基于CATIA GSD的折疊槳葉復(fù)材成型模的分型設(shè)計(jì)

秦俊 雷良超 姜其用

摘要：某型無人機(jī)的折疊槳葉采用碳纖維復(fù)材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，葉片的外型面是經(jīng)過氣動(dòng)優(yōu)化的具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的異形面。現(xiàn)基于CATIA GSD模塊，對槳葉葉片成型模的分型過程進(jìn)行了詳細(xì)探討及論述，提供了一種復(fù)雜復(fù)材成型模具分型設(shè)計(jì)的思路、方法和步驟。

關(guān)鍵詞：CATIA GSD;折疊槳葉;復(fù)材成型模;分型

中圖分類號：V279;V22? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）01-0064-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.01.017

0? ? 引言

CATIA V5是法國達(dá)索公司基于微軟Windows系統(tǒng)開發(fā)的一款高端CAD/CAM軟件，在航空、航天、汽車、機(jī)械、船舶等各種領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在國際上，波音、空客、寶馬、克萊斯勒等均以CATIA作為它們的主流軟件[1]，且國內(nèi)的航空工業(yè)（AVIC）、一汽、上汽等業(yè)界領(lǐng)軍企業(yè)的主流開發(fā)平臺也均為CATIA。

CATIA GSD是CATIA主要的曲面設(shè)計(jì)和造型模塊，它集成了全面而強(qiáng)大的線框和曲面造型功能，在復(fù)雜外形和混合造型設(shè)計(jì)的曲面的建立、修改等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢[1]。由于CATIA GSD模塊設(shè)計(jì)曲面的主要方法是基于特征，故其設(shè)計(jì)環(huán)境具有高效、直觀等特點(diǎn)，這也是CATIA區(qū)別于其他軟件的最大特點(diǎn)和優(yōu)勢所在。

確定脫模方向、模具分型設(shè)計(jì)是模具設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和基礎(chǔ)，對于模具的成本控制和使用有著十分重要的意義。20世紀(jì)90年代以來，設(shè)計(jì)師們進(jìn)一步認(rèn)識到脫模方向和分型設(shè)計(jì)的重要性，并展開了一些研究，但相關(guān)研究成果在公開發(fā)表的文獻(xiàn)中并不多見[2]。原吉林工業(yè)大學(xué)朱喜林教授等人在Antonia等人提出的“接近錐”概念基礎(chǔ)上展開研究，提供了一種模具分模面的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法[2]。筆者在朱喜林教授等人研究的基礎(chǔ)上，基于CATIA GSD模塊，針對某型無人機(jī)折疊槳葉成型模的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，總結(jié)了CATIA GSD在復(fù)雜復(fù)合材料成型模具分模面設(shè)計(jì)中應(yīng)用的思路、方法和步驟。

1? ? 槳葉基準(zhǔn)建立

某型無人機(jī)折疊槳葉采用碳纖維復(fù)材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，葉片的外型面是經(jīng)過氣動(dòng)優(yōu)化的具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的異形面，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征和工藝要求，槳葉以金屬主梁轉(zhuǎn)動(dòng)平臺底面為豎向基準(zhǔn)面，以金屬主梁的內(nèi)端面為縱向基準(zhǔn)面，通過金屬主梁轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直于縱向基準(zhǔn)面建立槳葉的主基準(zhǔn)面，如圖1所示。

2? ? 分模面的設(shè)計(jì)

2.1? ? 型面的導(dǎo)入與脫模方向的確定

槳葉型面直接通過CATIA GSD模塊的“提取”命令從產(chǎn)品外表面直接提取，提取后用“結(jié)合”命令完成槳葉型面的整合。

確定脫模方向需要充分考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和工藝性、經(jīng)濟(jì)性要求，脫模方向?qū)δ＞叩膹?fù)雜程度、制造成本和周期等都有著重大影響。基于朱喜林教授等人提出的基于“接近錐”概念確定開模方向的方法[2]，結(jié)合上文所建立的槳葉基準(zhǔn)，可以求得槳葉的最優(yōu)脫模方向?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)軸線方向，如圖2所示。

2.2? ? 分模線的設(shè)計(jì)

確定復(fù)材制件分模線的位置和形狀是模具分模線設(shè)計(jì)的前提。文獻(xiàn)[3]提出了分模線提取和設(shè)計(jì)的一些原則，在CATIA分模線設(shè)計(jì)中同樣需要遵循。

分模線與脫模方向相關(guān)，確定脫模方向后，一般都比較容易找出分模線。

CATIA GSD模塊中沒有直接定義分模線的命令，這讓一些應(yīng)用CATIA進(jìn)行模具設(shè)計(jì)工作的設(shè)計(jì)人員比較困惑，其實(shí)應(yīng)用CATIA GSD模塊的“反射線”命令不僅可以創(chuàng)建分模線，而且功能較UG NX更為豐富，如圖3所示。

