一、前言

UnigraphicsNX作為三維參數化混合造型CAD/CAM/CAE集成化軟件系統的代表，已被廣泛應用于汽車、航空航天、機械電子、模具等制造行業。實現了產品零件或組件從概念設計到制造全過程的設計的自動一體化。然而，要快速高質量地完成一個產品的造型設計，必須根據產品的特點，總結出一套建模方法和技巧．這樣才能大大縮短設計周期，提高設計效率，滿足客戶對產品的各種特殊需求。產品的CAD三維造型是整個產品設計過程中的重要環節，為提高產品的三維設計效率和質量，用戶必須掌握三維CAD造型的原理，充分了解CAD軟件中的造型方法。充分利用現代先進的CAD技術，不但可以輔助設計者完成其設計構思，減輕勞動強度，提高效率和精度，改善視覺效果，而且為后續的分析、模具設計、NC加工等奠定了基礎。

UnigraphicsNX提供了以參數化為基礎，基于特征實體造型、部件間的關聯設計、專家設計系統等技術。其核心技術是采用非均勻有理B樣條(NURBS)作為曲面造型的基礎,融線框模型、曲面造型、實體造型為一體,參數化和特征化的混合造型系統，系統是建立在統一的富有關聯性的數據庫基礎上，提供了工程上的完全關聯性使CAD/CAM/CAE各部分數據自由聯動切換。UGNX吸收了各種建模技術的優點，率先推出了最先進的復合建模方式，將參數化實體建模、高級自由曲面建模、線框建模溶于一體，由于復合建模技術代表了CAD發展的趨勢，即易用、自由、高效，是目前CAD行業最優化的建模方式。使工程師在工作時完全不必受某種單一建模方法的束縛，自由地、快速地完成建模。它既具有參數化建模的靈活方便，又在處理復雜產品方面有獨特的優勢，UGNX以實際工程需要為導向，逐漸發展為CAD/CAM/CAE/PDM一體化的設計系統。系統同時具備如鈑金設計、注塑模具設計、沖壓模及級進模等多種專家設計模塊。本文介紹了在UGNX平臺上，以基于SMC程序的某汽車覆蓋件產品設計、模具設計與數控編程應用為對象，詳細說明了UGNX在設計過程中的所發揮的功能及其應用技巧，希望為讀者提供參考借鑒作用。

二、UGNX/CAD覆蓋件產品設計

（1）基于SMC成型的覆蓋件設計實例

基于SMC成型的覆蓋件為全復合材料結構，主要由蒙皮和加強筋組成，蒙皮內的加強筋作為骨架以增加覆蓋件的強度和剛度。該復合材料覆蓋件必須滿足一定的重量、剛度要求，如重力作用下的變形和扭轉剛度，高溫烤漆的表面氣泡及熱變形問題。通過對覆蓋件的SMC成型工藝及結構上的研究，其成型方法采用分塊模壓，并最終粘接成型，由外蒙皮、內加強筋、前臉三個部件組成。由于覆蓋件結構比較復雜，其成型方案設計時，分別模壓成型蒙皮、加強筋，然后粘接成一體，并根據其強度和剛度要求進行局部加強。其結構設計有以下特點：

①制品的內外部結構形狀：制品的外部形狀應該力求簡單，內腔是制品的主要型面，為保證易于脫模和成型，應設計成圓滑結構。避免內腔深度尺寸過大，對模壓成型造成困難。該覆蓋件三個部件的所有連接特征均采用可能大的過渡圓角，從而使其易成型。

②脫模斜度：對于熱固性塑料，脫模斜度在平行于壓制方向的表面上一般不小于1度，對于脆硬材料，脫模斜度應設計要求大一些。而對于精度要求較高的產品應采用較小的脫模斜度，對于形狀復雜，收縮率大，厚壁不易脫模的制品應采用較大的脫模斜度。由于覆蓋件尺寸較大，拔模斜度設計一般都設計在3度以上，局部地區介于1.5度～8度之間。

