特征技術(shù)與面向?qū)ο蠹夹g(shù)在注塑件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李潤(rùn)泉

塑料制品制件在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活當(dāng)中得到了愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用，塑料模具作為生產(chǎn)塑料制品的工藝裝備，也日益在國(guó)民經(jīng)濟(jì)特別是精密制造業(yè)中有著越來(lái)越重要的地位.目前，國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者正在深入進(jìn)行塑料模具CAD的研究.在塑料棋具CAD過(guò)程當(dāng)中，塑件的定義模型是后續(xù)的成型工藝設(shè)計(jì)和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，這就要求塑件定義模型能反映出其工程語(yǔ)義，使成型工藝設(shè)計(jì)和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序可以理解，并方便地提取所需信息。因此，在塑料模具CAD中，我們應(yīng)以塑件為根本，首先建立它的輔確的符合工藝要求的三維幾何模型.本章主要討論注塑件的基于特征的產(chǎn)品模型，在詳細(xì)研究了注塑件具體形狀和設(shè)計(jì)要求及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了注塑件的形狀特征分類方案及一些典型的注塑件工藝結(jié)構(gòu)，如加強(qiáng)筋、凸臺(tái)、角域特征等。分析了利用荃于特征抽象的動(dòng)態(tài)定義特征類功能，建立這類特征的特征庫(kù)。論述了形狀特征的表達(dá)及它們之間的組合關(guān)系和組合操作，最后闡述了特征技術(shù)與面向?qū)ο蠹夹g(shù)集成應(yīng)用于產(chǎn)品建模的方法，使得特征技術(shù)與面向?qū)ο蠹夹g(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái).

1 塑料產(chǎn)品（PlastieProduet）或塑料零件（MoldingPlastiePart）是以塑料作為材料，用模塑工藝進(jìn)行生產(chǎn)的塑料制品制件，簡(jiǎn)稱為塑件

塑件建模是指在計(jì)算機(jī)硬件和軟件的支持下建立塑件的產(chǎn)品信息模型。建模過(guò)程包括輸入對(duì)塑件的性能要求，選擇合適的塑料，設(shè)計(jì)塑件外形與結(jié)構(gòu)，確定對(duì)模塑工藝和模具結(jié)構(gòu)性能的要求，建立塑件的參數(shù)化特征模型等.塑件建模的目的不僅要設(shè)計(jì)出滿足實(shí)用要求的塑件，更重要的還在于設(shè)計(jì)制造出生產(chǎn)這種塑件的模具。也就是說(shuō)，通過(guò)塑件建模所得的模型應(yīng)為模具CAD提供足夠的信息，為自動(dòng)生成模具成型零部件提供條件。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，塑件的設(shè)計(jì)和塑料模具的設(shè)計(jì)都是由設(shè)計(jì)人員根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合查閱一些技術(shù)資料而完成.無(wú)論在完成任務(wù)的時(shí)間上.工作的質(zhì)上，還是滿足塑件實(shí)用性能的程度上都難以讓人滿意.在塑件形狀與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面.為了清楚而準(zhǔn)確地表達(dá)一種復(fù)雜的零件結(jié)構(gòu)，往往需要手工制作物理模型，并以此作為塑件設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)的依據(jù)和用于設(shè)計(jì)思想的交流，這種方法費(fèi)時(shí)多，成本高。

計(jì)算機(jī)的應(yīng)用完全改變了這種倩況.現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖形軟件系統(tǒng)已發(fā)展到如此高的水平，使得人們可以根據(jù)需要方便而快速地在計(jì)算機(jī)上建立起一個(gè)描述塑料零件的形狀、結(jié)構(gòu)與工藝特征及材料屬性的信息完全的棋型，并可由此生成具有詳細(xì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的三維圖形。這種模型完全可以代替物理模型用于交流設(shè)計(jì)思想.并可作為塑料模具CAD系統(tǒng)在設(shè)計(jì)模具時(shí)的初始信息和設(shè)計(jì)依據(jù)。就實(shí)現(xiàn)技術(shù)手段而言，塑件建模一般可以采用二維模型、三維線框模型、曲面模型、實(shí)體模型與特征模型來(lái)表示塑件的形狀結(jié)構(gòu)。由于復(fù)雜注塑件用二維描述不便于進(jìn)行后續(xù)工藝與模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只有采用三維實(shí)體與特征模型才能有效地建立上述全信息塑件模型.

內(nèi)飯、外飯、擋飯及儀表盤等復(fù)雜的汽車覆蓋件和塑料內(nèi)飾件三維CAD模型.在建模過(guò)程當(dāng)中，體會(huì)到車身覆蓋件及汽車儀表盤等注塑件形狀，在幾何上一般為空間三維曲面，許多情況下為復(fù)雜自由非規(guī)則曲面和雕塑曲面。結(jié)構(gòu)上具有多島、多坑、坯料尺寸大、多處為混合復(fù)雜曲面且曲面形狀變化多樣.在產(chǎn)品工程圖上采用了投影線、特征緯線和多截面視圖來(lái)反映其各部位的幾何關(guān)系，其形體特性一般不能反映出來(lái)，且其形狀不容易分解為基本圖素，輪廓線也較復(fù)雜。目前，特征技術(shù)在一些典型的常用零件如軸類零件、箱體類零件等具有規(guī)則形狀的領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，大多數(shù)基礎(chǔ)研究都集中在此類零件上。

