铝型材挤压分流模三维CAD技术应用研究

马健哲 ， 王红志， 李积彬

（1. 中南大学机电工程学院，湖南 长沙 410083；2. 深圳大学机电与控制工程学院，广东 深圳 518060）

随着新型异形工业铝型材的广泛应用，三维CAM和CAE技术的快速发展加快了提升复杂异形材挤压模具设计和制造水平的革新进程，因此很有必要对基于二维图形和以设计师经验为主并辅以“试模”验证的传统模具设计模式加以改进。考虑到挤压模具设计的复杂性和理论设计的不完善，一个切实可行的发展方向是开发一种能够人机交互的智能化的三维挤压模具设计系统。

自从 1977年第一个铝型材挤压模的 CAD/CAM 系统“ALEXT”出现后[1]，国内外许多学者围绕着挤压模具设计系统领域展开了大量的研究，并取得了丰硕的成果。李红英等采用二维技术开发铝型材挤压平模 CAD系统[2]；李积彬等首次提出了将三维技术应用于挤压模具 CAD系统开发中[3-4]；李灼华等采用面向对象的分析技术建立 CAD系统整体架构[5]；罗超提出了基于知识的铝型材挤压模具集成系统的框架并建立原型系统[6]；王孟君等采用成组技术实现产品图纸的集中管理和快速检索[7]；廖培根等重点对模具工作带设计开发了应用模块[8]。目前的研究工作主要集中在系统框架建立、经验数据库和模具设计方法耦合等方面，对于作为CAD系统基础的模具三维模型创建方面研究则相对较少。随着异形型材需求增加，模具复杂程度大幅增加，现有的模具三维 CAD系统由于创建模型相对简单，可修改性不强等局限性，逐渐成为模具三维CAD系统发展的瓶颈，严重阻碍了三维技术在实际工程应用的发展。

由此可见，耦合性小、灵活性大的模具三维模型是铝型材挤压模具三维CAD系统符合工程应用的关键。因此，本文在以上研究工作的基础上，结合模具设计原则和流程，分析了模具三维建模方法和模具结构特点及其对应关系，提出满足模具三维模型灵活性和迭代修改要求的创建优化方案，在UG NX5二次开发环境中，以异型材挤压分流模为例，采用三维模型离散化、建模层次化和组装归类化相结合的建模方法和思路，进行铝型材挤压模具三维CAD系统二次开发，并创建耦合性最小和灵活性最大的模具三维模型。

1 铝型材挤压模具设计特点

挤压模具设计原则是在满足强度和刚度需求的前提下，根据型材截面形状特点，合理设计模具结构和尺寸，达到控制材料流动状态，从而实现使金属均匀挤出的目的。下面针对工程应用实际需求，分别从模具设计过程迭代性、模具结构参数的特点以及模具结构复杂性三个方面分别进行分析。

1.1 模具结构特点

挤压模具结构主要特点是结构的复杂性。

铝型材产品具有形状复杂、非中心对称、壁厚比悬殊、宽厚比大等特点，导致模具内金属流动不均匀性大。模具设计过程是根据型材截面形状特点，分析不同区域的金属流动阻力，按照与型材截面形状仿形的原则，采用不同模具结构对金属的流动状态进行控制，保证金属的流速均匀。虽然根据挤压工艺，挤压模具结构具有共性特点，但是针对不同的型材，其模具也有其结构特点。首先，根据相仿设计原则，型材的多样性直接造成模具多样性，其次，金属流动不均匀性越大，要求控制金属流动的方法越多，对应的模具结构也越多；其次，由于不同控制方法对金属的流动控制的范围和精度都不相同，如调整局部挤压比与调整摩擦状态控制范围大而精度小，因此根据设计目的，模具的细节结构也复杂多样。正因为模具结构的复杂性，不仅增加了模具设计难度，同时也增加模具迭代修改的次数。

1.2 模具结构参数特点

模具结构参数具有敏感性、独立性和互补性的特点。

挤压模具是通过调整其空间的结构改变金属挤压过程的边界条件，改变金属流动状态，以达到控制金属流速的目的，其结构的改变对金属流动速度影响很大。首先在高温、高压条件下，模具中金属的流动状态对于模具结构是十分敏感的，轻微的结构尺寸变化可能造成金属流动速度的很大变化，因此为了达到精确控制金属流速目的，模具的结构参数经常需要修改；其次，模具中不同结构对于金属流动的控制原理和方法是不同的，结构参数间存在一定独立性。如：增加金属与模具之间的摩擦力和增大局部金属挤压比都能降低金属的流动速度；再次，在模孔出口处获得金属流动速度均衡是模具中所有结构的共同作用的结果，因此结构参数间又有一定的互补性。