③壁厚：由于SMC具有良好的流動性，可以成型各種薄壁變厚度尺寸的制品，其最厚截面應保持在13mm以下，對于超過25mm的厚度，可采用特殊的引發體系，在SMC產品設計時，避免過薄尺寸，大面積尺寸應大于1mm厚，由于壁厚的不均勻性易產生變形，因此在變厚度地區，應采用圓滑過渡。SMC成型的覆蓋件產品厚度一般在3mm左右。

④加強筋和凸緣結構：對于覆蓋件薄壁結構，為增加剛度，防止產品變形，在多處地區設計了加強筋和凸緣結構，筋的側面均為3度以上的拔模斜度和3mm以上的圓角半徑，其加強結構如下圖所示。對于整體粘接后的工況要求，在局部地區采用薄板鋁合金橫梁加強，采用粘接和螺釘對SMC和鋁合金橫梁進行連接。結構強度剛度優化則主要采用盒形件、矩形加強筋及凸緣等結構來加強。

盒形件、加強筋、凸緣結構示意圖

（2）基于UGNX的覆蓋件設計技巧

該覆蓋件比較復雜，需要對其結構合理地分解，確定產品結構的主要特征。在造型時根據產品的主要結構建立特征曲線，通過拉伸、旋轉、掃描等建立一個合理的“毛坯”，再進行外觀的細節設計，產品的外觀形狀多由光順圓順的自由型曲線曲面組成。要保證構造出來的曲面既光順又能滿足一定的精度要求，就必須掌握一定的曲面造型技巧。由于覆蓋件產品設計造型本身比較復雜，對設計者的要求比較高，以下為作者在完成該產品設計時總結出的一些經驗：

①先整體后局部、參數化與非參數化有效的結合。

在工程中，常常難以用一張連續完整的曲面來表達一個復雜的產品外形。這樣構造的曲面往往不光順，產生大的變形。這時可根據軟件提供的曲面造型方法，結合產品的外形情況，將其劃分為多個區域來構造多張曲面，然后將其縫合，或用過渡面與其連結。針對產品的需求及優化設計的目標，在進行造型時應合理的利用UGNX提供的參數化和自由曲面造型的混合使用問題，如在加強筋的布局設計時采用參數化的線框模型，有助于優化分析和曲面重構設計等提高產品的設計質量效率；對于SMC成型的R角等局部特征，可待有限元分析后的結果來進行最終確定。

②基本造型功能的熟練使用

在利用UGNX進行SMC成型的覆蓋件產品設計時，涉及基本曲線曲面操作比較多，如常用的直紋曲面（Ruled Surface）、拉伸面（Extruded Surface）、掃描面（Swept Surface）、縮放面（Enlarge Surface）、等距面（Offset Surface）、融接圓角面（Blend Surface）、裁剪面（Trim Surface）、縫合面（Sew Surface）、延伸面（Extend Surface）、邊界面（Boundary Surface）。要注意這些基本曲面和派生曲面的使用特點，如拉伸功能可進行帶傾斜拔模角度的曲面設計。同時對于基本的曲線，如直線、圓弧、曲線裁剪（Trim curve）、長度調節（Arc length）、等距線（Offset Curve）、投影曲線（Project Curve）、相交曲線（Intersection Curve ）和曲線連接（Join Curve）等生成及其編輯修改，應做到靈活熟練。同時還應區分Sketch和Curve的使用方法以及坐標系統的靈活使用。

③快捷鍵、圖層和顏色的使用

由于覆蓋件產品設計、模具設計與數控編程的工作量比較大，使用快捷鍵有助于降低勞動強度。而合理的規劃圖層、顏色對幾何圖形對象的表達有助于提高設計的效率和信息的表達。而充分利用圖形對象的陣列（Instance）、轉換（Transform）功能,可大幅度提高產品的設計效率和質量。

