塑料异型材挤出定型模 CAD 系统 

摘要: 针对塑料异型材挤出定型模分型繁琐、孔多易干涉、定型板块重复性设计等问题，提出了整体式设计和参数 化设计方案。设计了 1 套智能分型算法，自动创建分型片体，构建分型板块，当调用标准件时自动修改相应参数，智能 加载。基于 UG 平台，以 VC 为开发工具，应用 UG / Open 二次开发技术和 MFC 技术，通过人机交互界面进行参数化设 计，开发了塑料异型材挤出定型模 CAD 系统，规范了定型模设计流程，提高了定型模设计效率。
        塑料异型材是非圆管、板、片、膜等截面形状不规则的塑料 制品，通过挤出成型加工制造，在建材等行业得到广泛应用。1个成型的异型材挤出模生产线主要由送料装置、模头、定型、水箱、切料输送装置等部分构成。其中模头和定型模是挤出模设 计的重点与难点。塑料门窗是常见的塑料异型材，其定型由相 似的几节定型模构成，一般是 4 到 5 节，每节长度相等，不低于200 mm。当有 5 节时，从靠近模头端起依次称为定一、定二、定三、定四、定五。当对定型冷却要求不高时，定型可能只有 1 ～ 3节。在某些特定情况下定型会有 6 ～ 7 节，更大的甚至有 10 节。 平开窗挤出模定一结构如图 1 所示，同一定型中，每一节定型模 都是由上板、前板一、前板二、后板一、后板二、后板三、下板构 成，定型模的板块数量主要根据分型需要确定，对双轨门窗而 言，一般不会多于 7 块板。
        在实际生产中，当预成型的异型材型胚从模头出来进入定 型时，温度还比较高。在气槽处真空吸附力的作用下，型胚紧紧 依附在定型模型腔壁上，在定型模冷却水路作用下进一步冷却固化 最后进入水箱快速均匀冷却［1 － 3］。由于异型材在不同温

度下的应变变化，每一节定型模型腔会有细微变化，而随之分型 面发生改变，导致 1 个完整的定型板块多且分型繁琐，从定二开 始的每一节定模的设计都是重复性的设计，同时，定型模还存在 孔多，易发生干涉等问题。传统的挤出模具设计更依赖于设计 人员的经验，对设计人员的要求高，其 CAD 设计也主要停留在 二维设计上。然而，随着市场需求，越来越多的企业开始尝试挤 出模三维设计。在二维设计转型三维设计的过程中，设计人员的习惯、设计效率都面临着巨大的挑战，建立 1 个符合企业规范的三维 CAD 建模系统已成为企业的迫切需求。
        当前，对异型材挤出定型模的研究主要集中在冷却系统设计上［4 － 6］。在挤出模的 CAD 建模系统研究与应用上 由于企业都是基于 AutoCAD 等二维软件进行挤出模设计，因此主要是对AutoCAD 等二维软件进行二次开发［7 － 8］。UG、Pro / E 等三维软 件二次开发技术在注塑模等其他塑料行业已经日趋成熟［9 － 12］，在挤出模的 CAD 系统研究上，主要还是通过建立标准件库来实现计算机辅助设计 一定程度上提高了设计效率［13］ 。然而 当前的 CAD 系统缺乏自动判断选择和人机交互智能选择机制，割 离了设计人员的经验和二次开发的智能性，应用范围不大，通用性不高。
        该研究针对挤出定型设计复杂、效率低的问题，提出了定型 整体式设计方案，将挤出定型模的流道进行整体式设计，形成定 型内腔，在此型腔基础上得到定型模主体。建立标准件库，对自 定义特征和其他标准件进行自动调用。同时，设计了 1 套智能 分型算法，能够自动创建分型片体，对板块进行有效切割。分型 后自动记录板厚信息，当调用标准件时自动修改相应参数，智能 加载，最后开发了塑料异型材挤出定型 CAD 系统，规范了定型 设计流程，提高了设计效率。
1CAD 系统总体结构
        挤出定型 CAD 设计过程采用整体式设计、参数化设计、建立标准件库方案。 
        整体式设计即对每一节定模的外框、型腔、分型、水气路、装配采用整体式板块设计，最后根据分型需要进行分型切割，一次 得到各节定型模的各个板块。采用整体式设计有三大优点: 一 是各节定型模一起设计，通过编写智能分型算法解决了定型分 型面变化下的重复性设计问题; 二是每一节定型模最后分型切 割，这保证了各板块部件的尺寸约束和装配约束可以一次成型， 设计可靠，板块间的相对位置也更为直观; 三是在水路、气路设 计过程中，采用整体式设计可以一键式得到定模的水气孔，不需 要分不同板块对水气孔重复定位、布尔求差，使设计更简便，减 少了由于分型造成的水气路重复性设计。
        参数化设计是通过 MFC 和后台程序结合的方式，只需要把 一些通用的。但需修改的参数呈现在前台界面，用户只需要修 改对应的数值即可实现模型修改、更新。参数化设计糅合了程 序的智能与设计人员的经验，使挤出定型模设计更为简单、快捷、通用。
        建立标准件库是依托企业庞大的产品数据，将设计过程中的标准件、自定义特征存放在标准件库中，方便随时调用。标准 件库的建立是对设计经验的总结，减轻了设计人员的工作量，把 设计人员从标准件建模中解脱出来，也为企业的模型数据管理 搭建了基础数据平台。
        CAD 系统结构与流程如图 2 所示。其中，初始化信息模块 主要涉及定模的节数、长度、外框尺寸和一些工艺参数等初始信 息。这些信息是定型膜设计的入口信息，是后面设计需要考虑 的基础技术要求。

