鋁型材擠壓分流模三維CAD技術(shù)應(yīng)用研究

馬健哲 ， 王紅志， 李積彬

（1. 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2. 深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東 深圳 518060）

隨著新型異形工業(yè)鋁型材的廣泛應(yīng)用，三維CAM和CAE技術(shù)的快速發(fā)展加快了提升復(fù)雜異形材擠壓模具設(shè)計(jì)和制造水平的革新進(jìn)程，因此很有必要對(duì)基于二維圖形和以設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)為主并輔以“試?！彬?yàn)證的傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)模式加以改進(jìn)?？紤]到擠壓模具設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和理論設(shè)計(jì)的不完善，一個(gè)切實(shí)可行的發(fā)展方向是開(kāi)發(fā)一種能夠人機(jī)交互的智能化的三維擠壓模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

自從 1977年第一個(gè)鋁型材擠壓模的 CAD/CAM 系統(tǒng)“ALEXT”出現(xiàn)后[1]，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者圍繞著擠壓模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)領(lǐng)域展開(kāi)了大量的研究，并取得了豐碩的成果。李紅英等采用二維技術(shù)開(kāi)發(fā)鋁型材擠壓平模 CAD系統(tǒng)[2]；李積彬等首次提出了將三維技術(shù)應(yīng)用于擠壓模具 CAD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中[3-4]；李灼華等采用面向?qū)ο蟮姆治黾夹g(shù)建立 CAD系統(tǒng)整體架構(gòu)[5]；羅超提出了基于知識(shí)的鋁型材擠壓模具集成系統(tǒng)的框架并建立原型系統(tǒng)[6]；王孟君等采用成組技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品圖紙的集中管理和快速檢索[7]；廖培根等重點(diǎn)對(duì)模具工作帶設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了應(yīng)用模塊[8]。目前的研究工作主要集中在系統(tǒng)框架建立、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)和模具設(shè)計(jì)方法耦合等方面，對(duì)于作為CAD系統(tǒng)基礎(chǔ)的模具三維模型創(chuàng)建方面研究則相對(duì)較少。隨著異形型材需求增加，模具復(fù)雜程度大幅增加，現(xiàn)有的模具三維 CAD系統(tǒng)由于創(chuàng)建模型相對(duì)簡(jiǎn)單，可修改性不強(qiáng)等局限性，逐漸成為模具三維CAD系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，嚴(yán)重阻礙了三維技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用的發(fā)展。

由此可見(jiàn)，耦合性小、靈活性大的模具三維模型是鋁型材擠壓模具三維CAD系統(tǒng)符合工程應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，本文在以上研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合模具設(shè)計(jì)原則和流程，分析了模具三維建模方法和模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出滿(mǎn)足模具三維模型靈活性和迭代修改要求的創(chuàng)建優(yōu)化方案，在UG NX5二次開(kāi)發(fā)環(huán)境中，以異型材擠壓分流模為例，采用三維模型離散化、建模層次化和組裝歸類(lèi)化相結(jié)合的建模方法和思路，進(jìn)行鋁型材擠壓模具三維CAD系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)，并創(chuàng)建耦合性最小和靈活性最大的模具三維模型。

1 鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)特點(diǎn)

擠壓模具設(shè)計(jì)原則是在滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度需求的前提下，根據(jù)型材截面形狀特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)和尺寸，達(dá)到控制材料流動(dòng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)使金屬均勻擠出的目的。下面針對(duì)工程應(yīng)用實(shí)際需求，分別從模具設(shè)計(jì)過(guò)程迭代性、模具結(jié)構(gòu)參數(shù)的特點(diǎn)以及模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜性三個(gè)方面分別進(jìn)行分析。

