塑料注塑模具三维设计系统的实现.pdf

华南理工大学学报(自然科学版)第32卷第5期JournalofSouthChinaUniversityofTechnologyVol.32No.52004年5月(NaturalScienceEdition)May2004文章编号:1000-565X(2004)05-0005-04塑料注塑模具三维设计系统的实现3文劲松1崔树标2徐金榜2李德群2(1.华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心,广东广州510640；2.华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074)摘要:在分析了国内注塑模具设计软件开发过程中存在缺陷的基础上,开展了面向装配的注塑模具设计方法的研究；采用基于广义环图树的装配模型,运用图形库与数据库相结合的方法,开发了标准模架库,并提供了建库工具；采用基于特征的设计方法,通过定义分型面,由塑料制品直接生成成型零件；通过分析模具开模、脱模和合模运动的特点,实现了模具运动模拟仿真,从而确保了模具结构设计的合理性.同时,在InteSolid造型系统上实现了注塑模具CAD系统的原型研究,并给出了设计实例.关键词:塑料注塑模具；三维设计；计算机辅助设计；模具特征中图分类号:TQ320.5；TP391.7文献标识码:A收稿日期:2003-07-153基金项目:国家自然科学基金资助项目(59975032)作者简介:文劲松(1968-),男,博士,主要从事高分子材料成型加工及CAD/CAE的研究.E2mail:塑料制品在现代生活与生产中的应用越来越广泛.注塑成型由于生产效率高、产品质量稳定及成本低的特点已成为塑料制品的主要成型手段.塑料注塑模具设计制造的特点是:(1)小批量、多品种；(2)设计具有关联性；(3)标准化程度高；(4)经验性强1,2.这些特点使得计算机辅助设计(CAD)、辅助工程(CAE)和辅助制造(CAM)技术已成为模具制造与使用企业必不可少的工具.目前,模具行业常用的三维CAD造型软件如Pro/E,UGII和CATIA等都带有专门的注塑模具设计模块,这些软件由于价格昂贵(每套软件商业价达到了几十万元人民币),仅仅大型的模具厂家才使用,而广大的中小型企业要么采用二维设计,要么使用盗版软件.随着中国加入WTO,这两种作法都将使企业失去国际竞争能力.二维CAD软件设计效率非常低,二维视图的设计方法与后续三维曲面数控加工方法格格不入,而且不能为CAE分析提供初始数据.目前,国内注塑模具三维CAD的研究主要集中在塑料制品造型、成型零件的自动生成等方面38,真正基于商品化三维CAD软件的系统还没有报道.本研究基于华中科技大学CAD中心开发的商品化三维参数化特征造型软件InteSolid完成了注塑模具三维设计软件的原型系统.InteSolid的开发底层是美国SpatialTechnology公司的ACIS,包括草图、特征造型、装配和二维工程图4个基本模块,能满足开发的基本要求.1系统的整体结构系统的整体结构如图1所示,它包括模具数据管理、成型零件生成、模具装配及运动模拟4个模块,开发软件是VC+6.0.其中,制品的造型直接采用InteSolid三维造型功能,CAE分析采用华中科技大学模具技术重点实验室开发的HSCAE3D.装配模型采用基于广义环图树的结构,与零件特征造型系统有机地结合起来,采用实例化(INSTANCE)的思想,从而使一个零件可以在装配过程中多次被使用.模具装配利用InteSolid的装配功能,主要是典型结构的装配.典型结构是指虽然没有形成国家标准,但在实际生产中普遍采用的结构形式,它包括多个零件组成的子装配体和单个的零件,如拉料杆、主流道衬套及定位圈都可看作典型结构.除此之外,在注塑模具设计中常用的典型结构还有侧向分型与抽芯机构和脱模推出机构.在系统图形库的典型结构库中已经预先定义了这些零件和结构,用户只需从库中提取并参数化进行装配即可.图1系统整体结构Fig.1Structureofdesignsystem2模具数据管理在注塑模具的设计制造过程中,选用标准模架简化了模具的设计和制造,缩短了模具的生产周期,方便了维修,而且模架精度和动作可靠性容易得到保证,因而使模具的整体价格下降.目前标准模架已被模具行业普遍采用,GB/T12556.190塑料注射模中小型模架规定,模架结构型式为品种型号,即基本型和派生型.其中基本型分为A1,A2,A3,A4四个品种.派生型分为P1P9九个品种.还规定,以定模、动模座板有肩、无肩划分,又增加13个品种,共26个模架品种.