本文探討研究了雙塔通道砂型模具的Cimatron E設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容。

　　模具設(shè)計(jì)是一種復(fù)雜的、綜合的、富于創(chuàng)造性的活動(dòng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要設(shè)計(jì)者具有不同領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和解決問(wèn)題的技巧。該過(guò)程不僅僅是數(shù)值的計(jì)算，還包含了大量決策性和開(kāi)創(chuàng)性的活動(dòng)，需要進(jìn)行系統(tǒng)的思考、推理和判斷。而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案的擬定，很大程度上決定于設(shè)計(jì)者本身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，大多是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式和類比分析來(lái)確定設(shè)計(jì)方案，而且常采用靜態(tài)或近似的方法計(jì)算，效率低、周期長(zhǎng)，方案中某點(diǎn)的改動(dòng)可能導(dǎo)致整套圖樣盡棄。隨著CAD/CAM技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)，利用CAD/CAM技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的幾何建模與分析、快捷地進(jìn)行產(chǎn)品模具的設(shè)計(jì)和修改、精確地生成產(chǎn)品和模具的設(shè)計(jì)文檔以及自動(dòng)生成產(chǎn)品和模具的技術(shù)數(shù)據(jù)文件等應(yīng)用，變得越來(lái)越廣泛，并且將直接用于后續(xù)的CAM系統(tǒng)。

　　一、CimatronE在模具設(shè)計(jì)中的特色

　　下面以精密鑄造砂型模具的設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)分析CimatronE在模具設(shè)計(jì)中的特色。

　　精密鑄造砂型模具的零件草圖如圖1所示，模型類似于雙塔通道，模型的大部分外表面由曲面構(gòu)成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。根據(jù)零件草圖生成雙塔通道處的砂型模具，并且保證通道與雙塔的自然連接，特將此零件命名為雙塔通道模型。

圖1.精密鑄造砂型模具的零件草圖

　　1.用特征組合生成雙塔

　　以往的CAD/CAM技術(shù)從二維繪圖起步，經(jīng)歷了以描述產(chǎn)品幾何形狀為主的三維線框、曲面和實(shí)體造型的發(fā)展階段，逐漸發(fā)展到以幾何模型為基礎(chǔ)并且包含產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程所需的各種信息的特征建模階段，為創(chuàng)建產(chǎn)品的集成信息模型服務(wù)。特征此時(shí)已不再是普通的體素，而是一種封裝了各種屬性和功能的功能要素。特征是產(chǎn)品信息的集合，它不僅具有按一定拓?fù)潢P(guān)系組成的特定形狀，而且還能反映特定的工程意義，適宜于在設(shè)計(jì)、分析和制造中使用。按照零件的復(fù)雜程度，特征可以簡(jiǎn)單地分為簡(jiǎn)單特征和復(fù)合特征。簡(jiǎn)單特征是獨(dú)立的形狀特征;復(fù)合特征是簡(jiǎn)單特征的組合結(jié)構(gòu)。而簡(jiǎn)單特征又可進(jìn)一步分為基本特征和輔助特征。基本特征是指構(gòu)成零件主要形狀的特征;輔助特征是指用來(lái)修飾基本特征的特征。任何一個(gè)產(chǎn)品都可以通過(guò)特征之間的并、差、交等運(yùn)算組合而成。

　　分析雙塔通道模型的零件草圖后，可以得出一個(gè)結(jié)論，即整個(gè)零件模型由三部分組成，分別為左塔、右塔以及連接雙塔的中間通道。中間通道由特定曲線構(gòu)成的曲面拼接而成。看似復(fù)雜的左右雙塔可以由簡(jiǎn)單特征組合而成。任何一個(gè)產(chǎn)品模型都可以由一級(jí)復(fù)合特征、二級(jí)復(fù)合特征或多級(jí)復(fù)合特征構(gòu)成。圖2給出了左塔的生成特征樹(shù)，它是一棵有序的二叉樹(shù)。

圖2 左塔的生成特征樹(shù)

