鋁型材擠壓分流模三維CAD技術應用研究

馬健哲 ， 王紅志， 李積彬

（1. 中南大學機電工程學院，湖南 長沙 410083；2. 深圳大學機電與控制工程學院，廣東 深圳 518060）

隨著新型異形工業鋁型材的廣泛應用，三維CAM和CAE技術的快速發展加快了提升復雜異形材擠壓模具設計和制造水平的革新進程，因此很有必要對基于二維圖形和以設計師經驗為主并輔以“試模”驗證的傳統模具設計模式加以改進。考慮到擠壓模具設計的復雜性和理論設計的不完善，一個切實可行的發展方向是開發一種能夠人機交互的智能化的三維擠壓模具設計系統。

自從 1977年第一個鋁型材擠壓模的 CAD/CAM 系統“ALEXT”出現后[1]，國內外許多學者圍繞著擠壓模具設計系統領域展開了大量的研究，并取得了豐碩的成果。李紅英等采用二維技術開發鋁型材擠壓平模 CAD系統[2]；李積彬等首次提出了將三維技術應用于擠壓模具 CAD系統開發中[3-4]；李灼華等采用面向對象的分析技術建立 CAD系統整體架構[5]；羅超提出了基于知識的鋁型材擠壓模具集成系統的框架并建立原型系統[6]；王孟君等采用成組技術實現產品圖紙的集中管理和快速檢索[7]；廖培根等重點對模具工作帶設計開發了應用模塊[8]。目前的研究工作主要集中在系統框架建立、經驗數據庫和模具設計方法耦合等方面，對于作為CAD系統基礎的模具三維模型創建方面研究則相對較少。隨著異形型材需求增加，模具復雜程度大幅增加，現有的模具三維 CAD系統由于創建模型相對簡單，可修改性不強等局限性，逐漸成為模具三維CAD系統發展的瓶頸，嚴重阻礙了三維技術在實際工程應用的發展。

由此可見，耦合性小、靈活性大的模具三維模型是鋁型材擠壓模具三維CAD系統符合工程應用的關鍵。因此，本文在以上研究工作的基礎上，結合模具設計原則和流程，分析了模具三維建模方法和模具結構特點及其對應關系，提出滿足模具三維模型靈活性和迭代修改要求的創建優化方案，在UG NX5二次開發環境中，以異型材擠壓分流模為例，采用三維模型離散化、建模層次化和組裝歸類化相結合的建模方法和思路，進行鋁型材擠壓模具三維CAD系統二次開發，并創建耦合性最小和靈活性最大的模具三維模型。

1 鋁型材擠壓模具設計特點

擠壓模具設計原則是在滿足強度和剛度需求的前提下，根據型材截面形狀特點，合理設計模具結構和尺寸，達到控制材料流動狀態，從而實現使金屬均勻擠出的目的。下面針對工程應用實際需求，分別從模具設計過程迭代性、模具結構參數的特點以及模具結構復雜性三個方面分別進行分析。

1.1 模具結構特點

擠壓模具結構主要特點是結構的復雜性。

鋁型材產品具有形狀復雜、非中心對稱、壁厚比懸殊、寬厚比大等特點，導致模具內金屬流動不均勻性大。模具設計過程是根據型材截面形狀特點，分析不同區域的金屬流動阻力，按照與型材截面形狀仿形的原則，采用不同模具結構對金屬的流動狀態進行控制，保證金屬的流速均勻。雖然根據擠壓工藝，擠壓模具結構具有共性特點，但是針對不同的型材，其模具也有其結構特點。首先，根據相仿設計原則，型材的多樣性直接造成模具多樣性，其次，金屬流動不均勻性越大，要求控制金屬流動的方法越多，對應的模具結構也越多；其次，由于不同控制方法對金屬的流動控制的范圍和精度都不相同，如調整局部擠壓比與調整摩擦狀態控制范圍大而精度小，因此根據設計目的，模具的細節結構也復雜多樣。正因為模具結構的復雜性，不僅增加了模具設計難度，同時也增加模具迭代修改的次數。