④從模具的角度考慮

產品三維造型的最終目的是制造。產品零件大都由模具生產出來。因此，在三維造型時，要從模具的角度去考慮，在確定產品出模方向后，應檢查曲面能否出模，是否有倒扣現象（即撥模角為負角），如發現有倒扣現象，應對曲面的控制線進行修改，重構曲面。這一點往往被忽略，卻是非常重要的。在SMC模壓成型的覆蓋件產品設計時表現尤為重要，由于SMC成型工藝的要求，一般圓角不小于R3，拔模角度不小于1度。

⑤曲線曲面的光順控制

由于覆蓋件產品的外觀要求比較高、同時涉及到模具成型以及結構有限元優化分析網格劃分的需求，要求產品的曲面光順性較好。為保證曲面的光順性，在造型滿足產品幾何要求的前提下，可利用延伸、投影等方法將原始的3D輪廓線還原為2D輪廓線，刪除細節部分，然后構造出“重構”曲面，再利用面的修剪方法獲得曲面外輪廓。在構造曲面時，要隨時檢查所建曲面的狀況，注意檢查曲面是否光順，是否扭曲，曲率變化情況等，以便及時修改。檢查曲面光順的方法可利用對構成的曲面進行渲染處理，即通過透視、透明度和多重光源等處理手段產生高清晰度的逼真性和觀察性良好的彩色圖像，再根據處理后的圖像光亮度的分布規律來判斷出曲面的光順度。圖像明暗度變化比較均勻，則曲面光順性好，如果圖像在某區域的明暗度與其它區域相比變化較大，則曲面光順性差。另外，可顯示曲面上的等高斯曲率線，進而顯示高斯曲率的彩色光柵圖像，從等高斯曲率線的形狀與分布、彩色光柵圖像的明暗區域及變化，直觀地了解曲面的光順性情況。

三、UGNX/CAM覆蓋件模具設計與數控編程

(1)SMC成型覆蓋件模具設計

UnigrahpicsNX提供了基于專家系統的注塑模（Mold Wizard）、鈑金零件沖壓模（Die Engineer）、級進模（Progressive Die Wizard）等模具設計功能，模具專家設計系統融入了模具設計師的經驗和系統開發師的智慧，使用它們可以加速模具設計速度，提高產品的設計質量。以下為UGNX系統提供的部分模具專家設計系統的簡介：

①UGNX沖壓模具工程（UG/Die engineering）是UG面向汽車鈑金件沖壓模具設計而推出的一個模塊，其功能包括沖壓工藝過成定義，沖壓工序件的設計，如壓力中心的調整、工藝補充面的設計、拉伸壓料面的設計、分配成型工序等內容，以幫助用戶完成沖壓模具的設計。同時提供了一個完整的級進模設計環境，封裝了模具設計的專家知識，其基于UG/WAVE關聯設計技術，系統自動抽取鈑金特征，使條料排樣與零件幾何關聯，實現了設計信息的一體化。系統從工程建立開始，可以完成條料排樣、廢料設計、模架選擇、功能組件設計和標準件的選取，提供提供的客戶模架庫、標準件庫、鑲件庫加快了級進模結構設計的速度，提高了設計的質量和效率。

②UGNX注塑模設計（MoldWizards）整合了模具專家的經驗，提供實務的設計流程，參數式圖形建構，使模具設計經驗較少的工程師也能在循序漸進的導覽設計之下，使模具設計師快速完成從產品、凸凹模、模架與標準件的設計與裝配、工程圖一系列過程。提高產品的設計質量同時大幅度縮短制程周期，降低了生產成本。系統以3D產品傳遞資料，彈性靈活的機構設計，使設計模具工作具有更多彈性空間。通過建立模具設計工程、模具簇、建立坐標系、設置收縮率、設定凸凹模毛坯尺寸、模具輔助工具及分模、調用標準模架庫及標準件、設計滑塊和頂出機構、設置澆口流道與冷卻系統、設計電極、模具總裝與零件清單BOM表等快速的完成模具的設計、標準件配置到NC編程環境。

