模具设计工艺体系

 　在现代化工业生产中，已有越来越多的产品采用塑料材料通过注塑成形方式加工以注塑方式成形的塑件产品质量往往受2方面因素的影响：一方面是注塑成形工艺，另一方面是注塑模具设计和制造由于塑件的外形和结构都较为复杂，因此在注塑模具的设计过程中模具型腔的设计尤为关键模具型腔设计直接与产品模型有关一般的注塑模具型腔设计过程都以产品的几何模型为中心，而单纯的几何模型又缺乏必要的工程设计信息，因此工程知识和经验无法进行有效地归纳和整理，知识和经验的重用性和共享性较差通过在模具型腔设计过程中引入基于知识的工程（knowledge based engineering，KBE）技术，建立产品的特征模型并应用知识工程技术来支持模具型腔设计过程，不但可以使产品设计、模具型腔设计各个环节的信息进行有效的集成，同时对设计人员已有的工程知识和经验也可以加以总结和归纳，解决知识和经验的重用和共享问题1基于KBE的模具型腔设计流程KBE技术< 1 2>是指利用CAD技术和人工智能技术，通过建立产品的特征模型并应用知识工程技术来支持产品设计过程，解决工程问题的方法传统的设计过程中往往要求设计人员具备丰富的设计经验，而基于KBE的工程设计是在特征技术、知识工程技术等的支持下完成的，因此可以大大降低对设计人员经验方面的要求基于KBE的模具型腔设计流程可以用IDEF0（ICAM definition method 0）< 3>来描述，所示该流程可分为6个阶段：产品特征模型的建立基于特征的分型面的建立成型镶件的确定产品特征向模具特征的映射型腔、型芯的生成型腔布局方案的确定在基于KBE的模具型腔设计流程中，不但采用特征技术来构建产品特征模型，以集成产品设计、模具型腔设计阶段的信息，同时也采用知识工程技术来对设计过程中的知识和经验进行管理，以方便设计知识和经验的重用和共享基于KBE的模具型腔设计流程2基于KBE的模具型腔设计系统总体结构系统总体结构如图2所示，由用户界面、应用子系统、特征技术、推理机和知识库组成知识库由特征库、规则库和实例库所组成特征库中存放各种类型特征的子图，支持产品特征识别过程；而规则库和实例库则主要支持设计人员确定成型镶件的大小和型腔的布局方式推理机采用GBR（geometric based reasoning）来对设计过程中与几何模型有关的设计环节进行设计推理，采用RBR（rule based reasoning）和CBR（case based reasoning）相集成的方式来对设计过程中涉及较多设计知识和经验的设计环节进行设计推理应用子系统则利用CAD平台提供的API（application program interface）进行开发，以实现具体的模具型腔的设计过程用户界面不但提供用户与系统交互的功能，同时也可以引导用户完成整个模具型腔的设计过程3关键技术3 1产品特征模型的构建在注塑产品设计过程中，产品几何模型较多采用反求工程方式构建，而通过反求工程构建的产品模型并不存在特征信息，因此为了构建产品特征模型，必须应用特征识别技术对产品几何模型中的特征进行识别特征识别< 4>就是从产品的几何模型出发自动识别出其中具有一定工程意义的几何形状，即特征，进而生成产品的特征模型由于注塑产品的形状和结构都较为复杂，要实现完全的自动特征识别是比较困难的，因此本文提出了一种基于图的交互式产品特征识别方法，可以满足注塑产品特征识别的需求整个流程如图3所示图3产品特征识别流程在识别过程中，首先将产品模型用面属性邻接图（face attribute adjacency graph，FAAG）< 5>表示，然后用户交互地在产品几何模型中选择构成某一特征的表面选择后，系统自动将选择结果映射为产品模型FAAG中的一个子图；同时将该特征的子图与特征库中各特征的子图进行匹配，确定特征的类型对于不存在的特征类型，用户可以通过交互的方式定义该特征的类别，并将该特征的子图存入特征库中所有特征识别后，系统将根据用户定义的各特征之间的关系构建产品模型的设计特征树3 2基于特征和几何推理的分型面的建立分型面的建立包括3个步骤< 6>：脱模方向选择、分型线确定和分型面生成以往的分型面建立过程中往往只依据产品几何模型，但通过这种方式建立产品的分型面需要依靠设计者的设计经验；同时也不能保证所获取的分型面是佳的分型面本文提出一种基于特征和几何推理的分型面建立方法：首先根据产品特征构成状况来确定模具的优化脱模方向；然后以几何推理方式来确定产品分型线，生成产品分型面1）脱模方向选择在分型面建立过程中，脱模方向是步，同时也是比较重要的一步在产品中，特征方向与脱模方向不一致的产品特征都可构成侧凹特征< 7>优化脱模方向和侧凹特征的数目与体积有很大关系在确定产品脱模方向前，首先要确定产品中识别出的各个特征的特征方向，该方向可采用可视图的方式确定< 8>在脱模方向确定过程中，不但要使侧凹特征的数目少，同时所有侧凹特征的体积和也应为小，即必须满足n i= 1（N i IU + N i EU）min（N IU + N EU）n i= 1（V i IU + V i EU）min（V IU + V EU）其中，N i IU表示对应第i个脱模方向的所有内侧凹特征的数目，N i EU表示对应第i个脱模方向的所有外侧凹特征的数目，V i IU表示对应第i个脱模方向的所有内侧凹特征的体积，V i EU表示对应第i个脱模方向的所有外侧凹特征的体积2）分型线确定脱模方向确定后，产品分型线可通过几何推理方式由系统自动确定本文提出了基于有限元的模具分型线确定方法：首先对简化产品模型的所有组成面进行离散，并根据网格面的可视性来判别组成面的可视性当所有产品表面的可视性都判断确定后，这些面即可以分为3个面组：可视面组、不可视面组和过渡面组由于模具分型线为产品中可视面组或不可视面组的大边环，因此为了正确地确定模具分型线，要将产品中所有过渡面调整到可视面组或不可视面组中去设G不可视面组，G 3表示过渡面组。

