NX8.0在殼體模具型腔設(shè)計與數(shù)控加工中的應(yīng)用

郭 晟，陽彥雄，劉 勇，賴 嘯

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，宜賓 644000）

NX8.0在殼體模具型腔設(shè)計與數(shù)控加工中的應(yīng)用

郭 晟，陽彥雄，劉 勇，賴 嘯

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，宜賓 644000）

0 引言

隨信息技術(shù)與計算機技術(shù)的快速發(fā)展，CAD和CAM等技術(shù)日趨完善，現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)中已大量應(yīng)用先進的CAD/CAE/CAM集成軟件，使得三維數(shù)字化設(shè)計與加工仿真技術(shù)得到了較成熟的應(yīng)用，UG(Unigraphics簡稱)NX是當(dāng)今世界上最先進、最暢銷、面向制造行業(yè)的高端軟件之一[1]，該軟件提供了一個基于過程的產(chǎn)品設(shè)計環(huán)境，使產(chǎn)品開發(fā)從設(shè)計到加工真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成，極好地優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計與制造，大大縮短了產(chǎn)品從開發(fā)設(shè)計到制造的周期，節(jié)省了材料、資源、時間和經(jīng)費。

作為工業(yè)之母，模具行業(yè)的發(fā)展日新月異，新產(chǎn)品層出不窮，而各類殼體模具是生活、生產(chǎn)用品的重要工藝設(shè)備，在此類模具中，型腔的設(shè)計與加工對產(chǎn)品質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，模具CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用，為推動產(chǎn)品質(zhì)量的提高及模具技術(shù)創(chuàng)新發(fā)揮著重要的作用。本文主要討論運用UG軟件的CAD/CAM功能模塊，結(jié)合殼體模具零件的設(shè)計與加工工藝特點，進行型腔的三維數(shù)字化設(shè)計，并編制合理有效的殼體模具型腔的數(shù)控加工程序，以提高模具質(zhì)量和縮短加工周期。

1 三維模型的建立

當(dāng)消費性電子進入高度成熟期后,外形的設(shè)計便成了重要的競爭條件之一，各種超薄、超炫、超迷人的款式成為注塑產(chǎn)品設(shè)計的追逐目標(biāo)，相應(yīng)的注塑模具設(shè)計要求也越來越高，現(xiàn)代注塑模具設(shè)計越來越依靠3D設(shè)計軟件的輔助，而UG軟件則是其中的一款性能優(yōu)秀的綜合性軟件[2]。

UGNX運用其強大的面向過程驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)虛擬產(chǎn)品的開發(fā)，在面向過程驅(qū)動技術(shù)的環(huán)境中，能有效實現(xiàn)產(chǎn)品以及精確的數(shù)據(jù)模型的全相關(guān)，從而有效地實現(xiàn)了并行工程。經(jīng)過對真實殼體數(shù)據(jù)的采集與分析，完成殼體的三維模型的建立，如圖1所示。

圖1 殼體塑件

對于殼體模具的型腔，可以通過NX8.0來進行建模。先建立塊體，然后導(dǎo)入塑件模型文件（考慮到材料收縮率的問題，在此放大一個相應(yīng)的收縮率系數(shù)），選塑件所有外表面進行曲面偏置生成曲面，補好兩端止口，運用【有界平面命令，將兩端止口、圓形及方形缺口補片，并通過【插入】/【組合】/【縫合】將所有片體合為一體。利用“修剪體”工具生成一個型腔，并通過創(chuàng)建草圖、回轉(zhuǎn)求差、拔模求差等操作，生成其橫澆道與澆口。因本鑲件為一模兩腔，通過【鏡相特征工具完成另一腔體及其橫澆道與澆口的成形（如圖2所示）。

圖2 殼體模具型腔

2 殼體模具型腔的CAM

數(shù)控加工適用于單件、小批量、高精度、復(fù)雜表面的加工，是模具零件加工的主要方法[3]，本模具型腔的數(shù)控加工選用UG/CAM系統(tǒng)，UG/CAM系統(tǒng)通過參數(shù)化設(shè)計將特征造型與傳統(tǒng)的實體和曲面造型功能結(jié)合在一起，可以從簡單的2軸加工到以5軸聯(lián)動方式來加工極為復(fù)雜的工件表面，并可以控制和優(yōu)化數(shù)控加工過程[4]。

2.1 殼體模具型腔的加工方案

零件如圖2所示，形腔由一些形狀復(fù)雜的曲面構(gòu)成，表面精度要求比較高，且有直角，材料為進口P20。已加工出長方體作為毛坯，其四個側(cè)面及上、下表面都已加工，在此不再考慮；要加工的有兩型腔及流道孔腔。由于型腔零件為精密件，加工要求較高，通過數(shù)控銑銷加工，在此以底座進行一次裝夾，安排了型腔銑，設(shè)了粗加工、半精加工與精加工，并根零件結(jié)構(gòu)特點，還設(shè)有區(qū)域輪廓銑與清根（角）加工。對于直角，安排電火花，限于篇幅，在此沒有進行說明。工藝安排如表1所示。

