塑料擠出模頭流道結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)研究與應(yīng)用

1、塑料擠出模頭流道結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)研究與應(yīng)用【摘要】：塑料異型材流線型擠出模頭形狀復(fù)雜,模腔表面要求平滑過渡,無滯料,流速要求穩(wěn)定增加,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和曲面設(shè)計(jì)難度大,目前主要依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和操作者的熟練程度,設(shè)計(jì)效率低,無法滿足越來越高的整體質(zhì)量要求。針對以上問題,提出了模具內(nèi)腔結(jié)構(gòu)曲面的三維建模方法,基于UG和VS平臺,應(yīng)用UG/Open二次開發(fā)和MFC技術(shù),實(shí)現(xiàn)了多封閉環(huán)快速識別,草圖曲線一鍵排序,通過人機(jī)交互界面進(jìn)行曲線匹配和曲面構(gòu)造,從而搭建了從二維草圖到三維建模的CAD集成模塊,有效地提高了擠出模流道曲面設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量,并為后續(xù)CAE分析和CAM加工提供有力支撐。Abstract:Pl

2、astic profile streamlined extrusion die head has a complex shape. For the die cavity surface,smooth transition, no lag material,and stability of the flowing velocity are required. It makes the design of structure and surface is difficult and because of depending on the designerexperience and profici

3、ency of the operator,the design efficiency is low and it cant meet higher and higher requirement of overall quality. To solve the above problems,the curved die design method of the cavity structure is proposed. Based on the UG and VC platform,UG/Open secondary development and MFC technology were use

4、d,fast recognition algorithm of a multi-closed loop and one-click sorting of the sketch curve were realized,and through the human-computer interaction to match curves and construct surface,and CAD integration module from 2 D sketch to 3 D modeling was set up,the efficiency of extrusion die flow surf

5、ace design is effectively improved,and it provides strong support for CAE analysis and CAM processing.由于塑料異型材擠出模頭內(nèi)腔具有復(fù)雜的曲面，作為模頭的關(guān)鍵部件，它的型面質(zhì)量直接影響擠出產(chǎn)品的質(zhì)量?，F(xiàn)在曲面造型的方法主要通過手動方法選擇草圖或者曲線進(jìn)行曲面構(gòu)造，實(shí)用性不強(qiáng)，操作復(fù)雜，效率低。型面的高質(zhì)量造型是獲得精確而平滑的零件幾何結(jié)構(gòu)的前提，對于模頭型腔，要求型面在各截面型線方向上要保持光順1-2在擠出成型技術(shù)中，擠出模頭的設(shè)計(jì)影響著生產(chǎn)效率、制品精度、模具壽命、模具生產(chǎn)周期和模具成本等諸

6、多因素。塑料異型材質(zhì)量的好壞很大程度上取決于模頭流產(chǎn)形狀，因而對擠出模頭設(shè)計(jì)的研究工作大部分集中在擠出模頭流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)上3-4。塑料異型材的擠出成型是一個連續(xù)的動態(tài)過程，塑料在擠出機(jī)中經(jīng)過熔融、塑化、穩(wěn)流、分流、成型和冷卻定型和冷卻定型一系列過程，其工藝內(nèi)腔結(jié)構(gòu)必須過渡平滑，以確保產(chǎn)品質(zhì)量，然而，這導(dǎo)致內(nèi)腔結(jié)構(gòu)全部是的曲面設(shè)計(jì)。同時，為了提高生產(chǎn)效率，某些模具設(shè)計(jì)成一模多腔，加大了內(nèi)腔結(jié)構(gòu)曲面設(shè)計(jì)難度。塑料異型材截面復(fù)雜多變，根據(jù)塑料材質(zhì)不同，其內(nèi)腔、內(nèi)筋的應(yīng)變系數(shù)不同，內(nèi)腔、內(nèi)筋的X，Y方向應(yīng)變系數(shù)也不一致，其工藝內(nèi)腔中的內(nèi)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因此也十分復(fù)雜，更加大了曲面設(shè)計(jì)的難度5以Pro/E和U

7、G（Unigraphics）NX為代表的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造軟件，在模具行業(yè)已經(jīng)日趨成熟。這些CAD/CAM軟件都已經(jīng)能夠勝任內(nèi)腔曲面造型的功能，它是產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)的必然前提，因此曲面設(shè)計(jì)成為計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的一項(xiàng)非常重要的研究內(nèi)容，利用UG軟件進(jìn)行三維造型中的難點(diǎn)6-7。與擠出模具相比，注塑模具在國內(nèi)發(fā)展較早，研究更為廣泛，基于CAD/CAE集成的注塑模具結(jié)構(gòu)分析，為模具的設(shè)計(jì)發(fā)展積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)8-9。而國內(nèi)外對擠出模具的研究，大多主要集中在結(jié)構(gòu)或CAE分析上，提出了塑料異型材擠出模流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)思想和方法。10-12包括對流場的分析和有限元模擬，對流道截面和的開關(guān)和尺寸