1.2 模具結構參數特點

模具結構參數具有敏感性、獨立性和互補性的特點。

擠壓模具是通過調整其空間的結構改變金屬擠壓過程的邊界條件，改變金屬流動狀態，以達到控制金屬流速的目的，其結構的改變對金屬流動速度影響很大。首先在高溫、高壓條件下，模具中金屬的流動狀態對于模具結構是十分敏感的，輕微的結構尺寸變化可能造成金屬流動速度的很大變化，因此為了達到精確控制金屬流速目的，模具的結構參數經常需要修改；其次，模具中不同結構對于金屬流動的控制原理和方法是不同的，結構參數間存在一定獨立性。如：增加金屬與模具之間的摩擦力和增大局部金屬擠壓比都能降低金屬的流動速度；再次，在模孔出口處獲得金屬流動速度均衡是模具中所有結構的共同作用的結果，因此結構參數間又有一定的互補性。

1.3 模具設計過程的特點

模具設計過程是一個復雜，反復迭代修改的過程。

由于目前金屬擠壓理論還處在不斷完善的階段，在一定工藝條件和設備條件下，為了獲得合格型材產品，擠壓模具結構設計完成后除了需要經過模具強度校核，還要必須根據擠壓的“試模”或者有限元分析的結果對模具結構參數進行修改，如圖1分流孔設計流程，只有同時滿足模具強度條件和型材質量的要求，模具設計的迭代修改過程才能完成。

圖1 分流孔設計流程

因此，為了滿足模具設計中不斷迭代修改的要求，鋁型材擠壓模具三維CAD系統不僅要與模具設計流程相結合，而且必須尋求一種合理模型創建方法，使模具三維模型也具備這種可修改性強，靈活性大的特點，才能滿足實際工程應用需求。

由以上的分析可知，模具結構復雜，參數敏感，在設計的過程中需要不斷迭代修改，因此模具三維模型的創建方法尤為重要。

2 模具三維優化建模分析

UN NX5是目前最為通用的三維CAD/CAE/CAM軟件，現已大量應用于鋁型材擠壓模具設計過程中，能提供豐富的三維建模功能，二次開發功能強大，為滿足鋁型材擠壓模具三維CAD系統二次開發提供良好的開發平臺。本文以擠壓模具中最為復雜的平面組合分流模設計為例，在UG NX5二次開發平臺上開展相關的開發研究工作。

2.1 平面法三維建模的局限性

采用傳統二維建模思路所創建的三維模型可修改性差。

為了滿足三維CAE和CAM技術應用，模具二維設計結果轉化為三維圖形仍舊采用二維設計的建模思路，普遍采用以二維模具設計圖紙為“草圖”，采用三維拉伸實體的建模模式，其最終實體模型表示為特征體。其優點是建模過程直觀符合二維設計習慣，實體模型比較準確，但是采用此方式創建的三維模型參數因“草圖”約束尺寸的原因而緊密相關，導致所建立三維模型可修改性差，迭代修改操作繁瑣。例如，修改草圖的局部尺寸需要將基于草圖設計前的建模工作全部消除，不僅增加重復性工作，容易出錯，而且更重要的是以前的設計數據將會全部丟失，嚴重地降低效率。

2.2 三維模型拓撲數據結構

三維模型體素拓撲關系清晰，數據結構復雜。

三維圖形的點、線、面、體和特征有著緊密的關系，拓撲關系很清晰，數據結構緊密，各幾何元素之間存在著明確的依賴和繼承的關系。然而，在三維CAD軟件的常規三維繪圖過程中，在對實體模型進行修改或增加結構時，由于實體間的“交”、“并”、“差”、“補”等的布爾操作，增加了大量點、線、面等特征結構，在建模的過程中，時常由于數據干涉或拓撲關系不當，而出現報錯的現象。三維圖形數據這些特點給擠壓模具交互系統二次開發帶來很大的難度，必須針對模具設計流程尋求拓撲關系簡單、耦合性小的數據結構組織方式和模型的構建方法，提高二次開發系統中圖形修改的容錯能力，適應擠壓模具迭代設計過程的需要。

