分型面。由於零件外表面含有較多豎直散熱薄片，不宜選擇中心澆注，故選擇扁平側澆口，見圖 9b。
圖 9 壓鑄件分型面確定及澆道設計
根據壓鑄件最大截面及澆排系統投影面積，結合40 MPa注射壓力推薦值計算，得鎖模力1 099 kN，選用J1113G臥式冷室壓鑄機。然後經過壓室實際容量的核算，選擇Φ60 mm滿足設計要求。
3.2 模具參數計算
壓鑄機決定壓鑄模厚度範圍，壓鑄機動座板行程則決定取出壓鑄件所需的距離。根據鑄件大小和所需安全值，壓鑄件脫模取出所需最小距離爲85 mm，小於所選壓鑄機動模座板最大行程350 mm，符合要求；內澆道深度爲1.8 mm，取扇形澆道入口厚度爲10 mm，寬度爲8.6 mm，測量開口角爲60°，符合要求。根據零件結構，模具設計兩個溢流槽，又根據鑄件溢流槽的容積佔比，確定溢流槽半徑8 mm，溢流口長12 mm，厚0.8 mm。
3.3 壓鑄模具裝配
鋁合金信號放大器壓鑄模見圖10所示。定模12固定在澆口套9一側的定模套板13上，動模14被固定在動模套板15上。壓鑄機工作時，模具合模，活塞壓射鋁液充滿型腔，保壓後直接開模，當動模和定模分開到能方便取出鑄件的一定距離時停止。然後，頂出機構通過頂杆固定板5和頂杆16傳遞推力將鑄件頂出，最後動模14通過彈簧復位機構7復位。
圖10 模具總裝圖
4結論
（1）ATOS藍色光學掃描儀可通過噴塗和粘貼參考點準確獲取金屬零件點雲數據，爲逆向建模提供高精度幾何參數。
（2）基於傑魔可快速實現點雲數據的預處理，並通過點雲分區-定位-面片草圖操作-拉伸-回轉-修剪等系列操作實現建模，逆向模型符合零件公差要求。
（3）通過ATOS掃描與傑魔建模的逆向工程可爲產品研發和模具設計提供原型參數，提高研發效率和市場響應速度。
作者：
龔海軍 周濤 李歡重慶交通大學 機電與車輛工程學院彭軍重慶德運模具制造有限公公司
本文來自：鑄造雜志，《壓鑄周刊》戰略合作夥伴
