注塑模具鑲件智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)

王靜 ，周來(lái)水 ，李振杰 ，畢建平 ，王獻(xiàn)偉

(1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016； 2.河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 451191)

在注塑模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，一個(gè)重要的核心環(huán)節(jié)是分模設(shè)計(jì)[1–4]，即根據(jù)塑件的CAD模型將模具的模仁(凸模、凹模)設(shè)計(jì)出來(lái)。一般情況下，考慮實(shí)際模具工程中的多種因素(加工方便、易于更換、保證材料硬度、成型排氣等)，經(jīng)常還需要在設(shè)計(jì)出的模仁結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步拆分出鑲件[5–8]，其外形圖如圖1所示。在中大型模具中，所需拆分出的鑲件數(shù)量可達(dá)到幾十個(gè)乃至上百個(gè)。對(duì)于鑲件的設(shè)計(jì)，當(dāng)前的方法一般是由設(shè)計(jì)人員根據(jù)模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，使用相關(guān)工業(yè)軟件的基本建模命令，采用手動(dòng)交互設(shè)計(jì)來(lái)完成，這一過(guò)程不但操作繁瑣，效率低，而且也容易出錯(cuò)[9–11]。針對(duì)目前這種情況，筆者根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求，開(kāi)發(fā)了注塑模具鑲件快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采用設(shè)計(jì)向?qū)У姆椒ǎ瑢⒆⑺苣＞哞偧O(shè)計(jì)知識(shí)集成到應(yīng)用程序，從而能夠快速方便地進(jìn)行模具鑲件的設(shè)計(jì)工作，這對(duì)提高整個(gè)模具設(shè)計(jì)的效率具有重要意義。

圖1 拆分模仁上的鑲件

1 模具鑲件介紹

實(shí)際模具工程中塑件結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，其所對(duì)應(yīng)的模仁表面也隨之具有不同的形狀結(jié)構(gòu)。通常情況下，模仁中均會(huì)有一些加工部位可以拆分成鑲件。按照鑲件成型部位的形狀，大致可分為圓形鑲件和異形鑲件，如圖2所示。所謂圓形鑲件，其成型部位呈現(xiàn)出規(guī)則的圓形形狀，而異形鑲件的成型部位則呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀。

圖2 鑲件的結(jié)構(gòu)形式

1.1 鑲件類(lèi)型

按照鑲件的固定形式，又可分為兩種類(lèi)型：挖槽式和貫通式，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。挖槽式鑲件是指鑲件固定時(shí)首先需要在模仁中加工出盲孔，然后將鑲件插入該盲孔，并用螺絲鎖緊模仁和鑲件。挖槽式是一種常用的固定方法，主要用于鑲件較大時(shí)使用，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。貫通式鑲件是指在鑲件上設(shè)計(jì)有掛臺(tái)結(jié)構(gòu)，鑲件依靠掛臺(tái)進(jìn)行定位，固定則是通過(guò)螺絲將兩塊模板鎖緊完成。鑲件的貫通式固定方法在模具工程中應(yīng)用很普遍，比較適合較小尺寸的鑲件固定。

圖3 鑲件的固定形式

1.2 鑲件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

鑲件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)模具設(shè)計(jì)中的重要部分，具體設(shè)計(jì)時(shí)不但要考慮鑲件本身的強(qiáng)度要求，更需要注意其加工的便利性、成型效果及加工成本等多方面問(wèn)題。如鑲件本體結(jié)構(gòu)應(yīng)避免和頂針、水路等模具內(nèi)部構(gòu)件發(fā)生干涉；鑲件應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度，當(dāng)鑲件單邊承受注射壓力時(shí)，為防止鑲件變形，應(yīng)做固定位以加強(qiáng)強(qiáng)度。如果圓形鑲件成型端面的膠位是非平面，則需要做防轉(zhuǎn)處理[12]。相較于挖槽式鑲件，貫通式鑲件應(yīng)用更廣泛，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

(1)圓形貫通式鑲件。

圓形貫通式鑲件掛臺(tái)的設(shè)計(jì)如圖4所示。通常情況下，圓形鑲件掛臺(tái)的單邊寬度B常取2～4 mm，高度H常取3～6 mm，掛臺(tái)固定位應(yīng)做避空處理，避空值M一般為0.5 mm或1 mm。

圖4 圓形貫通式鑲件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

(2)異形貫通式鑲件。

異形貫通式鑲件的掛臺(tái)應(yīng)首選在鑲件本體的平直位置，且應(yīng)首選長(zhǎng)邊方位，掛臺(tái)單邊寬度B常取2～4 mm，高度H常取3～6 mm，兩邊要留0.5～2 mm平位，掛臺(tái)拐角可做1 mm×45°倒角或R1 mm圓角，以方便裝配。模仁上對(duì)應(yīng)的鑲件掛臺(tái)固定位避空值M一般為0.5 mm或1 mm，異形貫通式鑲件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 異形貫通式鑲件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

