面向壓鑄模澆道的變參數(shù)建模方法研究

董玉德 朱冠群 楊光輝 凌樂(lè)舒 張昌浩

1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009 2.蘇州柳凌軟件開(kāi)發(fā)有限公司,蘇州,215000

面向壓鑄模澆道的變參數(shù)建模方法研究

董玉德1朱冠群1楊光輝1凌樂(lè)舒2張昌浩1

1.合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009 2.蘇州柳凌軟件開(kāi)發(fā)有限公司,蘇州,215000

針對(duì)壓鑄模澆道建模過(guò)程中遇到的幾何特征重復(fù)生成時(shí)的繁瑣性、操作過(guò)程的復(fù)雜性和設(shè)計(jì)參數(shù)的離散性等問(wèn)題，提出以變參數(shù)為主導(dǎo)的澆道建模方法。該方法在澆道特征要求和實(shí)用技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)澆道變參數(shù)細(xì)節(jié)特征進(jìn)行分析，以及澆道特征對(duì)金屬溶液特性產(chǎn)生不同影響的研究，以UG8.0為研發(fā)平臺(tái)并結(jié)合CAD技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了壓鑄模澆道的參數(shù)化、系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出變參數(shù)壓鑄模澆道設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的集中處理，避免了用戶的重復(fù)操作，縮短了澆道的設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)精度。

壓鑄模；澆道；變參數(shù)；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

0 引言

壓鑄模具鑄造作為一種快速的成形方法，具有生產(chǎn)效率高、鑄件尺寸精度高和互換性好等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著社會(huì)的快速發(fā)展，壓鑄模特別是有色金屬壓鑄模迅速發(fā)展起來(lái)，壓鑄模設(shè)計(jì)變得越來(lái)越實(shí)用化和多樣化[1-2]。澆注系統(tǒng)作為金屬液流入工件的渠道，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響澆注過(guò)程的穩(wěn)定性和澆注順序的合理性，從而影響到金屬液的流速、壓力和流量，因此，澆注系統(tǒng)的合理化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)在整個(gè)澆注過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用。同時(shí)，壓鑄件外形的多樣化和設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)造成了澆道設(shè)計(jì)很難形成標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化，因此，壓鑄模澆道的參數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)對(duì)澆道的規(guī)范化和壓鑄件的標(biāo)準(zhǔn)化十分重要[3-6]。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)成為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有效工具。壓鑄模的參數(shù)化設(shè)計(jì)是基于CAD技術(shù)，對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行模塊化劃分，從工件實(shí)體出發(fā)，建立模具實(shí)體，再抽象出模具概念模型，用具有特定含義的概念模型設(shè)計(jì)來(lái)代替通用軟件以點(diǎn)、線、面、體等幾何特征為主導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法[7-8]。目前，世界上多個(gè)國(guó)家和地區(qū)如美國(guó)、日本和德國(guó)等已經(jīng)有比較統(tǒng)一且完善的參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)建模系統(tǒng)[9-11]。盡管中國(guó)在壓鑄模具行業(yè)起步較晚，但各企業(yè)都在努力建設(shè)各自標(biāo)準(zhǔn)化的壓鑄模具參數(shù)化系統(tǒng)，如李仁峰[12]運(yùn)用現(xiàn)代優(yōu)化技術(shù)和CAE技術(shù)，提出了一種澆口位置優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為實(shí)現(xiàn)澆注系統(tǒng)的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效參考；王鳳林[13]、Li等[14]采用參數(shù)化裝配技術(shù)和變形設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)了壓鑄模澆道變參數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

為解決在壓鑄模澆道設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的操作過(guò)程復(fù)雜和設(shè)計(jì)參數(shù)的離散性等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化和標(biāo)準(zhǔn)化，從而提高設(shè)計(jì)效率和精度，本文建立了基于澆道的變參數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。本系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)參數(shù)的綜合化管理和澆道的變參數(shù)設(shè)計(jì)，又可以根據(jù)實(shí)際需求通過(guò)修改參數(shù)的方式對(duì)所設(shè)計(jì)的澆道進(jìn)行相應(yīng)的修改，從而降低了設(shè)計(jì)過(guò)程的復(fù)雜性，提高了設(shè)計(jì)效率和精度。