1.1 模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

擠壓模具結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

鋁型材產(chǎn)品具有形狀復(fù)雜、非中心對(duì)稱(chēng)、壁厚比懸殊、寬厚比大等特點(diǎn)，導(dǎo)致模具內(nèi)金屬流動(dòng)不均勻性大。模具設(shè)計(jì)過(guò)程是根據(jù)型材截面形狀特點(diǎn)，分析不同區(qū)域的金屬流動(dòng)阻力，按照與型材截面形狀仿形的原則，采用不同模具結(jié)構(gòu)對(duì)金屬的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制，保證金屬的流速均勻。雖然根據(jù)擠壓工藝，擠壓模具結(jié)構(gòu)具有共性特點(diǎn)，但是針對(duì)不同的型材，其模具也有其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。首先，根據(jù)相仿設(shè)計(jì)原則，型材的多樣性直接造成模具多樣性，其次，金屬流動(dòng)不均勻性越大，要求控制金屬流動(dòng)的方法越多，對(duì)應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)也越多；其次，由于不同控制方法對(duì)金屬的流動(dòng)控制的范圍和精度都不相同，如調(diào)整局部擠壓比與調(diào)整摩擦狀態(tài)控制范圍大而精度小，因此根據(jù)設(shè)計(jì)目的，模具的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)也復(fù)雜多樣。正因?yàn)槟＞呓Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不僅增加了模具設(shè)計(jì)難度，同時(shí)也增加模具迭代修改的次數(shù)。

1.2 模具結(jié)構(gòu)參數(shù)特點(diǎn)

模具結(jié)構(gòu)參數(shù)具有敏感性、獨(dú)立性和互補(bǔ)性的特點(diǎn)。

擠壓模具是通過(guò)調(diào)整其空間的結(jié)構(gòu)改變金屬擠壓過(guò)程的邊界條件，改變金屬流動(dòng)狀態(tài)，以達(dá)到控制金屬流速的目的，其結(jié)構(gòu)的改變對(duì)金屬流動(dòng)速度影響很大。首先在高溫、高壓條件下，模具中金屬的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)于模具結(jié)構(gòu)是十分敏感的，輕微的結(jié)構(gòu)尺寸變化可能造成金屬流動(dòng)速度的很大變化，因此為了達(dá)到精確控制金屬流速目的，模具的結(jié)構(gòu)參數(shù)經(jīng)常需要修改；其次，模具中不同結(jié)構(gòu)對(duì)于金屬流動(dòng)的控制原理和方法是不同的，結(jié)構(gòu)參數(shù)間存在一定獨(dú)立性。如：增加金屬與模具之間的摩擦力和增大局部金屬擠壓比都能降低金屬的流動(dòng)速度；再次，在?？壮隹谔帿@得金屬流動(dòng)速度均衡是模具中所有結(jié)構(gòu)的共同作用的結(jié)果，因此結(jié)構(gòu)參數(shù)間又有一定的互補(bǔ)性。

1.3 模具設(shè)計(jì)過(guò)程的特點(diǎn)

模具設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜，反復(fù)迭代修改的過(guò)程。

由于目前金屬擠壓理論還處在不斷完善的階段，在一定工藝條件和設(shè)備條件下，為了獲得合格型材產(chǎn)品，擠壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后除了需要經(jīng)過(guò)模具強(qiáng)度校核，還要必須根據(jù)擠壓的“試?！被蛘哂邢拊治龅慕Y(jié)果對(duì)模具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修改，如圖1分流孔設(shè)計(jì)流程，只有同時(shí)滿(mǎn)足模具強(qiáng)度條件和型材質(zhì)量的要求，模具設(shè)計(jì)的迭代修改過(guò)程才能完成。

圖1 分流孔設(shè)計(jì)流程

因此，為了滿(mǎn)足模具設(shè)計(jì)中不斷迭代修改的要求，鋁型材擠壓模具三維CAD系統(tǒng)不僅要與模具設(shè)計(jì)流程相結(jié)合，而且必須尋求一種合理模型創(chuàng)建方法，使模具三維模型也具備這種可修改性強(qiáng)，靈活性大的特點(diǎn)，才能滿(mǎn)足實(shí)際工程應(yīng)用需求。

由以上的分析可知，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)敏感，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要不斷迭代修改，因此模具三維模型的創(chuàng)建方法尤為重要。

