特征建模在塑料件結構設計中的應用研究

王 琛

(南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設計學院，江蘇 南京 210037)

塑料件產品結構設計，既要考慮造型，又要考慮結構與工藝。好的塑料件產品，不僅包括具有美感的造型，還包括設計合理的結構。合理的結構設計，能夠在節(jié)省材料的基礎上，增加塑料件結構的強度和剛度[1]。同時，符合塑料件的成型工藝要求，易于塑造成型，避免產生缺陷。特征建模是機械類三維設計軟件特有的建模方式，它將產品的建模過程分解為特征的疊加過程，塑料件中的典型結構可以通過軟件中的對應特征進行創(chuàng)建，因此建模過程變的更加簡單直觀[2]。通過特征建模的方式對塑料件產品進行結構設計時，需要對塑料件的結構特征進行分類整理、有序編輯、優(yōu)化選用、分合操作。讓每個特征都在工藝規(guī)范下進行設計，使得塑料件結構設計過程和塑料件結構設計原則結合在一起。從而設計出結構合理，易于加工的塑料件產品。

塑料件結構設計常用軟件包括SolidWorks和ProE。兩款軟件都是基于參數化設計方法和特征建模方式的三維設計軟件[3]。SolidWorks軟件側重于機械結構設計，ProE軟件側重于模具與曲面造型設計。相比較而言，SolidWorks軟件的建模思路和操作邏輯更易于理解，其特征種類與塑料件的結構分類更加一致，并且完全包含。因此，本文選用SolidWorks軟件對特征建模方式在塑料件結構設計中的應用進行探究，總結基于SolidWorks軟件的塑料件結構設計經驗。

1 塑料件結構分類

塑料件的典型結構包括：殼體、圓角、加強筋、螺絲柱、限位骨、定位柱、止口、反止口、卡扣等[4]。其中基本結構包括：殼體、圓角、加強筋。塑料件選用結構包括：螺絲柱、定位柱、限位骨、止口、反止口、卡扣。選用結構需要根據設計產品的曲面造型、受力情況、加工方式、裝配類型等進行選用。塑料件的典型結構可以通過SolidWorks軟件中的對應特征進行創(chuàng)建。例如：殼體結構通過拔模特征和抽殼特征進行創(chuàng)建；圓角結構通過倒圓角特征進行創(chuàng)建；加強筋結構、限位骨結構通過筋特征進行創(chuàng)建；螺絲柱結構、定位柱結構通過拉伸凸臺特征或裝配凸臺特征進行創(chuàng)建；止口結構通過唇緣凹槽特征進行創(chuàng)建；反止口結構通過拉伸凸臺特征進行創(chuàng)建；卡扣結構通過拉伸凸臺、拉伸切除特征或彈簧扣、彈簧扣凹槽特征進行創(chuàng)建。

2 特征編輯順序

SolidWorks軟件中的特征編輯順序影響了塑料件結構設計的合理性[5]。通常情況下，SolidWorks特征編輯分為三個步驟：第一步對圓角和殼體結構進行特征編輯，對圓角和殼體結構的特征編輯是在完成第一個基體創(chuàng)建后進行的。殼體結構包含拔模特征和抽殼特征，拔模特征是對基體進行拔模操作，以方便實際生產過程中塑料件的脫模。抽殼特征是對基體進行抽殼操作，使塑料件在任一切面方向都具有均一厚度。圓角特征是為了避免應力集中，改善塑料件的流動情況[6]。第二步對加強筋、螺絲柱、定位柱和限位骨結構進行特征編輯。由于加強筋、螺絲柱、定位柱和限位骨結構都存在筋的特征，在進行對應特征編輯時，將同類特征進行合并操作。筋的特征形式多樣，既可以單獨使用，用于對結構中薄弱的部分進行增強，又可以結合螺絲柱、定位柱、限位骨進行使用，形成螺絲柱加強筋、定位柱加強筋、限位骨加強筋[7]。第三步對止口、反止口和卡扣結構進行特征編輯。由于止口、反止口和卡扣結構都需要結合整體結構(上殼、下殼結構)對局部特征進行編輯[8]。因此，止口、反止口和卡扣結構都需要在其余特征編輯完成后，在相互配合的上下殼體上進行對應結構特征的創(chuàng)建。