1 壓鑄模澆道設(shè)計(jì)技術(shù)體系

1.1 單元封裝

封裝(encapsulation)是將抽象得到的數(shù)據(jù)和行為(或功能)相結(jié)合，形成一個(gè)有機(jī)的整體的行為。封裝會(huì)隱藏對(duì)象的屬性和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，僅對(duì)外公開(kāi)接口，使用者不必了解具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，而只是通過(guò)外部接口，以特定的使用權(quán)限來(lái)使用類的成員[15-16]。設(shè)計(jì)者往往根據(jù)對(duì)象的屬性和功能的不同，對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行不同的封裝。壓鑄模澆注系統(tǒng)是依據(jù)澆口和流道的不同功能和參數(shù)來(lái)源進(jìn)行封裝的。其中，功能分為澆注和運(yùn)輸；參數(shù)來(lái)源分為直接參數(shù)和間接參數(shù)。根據(jù)這兩個(gè)封裝依據(jù)，澆注系統(tǒng)可分為不同的單元和模塊。

圖1所示為壓鑄模澆道的單元模塊，按照功能原理的不同，共劃分為9個(gè)模塊。為了使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更具層次性，降低變參數(shù)設(shè)計(jì)的繁瑣性，依據(jù)參數(shù)的來(lái)源不同，將分流錐和料餅歸為一個(gè)模塊，渣包和排氣也歸為同一個(gè)模塊，并將它們劃分到二維澆道設(shè)計(jì)單元中，依據(jù)結(jié)構(gòu)功能不同，將9個(gè)模塊劃分成澆口設(shè)計(jì)和二維澆道設(shè)計(jì)單元。圖2是壓鑄模澆道系統(tǒng)的封裝圖。根據(jù)對(duì)象功能不同和參數(shù)來(lái)源不同，對(duì)該系統(tǒng)劃分為變參數(shù)設(shè)計(jì)、澆口設(shè)計(jì)、二維澆道設(shè)計(jì)和三維澆道設(shè)計(jì)四大單元，這四大單元組成完整的壓鑄模澆注系統(tǒng)。同時(shí)，每個(gè)單元都包含相應(yīng)的設(shè)計(jì)模塊，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須首先設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)單元，然后穿插設(shè)計(jì)澆口設(shè)計(jì)單元、二維澆道設(shè)計(jì)單元和三維澆道設(shè)計(jì)單元，但每個(gè)單元中的每個(gè)模塊、模塊與模塊之間都有相應(yīng)的設(shè)計(jì)順序。

圖2 壓鑄模流道封裝圖

1.2 變參數(shù)設(shè)計(jì)

變參數(shù)設(shè)計(jì)(variable parameter design,VPD)利用約束構(gòu)造產(chǎn)品幾何輪廓，通過(guò)尺寸為變量驅(qū)動(dòng)完成建模設(shè)計(jì)，并在修改參數(shù)同時(shí)修改模型，旨在重用已有設(shè)計(jì)信息快速重構(gòu)產(chǎn)品來(lái)提高設(shè)計(jì)效率[17]。目前參數(shù)約束和變參數(shù)修正的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)和參數(shù)之間的約束關(guān)系是參數(shù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，同時(shí)也是變參數(shù)修正的基礎(chǔ)。參數(shù)可分為直接參數(shù)、一級(jí)間接參數(shù)和二級(jí)間接參數(shù)三類：

(1)直接參數(shù)(direct-parameters)：直接通過(guò)調(diào)用表格數(shù)據(jù)獲得的參數(shù)。直接參數(shù)主要為類型的選擇，對(duì)其后的間接參數(shù)設(shè)計(jì)有決定性的作用，是壓鑄類型確定的關(guān)鍵。

(2)一級(jí)間接參數(shù)(first indirect-parameters)：由參數(shù)設(shè)計(jì)單元設(shè)計(jì)獲得。起參數(shù)過(guò)渡傳遞作用，一級(jí)間接參數(shù)主要為鑄件的屬性參數(shù)，為計(jì)算二級(jí)間接參數(shù)作準(zhǔn)備。

(3)二級(jí)間接參數(shù)(second indirect-parameters)：通過(guò)對(duì)一級(jí)間接參數(shù)的計(jì)算修改，最終確定二級(jí)間接參數(shù)，澆道族和溢流族設(shè)計(jì)所使用的參數(shù)，對(duì)特征形成和模型修改都起著至關(guān)重要的作用。

