引言
随着汽车工业的飞速发展,对汽车车灯照明性能的要求也越来越高,其中既有由自由曲面组成的配光反射器壳体,它具有车灯高度低、光能利用率高及空气动力性能 好等优点,又有结构更趋完善的衬框,更有线条流畅美观大方的面罩,以上每一项的设计和制造,最终决定了该种车型车灯的完美如否。而这一切都可以直接利用 CATIA V5软件进行三维造型及建模,设计相关模具及产生相应的数控加工中心的加工指令,为汽车车灯外形设计及制造模块化和规范化奠定基础。作为一个同行业中处于 领先地位的软件, CATIA V5具有为数众多且功能强大的7大类模块:机械设计、曲面造型、产品分析、设备及系统工程、车间设计、数控加工以及产品综合等, 曲面造型是其最为强大的功能,在业界具有领先地位。作为典型的注塑模产品,汽车车灯模具设计充分利用了该软件的以上各项特点,已经成为国内外模具CAD /CAE /CAM一项非常成熟的共性技术。
1 曲面及自由曲面造型的数学基础
三维实体的表示方法有线架构,曲面模型及实体模型,其主要的数学表示方法是贝塞尔曲线和B样条曲线。CATIA软件中,曲面模型与自由曲面造型两个模块扮 演相当重要的角色,在高档汽车灯具配光反射器曲面设计及模具制造中,能发挥精度要求高、目标零件形状复杂的优势,使曲面加工效率大大提高。
1. 1 贝塞尔曲面的定义方程式为
1. 2 B样条曲面的表示式为
1. 3 非均匀有理B样条曲面
0≤u≤1, i = 0, 1, ...n - 3, j = 0, 1, ...m - 3
2 CATIA软件的曲面设计和三维造型及汽车前大灯模具设计
利用CATIA的曲面模块可以方便地建立复杂的曲面模型,进行三维造型,使所设计的产品不仅满足功能上的要求,更将新颖的外观效果与良好的人体工程学完美 地融入产品的设计当中,何况汽车前大灯不仅有以上基本要求,而且是夜间行车照明不可缺少的关键,其性能的好坏,照明的效果都与其配光反射器壳体曲面的精 度、形状和加工效果密切相关。因此,设计好前大灯配光反射器壳体曲面形状、衬框及面罩,是其关键一步,然后在此基础上设计相关的生产模具,生成NC程序, 最后加工制造出模具产品。
首先,车灯作为典型塑料模具,分型面、基准面和浇口位置、模具型腔的形状、尺寸、表面光洁度、分型面、进浇口和排气槽位置以及脱模方式等对制件的尺寸精度 和形状精度以及制件的物理性能、机械性能、电性能、内应力大小、各向同质性、外观质量,表面光洁度、气泡、凹痕、烧焦、银纹等都有十分重要的影响。其次, 合理的型腔设计、脱模顶出系统及简单适用、稳定可靠的模具结构能提高塑料制品的生产效率,缩短生产周期,降低生产成本。
CATIA曲面设计的一般过程如图1所示,其中GSD———创成式外形设计,包括线框和曲面造型功能,用以建立和修改复杂外形设计所需要的各种曲面,同时 采用了基于特征的设计方法和全相关技术,能有效捕捉设计者的设计意图,极大的提高了设计的质量和效率,为后续设计、更改提供了强有力的技术支持。
2. 1 前大灯壳体的模具设计
不同用途的汽车车灯具有不同的标准,其中前照灯标准要求最高,其设计难度也最大。这里我们采用自由曲面反射器原理设计。
根据有关资料,可得到自由曲面的数学模型,其指导思想就是反射器不再是二次曲面,而是由多块自由曲面组成,这种曲面不能用一个或多个函数来表示,但将曲面 网络化后,用一系列标记(X, Y, Z)值的网格来表征。配光是由这些多块自由曲面共同作用的结果,每块自由曲面都对配光起到一定的作用。
2. 1. 1 Sketcher草绘
Sketcher草绘是3D设计的一种重要手段,其拥有类似二维软件常用的平面轮廓设计功能,并可最终将轮廓转化为三维实体。该功能模块能进行复杂的平面 轮廓线设计,非常适合制作自由曲面的设计,同时利用其后参数化的约束功能,使得这种设计和修改非常方便、快捷。如图2所示为通过Sketcher产生平面 线架特征的草图。
2. 1. 2 曲面造型( Shape Design)
利用CATIA强大的曲面造型功能,直接在Sketcher绘制的前大灯壳体平面线架特征的旋转面上进行造型,绘制中依据设计的不同要求结合灵活的后参数化功能,得出如图3所示的壳体反射器内表曲面。
曲面成型系统是塑料制品的直接成型部分,加工难度最大,要求最严格的部分。其中,成型面要求尺寸精度高、表面光洁度好、脱模斜度合理;分型面是动定 模分型的地方,配合好坏直接影响产品是否溢料而产生飞边等暇疵;镶块、镶针应根据加工工艺合理设计;排气槽排气好坏直接影响塑料制品的表面光洁度及质量。 这些影响因素在本设计中都给予了重点考虑。
2. 1. 3 实体造型( PartDesign)
利用CATIA 中的PartDesign模块,对复杂曲面进行实体造型,形成实体造型与曲面造型完全吻合,完成模具制造、分析及视效功能,最终形成壳体内部实体。利用实体造型功能形成的前大灯壳体模具模型如图4所示。
型腔、型芯的布局分析与设计,直接影响着成型塑件的质量、模具加工的工艺性以及注射成型的效率等,使用MOLD FLOW 软件, 根据模具侧向抽芯的分布对塑件进行分型面设计及确定,和浇口分析,确定浇口布置位置,得到较好质量的塑件成品。
2. 2前大灯衬框的模具设计
衬框的结构复杂程度要远逊于壳体,但其模具设计过程仍然遵循壳体的设计流程,即首先进行Sketcher草绘,然后进行曲面造型(Shape Design) ,最后完成实体造型( Part Design)如图5即为前大灯衬框模具模型。
2. 3 前大灯面罩的模具设计
基于面罩流线型设计、美观要求和透光性特点,利用实体造型( PartDesign) ,对主模型绘制草图,然后创建主模型,增加特征,创建其它特征,最后插入新特征或Body以完成复杂车灯面罩的三维模具设计。如图6所示为前大灯面罩模具模型。
3 结束语
3. 1 不断涌现的现代新型汽车车灯具有大量复杂曲面特征,利用CATIA后参数化约束方式,为设计者提供了一个不受约束、大胆创新的平台,使设计者可以随心所欲地展示设计思路,拓宽设计空间,提高设计效率。
3. 2 利用CATIA进行复杂车灯外观形状设计,可以直接进行三维车灯的实体造型,不需要完成产品试制即可进行产品外观评审,大大缩短开发周期。同时可以很方便地进行修改。
3. 3 形成三维实体后,后续加工时需要二维平面图作参考, 利用Drafting 模块可完成该操作。利用CATIA的模具设计(Mould Tooling Design)模块,配合其设计、仿真和制造模块,可进行包括凸凹模固定板定义,组件实例化,注塑和冷却特征定义等所有模具设计工作。其中注塑模具的 CAM技术主要用于数控铣削加工、线切割加工、电火花加工等,对复杂模具的型腔、型芯及电极的铣削加工起着更加重要的作用。