2 功能定義及設(shè)計(jì)流程

目前鑲件設(shè)計(jì)時(shí)主要依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，先人工識(shí)別出鑲件成型部分的輪廓線，后使用拉伸、修剪、合并等建模命令，一步步通過(guò)頻繁的交互操作完成鑲件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效率不高，容易出錯(cuò)。針對(duì)這個(gè)情況，企業(yè)需求的鑲件快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

(1)自動(dòng)識(shí)別鑲件的輪廓線，并支持手動(dòng)修改。

(2)根據(jù)用戶(hù)所選鑲件的不同形式，快速生成鑲件模型。

(3)根據(jù)輸入?yún)?shù)，自動(dòng)完成鑲件掛臺(tái)的模型生成。

(4)自動(dòng)完成鑲件模型與模仁的布爾運(yùn)算。

(5)自動(dòng)完成鑲件掛臺(tái)避空的設(shè)計(jì)。

筆者根據(jù)鑲件快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能需求，以NX為軟件平臺(tái)，進(jìn)入NX二次開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用Block UI Styler編輯器設(shè)計(jì)了鑲件快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的用戶(hù)界面，如圖6所示。該系統(tǒng)可完成圓形鑲件和異形鑲件的設(shè)計(jì)工作，用戶(hù)點(diǎn)擊對(duì)話框的“圓形鑲件”或“異形鑲件”選項(xiàng)卡，可對(duì)不同類(lèi)型的鑲件進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)用戶(hù)選定鑲件成型部分的一段輪廓線，系統(tǒng)即可自動(dòng)識(shí)別整個(gè)鑲件成型部分的輪廓線，用戶(hù)通過(guò)指定鑲件的底部平面，并選擇鑲件的固定形式，輸入相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)即可自動(dòng)生成鑲件模型。系統(tǒng)的整個(gè)工作流程圖如圖7所示。

圖6 鑲件設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面

圖7 鑲件自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鑲件成型部分輪廓線的自動(dòng)識(shí)別

在鑲件設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要根據(jù)鑲件成型部分的具體結(jié)構(gòu)情況，人工識(shí)別出其結(jié)構(gòu)輪廓線，然后根據(jù)這些輪廓線使用基本建模命令(拉伸、旋轉(zhuǎn)等)設(shè)計(jì)出鑲件模型。這一過(guò)程需要手動(dòng)對(duì)塑件CAD模型進(jìn)行不斷的翻轉(zhuǎn)、縮放以進(jìn)行查看識(shí)別，并用鼠標(biāo)頻繁的點(diǎn)選模型邊線，操作繁瑣，容易出錯(cuò)。為了解決這一個(gè)問(wèn)題，提出了鑲件成型部分輪廓線的識(shí)別算法，如圖8所示，算法步驟如下：

步驟1：將有鑲件成型部分的模具表面投影到指定的底面，得到投影曲線集(A)。

步驟2：判斷所選的某段鑲件成型部分輪廓線(L)的投影線L1是否為圓弧線，如果是圓弧線，則執(zhí)行步驟3；如果不是圓弧線，則執(zhí)行步驟5。

步驟3：判斷與L1相連的曲線L2是否是圓弧線，如果是圓弧線，則執(zhí)行步驟4；如果不是圓弧線，則執(zhí)行步驟5。

步驟4：判斷圓弧線L1和圓弧線L2是否同心，如果同心，則L1和L2是圓形鑲件成型部分的投影輪廓線；如果不同心，則執(zhí)行步驟5。

步驟5：找出與L1一端端點(diǎn)P0相連的曲線L2，按此方法，依次在投影曲線集(A)中找出所有包含L1的封閉曲線鏈C1，C2，…，Cn。

步驟6：判斷封閉曲線鏈C1，C2，…，Cn各自所圍成的面積，面積最大者，即是異形鑲件成型部分輪廓線的投影線。

圖8 鑲件成型輪廓線識(shí)別原理

3.2 鑲件本體及其配合孔與掛臺(tái)避空位自動(dòng)生成

當(dāng)確定了鑲件成型部分輪廓線之后，即可進(jìn)行鑲件本體、鑲件的配合孔及鑲件掛臺(tái)避空位的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法需要手動(dòng)點(diǎn)擊建模模塊的拉伸、求差、偏置等建模命令來(lái)完成，這一過(guò)程十分繁瑣且易出錯(cuò)。通過(guò)如下提出的自動(dòng)設(shè)計(jì)方法將能夠很好地解決這一問(wèn)題，該方法的前提是已經(jīng)識(shí)別出鑲件成型部分的輪廓線(如3.1所述)。具體步驟如下：