變參數(shù)設(shè)計(jì)主要通過(guò)修改二級(jí)間接參數(shù)來(lái)修改澆道的建模模型，以達(dá)到規(guī)定的工藝要求。本系統(tǒng)主要通過(guò)NXOpen提供的文件操作函數(shù)來(lái)訪問(wèn)外部表格中的數(shù)據(jù)，并將其加載到相應(yīng)的UI(user interface)對(duì)話框中供用戶使用。用戶可以直接利用加載的參數(shù)，也可通過(guò)手動(dòng)輸入來(lái)進(jìn)行修改。為了滿足設(shè)計(jì)要求，需對(duì)加載的數(shù)據(jù)進(jìn)行變參數(shù)檢查。變參數(shù)檢查是通過(guò)對(duì)輸入的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到最大金屬壓力、最大金屬流量、最大射嘴直徑等一系列數(shù)據(jù)的，并根據(jù)信息窗口來(lái)判斷輸入的參數(shù)是否合理。變參數(shù)檢查完成后，可將得到的一系列數(shù)據(jù)整理后，保存到表格中，也可對(duì)原有的表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)行替換，使數(shù)據(jù)最優(yōu)化。

如圖3所示，VPD可分為參數(shù)設(shè)計(jì)和變參數(shù)修改，變參數(shù)修改主要是通過(guò)UI和模型的參數(shù)交互來(lái)實(shí)現(xiàn)。參數(shù)設(shè)計(jì)中的直接參數(shù)有機(jī)器型號(hào)、金屬液類型、冷熱室的選擇等，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的計(jì)算，可設(shè)計(jì)出鑄件的體積、質(zhì)量和中心位置等一級(jí)間接參數(shù)，然后根據(jù)一級(jí)間接參數(shù)計(jì)算出澆口面積、受力分布和澆口流速等二級(jí)間接參數(shù)，計(jì)算完成后，必要的參數(shù)可通過(guò)用戶訂制UI顯示，以便進(jìn)行澆道的特征設(shè)計(jì)，最后，再由變參數(shù)修改進(jìn)行澆道特征的檢查修改，使?jié)驳赖奶卣鞲蠈?shí)際要求。

圖3 參數(shù)的訪問(wèn)、計(jì)算、修改

2 壓鑄模澆道功能設(shè)計(jì)

2.1 建模原理

基于壓鑄模澆道的變參數(shù)設(shè)計(jì)，首先根據(jù)壓鑄機(jī)板不同規(guī)格，配置相應(yīng)的屬性并且計(jì)算相應(yīng)的參數(shù)，參數(shù)也可手動(dòng)輸入，再根據(jù)其后的澆口設(shè)計(jì)、二維流道設(shè)計(jì)和三維澆道設(shè)計(jì)里面的不同模塊，進(jìn)行相應(yīng)的澆道設(shè)計(jì)。同時(shí)為考慮用戶的各種要求以及提高系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值，在設(shè)計(jì)完成之后，可以通過(guò)參數(shù)檢查和剖面變化分析模塊，來(lái)檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的澆口或流道是否符合設(shè)計(jì)要求，如不符合要求，用戶可根據(jù)每個(gè)模塊的修改功能對(duì)澆口或流道作相應(yīng)的修改，以達(dá)到精度要求。

2.2 特征約束關(guān)系

澆道是一個(gè)設(shè)計(jì)整體，澆道中每個(gè)模塊之間都有一定的約束關(guān)系。圖4是壓鑄模澆道系統(tǒng)特征約束關(guān)系圖，從圖中可以分析出，模塊之間的約束方式有以下四種(圖5)：?jiǎn)蜗蚣s束、互約束、自約束、整體約束。

