双塔通道砂型模具的Cimatron E设计

　　本文探讨研究了双塔通道砂型模具的Cimatron E设计相关内容。

　　模具设计是一种复杂的、综合的、富于创造性的活动，在设计过程中需要设计者具有不同领域的专业知识、丰富的实践经验和解决问题的技巧。该过程不仅仅是数值的计算，还包含了大量决策性和开创性的活动，需要进行系统的思考、推理和判断。而传统的设计方案的拟定，很大程度上决定于设计者本身的设计经验，大多是通过经验公式和类比分析来确定设计方案，而且常采用静态或近似的方法计算，效率低、周期长，方案中某点的改动可能导致整套图样尽弃。随着CAD/CAM技术的不断开发，利用CAD/CAM技术进行产品结构的几何建模与分析、快捷地进行产品模具的设计和修改、精确地生成产品和模具的设计文档以及自动生成产品和模具的技术数据文件等应用，变得越来越广泛，并且将直接用于后续的CAM系统。

　　一、CimatronE在模具设计中的特色

　　下面以精密铸造砂型模具的设计为例，详细分析CimatronE在模具设计中的特色。

　　精密铸造砂型模具的零件草图如图1所示，模型类似于双塔通道，模型的大部分外表面由曲面构成，结构比较复杂。根据零件草图生成双塔通道处的砂型模具，并且保证通道与双塔的自然连接，特将此零件命名为双塔通道模型。

图1.精密铸造砂型模具的零件草图

　　1.用特征组合生成双塔

　　以往的CAD/CAM技术从二维绘图起步，经历了以描述产品几何形状为主的三维线框、曲面和实体造型的发展阶段，逐渐发展到以几何模型为基础并且包含产品设计和生产过程所需的各种信息的特征建模阶段，为创建产品的集成信息模型服务。特征此时已不再是普通的体素，而是一种封装了各种属性和功能的功能要素。特征是产品信息的集合，它不仅具有按一定拓扑关系组成的特定形状，而且还能反映特定的工程意义，适宜于在设计、分析和制造中使用。按照零件的复杂程度，特征可以简单地分为简单特征和复合特征。简单特征是独立的形状特征;复合特征是简单特征的组合结构。而简单特征又可进一步分为基本特征和辅助特征。基本特征是指构成零件主要形状的特征;辅助特征是指用来修饰基本特征的特征。任何一个产品都可以通过特征之间的并、差、交等运算组合而成。

　　分析双塔通道模型的零件草图后，可以得出一个结论，即整个零件模型由三部分组成，分别为左塔、右塔以及连接双塔的中间通道。中间通道由特定曲线构成的曲面拼接而成。看似复杂的左右双塔可以由简单特征组合而成。任何一个产品模型都可以由一级复合特征、二级复合特征或多级复合特征构成。图2给出了左塔的生成特征树，它是一棵有序的二叉树。

图2 左塔的生成特征树

　　2.用曲面建模构造双塔通道的曲线和曲面

　　双塔是产品零件的主体，可以通过简单特征复合而成，连接双塔的通道依附于双塔而存在。然而双塔通道必须用圆滑的曲面来描绘，左右侧面也必须和双塔圆滑完整地连接。因此适宜运用曲面建模的方法来生成通道曲面。要获得曲面建模的数据结构，首先需要建立一个面表，即曲面是由哪些基本曲线构成。建立通道曲面的构造曲线，如同用铁丝做成一个骨架来表示一个模型，在计算机内部是以边表和点表来描述物体的，而构造曲线必须符合曲面建模构造圆滑曲线的要求。

　　如图3所示，首先为了保证通道曲面在XY平面内的投影位于两条水平边界范围之内，使模型能够保证良好的加工性能并有助于脱模，可以添加顶部边界的辅助圆环。同时在ZY平面内以三点方式建立截面圆弧。其次为了保证通道曲面与双塔拼接处的完美圆滑连接，可以选取双塔和通道的相关曲面，提取相关曲线作为构造曲面的截面曲线。

图3 双塔通道的特征曲线

　　如果说构造曲线是用“铁丝”构造模型，那么曲面建模就是将一张张“皮”往这些“铁丝”上蒙面。建模时，先将复杂的外表面分解成若干个组成面，这些组成面可以由符合特定曲面构造规律的曲线构成，然后通过面与面之间的拼接，构成所需的曲面。其中组成面的构造方式多种多样，常用的组成面有直纹面、旋转面、扫描面、导动面和混合曲面等。如图4所示，模型的通道曲面可以由4张组成面拼接而成，而每张组成面由混合曲面构造而成。混合曲面是通过若干条截面曲线沿着两条轨迹曲线扫描而成的圆滑曲面。每张混合曲面中至少需要两条截面曲线和两条轨迹曲线。混合曲面好比是在铁轨上奔跑的火车，两条轨迹曲线就是两条铁轨，而若干条截面曲线就是火车站点，其构造方式犹如火车在铁轨上平稳行驶。

