%91动机气道逆向工程及其砂芯模具设计

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【摘要】以发动机气道为研究对象，探讨了逆向工程在汽车发动机设计开发中的应用。利用光学
扫描测量系统得到发动机气道曲面的点云数据，并进行数据处理和曲面重构得到三维数模，最后利
万方数据
第２期
刘鑫等：发动机气道逆向工程及其砂芯模具设计
一１９５一
图ｌ重构的曲线
图２光顺后的曲面
１．４曲面拼接
曲面拼接是将光顺好的主要曲面用过渡曲面连接起来。通
过求交（ｉｏｉｎ）、裁剪（ｔｒｉｍ）、倒圆（ｆｉｕｅｔ）、ｂｌｅｎｄ（混成）等功能将各
曲面光滑拼接或缝合成整体的复合曲面，最终生成的气道曲面 三维数模见图３。
ＣＡＤ技术、数控加工技术的发展和综合运用的产物。
为其它模块所直接编辑，还需要在其上面进行切线、取特征点、
１发动机气道的逆向设计
１．１点云数据采集
．
数据采集的测量手段有两种：接触式测量和非接触式测量。 采用德国Ｓｔｅｉｎｂｉｃｈｌｅｒ公司的ＣＯＭＥＴ非接触光学扫描测量系统
特征线、曲面拟合等才能做出最终符合要求的曲面。 １．３曲线、曲面重构及光顺、
其次要进行点云的过滤，用户从测量仪器所得到的点数据 可能有成千上万个，数目非常庞大，但并非所有的点都是有用 的，造成文件过大，拖慢处理速度，因此需要进行过滤（Ｆｉｈｅｒ）来 减少点数据的数量，常用的过滤方法有曲率过滤法和球过滤法。
最后是点云的三角化（Ｍｅｓｈ），就是将杂乱无序的点云转化 成一组有序的、最优化的三角化面片，又称为三角网格化。通过 三角网格化虽然把点云铺成了曲面，但这种三角形面片还不能
用逆向工程得到的三维数模进行模具设计。
关键词：发动机气道；逆向工程；模具设计
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面—求交得到交线一在两交线之间提取点云一曲线生成。对生 成的曲线还要检查并调整其连接的连续性和曲率的连续性，经 重构得到的气道中部的特征线如图ｌ。
根据上面重构的曲线，利用ＱｓＲ模块中的Ｐｏｗｅｒｆｉｔ（曲面拟 合），以及ＧｓＤ模块中的ｓｗｅｅｐ（扫略）、ｆｉｕ（填充）、ｌ曲（拟合）、 ｂｌｅｎｄ（混成）等曲面造型功能生成各个特征面，经光顺生成的气 道中部的曲面见图２。
９０～９１
６金涛，童水光等．《逆向工程技术》ｆｌ咀北京：机械工业出版社，２００３（６）
万方数据
一１９４一 文章编号：１００ｌ一３９９７（２００８）０２一０１９４—０２
机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅ母 Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第２期 ２００８年２月
发动机气道逆向工程及其砂芯模具设计
刘 鑫 段明德（河南科技大学机电工程学院，洛阳４７１００３） ＲｅＶｅｒｓｅ ｅｎｇｉｎｅｅ ｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅ’ｓ ｐＯｒｔ ａｎｄ ｉｔｓ ｓａｎｄ ｃＯｒｅ ｍｏｌｄ ｄｅｓｉｇｎ ＬＩＵ Ｘｉｎ，ＤＵＡＮ Ｍｉｎｇ—ｄｅ（Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓ时ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａＩｌｄ Ｔｅｃｈｎ０１０９ｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１００３，Ｃｈｉｎａ）
在Ｍｏｌｄ菜单中单击Ｍｏｌｄ ｖｏｌｕｍｅ命令，然后根据分模面将
毛坯拆分为几个模具体积块，包括型芯体积块，型腔体积块，滑 块体积块等。其中型腔体积块结果如图５。
图５型腔体积块
２－７生成铸件并进行开模仿真 在ＭｏＩｄ菜单中单击ＭｏＩｄ ０ｐｅｎｉｎｇ命令，模拟开模。
２．８模具分析 在主菜单上单击Ａｎａｌｙｓｉｓ，然后选择Ｍｏｌｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ（模具分
２．１加入参考零件
本例中可以直接加入
由逆向工程反求出气道曲 面生成的实体，然后在弹出
的组件放置对话框中设置
装配关系。
２．２建立毛坯
使用ＭｏＪｄ－＿ｃｒ朗ｔｅ— Ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ生成新的毛坯模
型，用来分割为模具体积块。
图３气道曲面三维数模