步驟1：判斷鑲件成型部分輪廓線的投影曲線集{L}中的曲線所圍圖形是否是圓形，如果是，則執(zhí)行步驟2；如果不是，則執(zhí)行步驟4。

步驟2：如果用戶(hù)選擇的鑲件固定形式是挖槽式，則將{L}中所有曲線拉伸指定深度生成鑲件體積塊，通過(guò)鑲件體積塊與模仁間的布爾運(yùn)算(先求交，后求差)，即可得到鑲件本體及其在模仁上的配合孔，如圖9所示。

圖9 圓形挖槽式鑲件自動(dòng)生成

步驟3：如果用戶(hù)選擇的鑲件固定形式是貫通式，先將{L}中所有曲線拉伸指定深度生成鑲件體積塊，然后將該{L}中所有曲線向外偏置指定距離得到{PL}，將{L}和{PL}中所有曲線拉伸指定深度生成掛臺(tái)體積塊，將鑲件體積塊與掛臺(tái)體積塊求和后得到的體積塊與模仁進(jìn)行布爾運(yùn)算(先求交，后求差)，即可得到鑲件本體及其在模仁上的配合孔，將配合孔的掛臺(tái)側(cè)面偏置指定距離，即可完成掛臺(tái)避空位的設(shè)計(jì)，如圖10所示。

步驟4：如果用戶(hù)選擇是挖槽式，則執(zhí)行步驟5；如果是貫通式，則執(zhí)行步驟6。

步驟5：將該投影輪廓線拉伸指定深度生成鑲件體積塊，通過(guò)鑲件體積塊與模仁間的布爾運(yùn)算(先求交，后求差)，即可得到鑲件本體及其在模仁上的配合孔，如圖11所示。

步驟6：將該投影輪廓線拉伸指定深度生成鑲件體積塊，然后將曲線鏈中最長(zhǎng)曲線，朝向封閉區(qū)域外側(cè)偏置指定距離，封閉該曲線，并拉伸指定深度生成掛臺(tái)體積塊，將鑲件體積塊與掛臺(tái)體積塊求和，然后與模仁進(jìn)行布爾運(yùn)算(先求交，后求差)，即可得到鑲件本體及其在模仁上的配合孔，將配合孔的掛臺(tái)面偏置指定距離，即可完成掛臺(tái)避空位的設(shè)計(jì)，如圖12所示。

圖10 圓形貫通式鑲件自動(dòng)生成

圖11 異形挖槽式鑲件自動(dòng)生成

圖12 異形貫通式鑲件自動(dòng)生成

4 應(yīng)用實(shí)例

以西門(mén)子的NX工業(yè)軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用python語(yǔ)言結(jié)合NX OPEN API開(kāi)發(fā)鑲件快速設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了筆者提出的算法，并通過(guò)在企業(yè)的多個(gè)實(shí)例驗(yàn)證了其可行性。塑件及其模具如圖13所示。為某模具企業(yè)的一個(gè)工程應(yīng)用實(shí)例，該塑件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，經(jīng)初次分模后，發(fā)現(xiàn)其所對(duì)應(yīng)的模仁成型區(qū)域有多處部位需要拆成鑲件結(jié)構(gòu)，其中圓形鑲件8處，異形鑲件8處。

圖13 塑件及其模具

按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)人員需要反復(fù)點(diǎn)擊鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)查看并識(shí)別鑲件成型部分的輪廓線，然后使用NX的基本建模命令(拉伸、替換面等)進(jìn)行鑲件的模型設(shè)計(jì)，工作量大，所需時(shí)間約70 min左右，且設(shè)計(jì)繁瑣容易出錯(cuò)。在使用鑲件快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，用戶(hù)只需選取一段輪廓線，指定鑲件固定面，并輸入相關(guān)參數(shù)即可快速生成模具鑲件，時(shí)間只需約8 min，系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例如圖14所示。與傳統(tǒng)方法相比，大大節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率。

圖14 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有的注塑模具鑲件設(shè)計(jì)存在著諸多不足，針對(duì)這一情況，提出了一種鑲件快速設(shè)計(jì)方法，能夠自動(dòng)完成鑲件模型的生成，并基于NX平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了注塑模具鑲件快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可輔助設(shè)計(jì)師快速完成模具的鑲件設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率，滿足了企業(yè)的實(shí)際需求，具有較好的實(shí)用性和應(yīng)用價(jià)值。