图4 四张混合曲面拼接

　　3.曲面与特征体的融合

　　由于曲面建模实际上是采用蒙面方式构造零件的形体，因此很容易在建模中遗漏对某个面的处理，通常称这种情况为“丢面”。同时依靠蒙面的方法将各个面粘贴上去，往往会在面与面之间的拼接处产生重叠或间隙，不能保证建模精度。此外，曲面建模中没有确定面与面、面与体之间的相互关系，所以模型建好后工程制造人员很难判定这个物体是一个实心体还是一个薄壳，从而无法计算其质量特性。因此在数控加工中，只处理某一表面不会产生问题，但如果同时处理多个表面的加工和检验就可能出现干涉，这时必须将面与特征体进行融合，使其成为一个实心体。图5所示为利用融合曲面与特征体完成双塔通道的零件模型。

图5 双塔通道的零件模型

　　4.利用曲面建模生成薄壳及其分型面

　　至此，符合要求的双塔通道的零件模型已经建立，但是这仅仅完成了一半。下面还需要以双塔通道的零件模型为参考实体，制作通道处的薄壳曲面。薄壳的平均厚度为8mm。薄壳的材料是一种特殊的型砂，在型砂中加入一定比例的粘结剂，加热到一定温度就凝结成型，冷却后的砂型薄壳具有一定的硬度、韧性和耐热性。利用这种材料特殊的物理性能，可制成专门生产砂型薄壳的模具。模具的核心部分由两组长方体镶块构成，每组镶块分别可以产生上半部分通道和下半部分通道的砂型薄壳。而两个薄壳均由曲面构成，薄壳的两侧面必须与双塔完整圆滑拼接，以保证双塔通道的完整性和统一性。为了制作薄壳曲面，首先要利用原有的构造曲线产生等距曲线，作为生成薄壳曲面的框架;其次必须将薄壳侧面的构造曲线投影到双塔侧面重新生成构造曲线，以保证薄壳侧面和双塔侧面的完整圆滑拼接;最后利用投影线作为“剪刀线”将双塔侧面裁剪后与其他组成面拼接成薄壳曲面。由于薄壳由曲面构成，因此其分型面也应该是曲面。分型面是模具中用以取出制品和浇注系统凝结材料的可分离的接触表面。在模具设计中，必须考虑成型时分型面的形状和位置，以便于模具成型。所以应将薄壳侧面曲线和底部边界作为分型线分别投影到长方体镶块的侧面以构成曲面分型面，如图6中所示。

图6 薄壳及其分型面

　　5.运用布尔运算拆分凸、凹模

　　在具备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将长方体镶块拆分成凸模和凹模。这里使用的分模方法是布尔运算。布尔运算是一种逻辑运算，它代表一种因果关系，具有三种基本运算方式：“或”运算，“与”运算和“反”运算。穿越长方体镶块的分型面就好比一把无形的“布尔刀”，利用布尔“反”运算可以将长方体分割成具有不同形体特征的凸模和凹模，如图7所示。生成凸、凹模后，还要对凸模和凹模进行一些必要的局部修饰，例如工艺圆角、进料口、浇口型芯、推杆孔和紧固螺孔等。

图7 凸模镶块和凹模镶块

　　6.模具的装配

　　凸模镶块和凹模镶块生成后，就可以在CimatronE的装配环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中装配模块的方法，是采用限制物体自由度的方法来建立零件之间的相互约束关系，并依据全相关原则可以修改任意零件之间的相互位置关系及其本身的几何形状，从而使整体设计更加直观、全面。采用这样的模块装配方法，设计者可以在显示屏上将自己抽象的思维形象地描述出来，而不必在想象中耗费过多的精力。这就好比建筑房屋，首先打下扎实的地基、柱子和梁，然后逐层地添砖加瓦，而在这里凸模镶块和凹模镶块就是坚实的地基。在完成了模块的装配后，就可以在两组镶块的基础上逐步添加凸模板、凹模板、带肩导柱、导柱导套、推板、推杆、支架和电加热杆等零件来组成完整的双塔通道的砂型模具了。

　　二、结论和展望

　　通过上面的例子可以看出，集成模具CAD/CAM技术的CimatronE在进行复杂的曲面零件的设计时具有强大的曲面建模和特征建模功能，特别是在对模具分型面的生成和凸、凹模型腔的建模方面，有其独到的特点和优势。实践证明，用好CimatronE能够简化产品及其模具设计，加快CAD/CAM技术集成化的步伐，促使模具制造业步入一个全新的阶段。