由于SMC成型熱壓模具，其結構與沖壓模類似，同時有注塑模的特點，如加熱系統、抽芯結構等特征。在利用UGNX進行該覆蓋件的模具設計時，要根據產品的結構特點進行功能的合理應用，如等厚度的外蒙皮其分型面的設計，可直接利用UGNX模具專家系統提供的模具分模功能來完成。SMC模壓成型設備主要包括液壓機和模具，模具結構總體設計由凸凹模、加熱系統、頂出機構、切邊機構、抽芯結構送料機構等部分組成。SMC成型模具主要有半溢式垂直分型和半溢式水平分析兩種結構。

（2）SMC成型覆蓋件模具數控編程

UnigrahicsNX/CAM由八個重要組成部分、包括三維建模、刀具軌跡設計、刀具軌跡編輯修改、加工仿真、后置處理、數控編程模板、切削參數庫設計、二次開發功能接口。UnigraphicsNX系統提供了模具的數控編程模板Shops_diemould，它將預先的加工順序、工藝參數、切削參數設置好，針對相似的零件加工對象，應用模板可以大幅度提高模具數控編程的效率和質量，同時在加工新的產品對象時，只需調用模板文件，選擇所需的幾何體，并啟動這個流程即可。用戶通過加工向導非常容易的從模板中獲得專家級的制造過程指導，全部內容可非常簡單而有效的提供給缺乏經驗的用戶，有利于吸收別人的經驗，通過向導，預先定義的模板可以被激活，并通過簡單的交互快速生成數控加工刀具軌跡。
系統提供了提供鉆孔循環,攻絲和鏜孔等點位加工編程；具有多種輪廓加工、等高環切,行切以及島嶼加工平面銑削編程功能；其提供3~5坐標復雜曲面的固定軸與變軸加工編程功能，可以任意控制刀具軸的矢量方向，具有曲面輪廓、等高分層、參數線加工、曲面流線、陡斜面、曲面清根等多種刀具軌跡控制方式。UGNX銑削可完成粗加工單個或多個型腔、沿任意類似型芯的形狀進行粗加工大余量去除、對非常復雜的形狀產生刀具運動軌跡，確定走刀方式、通過容差型腔銑削可加工設計精度低、曲面之間有間隙和重疊的形狀，而構成型腔的曲面可達數百個、發現型面異常時，它可以或自行更正，或者在用戶規定的公差范圍內加工出型腔等功能。使用銑削編程功能用戶可以完成3軸聯動加工刀具路徑、加工區域選擇功能、多種驅動方法和走刀方式的確定，如沿邊界切削、放射狀切削、螺旋切削及用戶定義方式切削，在沿邊界驅動方式中又可選擇同心圓和放射狀走刀等多種走刀方式、提供逆銑、順銑控制以及螺旋進刀方式、自動識別前道工序未能切除的未加工區域和陡峭區域，以便用戶進一步清理這些地方、其銑削編程可以仿真刀具路徑，產生刀位文件，用戶可接受并存儲刀位文件，也可刪除并按需要修改某些參數后重新計算。

UnigraphicsNX/CAM用于產品零件的數控加工，其流程一般如下圖所示：首先是調用產品零件加載毛坯，調用系統的模板或用戶自定義的模板；然后分別創建加工的程式、定義工序加工的對象、設計刀具、定義加工的方式生成該相應的加工程式；用戶依據加工程式的內容來確立刀具軌跡的生成方式，如加工對象的具體內容，刀具的導動方式、切削步距、主軸轉速、進給量、切削角度、進退刀點、干涉面及安全平面等詳細內容生成刀具軌跡；對刀具軌跡進行仿真加工后進行相應的編輯修改、拷貝等功能提供編程的效率；待所有的刀具軌跡設計合格后，進行后處理生成相應數控系統的加工代碼進行DNC傳輸與數控加工。

四、小結

本文以SMC成型覆蓋件產品設計、模具設計與數控編程為實例，簡略講述了UGNX在產品設計與制造中所表現出的強大功能及其實際應用中的技巧，希望對讀者有所借鑒作用。