一、前言

　　模具工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，在汽車、機(jī)械、電子和航空航天等行業(yè)50%以上的產(chǎn)品依賴于模具的生產(chǎn)。模具作為工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝裝備，其設(shè)計(jì)周期、生產(chǎn)效率和質(zhì)量直接影響著產(chǎn)品生產(chǎn)的進(jìn)度、成本和質(zhì)量。因此，提高模具和工裝的設(shè)計(jì)質(zhì)量和生產(chǎn)效率對(duì)于企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有著直接重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著橡膠、塑料、玻璃鋼等非金屬及復(fù)合材料在工業(yè)產(chǎn)品中所占的比例越來(lái)越大，提高非金屬?gòu)?fù)合材料產(chǎn)品的質(zhì)量和應(yīng)用范圍在很大程度上與模具的設(shè)計(jì)有著密切的關(guān)系。

　　NX作為參數(shù)化CAD/CAM軟件系統(tǒng)的代表，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品零件組件從概念設(shè)計(jì)到制造全過(guò)程的設(shè)計(jì)制造一體化，使產(chǎn)品在CAD/CAE/CAM各單元系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳遞與無(wú)縫轉(zhuǎn)換：在CAE、CAM系統(tǒng)中能順利接受CAD系統(tǒng)建立的三維模型，且基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上同步更新，同時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、產(chǎn)品及模具的數(shù)控加工的刀具軌跡及NC加工代碼數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)更新，避免了重復(fù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模和NC數(shù)控編程，實(shí)現(xiàn)了CAD/CAE/CAM數(shù)據(jù)的全相關(guān)性設(shè)計(jì)。NX提供的基于專家系統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)功能和高效的數(shù)控編程功能，克服了傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)模式的缺點(diǎn)，通過(guò)模具檢測(cè)、自動(dòng)分模、模擬開(kāi)模和數(shù)控加工仿真的三維動(dòng)態(tài)顯示等設(shè)計(jì)制造與視頻技術(shù)結(jié)合等手段，使設(shè)計(jì)更加直觀地展現(xiàn)在人們面前，極大地提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的效率，在保證產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)度和質(zhì)量的同時(shí)，解放了產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工藝人員的勞動(dòng)生產(chǎn)力。

　　二、NX的模具設(shè)計(jì)方案

　　1.基于專家系統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)

　　利用NX軟件提供的三維造型功能，設(shè)計(jì)者可快速完成產(chǎn)品的創(chuàng)建與修改。利用NX專家系統(tǒng)模具設(shè)計(jì)功能，可快速完成分模、模具型腔及型芯的自動(dòng)生成，標(biāo)準(zhǔn)模架零部件和組件的調(diào)用等相關(guān)內(nèi)容，最終完成注塑模、鑄造模、沖壓模的設(shè)計(jì)。其模具設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)建立在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造工藝流程 相結(jié)合的基礎(chǔ)之上，對(duì)如鑄造、注塑成型中的澆口、流道、凸凹模間隙設(shè)計(jì)、模具分型面的設(shè)計(jì)、零件厚度和拔模檢測(cè)等制造工藝經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了吸收和應(yīng)用。利用NX可以對(duì)模具的性能、模具結(jié)構(gòu)和注塑件在成型過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元傳熱分析和流道分析。

　　NX模塊在注塑鑄造成型模具設(shè)計(jì)過(guò)程中提供的功能包括：①分析設(shè)計(jì)零件是否可塑，對(duì)問(wèn)題區(qū)域進(jìn)行檢驗(yàn)和修復(fù)。②零件材料、幾何模型和模具設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的收縮間隙設(shè)計(jì)。③進(jìn)行模具凸凹模分型面的設(shè)計(jì)。④模具凸凹模型芯型腔和澆口流道的設(shè)計(jì)。⑤模具開(kāi)模模擬及厚度、拔模和干涉等檢測(cè)。⑥ 標(biāo)準(zhǔn)模架零部件組件調(diào)用及脫模機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。⑦模具的單型腔模和多型腔模設(shè)計(jì)。⑧產(chǎn)品、凸凹模型芯和型腔的模具全相關(guān)性設(shè)計(jì)。⑨注塑模擬流動(dòng)、傳熱及成型分析。

　　2.模具設(shè)計(jì)流程

　　利用NX進(jìn)行模具設(shè)計(jì)的流程如圖1所示。

　　首先將設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品零件和依標(biāo)準(zhǔn)模架設(shè)計(jì)的模具毛坯零件進(jìn)行裝配，設(shè)置好正確的拔模方向，進(jìn)行拔模和厚度檢測(cè)，設(shè)定產(chǎn)品收縮率與凸凹模間隙。然后，進(jìn)行模具分型面的設(shè)計(jì)與凸凹模的分割，再進(jìn)行開(kāi)模模擬和干涉檢測(cè)。待凸凹模抽取成功后，進(jìn)行澆口流道及脫模機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)模架及組件的裝配設(shè)計(jì)。最后，將所有的設(shè)計(jì)成品轉(zhuǎn)入生產(chǎn)部門進(jìn)行零部件的選取與加工制造。

