随着计算机技术的快速发展，将计算机技术与其他行业相结合已经成为不少行业转型升级的关键。目前，计算机辅助技术已经在机械制造、医疗、工业生产等领域具有深入的应用[1]。我国是塑料生产大国，以塑料为原材料在汽车、化工、建筑、军用、食品等领域具有广泛的应用。但是受到塑料的性能限制，部分塑料产品的加工工艺比较复杂，需要对产品设计环节、加工的工艺条件、质量控制环节精准把握，才能保证生产出的塑料部件符合美观、性能要求。但是调整塑料加工的工艺参数比较复杂，周期长、精确度低，导致塑料制品的品质把控成本较高。将计算机辅助技术运用于优化塑料的加工过程，能够实现塑料工程的数字化、信息化和智能化水平的提升，具有良好的应用前景[2-3]。本研究对计算机辅助技术的分类、技术原理进行概述，结合目前国内外计算机辅助技术在优化塑料加工过程中的研究热点和最新的研究成果，介绍计算机辅助技术在优化塑料设计、加工工艺、质量控制的应用情况，对未来计算机辅助技术的应用前景、研究方向进行展望。1计算机辅助技术概述计算机辅助技术可以分为计算机辅助设计、计算机辅助工程、计算机辅助制造等几类[4]。计算机辅助设计是利用计算机软件和图形工具帮助工程设计人员进行设计，减少手绘导致的工程误差，提升设计的工作效率，也能够实现设计流程图、设计方案、审查方案的无纸化存储，提升设计开发效率和质量。计算机辅助工程是使用常用的计算机技术，如结构分析技术、热分析技术、光学分析技术、声学分析技术等辅助分析工程问题、进行工程方案优化设计、简化加工工艺，进而达到工程工艺的优化作用。计算机辅助制造是指利用计算机技术对设计、生产、加工、质量控制等全流程进行指导，包含物料流转、测试检测、设备控制、工艺流程等方面，常见的计算机技术包含大数据、物联网、云计算等[5-7]。常见的计算机辅助技术有Artios CAD系统、CAE信息集成和分析软件、CAM制造控制系统、红外成像无损检测技术等。Artios CAD系统、CAE信息集成和分析软件、CAM制造控制系统主要是基于计算机编程语言，在计算机平台上进行功能优化。红外成像无损检测技术通过采用不同热源对检测对象进行周期性加热，通过接收器对热波信号进行采集，并传输给计算机进行信号的分离、处理和分析。由于检测对象表面的缺陷、结构对热传导会产生影响，进而接收到的热波也略有不同，从而实现对产品的质量检测[8-10]。目前，许多学者将多种计算机辅助技术相结合，并运用于塑料工业的设计、数控、生产、质量控制等环节，实现对塑料加工的进一步优化[11-12]。2计算机辅助技术在优化塑料加工过程中的应用2.1优化塑料设计采用计算机辅助技术设计塑料包装是目前国内外的研究重点之一，通过计算机软件，如AutoCAD、Pro/E、Ansys等软件[13]对塑料的外观、尺寸建立二维或者三维模型，进行力学性能、跌落试验、密封能力[14]仿真模拟测试，不断调整设计参数，从而达到设计标准，提升设计质量。王文娟等[15]采用CAD计算机辅助技术进行建模、参数化、数值模拟设计，并利用3D打印技术进行工程验证。实验结果表明：通过CAD计算机辅助技术，能够有效地解决塑料材料状态、工艺方式的限制，节约设计成本。岳永哲等[16]使用UG软件进行三维建模，并将建立的模型导入CAD软件中。采用计算机的有限元分析，对液晶显示屏的塑料底座的注塑过程进行模拟、分析。实验结果表明：使用计算机辅助技术后塑料底座表面的粗糙度由3.2 µm降低至1.6 µm，说明计算机辅助技术能够显著提升液晶显示屏塑料底座的质量，节约设计时间和生产时间。张如画[17]选择CAD计算机辅助技术模拟食品包装的强度、跌落试验、散热能力和尺寸精度。结果表明：相比于传统的包装设计，采用CAD计算机辅助技术能够提升约20%~60%的设计效率，缩短设计周期，进而降低塑料包装的设计成本。章小丹等[18]根据塑料瓶包装功能、力学性能、外观美学需要，采用CAD和CAE计算机辅助技术建立塑料瓶的二维模型和三维模型，采用有限元分析对塑料瓶的跌落试验、密封试验、静应力实验进行网格模拟。