1.3 模具设计过程的特点

模具设计过程是一个复杂，反复迭代修改的过程。

由于目前金属挤压理论还处在不断完善的阶段，在一定工艺条件和设备条件下，为了获得合格型材产品，挤压模具结构设计完成后除了需要经过模具强度校核，还要必须根据挤压的“试模”或者有限元分析的结果对模具结构参数进行修改，如图1分流孔设计流程，只有同时满足模具强度条件和型材质量的要求，模具设计的迭代修改过程才能完成。

图1 分流孔设计流程

因此，为了满足模具设计中不断迭代修改的要求，铝型材挤压模具三维CAD系统不仅要与模具设计流程相结合，而且必须寻求一种合理模型创建方法，使模具三维模型也具备这种可修改性强，灵活性大的特点，才能满足实际工程应用需求。

由以上的分析可知，模具结构复杂，参数敏感，在设计的过程中需要不断迭代修改，因此模具三维模型的创建方法尤为重要。

2 模具三维优化建模分析

UN NX5是目前最为通用的三维CAD/CAE/CAM软件，现已大量应用于铝型材挤压模具设计过程中，能提供丰富的三维建模功能，二次开发功能强大，为满足铝型材挤压模具三维CAD系统二次开发提供良好的开发平台。本文以挤压模具中最为复杂的平面组合分流模设计为例，在UG NX5二次开发平台上开展相关的开发研究工作。

2.1 平面法三维建模的局限性

采用传统二维建模思路所创建的三维模型可修改性差。

为了满足三维CAE和CAM技术应用，模具二维设计结果转化为三维图形仍旧采用二维设计的建模思路，普遍采用以二维模具设计图纸为“草图”，采用三维拉伸实体的建模模式，其最终实体模型表示为特征体。其优点是建模过程直观符合二维设计习惯，实体模型比较准确，但是采用此方式创建的三维模型参数因“草图”约束尺寸的原因而紧密相关，导致所建立三维模型可修改性差，迭代修改操作繁琐。例如，修改草图的局部尺寸需要将基于草图设计前的建模工作全部消除，不仅增加重复性工作，容易出错，而且更重要的是以前的设计数据将会全部丢失，严重地降低效率。

2.2 三维模型拓扑数据结构

三维模型体素拓扑关系清晰，数据结构复杂。

三维图形的点、线、面、体和特征有着紧密的关系，拓扑关系很清晰，数据结构紧密，各几何元素之间存在着明确的依赖和继承的关系。然而，在三维CAD软件的常规三维绘图过程中，在对实体模型进行修改或增加结构时，由于实体间的“交”、“并”、“差”、“补”等的布尔操作，增加了大量点、线、面等特征结构，在建模的过程中，时常由于数据干涉或拓扑关系不当，而出现报错的现象。三维图形数据这些特点给挤压模具交互系统二次开发带来很大的难度，必须针对模具设计流程寻求拓扑关系简单、耦合性小的数据结构组织方式和模型的构建方法，提高二次开发系统中图形修改的容错能力，适应挤压模具迭代设计过程的需要。

所幸当前三维CAD商用软件提供了灵活多样的造型方法，为解决上述问题提供了便利条件。同样的三维实体模型可以采用不同的方法创建，对应不同创建过程，实体有着不同的数据结构特征，如立方实体在数据结构中可表示为单元实体，也可以表示为特征体。

正因为三维模型建立方法有着很大的灵活性特点，在交互式挤压模具设计系统中，存在最合理、耦合性最小的三维模型的创建方法和模具三维模型。

2.3 三维建模方法的特点

不同三维建模方法建立模型结构复杂程度和体素间的耦合程度不同。

UG NX5在三维建模方面主要有三种方法，即简单实体建模方法、特征建模方法和草图建模方法。简单实体建模方法主要创建立方体、圆柱体等简单三维实体，结构参数少、拓扑关系简单，模型耦合关系最小，但是三维实体模型简单，适合于建立总体模型的应用。特征建模方法主要是针对基础实体的点、线和面等结构进行建模，如倒斜面和倒圆角等操作，创建较为精细的实体结构，但是其操作增加基础实体中所包含的特征数量，增加模型拓扑关系的复杂性，耦合性较强，适用于建立局部模型的应用。由于基于二维平面的图形，存在大量的点、线尺寸约束，草图建模是拓扑关系最复杂、耦合性最强的方法，适用于创建精度最高细节模型。

三种建模方法随着实体中拓扑关系复杂程度增加，建模的可控性强，模型精确度越高，与此同时为分流模三维模型的优化提供实现的方法。

3 分流模三维模型优化设计方案

3.1 分流模结构

分流模主要生产中空型材的挤压模具，加热后的圆柱形金属锭在高压下首先经过上模的分流孔进行分流，然后在下模的焊合室中重新焊合，最后通过模孔和模芯之间的间隙流出模具，形成中空型材。分流模的结构包括上模和下模两部分，上模设计有分流桥、分流孔、模芯和工作带等；下模设计有焊合室、桥墩、模孔和工作带等结构。如图2所示。