8、進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)13-16。這此結(jié)構(gòu)分析大多都是進(jìn)行二維設(shè)計(jì)，而有限元分析需要建立在三維建模的基礎(chǔ)上。目前大多數(shù)擠出模具企業(yè)都是依賴于三維建模軟件進(jìn)行手動建模，受經(jīng)驗(yàn)和操作熟練程度的影響，質(zhì)量和效率無法滿足更高的要求，需要對擠出模流道結(jié)構(gòu)三維建模進(jìn)行進(jìn)一步的研究。通過對塑料異型材門窗的研究，筆者從整體上討論了曲面造型設(shè)計(jì)的方法。針對內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)問題，首先，建立板塊的總體分塊結(jié)構(gòu)及各塊的幾何結(jié)構(gòu)，其次，構(gòu)建通用性、抗干擾性強(qiáng)的多封閉環(huán)快速識別算法，最后，基于此算法，建立面向塑料異型材擠出模頭的工藝內(nèi)腔曲面結(jié)構(gòu)CAD優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。1工藝內(nèi)腔CAD系統(tǒng)總體框架根據(jù)模頭流道內(nèi)腔的工藝結(jié)構(gòu)，將工藝

9、內(nèi)腔按流道出口到入口的順序分為：成板的出口端和入口端，預(yù)成型板的出口端和入口端，壓縮板的出口端和入口端，支架板的出口端和入口端，機(jī)架板的出口端和入口端，機(jī)頸的出口端和入口端。針對擠出流道設(shè)計(jì)復(fù)雜、效率低的問題，提出了流道整體式設(shè)計(jì)方案。將擠出模頭各板塊進(jìn)行整體式設(shè)計(jì)，最后分型切割，這保證了各板塊部件的尺寸約束、裝配約束可以一次成型，整體設(shè)計(jì)可靠，板塊間的相對位置也更為直觀。把設(shè)計(jì)的塑料異型材擠出模頭流道結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)，規(guī)范了流道內(nèi)腔設(shè)計(jì)流程，提高了設(shè)計(jì)效率。塑料異型材擠出模頭流道內(nèi)腔結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)分為5個部分，工藝內(nèi)腔CAD系統(tǒng)總體框架如圖1所示。（1）板塊的總體分塊，通過板厚進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動；

10、（2）草圖建塊，各板塊草圖一次性導(dǎo)入，并自動投影到相應(yīng)的位置，快速獲得出入口草圖；（3）通過設(shè)計(jì)算法，快速識別封閉環(huán)；（4）草圖曲線快速排序，人機(jī)交互界面進(jìn)行曲線匹配，直紋曲面快速構(gòu)造；（5）添加有界平面構(gòu)造實(shí)體，布爾求和生成流道實(shí)體，與整體板塊布爾求減生成流道型腔。最后根據(jù)分型需要進(jìn)行分型切割，一次得到模頭的各節(jié)板塊。該系統(tǒng)采用UGOpen API NXOpenAPI MFC以及MenuScript聯(lián)合開發(fā)方式，人機(jī)交互，操作方便，使經(jīng)驗(yàn)缺乏的設(shè)計(jì)人員也可以快速、高效地進(jìn)行設(shè)計(jì)。2工藝內(nèi)腔CAD系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)2. 1基于UG的二次開發(fā)環(huán)境的建立程序主要采用UG / Open和MFC技術(shù)，在VS

11、2010下的NX8_ OPEN平臺下開發(fā)，C+語言編譯。UG/即en由MenuScript UG/Open API, UG/即en GRIP UIStyer 4個模塊構(gòu)成。其中MenuScript主要做UG與程序動態(tài)鏈接庫(d11窗口接口，UG / Open GRIP和UG / Open API是UG二次開發(fā)的兩種語言，前者功能較小，適合一些小功能開發(fā)，后者是UG二次開發(fā)的封裝函數(shù)，可在C+下直接調(diào)用，適合功能復(fù)雜的UG二次開發(fā)，UIStyler是UG二次開發(fā)的UG風(fēng)格對話框。本文擠出模頭內(nèi)腔曲面設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)應(yīng)用UG / Open API, MFC和MenuScript聯(lián)合開發(fā)方式，該方法使

12、用方便，步驟簡單，具有C語言支持，可利用VS2010的強(qiáng)大編譯功能。聯(lián)合開發(fā)的具體方法和流程主要包括:設(shè)置環(huán)境變量、建立NX8工程、建立MFC對話框、應(yīng)用UG /即en API開發(fā)程序、生成dll并訂制菜單。2. 2草圖導(dǎo)入，并投影傳統(tǒng)的方法是一個一個的依次導(dǎo)入草圖，這樣進(jìn)行了大量的無意義重復(fù)性操作。由于在二維工程圖中塊的概念對應(yīng)于UG中組的概念，先將所需所有草圖在同一個工程圖內(nèi)各白建塊，一鍵導(dǎo)入到UG中，白動創(chuàng)建對應(yīng)的組，這不僅大大提高了效率，還為后續(xù)的草圖調(diào)用提供了便利，初始草圖如圖2所示。根據(jù)板厚初始化參數(shù)，白動創(chuàng)建各白板塊對應(yīng)的基準(zhǔn)平面和草圖，然后白動將草圖組投影到相對應(yīng)的草圖平面內(nèi)，