2 特征技術(shù)在注塑件類復(fù)雜零件中還沒(méi)有得到成功的應(yīng)用

本文探討從應(yīng)用的角度構(gòu)造此類零件的模型，進(jìn)一步采用特征技術(shù)和面向?qū)ο蠹夹g(shù)研究加工此類零件的注塑模具設(shè)計(jì)及軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。在研究過(guò)程中，本人也深感特征技術(shù)和面向?qū)ο蠹夹g(shù)集成應(yīng)用在復(fù)雜的注塑件及其模具設(shè)計(jì)中是一項(xiàng)難度較大而又創(chuàng)新性較強(qiáng)的工作，有著較大的工程實(shí)際應(yīng)用意義和理論價(jià)值。

前面己述，注塑件產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)用特征建模的方法，通常特征建模系統(tǒng)的形狀特征都是具有一定的應(yīng)用場(chǎng)合與針對(duì)性的，注塑件形狀特征分類必須遵循一定的原則，應(yīng)有利于注塑件模型的建立。注塑件形狀特征不像其它機(jī)械零件如軸類零件、箱體類零件那樣.能直接從最終模型明顯分辨出構(gòu)成它的各種特征體素如軸段、孔、鍵槽、退刀槽等。用戶看到的只是平滑的曲面，流暢的曲線，分布合理的孔穴及突變處圓滑的過(guò)渡等復(fù)雜的外觀表面。在前述分析了注塑件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、要求及形狀特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，又鑒于復(fù)雜自由曲面設(shè)計(jì)對(duì)注塑件設(shè)計(jì)的重要性，為了既能保證與注塑成型工藝緊密相關(guān)，又不失形狀特征的一般性，按照曲面體的生成機(jī)理、生成方法和生成過(guò)程.探討了一種較為實(shí)用的注塑件形狀特征分類方案，如表所示。表中將形狀特征分為主特征和輔助特征.其中，主特征包括平面類和曲面類兩大類。輔助特征包括基準(zhǔn)特征、附加特征、工藝特征、復(fù)合特征、用戶自定義特征、總體特征等。

3 塑件設(shè)計(jì)的一般特點(diǎn)

塑件設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、精度、表面粗糙度、壁厚和脫模斜度等方面的設(shè)計(jì)以及加強(qiáng)筋、孔、圖角、嵌件等的設(shè)置等.

1結(jié)構(gòu)形狀

塑件的內(nèi)外表面形狀應(yīng)當(dāng)在滿足使用要求的前提下盡t做到易于模塑成型。例如，盡可能避免在塑件的外側(cè)與內(nèi)側(cè)出現(xiàn)凹凸，以簡(jiǎn)化其模具的結(jié)構(gòu)，使之不采用復(fù)雜的側(cè)向抽芯機(jī)構(gòu)或特殊結(jié)構(gòu)。

2脫模斜度

為了順利脫模，塑件的內(nèi)外表面沿脫模方向一般應(yīng)設(shè)計(jì)一定的斜度。常用的脫模斜度值為1一1.5，壓制成型深度較大的塑件時(shí)，要求凸模的斜度略大于凹模的斜度，使塑件的下部壁厚大一些，以便在合模時(shí)，由于尖劈的作用使塑件上部密度得到保證。

3壁厚

塑件壁厚的確定，既要考慮使用要求，還要考慮成型工藝的要求。這些要求是：要具有足夠的強(qiáng)度和剛度，壁厚不能過(guò)大或過(guò)小.過(guò)小將引起塑料熔體的流動(dòng)阻力過(guò)大，影響型腔的充滿；過(guò)大可能產(chǎn)生縮孔或凹痕.也可能使憐卻時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或造成成本偏高。在脫模時(shí).塑件能經(jīng)受脫模機(jī)構(gòu)的振動(dòng)與沖擊，裝配時(shí)能承受緊固力。

4加強(qiáng)筋

用增加壁厚的辦法來(lái)提高塑件的強(qiáng)度和避免制件變形翹曲是有效的，但受到多方面因素的制約。適當(dāng)設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋是增加塑件強(qiáng)度和剛度的有效辦法。給出一個(gè)采用加強(qiáng)筋的例子.它表明，在壁厚合理的條件下，加強(qiáng)筋可使塑件獲得足夠的強(qiáng)度和剛度。需要注意，加強(qiáng)筋的厚度不宜過(guò)大，否則容易在其對(duì)應(yīng)的壁上產(chǎn)生凹陷，加強(qiáng)筋還必須有足夠的斜度，其底部應(yīng)呈口角過(guò)渡.此外，將薄殼狀制件做成球面或拱曲面，在薄壁容器的邊緣卷邊，也能有效地提高塑件的強(qiáng)度與剛度。

5圓角

塑件的轉(zhuǎn)角處一般應(yīng)采用圓弧過(guò)渡，以避免在塑件的尖角處出現(xiàn)應(yīng)力集中，增加強(qiáng)度，防止塑件在脫模過(guò)程當(dāng)中開(kāi)裂或受沖擊時(shí)發(fā)生破裂.此外，圓角還能改善塑料的充模特性.

6孔

塑件上的孔有通孔、不通孔、螺紋孔和形狀復(fù)雜的孔等幾種，它們的出現(xiàn)不應(yīng)削弱塑件的強(qiáng)度.孔與孔之間和孔與邊壁之間均應(yīng)留有足夠的距離.對(duì)于塑件上的固定用孔或受力孔，可在其周邊設(shè)計(jì)一凸臺(tái)來(lái)加強(qiáng)。