下面對利用CATIA反射線功能設(shè)計(jì)分模線的方法作簡要介紹。

CATIA有關(guān)反射線命令的詳細(xì)說明可以查閱文獻(xiàn)[1]，限于篇幅本文從略。

應(yīng)用在分模線設(shè)計(jì)中，給定的光線方向（Direction）就是脫模方向，給定曲面（Support）就是待確定分模線的產(chǎn)品型面，反射角度（Angle）與Normal按鈕是否打開有關(guān)，一般選擇Normal為打開狀態(tài)，則Angle輸入90°，所得的反射線就是所要確定的分模線。

本文中折疊槳葉的前緣型面通過CATIA反射線命令可以確定前緣分模線，后緣分模線就是槳葉型面的后緣下邊界線，直接提取即可。槳葉的兩端面都平行于脫模方向的平面，因此，創(chuàng)建兩條直線連接前后緣的分模線就是槳葉型面的完整分模線，如圖4所示。

2.3? ? 分模面的設(shè)計(jì)

分模面的形狀取決于分模線特征，一般可分為兩類：（1）平面分模面，其分模線全為平面曲線，它通過分模線并垂直于脫模方向;（2）曲面分模面，其分模線包含空間曲線段，且考慮到成本等因素，曲面分模面一般都取通過其分模線的直紋曲面[2]，且曲面的紋理方向與脫模方向垂直。

由此可見，分模面是由直線沿一定的軌跡運(yùn)動(dòng)而形成的[4]。具體到CATIA GSD模塊中，對應(yīng)的命令就是“拉伸”成形曲面，簡稱“拉伸面”。

利用2.2所確定的分模線，通過CATIA GSD的“拉伸”命令，可以創(chuàng)建槳葉成型模的分模面，其中前后緣的分模線為空間曲線，因此前后緣分模面分別由前后緣分模線沿“主基準(zhǔn)面”的法線方向（參考圖1）拉伸成型;槳葉外端的分模面為平面，由圖5的外端面分模連接線沿“縱向基準(zhǔn)面”（參考圖1）的法線方向拉伸成型。型面內(nèi)端面開敞，直接通過型面的內(nèi)邊界曲線拉伸成型。

分模面的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

3? ? 成型模具的分型

在運(yùn)用CATIA進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，其關(guān)鍵就是分模面的設(shè)計(jì)，完成分模面設(shè)計(jì)后，后續(xù)的工作就顯得比較簡單了。

一般就是創(chuàng)建模具實(shí)體，用分模面切割實(shí)體形成模具型腔，這個(gè)過程就是應(yīng)用CATIA對模具進(jìn)行分型的過程。

本文中槳葉成型模是由下模、壓模構(gòu)成的組合模，通過基于草圖的實(shí)體設(shè)計(jì)創(chuàng)建模具實(shí)體，由圖5的分型面分別切割實(shí)體，得到成型模的下模、壓模如圖6所示。至此就完成了槳葉成型模具的分型。

4? ? 結(jié)語

分型設(shè)計(jì)是復(fù)材成型模具設(shè)計(jì)最關(guān)鍵、最核心的內(nèi)容，對于模具成本、加工工藝性及復(fù)材制件的成型質(zhì)量等均有著直接的影響。當(dāng)前，模具已經(jīng)普遍采用數(shù)控加工，故熟練應(yīng)用CAD/CAM軟件對于模具設(shè)計(jì)和制造意義重大，而CATIA GSD強(qiáng)大的曲面設(shè)計(jì)能力，為設(shè)計(jì)人員充分發(fā)揮才智提供了有力的保障，尤其是“反射線”命令所內(nèi)含的創(chuàng)建分模線的強(qiáng)大功能，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該充分利用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李學(xué)志，李若松.CATIA實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2] 朱喜林，何鳳江，高春甫.模具分模面的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[J].吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，1999，29（3）：30-34.

[3] 陸龍福，鄢敏.基于UG NX的塑料模具分型過程[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012（2）：23-25.

[4] 涂小文，婁臻亮，李明輝.注塑模具分型面的自動(dòng)生成技術(shù)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（5）：750-753.

收稿日期：2021-07-02

作者簡介：秦俊（1981—），男，江蘇南通人，工程師，研究方向：模具設(shè)計(jì)、復(fù)合材料制造。

雷良超（1991—），男，安徽合肥人，助理工程師，研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通用機(jī)械設(shè)計(jì)。

姜其用（1983—），男，湖南永順人，工程師，研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)。