圖4 特征約束圖

(a)單向約束 (b)互約束 (c)自約束 (d)整體約束

為了減小約束關(guān)系給參數(shù)傳遞帶來(lái)的影響，以便澆道的快速正確設(shè)計(jì)，定義如下的設(shè)計(jì)規(guī)則：

(1)澆口的設(shè)計(jì)優(yōu)先權(quán)大于澆道的設(shè)計(jì)優(yōu)先權(quán)。

(2)以重復(fù)設(shè)計(jì)率來(lái)設(shè)定設(shè)計(jì)優(yōu)先權(quán)，重復(fù)設(shè)計(jì)率越高，設(shè)計(jì)優(yōu)先權(quán)越大，相反，重復(fù)設(shè)計(jì)率低則設(shè)計(jì)優(yōu)先權(quán)小。

(3)二維澆道設(shè)計(jì)優(yōu)先權(quán)大于三維澆道設(shè)計(jì)優(yōu)先權(quán)。

這三條設(shè)計(jì)規(guī)則可使?jié)驳赖淖儏?shù)設(shè)計(jì)條理更清晰化，同時(shí)在變參數(shù)修改時(shí)應(yīng)注意，除了在設(shè)計(jì)過(guò)程中可隨時(shí)進(jìn)行變參數(shù)修改之外，當(dāng)整個(gè)模型設(shè)計(jì)完畢后，若要修改相應(yīng)的部分，優(yōu)先權(quán)大的澆道應(yīng)先修改，確認(rèn)修改完成后，再變參數(shù)修改優(yōu)先權(quán)小的澆道。

2.3 基于約束的變參數(shù)傳遞序列

壓鑄模澆道的設(shè)計(jì)是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，不僅要考慮機(jī)板和金屬溶液的類型，還要考慮模肉尺寸及渣包和排氣口的寬度、厚度等參數(shù)問(wèn)題。隨著澆道設(shè)計(jì)的深入，參數(shù)的結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜，參數(shù)與參數(shù)之間的聯(lián)系越來(lái)越密切，參數(shù)之間的影響也會(huì)變得明顯，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于參數(shù)不能合理設(shè)計(jì)，以及參數(shù)設(shè)計(jì)的順序不對(duì)，都會(huì)為后期的修改造成相當(dāng)大的影響，因此，參數(shù)的傳遞過(guò)程是澆道能否成功生成或修改的關(guān)鍵。

圖6所示為參數(shù)傳遞序列，參數(shù)的傳遞必須按照?qǐng)D中所示的順序進(jìn)行。當(dāng)確定并輸入相應(yīng)的機(jī)板規(guī)格后，必須馬上進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出二維澆口和三維澆口的相應(yīng)參數(shù)，參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，可根據(jù)要求對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，但是修改后的參數(shù)必須要保存后才可使用，如果直接調(diào)入人機(jī)交互界面，界面上將顯示修改前的參數(shù)，而修改后的理想?yún)?shù)也會(huì)被擦拭而消失。在確認(rèn)參數(shù)無(wú)誤的前提下，方可進(jìn)行澆道的參數(shù)化設(shè)計(jì)，每種澆道設(shè)計(jì)完成后，都要進(jìn)行剖面變化分析，此時(shí)可通過(guò)修改人機(jī)交互界面上的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)變參數(shù)澆道修改，如果修改之前參數(shù)設(shè)計(jì)界面上的參數(shù)，不會(huì)實(shí)現(xiàn)修改功能。每種澆道設(shè)計(jì)完成后都應(yīng)保存最優(yōu)參數(shù)，以供下一次設(shè)計(jì)使用，參數(shù)保存在Excel表格當(dāng)中，方便檢查和修改。

圖6 參數(shù)傳遞序列

2.4 澆道的設(shè)計(jì)路徑

澆道是一個(gè)整體，澆道的模塊與模塊之間存在相應(yīng)的依附性，比如分支流道必須在扇形澆口設(shè)計(jì)完成之后進(jìn)行設(shè)計(jì)而臺(tái)階流道又必須在分支流道設(shè)計(jì)完成之后進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種依附性主要是由澆口和流道之間的主次順序和參數(shù)傳遞所決定的。在進(jìn)行壓鑄模澆道的變參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)的整體順序大致為參數(shù)設(shè)計(jì)到澆口設(shè)計(jì)再到二維澆道設(shè)計(jì)，或參數(shù)設(shè)計(jì)到三維澆道設(shè)計(jì)。參數(shù)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的參數(shù)主要為澆口和三維澆道的參數(shù)，而當(dāng)澆口設(shè)計(jì)完成之后，二維澆道設(shè)計(jì)所用的參數(shù)可根據(jù)其依附的澆口中的參數(shù)獲得。因此在使用系統(tǒng)進(jìn)行壓鑄模澆道設(shè)計(jì)時(shí)，必須要根據(jù)依附性原則和參數(shù)傳遞原則以及實(shí)際的設(shè)計(jì)需要，按照一定的設(shè)計(jì)順序?qū)驳肋M(jìn)行設(shè)計(jì)。