　　3表示过渡面组G 3中调整到G 1中的面组，G

　　3表示过渡面组中调整到G 2中的面组，则后确定的模具的分型线为P L =（G 1 + G）

　　3）（G 2 + G）

　　3）基于特征分类的特征映射方法流程3）分型面生成分型线确定后，可通过拉伸分型线的方法得到分型面在拉伸分型线的过程中，一般采用逐段拉伸的方式，但这种方式往往效率不高因此在分型面生成过程中，我们引入了分型线特征的概念来加快分型面的生成过程分型线一般分为平面分型线和空间分型线2种，其中空间分型线又包括空间对称分型线和不对称分型线本文首先建立了3种分型线特征：平面分型线特征、空间对称分型线特征和空间不对称分型线特征，对于这3种分型线特征可以采用不同的方式进行处理平面分型线特征不需要通过拉伸方式来获取分型面，只要在分型线平面内做一平面，然后利用分型线所围区域去分割该平面即可获取分型面；空间对称分型线需要首先找到分型线的对称平面，然后将分型线沿分型面的法向拉伸即可生成模具的分型面；空间不对称分型面需逐段找到平面分型线和空间对称分型线，并通过自动和手工相结合的方式来完成分型面的生成过程3 3产品特征向模具型腔特征的映射在模具中，产品特征和模具型腔特征存在着很强的几何关联性这种几何关联性表现在只要产品中的特征一旦更改，则模具型腔中的特征也必须要随之更改在产品上增加、修改、删除一些特征，有时可能会给型腔的设计带来很大的影响，甚至可能会引起模具型腔结构的很大变动因此，建立产品特征和模具型腔特征之间的映射关系在模具型腔设计中是非常重要的产品特征和模具型腔特征之间的映射是一种特征反转映射产品中的凹类型特征一旦映射到模具型腔中，则变为凸类型特征；而产品中的凸类型特征一旦映射到模具型腔中，则变为凹类型特征对于特征方向与脱模方向一致的特征，经过映射后可直接映射为模具型腔中的结构特征，并不会对模具型腔结构产生大的变化；否则，映射到模具型腔中后将会使模具型腔产生很大的变化为了脱模，模具型腔必须要在此特征处设置侧向分型或活动型芯机构，以实现模具()二次分型，保证模具能顺利脱模本文提出一种基于特征分类的特征映射方法来实现产品特征向模具型腔特征的映射该方法首先将识别出的特征进行分类，以分型面为界，分为内表面特征和外表面特征两大类内表面特征构成模具的型芯特征，而外表面特征则构成模具的型腔特征；同时，对于每一大类又可以分为凹类型和凸类型2类特征对于那些与脱模方向一致的特征，可以直接映射为模具型腔中的结构特征，而对于那些与脱模方向不一致的特征，则必须映射为模具型腔中的侧向分型或活动型芯特征整个方法的流程如图4所示3 4设计知识的表示和推理机制的实现在系统中，知识库由特征库、规则库和实例库组成对于特征库中的特征，采用面向对象的方法表示；对于规则库中的知识，采用产生式规则方法表示；而对于实例库中的知识，则采用基于实例方法表示在推理机制的实现过程中，采用GBR，RBR和CBR相结合的推理方法GBR主要是在分型面生成和型腔型芯生成的设计环节中针对产品的几何模型进行自动操作，以减少设计人员过多的手工设计操作；而RBR和CBR则主要是在成型镶件的确定和型腔布局方案确定过程中，辅助设计人员确定合理的镶件大小和型腔布局图5基于KBE的模具型腔设计系统4实例本文系统的开发基于U nigraphic平台，图5所示为该系统的界面图6所示为某型号汽车车灯模具型腔设计过程图6 a所示为产品几何模型，通过交互方式对产品中的特征进行识别后可识别出其中的一些局部几何特征在模具型腔的设计过程中，可以首先设定若干候选脱模方向，然后系统自动计算产品中的侧凹特征的数目和体积，优化脱模方向即为产品中侧凹特征数目和体积小的那个模具分型线可以通过系统自动确定，分型线确定后，对分型线进行拉伸并将各个拉伸面连接后即可形成分型面，如图6 b所示分型面生成后，用分型面分割成型镶件即可形成模具型腔和型芯，如图6 c，6 d所示同时，产品特征也可自动映射为模具型腔特征图6某型号汽车车灯模具型腔设计过程5结论本文将KBE技术引入模具型腔设计过程，构造了基于KBE的模具型腔设计系统框架，并对系统中几项关键技术进行了研究本文系统具有如下特点：1）在产品特征识别方面，提出了一种基于图的交互式产品特征识别方法；2）在分型面建立方面，提出了一种基于特征和几何推理的分型面建立方法；3）在型腔特征映射方面，提出了一种基于特征分类的特征映射方法系统分析表明：通过在模具型腔设计过程中采用KBE技术，可以有效地提高模具设计质量和进程，缩短模具开发周期。
来源：中国模具网

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