结果表明：塑料瓶平底厚度由2 mm调整到4 mm时，能够显著提升塑料瓶的力学性能。王乾等[19]使用UG软件、CAE计算机辅助技术对游戏手柄的分型面、型腔数和孔结构等构建进行设计，得出最佳的产品尺寸：ABS塑料长度为120 mm，宽度为70 mm，壁厚为0.6~1.5 mm之间，外观美观、符合人体力学性能特点。通过CAE计算机辅助技术对塑料游戏手柄的注塑工艺进行优化，得出在最佳工艺条件成型温度230 ℃，模具温度40 ℃时，游戏手柄外观没有毛刺、缩痕、变形和浇口等缺陷。周昱杉等[20]使用Moldflow软件建立双层网格和三维实体网格，基于极差分析和方差分析的方法，对户外运动摄像机的塑料模型进行外观、尺寸设计。结果表明：将模型的外观尺寸调整为表面积111.26 cm2，体积10.22 cm3，纵横比最大18.77，最小1.16时，工艺条件设置为熔体温度258 ℃，充填压力76.8%，塑料外壳模具的翘曲变形最大可降低6.02%，进而塑料外壳能更好地保护摄像机的内部构件，实现外观设计优化。郑小利[21]采用Auto CAD 2010软件对塑料包装的盒盖、盒体和盒底分别进行设计，并使用计算机辅助技术的盒素库技术进行参数优化，采用XP系统作为运行平台。结果表明：管式折叠塑料包装最重要的是特征参数，计算机辅助技术能够缩短管式折叠塑料包装的开发周期，简化开发流程，具有良好的应用前景。王汀[22]选择VC++6.0为设计平台，利用UG软件进行塑料打印机外壳造型的分型图设计，并采用激光仪进行外观数据特征线提取，建立3D模型。使用计算机辅助技术显著提升塑料工件的自动化水平，缩短设计周期，且进一步提升设计质量。林玉娟等[23]选择C语言为编程语言，采用AutoCAD和ANSYS为分析软件，进行塑料球形储罐的设计模块、有限元模块和绘图模块开发，最终建立一套计算机环境语言的塑料球形储罐模块化设计系统。该研究进一步证明计算机辅助技术能提升球形储罐的设计准确性，并能够用于二次开发。2.2优化塑料加工工艺计算机辅助技术也可以优化塑料加工的工艺条件，如加工速率参数优化、反应温度优化、辅助复杂塑料构建加工、压力参数设计等方面[24-26]，进而改进塑料的加工环境，减少塑料产品的质量问题，提升生产效率和质量[27-28]。计算机辅助技术在塑料的加工速率优化方面，张宝庆等[29]采用计算机辅助技术对ABS工程塑料加工工艺的3D打印速率参数进行研究。由于受到传统的打印速率影响，实验需要消耗大量的时间和成本，使用计算机辅助技术能够实现多个打印速率的仿真模拟，效率更高、成本更低。打印速率会影响塑料材料的热膨胀性能和翘曲变形。仿真模拟结果表明：当打印速率为50 mm/s时，ABS塑料板的表面无裂痕，且变形量最低，仅有0.103 mm。该研究为计算机辅助技术在塑料板加工速率优化应用提供了参考。任翀等[30]用计算机辅助技术优化塑料加工过程中喷嘴的速度，采用送丝速度分别为1、2、3、4、5 mm/s的五组实验进行对比，并使用模拟分析软件进行温度、压力、速度的模拟。结果表明：塑料加工的压力随着送丝速度增加而增大，且最佳的送丝速度为2 mm/s，塑料成品的表面品质最好。邱晓云等[31]以计算机辅助技术模拟塑料ABS生产过程中的速度对塑料成型质量的影响，采用高斯热源模型对不同速度下塑料成型的力学性能进行研究。结果表明：填充速度为2 mm/s，塑料的尺寸精确度最高，最大应力值为21 Pa，但当填充速度超过10 mm/s时，塑料表面容易出现浮丝。计算机辅助技术在反应温度控制优化方面，陶西孟等[32]采用计算机辅助技术和LAB VIEW编程软件对塑料加工过程的温度影响进行模拟仿真，避免传统的PID温度控制器对塑料加工温度控制的失真造成塑料产品质量问题。结果表明：计算机辅助技术能够帮助PID温度控制器实现分段温度控制，且控制反应温度为310 ℃时，塑料的力学性能最好，稳定性误差降低至5%以下。