所幸當前三維CAD商用軟件提供了靈活多樣的造型方法，為解決上述問題提供了便利條件。同樣的三維實體模型可以采用不同的方法創建，對應不同創建過程，實體有著不同的數據結構特征，如立方實體在數據結構中可表示為單元實體，也可以表示為特征體。

正因為三維模型建立方法有著很大的靈活性特點，在交互式擠壓模具設計系統中，存在最合理、耦合性最小的三維模型的創建方法和模具三維模型。

2.3 三維建模方法的特點

不同三維建模方法建立模型結構復雜程度和體素間的耦合程度不同。

UG NX5在三維建模方面主要有三種方法，即簡單實體建模方法、特征建模方法和草圖建模方法。簡單實體建模方法主要創建立方體、圓柱體等簡單三維實體，結構參數少、拓撲關系簡單，模型耦合關系最小，但是三維實體模型簡單，適合于建立總體模型的應用。特征建模方法主要是針對基礎實體的點、線和面等結構進行建模，如倒斜面和倒圓角等操作，創建較為精細的實體結構，但是其操作增加基礎實體中所包含的特征數量，增加模型拓撲關系的復雜性，耦合性較強，適用于建立局部模型的應用。由于基于二維平面的圖形，存在大量的點、線尺寸約束，草圖建模是拓撲關系最復雜、耦合性最強的方法，適用于創建精度最高細節模型。

三種建模方法隨著實體中拓撲關系復雜程度增加，建模的可控性強，模型精確度越高，與此同時為分流模三維模型的優化提供實現的方法。

3 分流模三維模型優化設計方案

3.1 分流模結構

分流模主要生產中空型材的擠壓模具，加熱后的圓柱形金屬錠在高壓下首先經過上模的分流孔進行分流，然后在下模的焊合室中重新焊合，最后通過模孔和模芯之間的間隙流出模具，形成中空型材。分流模的結構包括上模和下模兩部分，上模設計有分流橋、分流孔、模芯和工作帶等；下模設計有焊合室、橋墩、模孔和工作帶等結構。如圖2所示。

圖2 分流模結構示意圖

其中分流孔結構主要功能是根據型材截面形狀特征對金屬流動量進行合理分配，是分流模的關鍵結構。

3.2 多種建模方法結合降低模型參數耦合性

根據模具結構特點，采用不同建模方法建模有效降低模具三維模型結構參數的耦合性。

由2.2節的分析可知，三維模型的結構越復雜，模型內的圖素間的拓撲關系和數據結構越復雜，大量的結構參數耦合在一起，直接導致模型的可修改性差。同時有2.3節分析可知，不同建模方法，參數間的耦合程度不同，因此有必要針對模具結構，合理選擇三維建模方法以降低模具參數的耦合性。

根據1.1節分析可知，擠壓模具具有共性和特性結構，結合三維建模方法的特點，分流模的上模結構也可以分為三種類型，首先是采用簡單實體表示的模具共性結構，如模具外圓，分流橋、橋墩等；其次是采用特征實體是模具過渡結構，如分流橋的焊合角和橋墩的倒圓角等；最后是以“草圖”實體表示模具的精確成形結構，如模芯和模孔結構。因此，針對模具結構特點采用不同的建模方法，降低結構參數間的耦合性。具體如圖3所示。

3.3 歸類、離散結構增加模型靈活性

采用模型離散化和歸類化組裝方法有效降低模型實體間的耦合性，增加模型構型和修改的靈活性。

采用3.2節方法，雖然在一定程度上降低模具整體結構參數的耦合性，但是還無法達到三維模型靈活性大的實際工程應用要求，難以建立復雜結構的模具三維模型，因此還需要進一步進行參數解耦的工作，三維模型的離散化是有效的方法。

由1.2節分析可知，模具結構具有一定的獨立性和互補性，因此，首先從三維模型的構型角度分析，將復雜的整體模型離散化，即模具整體三維模型由多個簡單個體的三維模型構成；然后根據模具結構參數與個體三維模型聯系的緊密程度進行歸類，以獨立結構三維實體最完整的建模原則，如分流橋墩的立方體主體結構和導圓角過渡結構的合并，分別創建其三維模型，建立個體的三維模型；最后采用平移、旋轉等空間位置轉換方法進行組裝，從而建立復雜的模具整體三維模型，借此大幅度降低模型的耦合程度和增加模具三維建模的靈活性。以上模為例，對模型的三維模型進行分解和組裝。如圖4所示。