2 模具三維優(yōu)化建模分析

UN NX5是目前最為通用的三維CAD/CAE/CAM軟件，現(xiàn)已大量應(yīng)用于鋁型材擠壓模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，能提供豐富的三維建模功能，二次開(kāi)發(fā)功能強(qiáng)大，為滿(mǎn)足鋁型材擠壓模具三維CAD系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)提供良好的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。本文以擠壓模具中最為復(fù)雜的平面組合分流模設(shè)計(jì)為例，在UG NX5二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)上開(kāi)展相關(guān)的開(kāi)發(fā)研究工作。

2.1 平面法三維建模的局限性

采用傳統(tǒng)二維建模思路所創(chuàng)建的三維模型可修改性差。

為了滿(mǎn)足三維CAE和CAM技術(shù)應(yīng)用，模具二維設(shè)計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)化為三維圖形仍舊采用二維設(shè)計(jì)的建模思路，普遍采用以二維模具設(shè)計(jì)圖紙為“草圖”，采用三維拉伸實(shí)體的建模模式，其最終實(shí)體模型表示為特征體。其優(yōu)點(diǎn)是建模過(guò)程直觀符合二維設(shè)計(jì)習(xí)慣，實(shí)體模型比較準(zhǔn)確，但是采用此方式創(chuàng)建的三維模型參數(shù)因“草圖”約束尺寸的原因而緊密相關(guān)，導(dǎo)致所建立三維模型可修改性差，迭代修改操作繁瑣。例如，修改草圖的局部尺寸需要將基于草圖設(shè)計(jì)前的建模工作全部消除，不僅增加重復(fù)性工作，容易出錯(cuò)，而且更重要的是以前的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)將會(huì)全部丟失，嚴(yán)重地降低效率。

2.2 三維模型拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

三維模型體素拓?fù)潢P(guān)系清晰，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

三維圖形的點(diǎn)、線、面、體和特征有著緊密的關(guān)系，拓?fù)潢P(guān)系很清晰，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊密，各幾何元素之間存在著明確的依賴(lài)和繼承的關(guān)系。然而，在三維CAD軟件的常規(guī)三維繪圖過(guò)程中，在對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行修改或增加結(jié)構(gòu)時(shí)，由于實(shí)體間的“交”、“并”、“差”、“補(bǔ)”等的布爾操作，增加了大量點(diǎn)、線、面等特征結(jié)構(gòu)，在建模的過(guò)程中，時(shí)常由于數(shù)據(jù)干涉或拓?fù)潢P(guān)系不當(dāng)，而出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)的現(xiàn)象。三維圖形數(shù)據(jù)這些特點(diǎn)給擠壓模具交互系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)帶來(lái)很大的難度，必須針對(duì)模具設(shè)計(jì)流程尋求拓?fù)潢P(guān)系簡(jiǎn)單、耦合性小的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織方式和模型的構(gòu)建方法，提高二次開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中圖形修改的容錯(cuò)能力，適應(yīng)擠壓模具迭代設(shè)計(jì)過(guò)程的需要。

所幸當(dāng)前三維CAD商用軟件提供了靈活多樣的造型方法，為解決上述問(wèn)題提供了便利條件。同樣的三維實(shí)體模型可以采用不同的方法創(chuàng)建，對(duì)應(yīng)不同創(chuàng)建過(guò)程，實(shí)體有著不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，如立方實(shí)體在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中可表示為單元實(shí)體，也可以表示為特征體。

正因?yàn)槿S模型建立方法有著很大的靈活性特點(diǎn)，在交互式擠壓模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，存在最合理、耦合性最小的三維模型的創(chuàng)建方法和模具三維模型。

2.3 三維建模方法的特點(diǎn)