部分澆道設(shè)計(jì)順序如圖7所示，從圖7中可以分析出面向壓鑄模澆道的變參數(shù)化建模過(guò)程可分解成以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

1.澆口設(shè)計(jì)和二維澆道設(shè)計(jì)路徑 2.三維澆道設(shè)計(jì)路徑

(1)首先確定壓鑄機(jī)板規(guī)格，加載相應(yīng)的參數(shù)和面向?qū)ο蟮膸缀文Ｐ停?/p>

(2)對(duì)加載的參數(shù)作相應(yīng)的計(jì)算，并顯示在用戶訂制的人機(jī)交互界面上，使離散的參數(shù)具有整體性和清晰性；

(3)澆口模塊的特征設(shè)計(jì)，包括二維澆口和三維澆口設(shè)計(jì)，內(nèi)澆口的設(shè)計(jì)要在其他澆口的基礎(chǔ)上完成；

(4)基于澆口的澆道特征創(chuàng)建，澆道具有共通性，因此，澆道的創(chuàng)建可根據(jù)實(shí)際工作需求進(jìn)行；

(5)澆口或澆道的變參數(shù)修改，每個(gè)模塊在設(shè)計(jì)完成后，都必須由用戶進(jìn)行實(shí)用性修改，改掉因設(shè)計(jì)不合理可能造成的問(wèn)題，如扇形澆口中部剖面變化大所造成的困氣現(xiàn)象；

(6)澆注系統(tǒng)合理化設(shè)計(jì)完成后，需對(duì)參數(shù)保存，以便下次設(shè)計(jì)調(diào)用。

2.5 基于特征的扇形澆口設(shè)計(jì)

2.5.1 扇形澆口建模法

扇形澆口是在澆注系統(tǒng)中應(yīng)用最多的澆口，扇形澆口主要連接澆道和工件，起到改變金屬液流速和壓力的作用。它是將金屬液從澆道澆注到工件中的部件。

在進(jìn)行扇形澆口設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)工件輪廓的不同，扇形澆口的澆口線也會(huì)有不同的變化，主要是直線或圓弧，參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，在澆口線不確定的情況下，為了使?jié)部诘臋M澆道面光順，必須對(duì)扇形澆口的橫澆道面進(jìn)行曲面分析并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行修改。曲面分析主要是基于UG軟件中的UV線功能，對(duì)橫澆道面進(jìn)行分析，通過(guò)觀察U線的密集程度，來(lái)判斷橫澆道面是否光順。

圖8a是澆口線為直線的扇形澆口模型圖，從與圖8b的對(duì)比可以看出，橫澆道面的光滑程度不同，在用UG的分析功能進(jìn)行分析修改后，可達(dá)到符合要求的光順程度。在分析過(guò)程中，通過(guò)圖8c中UV線的密集程度來(lái)判斷橫澆道面是否符合要求。

(a)扇形澆口特征圖(b)側(cè)視圖

(c)靜態(tài)線框圖

2.5.2 面向扇形澆口的截面分析

金屬液在流過(guò)扇形澆口時(shí)，由于澆口的型腔厚度和形狀不同，會(huì)改變金屬液的流速和壓力，因此為得到想要的流速，在設(shè)計(jì)扇形澆口時(shí)，進(jìn)行剖面變化分析十分重要。剖面變化分析主要是通過(guò)沿著金屬液體的流動(dòng)方向，計(jì)算沿路徑的截面積，以檢查流道的截面變化是否符合錐形要求。此功能特別適合用于扇形澆口和分流錐的截面面積分析。