2.2 程序設(shè)計

UG系統(tǒng)為曲面輪廓銑提供了對刀軸控制、走刀方式選擇和刀具路徑生成功能，可以加工UGCAD模塊中生成的任何幾何體[5]。在UGNX8.0中進入加工模塊，進行加工環(huán)境初始化，按工藝安排創(chuàng)建刀具組，并根據(jù)UG/CAM的操作流程進行幾何體的創(chuàng)建，指定好坐標(biāo)系（根據(jù)工件裝夾要求，設(shè)置好安全平面）和部件及毛壞。因為型腔表面要求高，按工藝要求，分別設(shè)置“粗銑”加工方法(部件余量為“0.6”)、 “半精銑”加工方法(部件余量為“0.2”)、 “精銑”加工方法(部件余量為“0”)及“清根（角）”加工方法。

2.2.1 創(chuàng)建粗銑型腔內(nèi)腔工序

型腔銑主要用于加工型腔或型芯，屬多層切削，可以加工側(cè)壁與底面不垂直的工件[6]。粗銑及半精銑型腔內(nèi)腔工序的創(chuàng)建過程基本相似，通過【插入】／【工序】（或單擊工具條上圖標(biāo)）在出現(xiàn)的“創(chuàng)建工序”對話框中選“mill_contour”類型，“子類型”為”，并按工藝安排選擇相應(yīng)的刀具和加工方法，在指定切削區(qū)域后點擊“確定”，在返回的【型腔銑】對話框中完成“進給率和速度”等參數(shù)設(shè)置（按加工方案中的工藝安排表中的參數(shù)分別進行），“切削模式”設(shè)為“跟隨部件”，進刀時每刀的切削深度設(shè)為“恒定”，最大值設(shè)為1。在程序設(shè)計中，驅(qū)動方式的選擇有較大的影響，在UG軟件中對數(shù)控加工提供了多種類型的驅(qū)動方法，驅(qū)動方法的選擇與被加工零件表面的形狀及其復(fù)雜程度有關(guān)[7]，在本型腔的型腔銑粗加工與半精加工中選用“邊界”驅(qū)動方式。設(shè)置好各參數(shù)后通過點擊“生成刀具軌跡”圖標(biāo)，生成刀軌進行3D動態(tài)模擬與驗證（3D仿真如圖3所示）。由仿真的結(jié)果來看，通過粗加工后的模具型腔的基本輪廓已經(jīng)生成，但是刀痕明顯，表面質(zhì)量還難以達到設(shè)計與使用要求，尺寸也還有加工余量沒有去除，需進一步進行半精加工與精加工。

表1 工序安排表

圖3 粗加工后的仿真效果

2.2.2 創(chuàng)建半精銑型腔內(nèi)腔工序

此零件型腔周邊輪廓島嶼較多，為提高加工質(zhì)量，在半精銑型腔內(nèi)腔時選擇環(huán)繞切削，并選用從里向外的進刀方式，可以使輪廓及島嶼邊緣加工到位。

因內(nèi)腔底面為弧形，在半精加工時選用球刀，并選用較快的主軸轉(zhuǎn)速。生成刀軌并進行3D仿證，得到較優(yōu)的刀軌（如圖4所示），而仿真結(jié)果也說明程序是正確的，但型腔的表面精度還難以達到設(shè)計與使用要求，刀痕還較明顯，需進一步進行精加工。

圖4 型腔銑半精加工后的仿真效果

2.2.3 創(chuàng)建內(nèi)腔輪廓曲面區(qū)域銑精加工工序

輪廓銑是三坐標(biāo)聯(lián)動加工，常用于精加工，主要用來加工模具的自由曲面等特征。UG/CAM模塊提供的固定軸曲面輪廓銑削模塊用于產(chǎn)生三軸運動的刀具路徑，它提供了非常強大的選擇加工對象的方法及多種驅(qū)動方式與走刀方式，可根據(jù)零件表面輪廓選擇切削路徑及切削方法，從而滿足復(fù)雜曲面的半精加工與精加工要求[8]。

模具型腔的內(nèi)腔表面的精加工采用固定軸曲面輪廓銑，類型為MILL-CONTOUR，子類型為“固定軸輪廓銑”，刀具為B2.5球頭銑刀。在【型腔銑】對話框完成“進給率和速度”（“主軸轉(zhuǎn)速”輸3000）與“機床控制”欄下相應(yīng)設(shè)置；驅(qū)動方法為“區(qū)域銑削”， 采用同心往復(fù)的切削模式，選擇向外的圖樣方向，選取逆銑的切削方向，步距為殘余高度，殘余高度設(shè)為0.001mm。投影矢量為刀軸，且刀軸為+ZM軸。將部件余量與檢查余量及邊界余量均設(shè)置為0。由于是精加工，將部件的內(nèi)公差及外公差均設(shè)為0。生成刀軌并進行3D動態(tài)仿真驗證，從仿真的結(jié)果來看，刀軌良好，型腔的表面加工質(zhì)量好，達到設(shè)計與使用要求，可以進行刀軌確認。