3 特征創(chuàng)建方式

SolidWorks軟件中塑料件結構特征的創(chuàng)建方式包括基本特征創(chuàng)建方式與專用特征創(chuàng)建方式[9]?；咎卣鲃?chuàng)建方式是通過如掃描、掃描切除、拉伸凸臺、拉伸切除等基本特征操作完成塑料件結構特征創(chuàng)建的方式。專用特征創(chuàng)建方式是通過如裝配凸臺、彈簧扣、彈簧扣凹槽、唇緣和凹槽等專用特征操作完成塑料件結構特征創(chuàng)建的方式。專用特征創(chuàng)建方式和基本特征創(chuàng)建方式對于大部分塑料件結構特征的創(chuàng)建效果相同。相較而言，專用特征創(chuàng)建方式比基本特征創(chuàng)建方式操作更加快捷。例如對塑料件上下殼體中的止口結構進行特征創(chuàng)建時。專用特征創(chuàng)建方式是通過對唇緣和凹槽特征的編輯而實現(xiàn)結構特征的創(chuàng)建，特征編輯過程僅需選擇公止口結構和母止口結構中互為接觸的面，以及需要進行特征設置的邊輪廓，軟件即可自動生成一對互為配合的公止口結構和母止口結構。基本特征創(chuàng)建方式是通過分別對上下殼體進行掃描切除特征的編輯而完成結構特征的創(chuàng)建，特征編輯過程需要對上下殼體分別進行草圖繪制，草圖繪制過程需要參考止口尺寸設計原則，同時還要兼顧配合要求。草圖繪制完成后，對上下殼體分別進行掃描切除，以生成一對互為配合的公止口結構和母止口結構。

雖然專用特征創(chuàng)建方式比基本特征創(chuàng)建方式更加便捷，但其特征創(chuàng)建范圍比后者特征創(chuàng)建范圍小。對于如卡扣結構中除彈簧扣之外的其他卡扣結構形式，專用特征創(chuàng)建方式無法實現(xiàn)結構特征創(chuàng)建。此時，還需要使用基本特征創(chuàng)建方式，通過草圖繪制、拉伸凸臺和拉伸切除等操作完成結構特征創(chuàng)建。

4 特征分合操作

SolidWorks軟件中對塑料件結構特征進行創(chuàng)建時，需要將整體建模思維和局部建模思維相結合，由此產生了塑料件結構特征的分合操作[10-13]。分合操作需“有分有合”，“分”是指在同一零件文件中創(chuàng)建多個實體，這些實體不需要合并，各自完成結構特征的創(chuàng)建，結構特征互相不關聯(lián)；“合”是指在對實體中兩個互為配合的結構特征進行創(chuàng)建時，需要對兩個互為配合的結構特征進行關聯(lián)創(chuàng)建，實現(xiàn)結構特征的關聯(lián)與配合。例如對上下殼體中的加強筋結構進行特征創(chuàng)建時，由于上下殼體中加強筋結構布置位置及數量不同，因此互不關聯(lián)，需要分開進行結構特征創(chuàng)建。而對上下殼體中的螺絲柱和螺絲過孔結構進行特征創(chuàng)建時，由于上下殼體中的螺絲柱和螺絲過孔結構互為配合，需要將兩個結構特征進行關聯(lián)創(chuàng)建，包含尺寸關聯(lián)和位置關聯(lián)。首先隱藏上殼體結構，完成下殼體中螺絲柱結構特征的定位與創(chuàng)建，完成下殼體螺絲柱結構特征創(chuàng)建同時，上殼體中螺絲過孔的位置和尺寸可直接關聯(lián)對應于螺絲柱的位置和尺寸，從而快速完成兩個互為配合的結構特征的創(chuàng)建。

5 小結

特征建模是機械類三維設計軟件特有的建模方式，塑料件中的典型結構可以通過三維設計軟件中的對應特征進行創(chuàng)建。SolidWorks軟件是基于參數化設計方法和特征建模方式的三維設計軟件。通過SolidWorks軟件特征建模方式對塑料件產品進行結構設計時，需要對塑料件的結構特征進行分類整理，有序編輯，優(yōu)化選用，分合操作。讓每個特征都在工藝規(guī)范下進行設計，使得塑料件結構設計過程和塑料件結構設計原則結合在一起，從而設計出結構合理、易于加工的塑料件產品。