(1)剖面對(duì)金屬液特性的影響。以扇形澆口為例，熔融的金屬液在通過(guò)扇形澆口處的內(nèi)澆口時(shí)，由于型腔的厚度和形狀變化，它們的流動(dòng)速度也會(huì)發(fā)生變化。圖9為金屬溶液在澆口處的流動(dòng)圖。溶液通過(guò)澆口時(shí)，流速會(huì)有明顯的增大，出口速度遠(yuǎn)大于進(jìn)口速度(vj>uy)。要使金屬液在流過(guò)澆口時(shí)有理想的流速，就必須用剖面變化分析法來(lái)分析扇形澆口的截面積是否符合要求，從而約束扇形澆口處的內(nèi)澆口，來(lái)達(dá)到符合要求的流速。澆口流速會(huì)隨著澆口截面積的增大而減小，在實(shí)際的操作過(guò)程中，在截面積較小的澆口處，將會(huì)受到較大的流動(dòng)阻力，從而使壓力損失很大，所以在對(duì)流速進(jìn)行要求時(shí)，澆口的剖面積不宜過(guò)小。同時(shí)，為了使?jié)部趦?nèi)中間液體和兩次液體的流速(出口速度vj)基本保持一致，往往會(huì)在扇形澆口的中間設(shè)計(jì)分流弧來(lái)控制速度。

圖9 金屬流動(dòng)圖

(2)結(jié)構(gòu)分析。困氣現(xiàn)象是指金屬液從流道流入澆口時(shí)，由于澆口中段面積變化過(guò)大、內(nèi)部的空氣不能及時(shí)排走而導(dǎo)致的空氣被壓縮、空氣溫度迅速上升、燒焦?jié)部诘默F(xiàn)象。

為了增加澆道的使用壽命，更有效地進(jìn)行澆注，必須避免困氣現(xiàn)象的產(chǎn)生。在扇形澆口模型創(chuàng)建后，必須通過(guò)剖面變化分析來(lái)分析澆口的中段面積是否過(guò)大，必須通過(guò)對(duì)中段面積的適當(dāng)修改，來(lái)避免困氣現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖10是在扇形澆口上，自選分析區(qū)域所建立的分析面。用每個(gè)分析面的面積與之前設(shè)定好的參數(shù)序列作對(duì)比，如果不符合設(shè)計(jì)要求，修改相應(yīng)的分析面即可，直到符合要求位置。對(duì)于扇形澆口，由于扇形澆口很難達(dá)到全錐形要求，使用此分析功能可以幫助分析剖面變化，降低中段面積過(guò)大現(xiàn)象發(fā)生的幾率，在避免產(chǎn)生困氣的同時(shí)控制金屬溶液的流動(dòng)速度。圖10的分析結(jié)果圖中，分析面3和分析面4的面積過(guò)大，也就說(shuō)明，對(duì)于整個(gè)扇形澆口來(lái)說(shuō)，澆口的中段面積過(guò)大。因此，當(dāng)金屬液流過(guò)扇形澆口時(shí)，由于中部的面積過(guò)大，就會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的困氣現(xiàn)象，從而產(chǎn)生燃燒效應(yīng)造成嚴(yán)重的后果，所以對(duì)扇形澆口作了相應(yīng)的形狀改變，改動(dòng)之后，不會(huì)產(chǎn)生困氣現(xiàn)象，如圖10中的修改圖所示。

圖10 截面分析

3 變參數(shù)建模實(shí)例

3.1 系統(tǒng)個(gè)性化訂制

系統(tǒng)個(gè)性化訂制人機(jī)交互界面、菜單和工具條主要是用UG軟件為用戶提供的訂制功能。用戶人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)用到UG軟件提供的Block UI Styler對(duì)話框的可視化工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，訂制菜單和工具條用到Siemens公司為用戶提供的NX Open中的MenuScript創(chuàng)建，在進(jìn)行個(gè)性化訂制時(shí)，應(yīng)注意菜單文件和工具條文件程序中的BUTTON后面的對(duì)話框名稱要相同，以保證調(diào)用的是同一個(gè)人機(jī)交互界面。

本系統(tǒng)依據(jù)設(shè)計(jì)封裝原理，以更方便用戶使用為原則，運(yùn)用個(gè)性化訂制功能，訂制了符合用戶要求的人機(jī)交互界面、菜單和工具條。圖11為個(gè)性化訂制人機(jī)交互界面實(shí)例。圖12為個(gè)性化訂制菜單，根據(jù)封裝原理，菜單可分為壓鑄機(jī)板規(guī)格，壓鑄參數(shù)計(jì)算，澆口、二維澆道和三維澆道的設(shè)計(jì)以及公司主頁(yè)四個(gè)部分，其中壓鑄參數(shù)計(jì)算