　　可以看到，該設(shè)計(jì)流程將企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和數(shù)控加工編程集成在一起，因此提高了產(chǎn)品、模具、工藝設(shè)計(jì)和數(shù)控編程的效率。

　　3.熱復(fù)合模設(shè)計(jì)實(shí)例

　　玻璃鋼產(chǎn)品的加工制造常用的有纏繞成型、模壓成型、層壓成型和拉擠成型等工藝手段。玻璃鋼熱復(fù)合模的模壓成型是根據(jù)熱固性玻璃鋼復(fù)合材料產(chǎn)品的成型特點(diǎn)，通過(guò)一定的配料和填料工藝，在壓力機(jī)上經(jīng)一定溫度、壓力和時(shí)間的共同作用，最終加熱、固化和冷卻模壓成型的。玻璃鋼熱復(fù)合模設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是：其模具分型面的設(shè)計(jì)、凸凹模設(shè)計(jì)與注塑模或鑄造模相似，但沒(méi)有澆口和流道，其脫模機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，模具設(shè)計(jì)的主要部分集中在凸凹模型芯和型腔的設(shè)計(jì)上。

　　傳統(tǒng)的熱復(fù)合模具設(shè)計(jì)方式是：首先進(jìn)行工藝性分析和標(biāo)準(zhǔn)模架的選取，然后進(jìn)行凸凹模、脫模機(jī)構(gòu)及相關(guān)部件的二維繪圖設(shè)計(jì)。這種模具設(shè)計(jì)手段效率低，不易檢查設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，且模具設(shè)計(jì)質(zhì)量很大程度上依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)二維繪圖完成后，進(jìn)行數(shù)控加工編程時(shí)，需要重新進(jìn)行三維造型。且當(dāng)試模完成后，模具設(shè)計(jì)需要更改時(shí)，又要進(jìn)行二維繪圖、三維造型和數(shù)控編程等大量重復(fù)的勞動(dòng)，尤其是在凸凹模的型芯型腔設(shè)計(jì)與后續(xù)數(shù)控加工編程時(shí)，繪圖和檢測(cè)的工作量極大。

　　利用NX基于專家系統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)功能模塊，設(shè)計(jì)師可以直接根據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行模具分型面設(shè)計(jì)、凸凹模設(shè)計(jì)、干涉檢測(cè)、開(kāi)模模擬和模具裝配等，將凸凹模設(shè)計(jì)一次完成，避免了模具設(shè)計(jì)人員因經(jīng)驗(yàn)不足引起的錯(cuò)誤。同時(shí)，將模具設(shè)計(jì)完成后得到的凸凹模，直接轉(zhuǎn)入后續(xù)的NC加工模塊進(jìn)行數(shù)控加工編程，且當(dāng)產(chǎn)品和模具需要修改時(shí)，凸凹模及數(shù)控加工的刀具軌跡隨著設(shè)計(jì)更改而全部自動(dòng)更新，提高了模具設(shè)計(jì)和數(shù)控編程的效率和質(zhì)量，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程都是在集成的環(huán)境下完成的。

　　圖2為利用NX模塊進(jìn)行某玻璃鋼產(chǎn)品及其模具的凸凹模設(shè)計(jì)實(shí)例，圖中(b)為設(shè)計(jì)時(shí)的分型面及拔模方向。整個(gè)凸凹模的設(shè)計(jì)完全根據(jù)產(chǎn)品模型進(jìn)行分模設(shè)計(jì)，開(kāi)模同時(shí)將凸凹模一次設(shè)計(jì)完成，與采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)相比，大幅度提高了設(shè)計(jì)的效率，縮短了模具設(shè)計(jì)制造周期。

　　三、NX的數(shù)控加工編程

　　1. 數(shù)控編程功能簡(jiǎn)介

　　在產(chǎn)品的數(shù)控加工編程方面，NX軟件提供了功能強(qiáng)大的數(shù)控編程模塊NX/NC。該CAM模塊和CAD模塊集成在一起，具有強(qiáng)大的數(shù)控加工編程和后置處理功能。NX/NC可分別對(duì)各種加工機(jī)床的各種加工方式進(jìn)行數(shù)控加工編程，能產(chǎn)生生產(chǎn)過(guò)程規(guī)劃，提供參數(shù)化的刀位軌跡，估計(jì)加工的時(shí)間。它所具有的數(shù)控車削、銑削和線切割加工編程功能，支持車削中心、五軸銑削中心和四軸線切割數(shù)控加工編程功能，具備完整的關(guān)聯(lián)性，對(duì)任何設(shè)計(jì)更改，能自動(dòng)生成加工程序和資料。

