基于CATIA GSD的折叠奖叶复材成型模的分型设计

引言

CATIAV5是法国达索公司基于微软5widows系统开发的一款高端CAD/CAM软件,在航空、航天、汽车、机械、船舶等各种领域都有着广泛的应用。在国际上,波音、空客、宝马、克莱斯勒等均以CATIA作为它们的主流软件[l],且国内的航空工业(AVIC）、一汽、上汽等业界领军企业的主流开发平台也均为CATIA。

CATIA GSD是CATIA主要的曲面设计和造型模块,它集成了全面而强大的线框和曲面造型功能,在复杂外形和混合造型设计的曲面的建立、修改等方面具有独特的优势。由于CATIA GSD模块设计曲面的主要方法是基于特征,故其设计环境具有高效、直观等特点,这也是CATIA区别于其他软件的最大特点和优势所在。

确定脱模方向、模具分型设计是模具设计的出发点和基础,对于模具的成本控制和使用有着十分重要的意义。20世纪90年代以来,设计师们进一步认识到脱模方向和分型设计的重要性,并展开了一些研究,但相关研究成果在公开发表的文献中并不多见。原吉林工业大学朱喜林教授等人在Aitoiwa等人提出的"接近锥"概念基础上展开研究,提供了一种模具分模面的计算机辅助设计方法。笔者在朱喜林教授等人研究的基础上,基于CATIA GSD模块,针对某型无人机折叠奖叶成型模的设计进行研究,总结了CATIA GSD在复杂复合材料成型模具分模面设计中应用的思路、方法和步骤。

1奖叶基准建立

某型无人机折叠奖叶采用碳纤维复材结构设计,叶片的外型面是经过气动优化的具有复杂空间结构的异形面,根据产品结构设计特征和工艺要求,奖叶以金属主梁转动平台底面为竖向基准面,以金属主梁的内端面为纵向基准面,通过金属主梁转动轴垂直于纵向基准面建立奖叶的主基准面,如图1所示。

图1折叠奖叶的基准确定

2分模面的设计

2.1型面的导入与脱模方向的确定

奖叶型面直接通过CATIA GSD模块的"提取"命令从产品外表面直接提取,提取后用"结合"命令完成奖叶型面的整合。

确定脱模方向需要充分考虑产品的结构设计特点和工艺性、经济性要求,脱模方向对模具的复杂程度、制造成本和周期等都有着重大影响。基于朱喜林教授等人提出的基于"接近锥"概念确定开模方向的方法[2],结合上文所建立的奖叶基准,可以求得奖叶的最优脱模方向为转动轴线方向,如图2所示。

2.2分模线的设计

确定复材制件分模线的位置和形状是模具分模线设计的前提。文献提出了分模线提取和设计的一些原则,在CATIA分模线设计中同样需要遵循。

图2折叠奖叶的产品型面与脱模方向

分模线与脱模方向相关,确定脱模方向后,一般都比较容易找出分模线。

CATIA GSD模块中没有直接定义分模线的命令,这让一些应用CATIA进行模具设计工作的设计人员比较困惑,其实应用CATIA GSD模块的"反射线"命令不仅可以创建分模线,而且功能较UG NX更为丰富,如图3所示。

图3CATIA GSD模块中的"反射线"命令

下面对利用CATIA反射线功能设计分模线的方法作简要介绍。

CATIA有关反射线命令的详细说明可以查阅文献,限于篇幅本文从略。

应用在分模线设计中,给定的光线方向)Direction）就是脱模方向,给定曲面（support）就是待确定分模线的产品型面,反射角度（Angle）与Normal按钮是否打开有关,一般选择Normal为打开状态,则Angle输入90o,所得的反射线就是所要确定的分模线。

本文中折叠奖叶的前缘型面通过CATIA反射线命令可以确定前缘分模线,后缘分模线就是奖叶型面的后缘下边界线,直接提取即可。奖叶的两端面都平行于脱模方向的平面,因此,创建两条直线连接前后缘的分模线就是奖叶型面的完整分模线,如图4所示。

图4折叠奖叶的分模线

2.3分模面的设计

分模面的形状取决于分模线特征,一般可分为两类:（1）平面分模面,其分模线全为平面曲线,它通过分模线并垂直于脱模方向:（2）曲面分模面,其分模线包含空间曲线段,且考虑到成本等因素,曲面分模面一般都取通过其分模线的直纹曲面[2],且曲面的纹理方向与脱模方向垂直。

由此可见,分模面是由直线沿一定的轨迹运动而形成的。具体到CATIA GSD模块中,对应的命令就是"拉伸"成形曲面,简称"拉伸面"。

利用2.2所确定的分模线,通过CATIA GSD的"拉伸"命令,可以创建奖叶成型模的分模面,其中前后缘的分模线为空间曲线,因此前后缘分模面分别由前后缘分模线沿"主基准面"的法线方向（参考图1）拉伸成型:奖叶外端的分模面为平面,由图5的外端面分模连接线沿"纵向基准面"（参考图1）的法线方向拉伸成型。型面内端面开敞,直接通过型面的内边界曲线拉伸成型。

分模面的设计结果如图5所示。

图5奖叶成型模的分模面

3成型模具的分型

在运用CATIA进行模具设计时,其关键就是分模面的设计,完成分模面设计后,后续的工作就显得比较简单了。

一般就是创建模具实体,用分模面切割实体形成模具型腔,这个过程就是应用CATIA对模具进行分型的过程。

本文中奖叶成型模是由下模、压模构成的组合模,通过基于草图的实体设计创建模具实体,由图5的分型面分别切割实体,得到成型模的下模、压模如图6所示。至此就完成了奖叶成型模具的分型。

图6折叠奖叶模具的分型设计结果

4结语

分型设计是复材成型模具设计最关键、最核心的内容,对于模具成本、加工工艺性及复材制件的成型质量等均有着直接的影响。当前,模具已经普遍采用数控加工,故熟练应用CAD/CAM软件对于模具设计和制造意义重大,而CATIA GSD强大的曲面设计能力,为设计人员充分发挥才智提供了有力的保障,尤其是"反射线"命令所内含的创建分模线的强大功能,设计人员应该充分利用。