２．３设置收缩率
在Ｍｏｌｄ——Ｓｈ—ｎｋａｇｅ—Ｂｙ Ｄｉ— ｍｅｎｓｉｏｎ（按尺寸）一Ｓｅ卜一ＡⅡＤｉｍ８
在逆向设计中常用的曲线有Ｂ样条曲线和贝塞尔曲线，其 中以Ｂ样条曲线最为常用。结合气道的特点本文所用到的曲线
完成发动机气道表面的数据采集。由于气道模型是灰黑色的金 大多为Ｂ样条曲线。曲线重构大致思路是洒一层很薄的显影剂。然后， 在气道模型的辅助面上贴上一些参考点标记，在几个最佳角度 和位置进行扫描和照相，从不同的视角数字化，系统自动地判断 当前的传感器位置，并且将每一次测量结果都转化到一个共同 的目标坐标系中。由于气道外形复杂，不可能一次测量所有数 据，将几次测量相结合，每一块点云都可以通过所施加的参考点 自动地进行转化，最后得到的点云数据图略。 ★来稿日期：２００７加４－２９
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ＣＡＭ与制造业信息化，２００３（２）：９睢９１ ３王永辉．ｃＡＴｌＡ ｖ５在汽车零件逆向开发中的应用［ＪＪ．现代制造工程，
２００６（１）：１１３—１１５
４黄圣杰．ｈｏ厄ｎ画ｒｌｅｅｒｗｉＬｄｆｉｒｅ模具设讯Ｍ】．北京：中国铁道出版社，２００４
（６） ５段明德．反求工程中复杂曲面的数字化技术Ｌ玎．矿山机械．２００４（８）：
１．５曲面数据质量评估
曲面评估包括曲面的精度评估和品质评估。利用ＣＡ，１１Ａ软
件提供的曲面斑马线分析检查功能、曲面断面线分析功能、几何 连续性分析功能、曲面法向距离分析功能等分析手段来检查所
生成曲面的质量。本设计气道精度要求是±０．５ｍｍ，对形状要求 较高，其连接性要求切线连续。在ＱｓＲ模块中，通过斑马线分
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中图分类号：ＴＨｌ２。１１Ｐ３９１．７２ 文献标识码：Ｂ
．
传统的正向设计是从图纸到零件产品，而逆向工程是从零 件或原型到二维图纸或三维模型，再经过制造过程到零件。它是、 建立在现代先进的测量、设计、制造基础上的，是现代测量技术、
１．２点云数据处理 首先删除多余的点，所谓多余的点就是测量时额外测量的
部分，主要作为边界的缓冲区，避免所需要的形状不完整。在重 建模型时，这些点会变成噪点，所以在点数据加载后先进行删除 多余点的操作。勾勒出模型的轮廓：
析，曲面达到切线连续要求；通过法向距离分析并对相应部位进 行修改，曲面的精度评估如图４所示，结果显示点云与重构曲面
误差控制在±０．５咖之内。
２发动机气道的砂芯模
具设计 Ｐ栅ｎ—ｎｅｅｒ模具设计的基本流程，包括建立模具模型，设
计分模面，拆模，设计浇注系统等。本模具考虑到生产及装配的
方便，把进气道和排气道各三个放在同一副模具中，一模六腔同 时加工。
析），Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｃｈｅｃｋ（厚度检测）等命令，进行模具检测。
２．９模具组件设计
进行模具组件的详细设计，例如凸凹模的夹紧定位装置，冷 却系统，导向系统，顶出系统等。
３结论
上述模具经调试已投入使用，较好地满足了该产品的生产 需要。这种逆向设计方法能缩短产品开发周期，降低成本及提高 产品质量，优化工艺参数，目前已越来越多的运用在产品开发中。 参考文献 ｌ谢龙汉．ｃＡＴＩＡ ｖ５逆向造型设计【Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００４（１１） ２刘文龙．ＣＡＴＩＡ—ＣＯＭＥＴ在汽车覆盖件产品逆向开发中的应用叽ＣＡＤ，
进、排气道对发动机的混合气的形成与燃烧、充量更换等方 面具有决定性的影响。在传统的设计方法中，由于气道形状复 杂，设计师无法给出准确的气道形状工程图，而只能通过类比或 经验画出一个大致轮廓的草图，“试凑”出满足性能要求的气道。 通过对试验样件进行切片、测量、绘制模具草图来加工模具。这 种方法具有很大随机性，开发周期长、成本高，气道型腔不光滑， 铸造和模具加工工艺性差，更重要的是极大影响了发动机的性 能。这种现状促成逆向工程技术在我国汽车制造业中的发展。本 文通过某公司的一种发动机气道的逆向设计介绍了逆向工程在 汽车发动机设计开发中的应用。
中设置收缩率为０．０５，完成收缩 率的设置。
２．４设计浇注系统
在Ｍｏｌｄ菜单中单击Ｆｅａｔｕｒｅ
命令，设计浇注系统，包括ｓｐｍｅ （主流道），Ｒｕｎｎｅｒ（分流道），Ｇａｔｅ
（浇口）等。
２．５设计分模面
在Ｍｏｌｄ菜单中单击Ｐａｎｉｎｇ
Ｓｕｒｆ命令设计分模面。
２．６生成模具体积块
图４曲面法向距离分析结果