        型腔生成模块、分型模块、标准件加载模块、水气路设计模块是定模 CAD 系统的主体功能模块，最后通过装配模块得到整个定型装配模型。
2定型模 CAD 系统
        程序主要采用 UG / Open 和 MFC 技术，在 VS2010 下的 NX8_ OPEN 平台下开发，C + + 语言编译。
        UG / Open 由 MenuScript、UG / Open API、UG / Open GＲIP、 UIStyer 这 4 个模块构成。其中 MenuScript 主要做 UG 与程序动 态链接库( dll) 窗口接口，UG / Open GＲIP 和 UG / Open API 是 UG二次开发的 2 种语言，前者功能较小，适合一些小功能开发，后 者是 UG 二次开发的封装函数，可在 C + + 下直接调用，适合功 能复杂的 UG 二次开发，UIStyler 是 UG 二次开发的 UG 风格对 话框。该 CAD 系统即采用 MenuScript、UG / Open API、MFC 开发 完成。
2.1用户操作界面设计
        用户操作界面设计采用 MenuScript 在 NX 软件界面上加载 定型设计菜单项，采用微软基础类库 MFC 来设计用户操作界 面。在前台界面上，如图 3 所示，主要包括编辑框、按钮、下拉框 等 MFC 常见控件，用户通过对数据校核、编辑完成对 UG 中特 征参数修改，更新模型，以人机交互的形式对挤出定型进行参数 化建模。

2.2  标准件库的建立
        对于螺钉、销、键、起模槽、刻字槽等常见零件或者特征，统一存放在 UG 重用库目录下，当设计定型时，CAD 系统采用规 范设计流程，即设计过程中标准件的类型基本固定，用户只需要 校核、修改好参数，点击按钮即可一键式调用、定位、修改。UG重用库是 UG 自带的标准件库。用户可以通过重用库访问可重 用对象，并将其插入模型中，这些可重用对象包括行业标准件、 自定义特征、2D 截面等。依托重用库不仅可以调用行业标准件 等通用标准件，还可以调用自定义特征，重用库中标准件的添 加、修改、删除也很方便，非常适合异型材挤出模具这种形状复 杂的模具设计。当标准件调用出来插入模型后，通过程序后台 修改参数来修改模型，实现参数化建模。部分标准件和自定义 特征如下图 4 所示。

2.3  UG / Open 应用程序的开发
        定型模设计主要包括型腔、分型、水气路、标准件( 起模槽、 刻字槽、螺钉、腰型键) 、装配等模块。应用程序开发主要是调 用 UG / Open API 中的函数，以分型为例。
        分型有两个复杂之处: 一是定一到定四的分型由于型腔变 化而发生细微变化; 二是简单的分型片体难以实现对整个定型 的分型。
        该 CAD 系统中，在自动创建分型片体时，保证第一个片体 能够把整个定模拆分为 2 块，其余的不变。再在第一个片体拆 分后的基础上进一步拆分，实现完全分型，生成板块。分型的确 定是整个定型模设计的关键，后面起模槽、螺钉、键的加载定位， 气室，气孔，水气路干涉检查均与分型面有关，必须首先设计出 来。但是分型拆分体后，定型模变为 7 个板块，后续各类孔的加 载定位也会随之分解，增加了设计难度。因此，这里只是将分型 面设计出来，而不进行拆分体切割，等到装配结束后再进行分型 切割。
        图 5 是分型的流程图，主要是创建分型片体，再识别目标 体，以分型片体作为刀具拆分体。通过草图分组对草图进行分 类。草图分组是将草图中的对象按照要求对不同功能下的草图 元素归类重新划分，类似 1 个模型中有若干个图层。分组后，可 以通过草图组间的切换来访问各组中的元素，如直线、圆弧等， 实现草图对象的智能识别，再进行拉伸等操作。每节定型模一 般会有 6 个分型片体，识别草图对象后，通过智能分型算法得到 第一节分型片体的分型线，再以此算法将首型腔与其他型腔对 比匹配得到其他定型模分型片体位置，得到所有分型片体。