不同三維建模方法建立模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和體素間的耦合程度不同。

UG NX5在三維建模方面主要有三種方法，即簡(jiǎn)單實(shí)體建模方法、特征建模方法和草圖建模方法。簡(jiǎn)單實(shí)體建模方法主要?jiǎng)?chuàng)建立方體、圓柱體等簡(jiǎn)單三維實(shí)體，結(jié)構(gòu)參數(shù)少、拓?fù)潢P(guān)系簡(jiǎn)單，模型耦合關(guān)系最小，但是三維實(shí)體模型簡(jiǎn)單，適合于建立總體模型的應(yīng)用。特征建模方法主要是針對(duì)基礎(chǔ)實(shí)體的點(diǎn)、線和面等結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，如倒斜面和倒圓角等操作，創(chuàng)建較為精細(xì)的實(shí)體結(jié)構(gòu)，但是其操作增加基礎(chǔ)實(shí)體中所包含的特征數(shù)量，增加模型拓?fù)潢P(guān)系的復(fù)雜性，耦合性較強(qiáng)，適用于建立局部模型的應(yīng)用。由于基于二維平面的圖形，存在大量的點(diǎn)、線尺寸約束，草圖建模是拓?fù)潢P(guān)系最復(fù)雜、耦合性最強(qiáng)的方法，適用于創(chuàng)建精度最高細(xì)節(jié)模型。

三種建模方法隨著實(shí)體中拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜程度增加，建模的可控性強(qiáng)，模型精確度越高，與此同時(shí)為分流模三維模型的優(yōu)化提供實(shí)現(xiàn)的方法。

3 分流模三維模型優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3.1 分流模結(jié)構(gòu)

分流模主要生產(chǎn)中空型材的擠壓模具，加熱后的圓柱形金屬錠在高壓下首先經(jīng)過(guò)上模的分流孔進(jìn)行分流，然后在下模的焊合室中重新焊合，最后通過(guò)模孔和模芯之間的間隙流出模具，形成中空型材。分流模的結(jié)構(gòu)包括上模和下模兩部分，上模設(shè)計(jì)有分流橋、分流孔、模芯和工作帶等；下模設(shè)計(jì)有焊合室、橋墩、模孔和工作帶等結(jié)構(gòu)。如圖2所示。

圖2 分流模結(jié)構(gòu)示意圖

其中分流孔結(jié)構(gòu)主要功能是根據(jù)型材截面形狀特征對(duì)金屬流動(dòng)量進(jìn)行合理分配，是分流模的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

3.2 多種建模方法結(jié)合降低模型參數(shù)耦合性

根據(jù)模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用不同建模方法建模有效降低模具三維模型結(jié)構(gòu)參數(shù)的耦合性。

由2.2節(jié)的分析可知，三維模型的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，模型內(nèi)的圖素間的拓?fù)潢P(guān)系和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，大量的結(jié)構(gòu)參數(shù)耦合在一起，直接導(dǎo)致模型的可修改性差。同時(shí)有2.3節(jié)分析可知，不同建模方法，參數(shù)間的耦合程度不同，因此有必要針對(duì)模具結(jié)構(gòu)，合理選擇三維建模方法以降低模具參數(shù)的耦合性。

根據(jù)1.1節(jié)分析可知，擠壓模具具有共性和特性結(jié)構(gòu)，結(jié)合三維建模方法的特點(diǎn)，分流模的上模結(jié)構(gòu)也可以分為三種類(lèi)型，首先是采用簡(jiǎn)單實(shí)體表示的模具共性結(jié)構(gòu)，如模具外圓，分流橋、橋墩等；其次是采用特征實(shí)體是模具過(guò)渡結(jié)構(gòu)，如分流橋的焊合角和橋墩的倒圓角等；最后是以“草圖”實(shí)體表示模具的精確成形結(jié)構(gòu)，如模芯和?？捉Y(jié)構(gòu)。因此，針對(duì)模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用不同的建模方法，降低結(jié)構(gòu)參數(shù)間的耦合性。具體如圖3所示。

3.3 歸類(lèi)、離散結(jié)構(gòu)增加模型靈活性

采用模型離散化和歸類(lèi)化組裝方法有效降低模型實(shí)體間的耦合性，增加模型構(gòu)型和修改的靈活性。

采用3.2節(jié)方法，雖然在一定程度上降低模具整體結(jié)構(gòu)參數(shù)的耦合性，但是還無(wú)法達(dá)到三維模型靈活性大的實(shí)際工程應(yīng)用要求，難以建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模具三維模型，因此還需要進(jìn)一步進(jìn)行參數(shù)解耦的工作，三維模型的離散化是有效的方法。