全部采用GB4169.121184塑料注射模零件组合而成,以模板的每一宽度尺寸为系列主参数,各配以一组尺寸要素,组成62个尺寸系列,按照同品种、同系列所选用的模板厚度和垫块高度划分为每一系列中的规格,供设计时任意组合使用.由此可知,标准模架数据庞大,因而数据库的使用就应运而生了.2.1标准模架库的建立要建立零件库,必须首先绘制零件的初始图形.零件的初始图形不仅描述了零件的拓扑结构,还包含了尺寸变量的信息.这些尺寸变量是连接零件图形与数据库之间的桥梁.零件初始图形设计好后,系统自动提取零件图形中的所有尺寸变量,形成数据表.数据表分为主数据表和附加的多值参数表,主数据表描述了数据的系列编号和对应的尺寸变量,而附加的多值参数表是考虑到在注塑模具中板类零件或杆类零件的相似性.许多不同规格的板类零件,仅仅是板厚不同,其余的尺寸完全相同.使用多值参数表,就可以极大地减少数据的冗余度.因此,模架零件库包括图形库和数据库两部分.数据存放在数据库中,可由多个程序同时共享.如果数据库发生变化,则零件的最终图形也会发生变化,但零件的拓扑结构不变.如果零件初始图形的拓扑结构发生变化,则数据库的结构也会有相应的变化.同时每一个零件都对应着数据库中的一个或多个表,一旦对应关系建立后,只需简单地对数据库中的记录进行编辑(添加、删除或修改)即可生成新的零件图形.标准模架库的建立是在已建立的标准零件库中,逐一提取零件,并参数化,运用系统提供的装配功能组装成标准模架.在零件参数化的过程中,可以使用同一品种的任一系列的任一规格,但对同一模架的所有零件都应使用同一规格.用户模架与典型结构的建立同样如此.2.2标准模架库的管理模架库中,不仅存储了标准模架,还要存储厂家的典型模架,所以必须建立一个有序的管理系统,以便将模架与零件图形库、零件数据库有机地结合起来.图2是图库管理系统界面,其中右边为零件的数据表,上面的表为主数据表,下面的表为多值参数表.图2模架数据管理系统界面Fig.2Interfaceofmanagementsystemofmolddata2.3标准模架的调用需要使用标准模架时,只需打开相应的模架库选择基本型,然后选择系列,最后指定规格,系统自动查询零件数据库,对模架中的每个零件实现参数化,然后自动求解模架装配模型的几何约束,得到新的尺寸的模架三维装配体,实现模架的变量装配设计.在数据查询过程中,所有有多值参数的零件,既可以采用数据库的数值,也可以由用户重新定义.3成型零件与浇注系统生成注塑模具的成型零件是指构成模腔的模具零件,其中型腔用以形成制品的外表面,型芯用以形成制品的内表面,成型杆用以形成制品的局部细节.浇注系统是指注塑模具中从主流道的始端到型腔之间6华南理工大学学报(自然科学版)第32卷的熔体进料通道,一般开设在型腔和型芯零件上.成型零件和浇注系统是注塑模具的最关键部分.笔者采用基于特征的设计方法开发了成型零件生成模块,成型零件通过交互定义分型面直接从制品生成.同时,把浇注系统也作为设计特征,使浇注系统与成型零件同时生成.3.1设计特征定义目前对于特征的概念还没有统一的定义,不同的应用环境特征的定义也不同.根据注塑模具设计的特点,把特征分为形状特征、分型面特征、辅助特征和浇注系统特征.形状特征用来构造塑件实体,在InteSolid特征造型系统中已定义了各种形状特征,如参考特征、凸起特征、切除特征、倒角特征和抽壳特征等9.分型面特征是在生成成型零件的过程中需要用到的面特征.辅助特征用来定义注塑模具设计过程中用到的辅助实体,如虚拟模腔、型腔排列等.浇注系统特征用来定义浇注系统的形状.图3是系统定义的注塑模具设计特征.图3注塑模具设计特征Fig.3Designfeaturesofinjectionmold3.2特征数据结构在模具成型零件的生成过程中,必须采用实体与面混合表达的方式,系统定义了MOLD-HFEA2TURE基类,可以从它派生出各种特定的特征类.在派生类中,上面各种特征的生成算法是通过重构brep()函数实现的,而op()函数在不同的特征中,可以是交、并、差布尔运算,还可能为空.通过这种方法,实现了实体与面的混合运用.下面是设计过程管理类(HMOLD)和特征类(MOLD-HFEATURE)的主要数据与虚构函数.classHMOLD:publicENTITY/从ACIS的类派生Protected:char3UserDefined；/标识符char3MoldName；/名称BODY3MoldBody；/边界表达HPROPERTY3Property；/管理信息链MOLD-HFEATURE3Feature；/特征链classMOLD-HFEATURE:publicENTITY/从ACIS的类派生Protected:intFeatId；/特征号码charFeatName32；/特征名称ENTITY3Brep；/特征的边界表示HPROPERITY3Prop；/特征的性质HMOLD3Mold；/特征所属的管理类MOLD-HFEATURE3Next；/下一个特征Public:virtualintop(BODY3&)；/布尔运算函数virtualintbrep()；/构造特征的边界表达4运动模拟注塑模具结构复杂,零件多,如果设计不当,很容易造成干涉.