特征建模在塑料件结构设计中的应用研究

王 琛

(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037)

塑料件产品结构设计，既要考虑造型，又要考虑结构与工艺。好的塑料件产品，不仅包括具有美感的造型，还包括设计合理的结构。合理的结构设计，能够在节省材料的基础上，增加塑料件结构的强度和刚度[1]。同时，符合塑料件的成型工艺要求，易于塑造成型，避免产生缺陷。特征建模是机械类三维设计软件特有的建模方式，它将产品的建模过程分解为特征的叠加过程，塑料件中的典型结构可以通过软件中的对应特征进行创建，因此建模过程变的更加简单直观[2]。通过特征建模的方式对塑料件产品进行结构设计时，需要对塑料件的结构特征进行分类整理、有序编辑、优化选用、分合操作。让每个特征都在工艺规范下进行设计，使得塑料件结构设计过程和塑料件结构设计原则结合在一起。从而设计出结构合理，易于加工的塑料件产品。

塑料件结构设计常用软件包括SolidWorks和ProE。两款软件都是基于参数化设计方法和特征建模方式的三维设计软件[3]。SolidWorks软件侧重于机械结构设计，ProE软件侧重于模具与曲面造型设计。相比较而言，SolidWorks软件的建模思路和操作逻辑更易于理解，其特征种类与塑料件的结构分类更加一致，并且完全包含。因此，本文选用SolidWorks软件对特征建模方式在塑料件结构设计中的应用进行探究，总结基于SolidWorks软件的塑料件结构设计经验。

1 塑料件结构分类

塑料件的典型结构包括：壳体、圆角、加强筋、螺丝柱、限位骨、定位柱、止口、反止口、卡扣等[4]。其中基本结构包括：壳体、圆角、加强筋。塑料件选用结构包括：螺丝柱、定位柱、限位骨、止口、反止口、卡扣。选用结构需要根据设计产品的曲面造型、受力情况、加工方式、装配类型等进行选用。塑料件的典型结构可以通过SolidWorks软件中的对应特征进行创建。例如：壳体结构通过拔模特征和抽壳特征进行创建；圆角结构通过倒圆角特征进行创建；加强筋结构、限位骨结构通过筋特征进行创建；螺丝柱结构、定位柱结构通过拉伸凸台特征或装配凸台特征进行创建；止口结构通过唇缘凹槽特征进行创建；反止口结构通过拉伸凸台特征进行创建；卡扣结构通过拉伸凸台、拉伸切除特征或弹簧扣、弹簧扣凹槽特征进行创建。

2 特征编辑顺序

SolidWorks软件中的特征编辑顺序影响了塑料件结构设计的合理性[5]。通常情况下，SolidWorks特征编辑分为三个步骤：第一步对圆角和壳体结构进行特征编辑，对圆角和壳体结构的特征编辑是在完成第一个基体创建后进行的。壳体结构包含拔模特征和抽壳特征，拔模特征是对基体进行拔模操作，以方便实际生产过程中塑料件的脱模。抽壳特征是对基体进行抽壳操作，使塑料件在任一切面方向都具有均一厚度。圆角特征是为了避免应力集中，改善塑料件的流动情况[6]。第二步对加强筋、螺丝柱、定位柱和限位骨结构进行特征编辑。由于加强筋、螺丝柱、定位柱和限位骨结构都存在筋的特征，在进行对应特征编辑时，将同类特征进行合并操作。筋的特征形式多样，既可以单独使用，用于对结构中薄弱的部分进行增强，又可以结合螺丝柱、定位柱、限位骨进行使用，形成螺丝柱加强筋、定位柱加强筋、限位骨加强筋[7]。第三步对止口、反止口和卡扣结构进行特征编辑。由于止口、反止口和卡扣结构都需要结合整体结构(上壳、下壳结构)对局部特征进行编辑[8]。因此，止口、反止口和卡扣结构都需要在其余特征编辑完成后，在相互配合的上下壳体上进行对应结构特征的创建。

3 特征创建方式

SolidWorks软件中塑料件结构特征的创建方式包括基本特征创建方式与专用特征创建方式[9]。基本特征创建方式是通过如扫描、扫描切除、拉伸凸台、拉伸切除等基本特征操作完成塑料件结构特征创建的方式。专用特征创建方式是通过如装配凸台、弹簧扣、弹簧扣凹槽、唇缘和凹槽等专用特征操作完成塑料件结构特征创建的方式。专用特征创建方式和基本特征创建方式对于大部分塑料件结构特征的创建效果相同。相较而言，专用特征创建方式比基本特征创建方式操作更加快捷。例如对塑料件上下壳体中的止口结构进行特征创建时。专用特征创建方式是通过对唇缘和凹槽特征的编辑而实现结构特征的创建，特征编辑过程仅需选择公止口结构和母止口结构中互为接触的面，以及需要进行特征设置的边轮廓，软件即可自动生成一对互为配合的公止口结构和母止口结构。基本特征创建方式是通过分别对上下壳体进行扫描切除特征的编辑而完成结构特征的创建，特征编辑过程需要对上下壳体分别进行草图绘制，草图绘制过程需要参考止口尺寸设计原则，同时还要兼顾配合要求。草图绘制完成后，对上下壳体分别进行扫描切除，以生成一对互为配合的公止口结构和母止口结构。

虽然专用特征创建方式比基本特征创建方式更加便捷，但其特征创建范围比后者特征创建范围小。对于如卡扣结构中除弹簧扣之外的其他卡扣结构形式，专用特征创建方式无法实现结构特征创建。此时，还需要使用基本特征创建方式，通过草图绘制、拉伸凸台和拉伸切除等操作完成结构特征创建。

4 特征分合操作

SolidWorks软件中对塑料件结构特征进行创建时，需要将整体建模思维和局部建模思维相结合，由此产生了塑料件结构特征的分合操作[10-13]。分合操作需“有分有合”，“分”是指在同一零件文件中创建多个实体，这些实体不需要合并，各自完成结构特征的创建，结构特征互相不关联；“合”是指在对实体中两个互为配合的结构特征进行创建时，需要对两个互为配合的结构特征进行关联创建，实现结构特征的关联与配合。例如对上下壳体中的加强筋结构进行特征创建时，由于上下壳体中加强筋结构布置位置及数量不同，因此互不关联，需要分开进行结构特征创建。而对上下壳体中的螺丝柱和螺丝过孔结构进行特征创建时，由于上下壳体中的螺丝柱和螺丝过孔结构互为配合，需要将两个结构特征进行关联创建，包含尺寸关联和位置关联。首先隐藏上壳体结构，完成下壳体中螺丝柱结构特征的定位与创建，完成下壳体螺丝柱结构特征创建同时，上壳体中螺丝过孔的位置和尺寸可直接关联对应于螺丝柱的位置和尺寸，从而快速完成两个互为配合的结构特征的创建。

5 小结

特征建模是机械类三维设计软件特有的建模方式，塑料件中的典型结构可以通过三维设计软件中的对应特征进行创建。SolidWorks软件是基于参数化设计方法和特征建模方式的三维设计软件。通过SolidWorks软件特征建模方式对塑料件产品进行结构设计时，需要对塑料件的结构特征进行分类整理，有序编辑，优化选用，分合操作。让每个特征都在工艺规范下进行设计，使得塑料件结构设计过程和塑料件结构设计原则结合在一起，从而设计出结构合理、易于加工的塑料件产品。