基于UG的电视导光柱注塑模具设计

  1 引 言

    Unigraphics（简称UG）是紧密集成的面向制造业的CAD/CAM/CAE/CAID高端软件，不仅被当今许多世界领先的制造商用来从事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真等工作，在模具制造行业，尤其是注塑模具CAD/CAM/CAE领域更是被广泛应用。本文以电视导光柱为例，探讨了UG在模具设计、制造领域实现CAD/CAM/CAE一体化中的应用。

    2 注塑模具CAD

    在UG平台上进行模具CAD，一般包含以下几个方面：

    1）产品的三维建模。从客户接来的资料，通常是产品的二维图纸，所以必须首先把产品的三维模型建立起来，才能进行后续工作。UG有丰富的建模工具，不但继承了传统的实体造型技术、曲面造型技术，也吸收了参数化建模的优势，从而形成自己独特的“复合建模”特征。其中实体造型使用UG的modeling 模块中的Form Feature 工具条中的命令，曲面造型使用Free Form Feature工具条上的按钮，参数化建模则可用Sketch模块和Expression表达式来完成。综合运用这些造型工具，可以精确、快速地建立产品的 三维模型[1]。对于本文的电视导光柱，只要使用Form Feature 工具条，便可以造出如图1所示的三维模型。

图1 零件图

    2）模具设计。模具设计的内容包括：确定型腔个数，分模，选择模架，动模部分详细设计以及定模部分详细设计等。这一阶段的任务既可以使用基本的UG造型和编辑工具来完成，也可以使用基于知识的智能化模具设计工具UG MoldWizard。UG MoldWizard是高度自动化的注塑模具设计系统，它的用户界面友好，内嵌许多高级模具设计师的模具设计知识，能够极大提高模具设计的效率。

    因导光柱零件尺寸较小，可确立一模四腔的设计方案，并采用普通的圆形截面流道，设计得到的模具动模型腔和定模型腔如图2和图3所示[1，2]。

图2 定模型腔图

图3 动模型腔图

    3）装配。装配方法有自顶向下（top-down）和自底向上（bottom-up）2种。较常用的是自顶向下，即先在一个主模型文件中将所有的组件画好，然后应用Assemblies→Component→Creating将它们逐一分离装配。UG的装配文件中不包含实际组件几何体，但组件几何体文件被虚拟指向装配文件。当在装配中要对组件几何体进行编辑时，必须应用Assemblies→Context Control→Set Work Part将当前工作组件设为需要编辑的组件文件名。在每个装配中，有时为了表达方便，还可以建立爆炸图（Exploded Views）。爆炸图弥补了装配图表达的不足，为进行产品零件的组装，工作原理的介绍，装配关系的分析，提供了清楚而便捷的工具。爆炸图完全独立于装配，并且无论各个零件的相对位置如何变化，都不会增加文件的存储空间。装配好后模具的爆炸图如图4所示[2]。

图4 模具爆炸图

    4）工程图设计。UG的二维图设计比较简单，进入专门的二维设计模块Drafting之后，便可以直接将三维模型任意方向的视图直接加入设好的图纸，还可以根据需要，增加一些剖视图、辅助视图、局部视图、轴侧视图来帮助表达，而这些只要在（Drawing→Add view…）所对应得对话框内便可以全部完成。UG的二维图绘图员的主要任务是在尺寸及公差的标注上，这些标注都有专门的工具条来协助完成。值得注意的是，UG的工程图和三维设计模型是相互关联的，即如果设计模型改变，工程图也随之更新，以维护系统的统一性。

    3 注塑模具CAM

    CAM是利用前面产生的模具几何模形来生成NC加工程序，这是将模具进行数控加工前的准备。基本操作程序如下：先以前面的设计模型为基础，适当建立毛坯等辅助模型来共同构成加工模型，然后进入UG的CAM系统设计加工程序。UG的CAM系统包含四个模块：(交互式)加工参数输入模块、刀具轨迹生成模块、三维动态仿真模块和后置处理模块。利用UG生成nc程序的一般步骤是：用户根据加工对象的结构特征、加工环境的实际要求（如机床的性能和参数、刀具等）和加工工艺的实际特点，交互输入加工参数，再进一步生成刀具路径及路径文件（刀具位置源文件CLSF）。CLSF文件经过后置处理模块的处理后，便可以生成数控机床所能直接识别的nc程序。动模型腔的动态粗加工模拟图参见[3，4]。

    4 注塑模具CAE

    采用的CAE软件是Moldflow 公司推出的MPA(Moldflow Part Adviser)，在UG平台上有与MPA的接口，可以在UG平台上直接打开MPA。MPA所能接受的文件格式有许多种，这里选用*.Stl类型的文件，它可以应用UG的Export命令输出相应的零件模型。MPA在设计过程中的作用主要体现在：1）优化注塑工艺。通过分析和模拟，可以帮助确立最佳的注塑压力、时间和温度；2）优化产品和模具结构。将设计原型在电脑上仿真，帮助预见各种塑料缺陷，通过改变产品或模具的结构，可以消除或减少这些缺陷，减少测试次数或不必经过实体测试，从而节省测试所需的资金和时间；3）模拟注塑模填充、保压、冷却的过程。图5是注塑填充过程的模拟图，它形象地表达了熔融塑料填充型腔的过程，可以帮助查找分析塑料缺陷，并对成型时任意位置熔融塑料流经的时间、压力和流体前端温度做出定量评估。

图5 注塑填充模拟图

    5 结束语

    当今世界市场竞争激烈，用户需求日益多样化和个性化，设计和制造技术迅速发展。制造企业为了适应这一发展，提高产品竞争力，降低成本，采用优秀的设计制造软件势在必行。UG作为当今制造业内应用较为广泛的高端软件，不仅具有一般CAD软件的CAD和CAM的集成，更具有与著名的注塑模具分析软件MoldFlow的接口，从而实现注塑模具CAD/CAM/CAE的一体化。