　　2.用曲面建模構(gòu)造雙塔通道的曲線和曲面

　　雙塔是產(chǎn)品零件的主體，可以通過(guò)簡(jiǎn)單特征復(fù)合而成，連接雙塔的通道依附于雙塔而存在。然而雙塔通道必須用圓滑的曲面來(lái)描繪，左右側(cè)面也必須和雙塔圓滑完整地連接。因此適宜運(yùn)用曲面建模的方法來(lái)生成通道曲面。要獲得曲面建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，首先需要建立一個(gè)面表，即曲面是由哪些基本曲線構(gòu)成。建立通道曲面的構(gòu)造曲線，如同用鐵絲做成一個(gè)骨架來(lái)表示一個(gè)模型，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部是以邊表和點(diǎn)表來(lái)描述物體的，而構(gòu)造曲線必須符合曲面建模構(gòu)造圓滑曲線的要求。

　　如圖3所示，首先為了保證通道曲面在XY平面內(nèi)的投影位于兩條水平邊界范圍之內(nèi)，使模型能夠保證良好的加工性能并有助于脫模，可以添加頂部邊界的輔助圓環(huán)。同時(shí)在ZY平面內(nèi)以三點(diǎn)方式建立截面圓弧。其次為了保證通道曲面與雙塔拼接處的完美圓滑連接，可以選取雙塔和通道的相關(guān)曲面，提取相關(guān)曲線作為構(gòu)造曲面的截面曲線。

圖3 雙塔通道的特征曲線

　　如果說(shuō)構(gòu)造曲線是用“鐵絲”構(gòu)造模型，那么曲面建模就是將一張張“皮”往這些“鐵絲”上蒙面。建模時(shí)，先將復(fù)雜的外表面分解成若干個(gè)組成面，這些組成面可以由符合特定曲面構(gòu)造規(guī)律的曲線構(gòu)成，然后通過(guò)面與面之間的拼接，構(gòu)成所需的曲面。其中組成面的構(gòu)造方式多種多樣，常用的組成面有直紋面、旋轉(zhuǎn)面、掃描面、導(dǎo)動(dòng)面和混合曲面等。如圖4所示，模型的通道曲面可以由4張組成面拼接而成，而每張組成面由混合曲面構(gòu)造而成。混合曲面是通過(guò)若干條截面曲線沿著兩條軌跡曲線掃描而成的圓滑曲面。每張混合曲面中至少需要兩條截面曲線和兩條軌跡曲線。混合曲面好比是在鐵軌上奔跑的火車，兩條軌跡曲線就是兩條鐵軌，而若干條截面曲線就是火車站點(diǎn)，其構(gòu)造方式猶如火車在鐵軌上平穩(wěn)行駛。

圖4 四張混合曲面拼接

　　3.曲面與特征體的融合

　　由于曲面建模實(shí)際上是采用蒙面方式構(gòu)造零件的形體，因此很容易在建模中遺漏對(duì)某個(gè)面的處理，通常稱這種情況為“丟面”。同時(shí)依靠蒙面的方法將各個(gè)面粘貼上去，往往會(huì)在面與面之間的拼接處產(chǎn)生重疊或間隙，不能保證建模精度。此外，曲面建模中沒(méi)有確定面與面、面與體之間的相互關(guān)系，所以模型建好后工程制造人員很難判定這個(gè)物體是一個(gè)實(shí)心體還是一個(gè)薄殼，從而無(wú)法計(jì)算其質(zhì)量特性。因此在數(shù)控加工中，只處理某一表面不會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，但如果同時(shí)處理多個(gè)表面的加工和檢驗(yàn)就可能出現(xiàn)干涉，這時(shí)必須將面與特征體進(jìn)行融合，使其成為一個(gè)實(shí)心體。圖5所示為利用融合曲面與特征體完成雙塔通道的零件模型。