进行运动模拟,可保证设计的可靠性.在模具的开、合模过程中,一部分零件固定不动,一部分零件移动的距离为模具的开模长度,剩下的零件移动的距离小于开模长度,而且所有零件的运动方向都相同.带有侧抽芯机构的模具开模过程,除了增加了斜滑块与开模方向成角的运动外,其余的运动与不带侧抽芯机构的模具的开模过程相同.根据模具运动的特点,系统采用的运动模拟设计思想是,虽然模具零件的运动距离、方向不同,但是可分为几个运动组,在同一个运动组中的零件的运动距离和方向相同.运动组不同于子装配体,子装配体是按照零件的功能性或为了装配方便来划分的,而运动组是按照零件的运动行为来划分的.如侧抽芯机构可作为一个子装配体,但不能作为一个运动组,因为一般斜导柱是不动的,而斜滑块是运动的.因此,运动分组是手动完成的.对不同的运动组给予不同的运动距离和方向.对所有的运动组,其运动步距都是一样的.对于斜导柱侧抽芯机构中的斜滑块需要进行运动步距换算.同时,在模拟过程中实时地检查零件之间的干涉,以保证模具结构的合理性.5设计实例有一制品如图4(a)所示,采用系统的成型零件生7第5期文劲松等:塑料注塑模具三维设计系统的实现成功能完成型芯、型腔和侧抽芯杆设计,并从标准模架库中调用标准模架.使用InteSolid的装配功能设计的模具如图4(b),模拟模具的开模过程.图4(c)是模拟运动中间图.图4(d)是推出制品后的状态.图4设计实例Fig.4Adesignexample6结束语笔者基于三维参数化特征造型软件InteSolid开发了注塑模具三维设计的原型系统.系统采用基于特征和约束的三维参数化装配模型,建立了标准模架图库和数据库,并提供了建库工具,以支持模具设计过程的重复性；开发了基于特征的成型零件生成模块,可以完成分型面为平面和阶梯面的成型零件设计；开发了模具运动模拟模块,确保了模具设计的合理性.参考文献:1李德群.塑料成型工艺及模具设计M.北京:机械工业出版社.1994.2文劲松.基于知识的注塑模具设计系统关键技术研究D.武汉:华中科技大学材料学院,2001.3文劲松,李德群.注塑模三维成型零件的生成研究J.中国塑料,2001,15(5):78-80.4文劲松,李德群.注塑模具浇注系统三维参数化设计研究J.中国塑料,2002,16(4):84-86.5周振勇,顾正朝.注塑模流道系统集成设计技术研究J.计算机辅助设计与图形学学报,2000,12(1):6-10.6顾正朝,周振勇.一种基于自动特征识别确定模具脱模方向的方法J.计算机辅助设计与图形学学报,2000,12(5):360-366.7周振勇,顾正朝.注塑模设计中分型线的自动确定J.计算机辅助设计与图形学学报,2000,12(7):512-516.8许勇顺,黄瑞清,阮雪榆.我国注塑模具CAD/CAE/CAM技术的研究与应用J.中国塑料,1997,11(4):8-16.9尹文生.支持自顶向下设计的装配建模研究D.武汉:华中理工大学机械学院,1998.ImplementationoftheThree2dimensionDesignSystemforPlasticInjectionMoldsWenJin2song1CuiShu2biao2XuJin2bang2LiDe2qun2(1.NationalEngineeringResearchCenterofNovelEquipmentforPolymerProcessing,SouthChinaUniv.ofTech.,Guangzhou510640,Guangdong,China；2.StateKeyLaboratoryofPlasticFormingSimulationandDie&MouldTech.,HuazhongUniv.ofSci.&Tech.,Wuhan430074,Hubei,China)Abstract:Basedontheanalysisofthetroublewiththedomesticdevelopmentprocessofthedesignedsoftwareforplasticinjectionmolds,themethodsofinjectionmolddesignforassemblywerestudied.T