图2 分流模结构示意图

其中分流孔结构主要功能是根据型材截面形状特征对金属流动量进行合理分配，是分流模的关键结构。

3.2 多种建模方法结合降低模型参数耦合性

根据模具结构特点，采用不同建模方法建模有效降低模具三维模型结构参数的耦合性。

由2.2节的分析可知，三维模型的结构越复杂，模型内的图素间的拓扑关系和数据结构越复杂，大量的结构参数耦合在一起，直接导致模型的可修改性差。同时有2.3节分析可知，不同建模方法，参数间的耦合程度不同，因此有必要针对模具结构，合理选择三维建模方法以降低模具参数的耦合性。

根据1.1节分析可知，挤压模具具有共性和特性结构，结合三维建模方法的特点，分流模的上模结构也可以分为三种类型，首先是采用简单实体表示的模具共性结构，如模具外圆，分流桥、桥墩等；其次是采用特征实体是模具过渡结构，如分流桥的焊合角和桥墩的倒圆角等；最后是以“草图”实体表示模具的精确成形结构，如模芯和模孔结构。因此，针对模具结构特点采用不同的建模方法，降低结构参数间的耦合性。具体如图3所示。

3.3 归类、离散结构增加模型灵活性

采用模型离散化和归类化组装方法有效降低模型实体间的耦合性，增加模型构型和修改的灵活性。

采用3.2节方法，虽然在一定程度上降低模具整体结构参数的耦合性，但是还无法达到三维模型灵活性大的实际工程应用要求，难以建立复杂结构的模具三维模型，因此还需要进一步进行参数解耦的工作，三维模型的离散化是有效的方法。

由1.2节分析可知，模具结构具有一定的独立性和互补性，因此，首先从三维模型的构型角度分析，将复杂的整体模型离散化，即模具整体三维模型由多个简单个体的三维模型构成；然后根据模具结构参数与个体三维模型联系的紧密程度进行归类，以独立结构三维实体最完整的建模原则，如分流桥墩的立方体主体结构和导圆角过渡结构的合并，分别创建其三维模型，建立个体的三维模型；最后采用平移、旋转等空间位置转换方法进行组装，从而建立复杂的模具整体三维模型，借此大幅度降低模型的耦合程度和增加模具三维建模的灵活性。以上模为例，对模型的三维模型进行分解和组装。如图4所示。

图3 模具三维创建方法和模具结构对应关系

图4 分流模上模组装结构图

根据不同结构采用针对性建模方法和离散―组装的方法，不仅降低了模型的建模参数耦合性，而且降低了模具结构参数的耦合性，增加了模具建模的灵活性，创建结构复杂的模具三维模型。以结构复杂的异形型材分流模的分流桥结构为例，阐述采用此思路建立三维模型的具体实现方法。

4 应用实例

本文采用VC++6.0为开发工具，在UG NX5二次开发环境中，开发了铝型材挤压分流模三维CAD系统，与UN NX5系统软件实现无缝链接，如图5所示。

图5 模具CAD系统菜单

（1）创建模具安装结构

主要采用了简单圆柱体的实体建模方式进行建模，如图6所示。

图6 模具安装结构

（2）创建模具模芯结构

主要采用草图建模方法建立精确成形的工作带和空刀结构，如图7所示。

（3）创建模具分流桥结构和桥墩结构

采用简单立方体建模方法建立分流桥主体结构，在用导斜角的特征操作建立比较完整的分流桥三维模型，并采用平移和旋转的组装方法，将分流桥布置在模型直角空间位置上。如图8所示。

图7 模具模芯结构

图8 分流桥和桥墩结构

（4）创建模具装配结构

采用简单圆柱体建模方法，创建定位销和安装孔结构。如图9所示。

图9 模具装配结构

建模的实例证明，采用该方法可以建立完成的分流模上模的三维模型，针对不同模型结构采用不同的建模方法，而且采用整体离散后组装方式建立模型，模型间的耦合性大幅度降低，而且根据组装方式的不同，还能构建结构复杂的铝型材模具。

5 结 论

本文通过对模具设计特点，认为只有具备满足不断迭代修改要求、结构参数耦合性小和建模灵活的模具三维模型是铝型材挤压模具三维CAD系统符合实际工程应用的关键和基础。总结分析了三维CAD软件中三种建模方法和铝型材挤压分流模三种类型结构的相关关系的基础上，提出采用合理的建模和模型组装方法建立三维模型的思路，以分流模上模三维建模为例在UG NX5的平台上进行二次开发，建立完整的三维模具模型，证明了该思路和方法能大幅度降低模具三维模型耦合性和提高灵活性，符合实际工程的应用要求。

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