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)CA晾統(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)計和曲面設(shè)計難度大，目前主要依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗和操作者的熟練程度，設(shè)計效率低，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UGVS平臺,應(yīng)用UG/Ope十次開發(fā)和MFC術(shù),實現(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CAD1成*II塊,有效地提高了擠出模流道曲面設(shè)計效率和質(zhì)量,并為后續(xù)CAE析和CAMto工提供有力支撐。Abstract:Plas

2、ticprofilestreamlinedextrusiondieheadhasacomplexshape.Forthediecavitysurface,smoothtransition,nolagmaterial,andstabilityoftheflowingvelocityarerequired.Itmakesthedesignofstructureandsurfaceisdifficultandbecauseofdependingonthedesigner'experienceandproficiencyoftheoperator,thedesignefficiencyislo

3、wanditcan'meethigherandhigherrequirementofoverallquality.Tosolvetheaboveproblems,thecurveddiedesignmethodofthecavitystructureisproposed.BasedontheUGandVCplatform,UG/OpensecondarydevelopmentandMFCtechnologywereused,fastrecognitionalgorithmofamulti-closedloopandone-clicksortingofthesketchcurvewere

4、realized,andthroughthehuman-computerinteractiontomatchcurvesandconstructsurface,andCADintegrationmodulefrom2Dsketchto3Dmodelingwassetup,theefficiencyofextrusiondieflowsurfacedesigniseffectivelyimproved,anditprovidesstrongsupportforCAEanalysisandCAMprocessing.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

5、擠出產(chǎn)品的質(zhì)量。現(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)計的研究工作大部分集中在擠出模頭流道的優(yōu)化設(shè)計上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)

6、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。同時，為了提高生產(chǎn)效率，某些模具設(shè)計成一模多腔，加大了內(nèi)腔結(jié)構(gòu)曲面設(shè)計難度。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,丫方向應(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)計因此也十分復(fù)雜，更加大了曲面設(shè)計的難度5以Pro/E和UG(Unigraphics)NX為代表的計算機(jī)輔助設(shè)計和制造軟件，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)計的必然前提，因此曲面設(shè)計成為計算機(jī)輔助幾何設(shè)計和計算機(jī)圖形學(xué)的一項非常重要的研究內(nèi)容，利用UG軟件進(jìn)行三維造型中的難點6-7

7、o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)計發(fā)展積累了豐富的經(jīng)驗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)和尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計13-16。這此結(jié)構(gòu)分析大多都是進(jìn)行二維設(shè)計，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

8、究，筆者從整體上討論了曲面造型設(shè)計的方法。針對內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜曲面設(shè)計問題，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)計復(fù)雜、效率低的問題，提出了流道整體式設(shè)計方案。將擠出模頭各板塊進(jìn)行整體式設(shè)計，最后分型切割，這保

9、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)計可靠，板塊間的相對位置也更為直觀。把設(shè)計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)計流程，提高了設(shè)計效率。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；(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)計算法，快速識別封閉環(huán)；(開始一次導(dǎo)入，快述投影(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)造實體，布爾求和生成流道實體，與整體板塊布爾求減生成流道

10、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UGOpenAPINXOpenAPIMFC以及MenuScript聯(lián)合開發(fā)方式，人機(jī)交互，操作方便，使經(jīng)驗缺乏的設(shè)計人員也可以快速、高效地進(jìn)行設(shè)計。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VS2010下的NX8_OPEN平臺下開發(fā)，C+語言編譯。UG/即en由MenuScriptUG/OpenAPI,UG/即enGRIPUIStyer4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/OpenGRIP和UG/OpenAPI是

11、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+T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CAD系統(tǒng)應(yīng)用UG/OpenAPI,MFC和MenuScript聯(lián)合開發(fā)方式，該方法使用方便，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enAPI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

12、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)，即得到各個板塊出入口端的草圖，如圖3所示。圖2初始草圖圖3各板塊投影草圖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

13、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)：VoidUtil:UTesGetsketchJoinedCurve(char*namedtag_tstartLine,vector<tag_t>*lines)其中變量含義：char*name:草圖名稱tag-tstartLine:起始線的標(biāo)識tagvector<tagt>*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。圖4有序封閉環(huán)篩選2.4直紋曲面構(gòu)造(1)順序生成。順

14、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。出口草圖初始線人口草圖述棒出口端旗國咨教M選擇口端卜個直墳的面苣至務(wù)都'i成圖5順序生成流程圖(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，直接生選擇出口端終止線段圖6選擇大成流程圖此部分所用API函數(shù)及具體功能如表1所示。下一個直皴曲面立至全部4成出口草圖同始戲型舲直蚊曲面成直紋，此方法方便快捷，質(zhì)量可靠，便于操作，

15、如圖6所示。表1API函數(shù)及具體功能同用API函數(shù)函數(shù)的具體功能獲取草圖的兒何兀素識別草圖元素的類型創(chuàng)建有界平面茯取實體標(biāo)識獲取特征標(biāo)識創(chuàng)建拉伸創(chuàng)建宜紋面根據(jù)基準(zhǔn)面進(jìn)行板塊切割UF_SKET_ask_geoms_of_sketchUF_OBJ_ask_type_and_subtypeUF_MODL_create_bplaneUF_MOI)L_ask_l-eat_bodyUF_MODL_ask_body_fealsUF_M()DL-CreatjcxtudeUF_MODL_crtale_ruledUF,MODLspliLbody3應(yīng)用實例以塑料異型材擠出模為研究對象，綜合擠出模頭設(shè)計與制造實際情況

16、，開發(fā)出了擠出模模頭流道曲面設(shè)計CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較高集成性，實用性，使每個設(shè)計過程化繁為簡，傳統(tǒng)設(shè)計過程中，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)計過程中三維建模效率低的問題，本系統(tǒng)實現(xiàn)了實際意義上的快速整體設(shè)計，大大提高了設(shè)計效率，減少設(shè)計周期。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，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

17、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。圖7初始拳圖圖8牛成曲面曲面生成后，添加有界平面，縫合成實體。有界平面：OF_MODL-createbplane縫合為實體：OF_MODL-create-sew流道外壁實體如圖9所示，流道內(nèi)筋實體如圖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)計算法一鍵切割，獲得各個板塊。圖9流道外壁實體圖10流道內(nèi)筋實體圖II模頭流道型腔這一設(shè)計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

18、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。tUSMBUiUMfcL”rflM*1gCHHZBWT7.A«nu,MM*OIHIH,<*gyl.«1*'IE_lX.wiiHmfeVBMl*RK-I»p3(t3“SMMlMgf“W.tnnJ*-LE»工二，串fMET；國*，倏1L一麗12圖12型腔操作界而圖13初始草圖圖14壓縮板流道曲面圖15兩腔壓縮板