王利等[33]采用计算机辅助技术ANSYS有限元分析软件对塑料3D打印过程中的温度场和应力场进行仿真模拟。结果表明：3D打印温度会影响塑料成品打印精度和表面特性。在240 ℃以上时，使用的ABS塑料容易发生分解反应，塑料的力学性能被破坏；而在190 ℃以下时，ABS塑料的熔融特性受限，流动速度减慢，能减少3D打印中的塑料堵塞喷头的问题。张友宏[34]采用计算机辅助技术、Moldflow软件对塑料薄壁加工的温度进行模拟仿真，计算机软件能够实现在不同温度下ABS塑料材料厚度的力学性能、表面特性模拟。结果表明：减少塑料薄壁形成过程中，由于厚度不均匀、冷却系统参数不稳定、塑料厚度方向温度不均匀导致的翘曲变形，翘曲变形量由0.30 mm变为0.21 mm。计算机辅助技术在压力参数的优化方面，李金良等[35]基于CAE软件对液晶屏的塑料面板翘曲变形的压力进行模型拟合，进而得出不同压力下ABS塑料的收缩率。结果表明：当压力在100 Pa左右时，ABS塑料的尺寸精度最高，表面不容易出现裂痕、气泡等瑕疵。该研究进一步论证计算机辅助技术能够对优化塑料加工的工艺设置提供支持，降低生产成本，提升质量控制效果。2.3优化塑料质量控制计算机辅助技术也能用于优化塑料加工质量检测、质量控制。由于塑料薄壁厚度仅有1~2 mm，在制造过程中容易出现变形、翘曲、收缩等质量问题，采用传统的工艺方法会造成生产成本增加，生产效率下降，使用计算机辅助技术能够在三维环境下对塑料薄壁生产过程进行模拟仿真，对加工环节质量控制进行科学的评估[36-38]。苏燕等[39]采用CAD、CAE和CAM等计算机辅助技术对电话机的塑料薄壁进行质量控制，由于对塑料薄壁精度要求较高，采用仿真模拟软件对薄壁的收缩性、尺寸进行拟合，为实际生产提供参数指导。研究表明：在计算机辅助技术的优化下，电话机的塑料薄壁能将表面粗糙度控制在Ra=0.8 µm以内，且厚度控制在2 mm左右，塑料薄壁的精度等级高达四级。刘宇[40]采用计算机辅助技术中的ANSYS静力学软件对塑料齿轮加工质量进行模拟仿真。塑料齿轮由于尺寸精度控制难、质量合格率低、力学性能要求高，是塑料加工工艺中的难点，采用ANSYS软件能帮助校核齿轮的屈服强度，帮助确定齿轮的最大应力点。拟合结果表明：温度为129 ℃，注射时间为0.445 s时，塑料齿轮最大应力为2 280 MPa。计算机辅助技术通常用于塑料质量检测。聚丙烯(PP)塑料是最为常见的高分子材料，通常用于塑料管道、建筑工程和日用品中。但PP性能相对较差，容易出现低温脆裂的情况，在地下管道或者建筑墙内使用，一旦出现故障难以被及时发现，因此使用计算机辅助技术进行质量控制能够实现无损探测[41-42]。谢抢来[43]使用计算机辅助技术中的红外成像无损检测技术对PP塑料管材的裂纹、腐蚀、积垢等质量问题进行检测。结果表明：红外成像无损检测技术能够高效检测PP塑料的质量问题，且检测效率、检测上线明显高于超声检测和X射线检测技术，对裂纹、腐蚀、积垢等质量问题的检测反映时间分别为0.2、1和5 s，获取的数据精确度和分辨率较高，达到D9级别，该研究进一步论证计算机辅助技术在塑料产品的质量控制具有良好前景。3结论随着计算机辅助技术的种类不断增加、技术水平不断提升、应用范围不断扩大，计算机辅助技术在优化塑料参数方面具有良好的应用前景。计算机辅助技术不仅能够显著提升塑料成品的质量，降低生产成本，提升生产效率，而且可以提升塑料工业的智能化、科技化和自动化水平。本研究对常见的计算机辅助技术原理进行概述，结合国内外的研究热点和最新的研究成果，介绍计算机辅助技术在优化塑料设计、加工工艺、质量控制的应用情况，并对计算机辅助技术的应用前景、研究方向提出建议和参考。未来计算机辅助技术研究重点需要进一步丰富种类和方法，拓宽计算机辅助技术在塑料加工行业的应用，将新技术与塑料工业深入融合，发挥带动行业发展和转型升级的效果。