圖5 雙塔通道的零件模型

　　4.利用曲面建模生成薄殼及其分型面

　　至此，符合要求的雙塔通道的零件模型已經(jīng)建立，但是這僅僅完成了一半。下面還需要以雙塔通道的零件模型為參考實(shí)體，制作通道處的薄殼曲面。薄殼的平均厚度為8mm。薄殼的材料是一種特殊的型砂，在型砂中加入一定比例的粘結(jié)劑，加熱到一定溫度就凝結(jié)成型，冷卻后的砂型薄殼具有一定的硬度、韌性和耐熱性。利用這種材料特殊的物理性能，可制成專門(mén)生產(chǎn)砂型薄殼的模具。模具的核心部分由兩組長(zhǎng)方體鑲塊構(gòu)成，每組鑲塊分別可以產(chǎn)生上半部分通道和下半部分通道的砂型薄殼。而兩個(gè)薄殼均由曲面構(gòu)成，薄殼的兩側(cè)面必須與雙塔完整圓滑拼接，以保證雙塔通道的完整性和統(tǒng)一性。為了制作薄殼曲面，首先要利用原有的構(gòu)造曲線產(chǎn)生等距曲線，作為生成薄殼曲面的框架;其次必須將薄殼側(cè)面的構(gòu)造曲線投影到雙塔側(cè)面重新生成構(gòu)造曲線，以保證薄殼側(cè)面和雙塔側(cè)面的完整圓滑拼接;最后利用投影線作為“剪刀線”將雙塔側(cè)面裁剪后與其他組成面拼接成薄殼曲面。由于薄殼由曲面構(gòu)成，因此其分型面也應(yīng)該是曲面。分型面是模具中用以取出制品和澆注系統(tǒng)凝結(jié)材料的可分離的接觸表面。在模具設(shè)計(jì)中，必須考慮成型時(shí)分型面的形狀和位置，以便于模具成型。所以應(yīng)將薄殼側(cè)面曲線和底部邊界作為分型線分別投影到長(zhǎng)方體鑲塊的側(cè)面以構(gòu)成曲面分型面，如圖6中所示。

圖6 薄殼及其分型面

　　5.運(yùn)用布爾運(yùn)算拆分凸、凹模

　　在具備了分模的第一要素分型面之后，即可利用前面建立的分型面將長(zhǎng)方體鑲塊拆分成凸模和凹模。這里使用的分模方法是布爾運(yùn)算。布爾運(yùn)算是一種邏輯運(yùn)算，它代表一種因果關(guān)系，具有三種基本運(yùn)算方式：“或”運(yùn)算，“與”運(yùn)算和“反”運(yùn)算。穿越長(zhǎng)方體鑲塊的分型面就好比一把無(wú)形的“布爾刀”，利用布爾“反”運(yùn)算可以將長(zhǎng)方體分割成具有不同形體特征的凸模和凹模，如圖7所示。生成凸、凹模后，還要對(duì)凸模和凹模進(jìn)行一些必要的局部修飾，例如工藝圓角、進(jìn)料口、澆口型芯、推桿孔和緊固螺孔等。

圖7 凸模鑲塊和凹模鑲塊

　　6.模具的裝配

　　凸模鑲塊和凹模鑲塊生成后，就可以在CimatronE的裝配環(huán)境中采用由上而下的方式完成整套模具其他零件的制作。在CimatronE中裝配模塊的方法，是采用限制物體自由度的方法來(lái)建立零件之間的相互約束關(guān)系，并依據(jù)全相關(guān)原則可以修改任意零件之間的相互位置關(guān)系及其本身的幾何形狀，從而使整體設(shè)計(jì)更加直觀、全面。采用這樣的模塊裝配方法，設(shè)計(jì)者可以在顯示屏上將自己抽象的思維形象地描述出來(lái)，而不必在想象中耗費(fèi)過(guò)多的精力。這就好比建筑房屋，首先打下扎實(shí)的地基、柱子和梁，然后逐層地添磚加瓦，而在這里凸模鑲塊和凹模鑲塊就是堅(jiān)實(shí)的地基。在完成了模塊的裝配后，就可以在兩組鑲塊的基礎(chǔ)上逐步添加凸模板、凹模板、帶肩導(dǎo)柱、導(dǎo)柱導(dǎo)套、推板、推桿、支架和電加熱桿等零件來(lái)組成完整的雙塔通道的砂型模具了。

　　二、結(jié)論和展望

　　通過(guò)上面的例子可以看出，集成模具CAD/CAM技術(shù)的CimatronE在進(jìn)行復(fù)雜的曲面零件的設(shè)計(jì)時(shí)具有強(qiáng)大的曲面建模和特征建模功能，特別是在對(duì)模具分型面的生成和凸、凹模型腔的建模方面，有其獨(dú)到的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐證明，用好CimatronE能夠簡(jiǎn)化產(chǎn)品及其模具設(shè)計(jì)，加快CAD/CAM技術(shù)集成化的步伐，促使模具制造業(yè)步入一個(gè)全新的階段。