　　利用NX/NC生成的刀具軌跡文件稱為CLData(Cutter Location Data)。通過(guò)Nc Check可以進(jìn)行仿真加工檢測(cè)切削狀況，其中，系統(tǒng)提供的Vericut模擬功能可以模擬材料的去除過(guò)程，用戶可以對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行快速校驗(yàn)，對(duì)刀具軌跡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以預(yù)測(cè)誤差和干涉過(guò)切。產(chǎn)生的CL刀位文 件經(jīng)Ncpost或Gpost的后置處理，即可產(chǎn)生NC代碼。其提供的后置處理程序能滿足如Fanuc、Heidenhain、Simenses、Mitsubishi、Mazak、Agie和Charmilles等數(shù)控系統(tǒng)的要求。用戶可以通過(guò)修改Option File文件(機(jī)床配置文件)和FIL File 文件(數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)接口文件)，產(chǎn)生適合自有數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的后置處理程序。

　　2. 數(shù)控編程流程

　　數(shù)控編程是指根據(jù)被加工零件的技術(shù)要求、幾何形狀、 尺寸及工藝要求來(lái)確定加工方法、加工路線和工藝參數(shù)、切削參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、刀具進(jìn)給量、切削深度等)及輔助功能(主軸正反轉(zhuǎn)、冷卻液開(kāi)關(guān)等)的設(shè)置，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算獲得實(shí)際加工時(shí)的刀具軌跡，然后按數(shù)控機(jī)床所采用的代碼及程序格式， 輸出工件的數(shù)控加工程序的過(guò)程。

　　數(shù)控加工編程的功能模塊一般包括圖形幾何造型、刀具軌跡設(shè)計(jì)、刀具軌跡編輯、加工仿真、后置處理和全數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)修改等功能模塊。利用NX/NC進(jìn)行數(shù)控程序的編制流程與實(shí)際加工的邏輯思維是相似的，圖3為利用NX進(jìn)行數(shù)控編程的流程圖。

　　利用NX/NC模塊進(jìn)行數(shù)控編程時(shí)，要求制造工程師遵循一定的邏輯步驟來(lái)設(shè)計(jì)加工所需的刀具軌跡，其過(guò)程是：首先設(shè)計(jì)加工所需的制造模型(產(chǎn)品與毛坯)，然后建立包含加工機(jī)床、刀具、夾具和加工坐標(biāo)系等方面內(nèi)容的制造工程數(shù)據(jù)庫(kù)(加工環(huán)境設(shè)置)，其定義可在刀具軌跡設(shè)計(jì)規(guī)劃之前完成，也可在進(jìn)行刀具軌跡設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行設(shè)置。接下來(lái)，選擇被加工的幾何對(duì)象(點(diǎn)、輪廓、曲面或?qū)嶓w)和加工方式(如體積銑削和曲面銑削等)，根據(jù)具體的加工方式確立合適的切削工藝參數(shù)(如步距、深度、主軸轉(zhuǎn)速等制造參數(shù))，系統(tǒng)根據(jù)加工對(duì)象和加工方式，及切削工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，生成需要的刀具軌跡。這里為了提高刀具軌跡的設(shè)計(jì)質(zhì)量，通常通過(guò)仿真加工(Vericut功能)檢測(cè)刀位軌跡的不合理之處。最后，利用后處理程序，將CL Data文件經(jīng)Gpost或Ncpost等后置處理生成相應(yīng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的NC加工程序代碼。

　　3. 數(shù)控編程實(shí)例

　　利用NX進(jìn)行產(chǎn)品及模具的數(shù)控編程與仿真加工，當(dāng)產(chǎn)品模型更改時(shí)，所設(shè)計(jì)的凸凹模型芯型腔和數(shù)控加工程序數(shù)據(jù)，刀具軌跡和NC代碼都會(huì)隨之更新。從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造數(shù)據(jù)的全相關(guān)，即設(shè)計(jì)制造一體化。圖4為玻璃鋼熱復(fù)合模凸模產(chǎn)品數(shù)控加工的刀具軌跡圖，用戶可以根據(jù)加工的需要，對(duì)數(shù)控編程過(guò)程樹和工藝參數(shù)表的內(nèi)容進(jìn)行編輯修改，從而生成高效優(yōu)質(zhì)的數(shù)控程序。

　　四、小結(jié)

　　本文以玻璃鋼熱復(fù)合模的模具設(shè)計(jì)和數(shù)控編程的應(yīng)用為例，系統(tǒng)介紹了模具設(shè)計(jì)與數(shù)控編程的流程。在實(shí)際應(yīng)用中，本文所述的應(yīng)用可擴(kuò)展到以空間型面定位的專用工裝夾具的設(shè)計(jì)與數(shù)控編程，可以快速高效地進(jìn)行專用夾具的設(shè)計(jì)與數(shù)控編程加工，為提高NX的軟件應(yīng)用水平和擴(kuò)大其應(yīng)用范圍提供了借鑒。CAD/CAM一體化是解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)、數(shù)控加工編程高效率高質(zhì)量的主要途徑之一，也是當(dāng)今機(jī)械工程應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展方向，CAD/CAM一體化的實(shí)現(xiàn)對(duì)于提高制造企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力和經(jīng)濟(jì)效益有著重要的意義。