        下面给出的是分型线获取后创建分型面与拆分体的主要代

码。

uf_list_p_tloop_list，features;

int count ;

tag_t object，feat_pt;

UF_MODL_create_list( ＆loop_list) ;

for( int i = 0; i ＜ line_end. size( ) ; i + + )

{

UF_MODL_put_list_item( loop_list，

line_end［i］) ;

}

char * taper_angle = " 0. 0" ，

char * limit［2］= { " － 600" ，" － 800. 0" } ; / / 拉伸起始距离

doubleref_pt［2］;

double direction［3］= { 0. 0，0. 0，1. 0} ; / / 方向

UF_MODL_create_extruded( loop_list，

taper _ angle，limit，ref _ pt，direction，UF _ NULLSIGN，

＆features) ; / / 拉伸片体

UF_MODL_ask_list_count( features，＆count) ;

UF_MODL_ask_list_item( features，0，＆object) ;

UF_MODL_ask_object_feat( object，＆feat_pt) ;

ut. UT_UF_Feature_SetName( feat_pt，pt_name［0］) ;

UF_MODL_delete_list( ＆features) ;
tag_t * split_bodies = object;

UF_CALL( UF_MODL_split _body( 1，＆body，num，＆num_

split_bodies，＆split_bodies ) ) ; / / 拆分体

UF_free( split_bodies) ;

        主要涉及的 UG / Open API 函数及功能如表 1 所示。

3实例分析
        文章通过对某挤出模具厂展开调研，结合其企业规范开发 了挤出定型模 CAD 系统。现以四节平开窗定型模为例，运用该CAD 系统设计出符合要求的定型模。
3.1定型草图规划
        设计人员根据需要，从 AutoCAD 中导入或者草绘最终产品图，即异型材草图导入。再在此基础上根据工艺特性绘制出入口端和出口段的型腔草图，端面水孔和气槽线。在 UG / Open中，获取草图对象较复杂，通过草图分组可以实现草图对象的自动识别。图 6 是该实例中定模的草图分组模型。

3. 2型腔设计
        型腔的设计是在草图规划的基础上得到的，通过首尾截面 得到直纹，在 UG 中，由于草图比较复杂，线元素多，且首尾截面 线型、长度、数量有较大变化，直接生成的直纹紊乱，得不到光滑 的流道，需要反复修改。该 CAD 系统开发出 1 套直纹算法可以 很快地生成直纹，解决了上述问题，同时十分精确。生成直纹 后，再求取中间截面，得到中间各节定型的型腔截面，最后拉伸 得到整个定型型腔。完成此步建模后模型效果如图 7 所示。

3. 3分型与调用标准件
        分型面确定后，根据分型面位置程序会自动记录各板板厚，存储起来，当调用标准件时程序会自动提取标准件需要的板厚信息，依据板厚信息自动修改标准件的定位位置和相应的模型参数，无需手动调整，一定程度上实现标准件参数的智能化选择。图 8 是分型和加载标准件的定一、定二到定四均与定一结构相同，从图中可以看到刻字槽、起模槽、键等标准件均分布在分型面上。

3. 4  水气路设计
        在水气路设计中，为了满足冷却定型要求，一般会在上板和下板各设计 3 排气孔，同时保证气孔间有 3 排水孔［14 － 15］。再依次生成气室、气槽，端面水孔是根据端面草图得到端面管螺纹孔和异型孔，再在侧面和内部设计进出水孔和引水孔，最后生成如图 9 所示的模型。

        水气路设计完成后，即所有孔特征全部生成，此时进行干涉 检查，保证气孔、水孔间，水气孔与其他装配孔、定型内外壁之间 的距离大于安全距离。再在下一步进行装配，最后拆分得到各 板块，如图 10 所示。
3.5装配
        装配主要是根据前面记录的各孔位置，将各装配件装配上 去，这主要包括端面水孔的螺塞和闷头，水路中的其他闷头，销、 键、螺钉( 装配及加载) 。在螺钉加载中，根据建模过程记录的 定位信息，根据接触面装配约束和绝对原点约束实现装配。装
配完后，再对各节定型采用拆分体进行最后的分型切割，从而得 到每一节定型模的各个板块。至此，1 个定型模的三维模型就 基本设计完成了。企业可以根据此定型模型出工程图和物料BOM，进行加工和采购。

4结论
应用 UG / Op 和 MFC 技术开发了异型材挤出定型模 CAD系统，该 CAD 系统可以方便快速地进行异型材挤出定型模的设 计。整体式的设计方案解决了定型板块多及孔多而导致的重复 性设计问题，标准件库的建立和智能分型算法解决了定型设计 中分型复杂及定位复杂的问题，提高了 CAD 系统的智能化程 度。该 CAD 系统降低了挤出定型设计对设计人员的要求，提高 了设计的效率，降低了设计成本。