13、即得到各個板塊出入口端的草圖，如圖3所示。2. 3篩選封閉環(huán)、草圖曲線排序多封閉環(huán)篩選算法是基于UG草圖相連曲線的識別算法，通過程序白動篩選首尾兩截面的封閉環(huán)，根據(jù)封閉環(huán)的重心坐標(biāo)進(jìn)行對應(yīng)。這種方法的通用性和抗干擾性強(qiáng)，極大提高了流道曲面造型的效率。草圖曲線排序:通過選取起始線段，對草圖曲線進(jìn)行遍歷，獲得和區(qū)分圓弧的兩個坐標(biāo)系，對圓弧進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。由起始線段，依次對草圖曲線排序，獲得相連曲線，首尾相連，方向一致。構(gòu)造相連曲線工具函數(shù):Void Util:UTes Get sketchJoinedCurve(char *named tag_ t startLine，vector *lines

14、其中變量含義:char *name:草圖名稱tag一 t startLine:起始線的標(biāo)識tagvector *lines: 存放封閉曲線容器選取起始線段后，通過工具函數(shù)即可獲得封閉環(huán)?；舅悸啡鐖D4所示。2. 4直紋曲面構(gòu)造(1順序生成。順序生成適用于進(jìn)出口草圖變化較大，對應(yīng)曲線排列無規(guī)律的情況，需要通過人工的方法對直紋面對應(yīng)草圖的線段數(shù)目進(jìn)行匹配，并依次生成直紋面。從起始線段開始，依次選擇進(jìn)出口端草圖對應(yīng)的曲線根數(shù)，要保證不會產(chǎn)生曲面扭曲，質(zhì)量要求嚴(yán)格，如圖5所示。(2選擇生成。選擇生成是按順序選擇直紋面兩個截面線的最后一根線段，中問曲線白動匹配，直接生成直紋，此方法方便快捷，質(zhì)量可靠，便

15、于操作，如圖6所示。此部分所用API函數(shù)及具體功能如表1所示。3應(yīng)用實(shí)例以塑料異型材擠出模為研究對象，綜合擠出模頭設(shè)計(jì)與制造實(shí)際情況，開發(fā)出了擠出模模頭流道曲面設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較高集成性，實(shí)用性，使每個設(shè)計(jì)過程化繁為簡，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要手動單個曲面構(gòu)造，但本系統(tǒng)只需選擇初始線，通過人機(jī)交互界面，就可以靈活進(jìn)行三維建模。針對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中三維建模效率低的問題，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)際意義上的快速整體設(shè)計(jì)，大大提高了設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)周期。 對于大多數(shù)曲面，可以將順序生成和選擇生成混合靈活使用，以塑料異型材擠出模頭壓縮板為例。首先選取進(jìn)出口草圖的起始線，選擇順序生成，獲得第一個直紋面;然后，

16、選擇進(jìn)出口草圖的終止線，選取選擇生成，中問曲線白動連續(xù)生成直紋面;再選取順序生成，出口草圖根數(shù)a=1，進(jìn)口草圖根數(shù)b=1，生成曲面;最后按照進(jìn)出口草圖對應(yīng)的復(fù)雜程度，將順序生成和選擇生成靈活使用，生成全部曲面。初始草圖如圖7所示，生成曲面如圖8所示。曲面生成后，添加有界平面，縫合成實(shí)體。有界平面:OF_ MODL一 create bplane縫合為實(shí)體:OF_ MODL一 create一 sew流道外壁實(shí)體如圖9所示，流道內(nèi)筋實(shí)體如圖10所示，最后布爾求減生成流道型腔如圖11所示。根據(jù)分型需要通過設(shè)計(jì)算法一鍵切割，獲得各個板塊。這一設(shè)計(jì)方法不僅適用于一模一腔，也適用于一模多腔。當(dāng)產(chǎn)品體積小，造型不復(fù)雜，可采用一模多腔的模具，以節(jié)約模具制造成本。以一模兩腔模頭的壓縮板為例，進(jìn)一步介紹這一方法在曲面構(gòu)造中的優(yōu)越性。兩腔模頭曲面的構(gòu)造，關(guān)鍵在于對生成的對象進(jìn)行分類對應(yīng)。不能使兩腔混淆。封閉環(huán)要放在相應(yīng)的曲線容器中，生成的曲面也要放在相應(yīng)的容器中，最后分別對兩腔縫合，生成各白實(shí)體。操作界面如圖12所示，初始草圖如圖13所示，生成壓縮板流道曲面如圖14所示和兩腔壓縮板流道型腔如圖15所示。4結(jié)語采用UG /即en和MFC技術(shù)，綜