圖3 模具三維創建方法和模具結構對應關系

圖4 分流模上模組裝結構圖

根據不同結構采用針對性建模方法和離散―組裝的方法，不僅降低了模型的建模參數耦合性，而且降低了模具結構參數的耦合性，增加了模具建模的靈活性，創建結構復雜的模具三維模型。以結構復雜的異形型材分流模的分流橋結構為例，闡述采用此思路建立三維模型的具體實現方法。

4 應用實例

本文采用VC++6.0為開發工具，在UG NX5二次開發環境中，開發了鋁型材擠壓分流模三維CAD系統，與UN NX5系統軟件實現無縫鏈接，如圖5所示。

圖5 模具CAD系統菜單

（1）創建模具安裝結構

主要采用了簡單圓柱體的實體建模方式進行建模，如圖6所示。

圖6 模具安裝結構

（2）創建模具模芯結構

主要采用草圖建模方法建立精確成形的工作帶和空刀結構，如圖7所示。

（3）創建模具分流橋結構和橋墩結構

采用簡單立方體建模方法建立分流橋主體結構，在用導斜角的特征操作建立比較完整的分流橋三維模型，并采用平移和旋轉的組裝方法，將分流橋布置在模型直角空間位置上。如圖8所示。

圖7 模具模芯結構

圖8 分流橋和橋墩結構

（4）創建模具裝配結構

采用簡單圓柱體建模方法，創建定位銷和安裝孔結構。如圖9所示。

圖9 模具裝配結構

建模的實例證明，采用該方法可以建立完成的分流模上模的三維模型，針對不同模型結構采用不同的建模方法，而且采用整體離散后組裝方式建立模型，模型間的耦合性大幅度降低，而且根據組裝方式的不同，還能構建結構復雜的鋁型材模具。

5 結 論

本文通過對模具設計特點，認為只有具備滿足不斷迭代修改要求、結構參數耦合性小和建模靈活的模具三維模型是鋁型材擠壓模具三維CAD系統符合實際工程應用的關鍵和基礎。總結分析了三維CAD軟件中三種建模方法和鋁型材擠壓分流模三種類型結構的相關關系的基礎上，提出采用合理的建模和模型組裝方法建立三維模型的思路，以分流模上模三維建模為例在UG NX5的平臺上進行二次開發，建立完整的三維模具模型，證明了該思路和方法能大幅度降低模具三維模型耦合性和提高靈活性，符合實際工程的應用要求。

[1]包忠詡, 柳和生, 等. 鋁型材擠壓模 CAD/CAE/CAM 研究進展[J]. 輕合金加工技術, 1999, 27(10):1-4.

[2]李紅英. 鋁型材擠壓分流組合模CAD系統的開發與應用研究[J]. 中南礦冶學院學報, 1992, 23(6):728-732.

[3]李積彬, 伍曉宇, 等. 鋁型材擠壓模具的3D優化設計[J]. 機械設計, 2000, 17(6): 29-32.

[4]李積彬, 伍曉宇, 毛大恒, 等. 鋁型材擠壓模具 3D設計CAD/CAE實用設計[M]. 北京: 冶金工業出版社, 2003, 57-135.

[5]李灼華, 陳澤中, 汪 蕓. 基于UG的鋁型材分流組合擠壓模 CAD系統建模與開發[J]. 輕合金加工技術, 2008, 36(1): 27-30.

[6]羅 超, 李大永, 周 飛, 等. 基于知識的鋁型材擠壓模具集成設計系統[J]. 上海交通大學學報, 2003,37(12): 1866-1869.

[7]王孟君, 武星星, 等. 成組技術在擠壓模具 CAD圖形數據庫中的應用[J]. 礦冶工程, 2008, 28(1):91-93.

[8]廖培根, 方 剛, 等. 基于UG的鋁型材擠壓模具設計系統[J]. 鍛壓技術, 2008, 33(4): 164-167.