圖5 輪廓曲面區(qū)域銑精加工后的仿真效果

2.2.4 清根（角）加工工序的創(chuàng)建

因為此零件模型復(fù)雜，存在銑銷后的殘留預(yù)料區(qū)域，為保證型腔表面質(zhì)量，須安排清根（角）加工對局部區(qū)域進行后續(xù)處理，來對母模穴的角落和凹谷區(qū)域進行清理。選擇型腔的所有底面為【指定切削區(qū)域，分別完成“進給率和速度”（“主軸轉(zhuǎn)速”輸4000）與“機床控制”欄下的相應(yīng)設(shè)置，驅(qū)動方法選擇清根，生成刀軌。通過運行”工具進行3D及2D動態(tài)仿真，進而驗證與確認刀軌。

圖6 清根（角）加工

2.3 后處理

后置處理是UG NXCAM模塊中的一個重要組成部分，其主要任務(wù)是將NX CAM軟件生成的加工刀位軌跡源文件轉(zhuǎn)成數(shù)控機床可接受的代碼(NC)文件[9]。本模具型腔的加工經(jīng)過3D模擬驗證后無干涉、無過切、無碰撞、無欠切等不良情況，經(jīng)過后處理生成可用于實際加工的程序，并進行了產(chǎn)品的加工制作，從實際加工的結(jié)果來看，模具型面質(zhì)量好，順利地完成了生產(chǎn)任務(wù)。

尖銳的直角邊處通過電加工進行處理，后續(xù)加工為周邊去鋒棱、毛刺，表面研磨與拋光。

3 結(jié)束語

UGNX軟件CAD/CAM功能具有較完美的結(jié)合，在模具的設(shè)計與加工中可以隨時對模型進行修改，并依據(jù)3D仿真結(jié)果能提前發(fā)現(xiàn)加工中的問題并及時解決，保證了加工質(zhì)量，其自動編程彌補了人工編程的不足，提高了效率。現(xiàn)代模具型腔精度要求越來越高，只有綜合運用數(shù)控加工工藝手段，才能滿足此類零件的加工制作要求。本文所介紹的應(yīng)用案例對其他曲面加工也有很好的借鑒作用。

[1]張禹,白曉蘭,劉永賢.UG/NX應(yīng)用技巧與經(jīng)驗[J].機床與液壓,2009,37(2),2.

[2]郭晟,劉存平,陽彥雄.基于UG的學(xué)習(xí)機風(fēng)扇盒蓋注塑模具設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2011,18.

[3]李海萍.模具數(shù)控加工技術(shù)的研究與發(fā)展[J].機械設(shè)計與制造,2008(6).

[4]施鑫煜.UG/CAM數(shù)控車編程加工的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù),2012,5.

[5]薛世超,高國琴,莊景燦.模具數(shù)控加工技術(shù)的研究與發(fā)展[J].機械設(shè)計與制造,2008(6).

[6]李軍.模具CAD/CAM（基于UGNX的應(yīng)用）[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[7]李超.五軸數(shù)控加工程序設(shè)計研究[J].機械設(shè)計與制造,2009,1:61.

[8]王小榮,楊晉,田亞平,劉瀟瀟. UG固定軸曲面輪廓銑在三次B樣條曲面加工中的應(yīng)用[J].機床與液壓,2011,39(3).

[9]黃志榮,丁仕燕.UGNX在醫(yī)用手柄數(shù)控加工中的應(yīng)用[J].常州工學(xué)院學(xué)報,2011,24(2).

The study on design and CNC machining of the core with contoured surface based on NX8.0

GUO Sheng，YANG Yan-xiong，LIU Yong，LAI Xiao

CAD/CAM技術(shù)是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計與制造的重要手段，是先進設(shè)計與制造技術(shù)的主力。模具CAD/CAM技術(shù)在現(xiàn)代模具企業(yè)研發(fā)與生產(chǎn)中占據(jù)關(guān)鍵地位，通過運用NX8.0這款先進的綜合軟件，進行了某殼體模具的主要零件——型腔的造型建模設(shè)計與數(shù)控加工編程，進行了較復(fù)雜型腔零件的三維建模、數(shù)控加工工藝設(shè)計，實現(xiàn)了型腔零件的開粗、固定軸曲面輪廓半精加工、曲面輪廓精加工及清根加工，對刀軌進行了優(yōu)化，同時進行了3D仿真驗證，通過后處理生成了在實際生產(chǎn)中可執(zhí)行的數(shù)控加工程序，對同類產(chǎn)品的設(shè)計與制造具有較好的借鑒意義。

CAD/CAM；NX8.0；殼體模具；型腔；三維建模；3D仿真；數(shù)控加工

郭晟（1975 -），男，四川宜賓人，講師，碩士研究生，研究方向為模具CAD/CAM。

TH164

B

1009-0134(2014)06(上)-0043-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).12

2014-01-21

宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級科研項目（YBZY SCI 13-13）