由1.2節(jié)分析可知，模具結(jié)構(gòu)具有一定的獨(dú)立性和互補(bǔ)性，因此，首先從三維模型的構(gòu)型角度分析，將復(fù)雜的整體模型離散化，即模具整體三維模型由多個(gè)簡(jiǎn)單個(gè)體的三維模型構(gòu)成；然后根據(jù)模具結(jié)構(gòu)參數(shù)與個(gè)體三維模型聯(lián)系的緊密程度進(jìn)行歸類(lèi)，以獨(dú)立結(jié)構(gòu)三維實(shí)體最完整的建模原則，如分流橋墩的立方體主體結(jié)構(gòu)和導(dǎo)圓角過(guò)渡結(jié)構(gòu)的合并，分別創(chuàng)建其三維模型，建立個(gè)體的三維模型；最后采用平移、旋轉(zhuǎn)等空間位置轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行組裝，從而建立復(fù)雜的模具整體三維模型，借此大幅度降低模型的耦合程度和增加模具三維建模的靈活性。以上模為例，對(duì)模型的三維模型進(jìn)行分解和組裝。如圖4所示。

圖3 模具三維創(chuàng)建方法和模具結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4 分流模上模組裝結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)不同結(jié)構(gòu)采用針對(duì)性建模方法和離散―組裝的方法，不僅降低了模型的建模參數(shù)耦合性，而且降低了模具結(jié)構(gòu)參數(shù)的耦合性，增加了模具建模的靈活性，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具三維模型。以結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形型材分流模的分流橋結(jié)構(gòu)為例，闡述采用此思路建立三維模型的具體實(shí)現(xiàn)方法。

4 應(yīng)用實(shí)例

本文采用VC++6.0為開(kāi)發(fā)工具，在UG NX5二次開(kāi)發(fā)環(huán)境中，開(kāi)發(fā)了鋁型材擠壓分流模三維CAD系統(tǒng)，與UN NX5系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鏈接，如圖5所示。

圖5 模具CAD系統(tǒng)菜單

（1）創(chuàng)建模具安裝結(jié)構(gòu)

主要采用了簡(jiǎn)單圓柱體的實(shí)體建模方式進(jìn)行建模，如圖6所示。

圖6 模具安裝結(jié)構(gòu)

（2）創(chuàng)建模具模芯結(jié)構(gòu)

主要采用草圖建模方法建立精確成形的工作帶和空刀結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

（3）創(chuàng)建模具分流橋結(jié)構(gòu)和橋墩結(jié)構(gòu)

采用簡(jiǎn)單立方體建模方法建立分流橋主體結(jié)構(gòu)，在用導(dǎo)斜角的特征操作建立比較完整的分流橋三維模型，并采用平移和旋轉(zhuǎn)的組裝方法，將分流橋布置在模型直角空間位置上。如圖8所示。

圖7 模具模芯結(jié)構(gòu)

圖8 分流橋和橋墩結(jié)構(gòu)

（4）創(chuàng)建模具裝配結(jié)構(gòu)

采用簡(jiǎn)單圓柱體建模方法，創(chuàng)建定位銷(xiāo)和安裝孔結(jié)構(gòu)。如圖9所示。

圖9 模具裝配結(jié)構(gòu)

建模的實(shí)例證明，采用該方法可以建立完成的分流模上模的三維模型，針對(duì)不同模型結(jié)構(gòu)采用不同的建模方法，而且采用整體離散后組裝方式建立模型，模型間的耦合性大幅度降低，而且根據(jù)組裝方式的不同，還能構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋁型材模具。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)模具設(shè)計(jì)特點(diǎn)，認(rèn)為只有具備滿(mǎn)足不斷迭代修改要求、結(jié)構(gòu)參數(shù)耦合性小和建模靈活的模具三維模型是鋁型材擠壓模具三維CAD系統(tǒng)符合實(shí)際工程應(yīng)用的關(guān)鍵和基礎(chǔ)?？偨Y(jié)分析了三維CAD軟件中三種建模方法和鋁型材擠壓分流模三種類(lèi)型結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出采用合理的建模和模型組裝方法建立三維模型的思路，以分流模上模三維建模為例在UG NX5的平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立完整的三維模具模型，證明了該思路和方法能大幅度降低模具三維模型耦合性和提高靈活性，符合實(shí)際工程的應(yīng)用要求。

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