圖11 人機(jī)交互界面實(shí)例

圖12 菜單文件

和澆道的設(shè)計(jì)又根據(jù)使用功能的不同細(xì)分為不同的模塊，如二維澆道單元?jiǎng)澐譃榉种Я鞯?、臺(tái)階流道、流道連接、分流錐/料餅和渣包/排氣五個(gè)模塊。圖13所示為個(gè)性化訂制工具條基于封裝原理的個(gè)性化訂制，使用戶更加快速地理解系統(tǒng)整體構(gòu)架，加快了設(shè)計(jì)速度，提高了設(shè)計(jì)效率。

(a)參數(shù)設(shè)計(jì)工具條(b)澆道設(shè)計(jì)工具條

3.2 系統(tǒng)生成實(shí)例

圖14為系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例圖，首先根據(jù)壓鑄機(jī)規(guī)格和初始參數(shù)族，計(jì)算出每個(gè)特征的特征參數(shù)，在工件上選擇合適的位置定義特征樣條線，然后基于用戶自定義特征樣條設(shè)計(jì)澆口族、流道族和溢流族，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)相應(yīng)澆道進(jìn)行變參數(shù)修改，最后將澆道系統(tǒng)、溢流槽系統(tǒng)裝配到相應(yīng)的工件上，完成壓鑄模整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用該設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)計(jì)算、澆口族、流道族和溢流族四部分進(jìn)行設(shè)計(jì)建模并與人工計(jì)算參數(shù)和UG建模所需要的時(shí)間進(jìn)行測(cè)試對(duì)比分析，可得如表1所示的測(cè)試結(jié)果。由結(jié)果可知，該壓鑄模澆道設(shè)計(jì)建模系統(tǒng)使?jié)驳赖慕Ｐ实玫捷^大的提升。

圖14 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

表1 繪圖時(shí)間對(duì)比 h

4 結(jié)語(yǔ)

(1)參數(shù)統(tǒng)一化設(shè)計(jì)，使離散的參數(shù)整體直觀化，提高了參數(shù)設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確度，避免了參數(shù)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

(2)參數(shù)化建模法有效地解決了模型設(shè)計(jì)中的繁瑣性問(wèn)題，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)的效率和精度。

(3)變參數(shù)模型修改解決了參數(shù)變化和模型修改無(wú)關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，用變化的參數(shù)來(lái)直接影響模型的改變而不需要重新建模，使模型修改更加簡(jiǎn)潔方便，提高了系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。

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(編輯 王艷麗)

Research on Variable Parameter Modeling Method for Sprue Die Casting Mould

Dong Yude1Zhu Guanqun1Yang Guanghui1Ling Yueshu2Zhang Changhao1

1.Hefei University of Technology,Hefei,2300092.Suzhou Y&L Software Development Co.,Ltd.,Suzhou,Jiangsu,215000

Aiming at the problems which were combined with the cumbersome of repeated generation of geometric characteristics, the complexity of operation and the discrete of design parameters during in the modeling of die casting, this paper proposed a modeling method with variable parameters as the dominant. Based on sprue’s feature requirements and practical technology, and through the analyses of sprue’s variable parameter characteristics the impacts of sprue’s feature on the properties of metal solution were studied. Making UG8.0 as the research platform and combined with CAD technology, the parameterized, systematic and standardized design of die casting mould was realized to develop a variable parameters design system of die casting mold. The centralized processing of the parameters was effectively realized by this system, avoiding the repetitive work of designers, shorting thedevelopment cycle and improving the design accuracy.

die casting mould; sprue; variable parameter; computer aided design(CAD)

2016-10-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275145)

TP391.7

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.24.021

董玉德，男，1966年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教授、博士。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD/CAE/PDM)。朱冠群，男，1991年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。楊光輝，男，1991年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。凌樂(lè)舒，男，1966年生。蘇州柳凌軟件開(kāi)發(fā)有限公司總經(jīng)理兼技術(shù)總監(jiān)。張昌浩，男，1990年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。