一、前言
本文講述了利用NX進行玻璃鋼產(chǎn)品的模具設(shè)計及其數(shù)控編程的流程，以實例的形式說明了NX軟件參數(shù)化特征造型和共享數(shù)據(jù)庫特性在模具設(shè)計和數(shù)控編程中的優(yōu)點，為讀者從事產(chǎn)品三維設(shè)計、模具設(shè)計與數(shù)控編程的高效應(yīng)用提供了參考借鑒作用。
NX作為參數(shù)化CAD/CAM軟件系統(tǒng)的代表，實現(xiàn)了產(chǎn)品零件組件從概念設(shè)計到制造全過程的設(shè)計制造一體化，使產(chǎn)品在CAD/CAE/CAM各單元系統(tǒng)之間實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動傳遞與無縫轉(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)庫基礎(chǔ)上同步更新，同時，產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計、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)能夠自動更新，避免了重復(fù)產(chǎn)品設(shè)計建模和NC數(shù)控編程，實現(xiàn)了CAD/CAE/CAM數(shù)據(jù)的全相關(guān)性設(shè)計。NX提供的基于專家系統(tǒng)的模具設(shè)計功能和高效的數(shù)控編程功能，克服了傳統(tǒng)模具設(shè)計模式的缺點，通過模具檢測、自動分模、模擬開模和數(shù)控加工仿真的三維動態(tài)顯示等設(shè)計制造與視頻技術(shù)結(jié)合等手段，使設(shè)計更加直觀地展現(xiàn)在人們面前，極大地提高了產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)的效率，在保證產(chǎn)品生產(chǎn)進度和質(zhì)量的同時，解放了產(chǎn)品設(shè)計及工藝人員的勞動生產(chǎn)力。
二、NX的模具設(shè)計方案
1.基于專家系統(tǒng)的模具設(shè)計
利用NX軟件提供的三維造型功能，設(shè)計者可快速完成產(chǎn)品的創(chuàng)建與修改。利用NX專家系統(tǒng)模具設(shè)計功能，可快速完成分模、模具型腔及型芯的自動生成，標(biāo)準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。其模具設(shè)計專家系統(tǒng)建立在產(chǎn)品設(shè)計與制造工藝流程 相結(jié)合的基礎(chǔ)之上，對如鑄造、注塑成型中的澆口、流道、凸凹模間隙設(shè)計、模具分型面的設(shè)計、零件厚度和拔模檢測等制造工藝經(jīng)驗進行了吸收和應(yīng)用。利用NX可以對模具的性能、模具結(jié)構(gòu)和注塑件在成型過程中的溫度場進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)計過程中提供的功能包括：①分析設(shè)計零件是否可塑，對問題區(qū)域進行檢驗和修復(fù)。②零件材料、幾何模型和模具設(shè)計相對應(yīng)的收縮間隙設(shè)計。③進行模具凸凹模分型面的設(shè)計。④模具凸凹模型芯型腔和澆口流道的設(shè)計。⑤模具開模模擬及厚度、拔模和干涉等檢測。⑥ 標(biāo)準模架零部件組件調(diào)用及脫模機構(gòu)的設(shè)計。⑦模具的單型腔模和多型腔模設(shè)計。⑧產(chǎn)品、凸凹模型芯和型腔的模具全相關(guān)性設(shè)計。⑨注塑模擬流動、傳熱及成型分析。
2.模具設(shè)計流程
利用NX進行模具設(shè)計的流程如圖1所示。
首先將設(shè)計好的產(chǎn)品零件和依標(biāo)準模架設(shè)計的模具毛坯零件進行裝配，設(shè)置好正確的拔模方向，進行拔模和厚度檢測，設(shè)定產(chǎn)品收縮率與凸凹模間隙。然后，進行模具分型面的設(shè)計與凸凹模的分割，再進行開模模擬和干涉檢測。待凸凹模抽取成功后，進行澆口流道及脫模機構(gòu)、標(biāo)準模架及組件的裝配設(shè)計。最后，將所有的設(shè)計成品轉(zhuǎn)入生產(chǎn)部門進行零部件的選取與加工制造。
可以看到，該設(shè)計流程將企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、模具設(shè)計和數(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)計和數(shù)控編程的效率。
3.熱復(fù)合模設(shè)計實例
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，通過一定的配料和填料工藝，在壓力機上經(jīng)一定溫度、壓力和時間的共同作用，最終加熱、固化和冷卻模壓成型的。玻璃鋼熱復(fù)合模設(shè)計的特點是：其模具分型面的設(shè)計、凸凹模設(shè)計與注塑模或鑄造模相似，但沒有澆口和流道，其脫模機構(gòu)相對簡單，模具設(shè)計的主要部分集中在凸凹模型芯和型腔的設(shè)計上。
傳統(tǒng)的熱復(fù)合模具設(shè)計方式是：首先進行工藝性分析和標(biāo)準模架的選取，然后進行凸凹模、脫模機構(gòu)及相關(guān)部件的二維繪圖設(shè)計。這種模具設(shè)計手段效率低，不易檢查設(shè)計中的錯誤，且模具設(shè)計質(zhì)量很大程度上依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗。當(dāng)二維繪圖完成后，進行數(shù)控加工編程時，需要重新進行三維造型。且當(dāng)試模完成后，模具設(shè)計需要更改時，又要進行二維繪圖、三維造型和數(shù)控編程等大量重復(fù)的勞動，尤其是在凸凹模的型芯型腔設(shè)計與后續(xù)數(shù)控加工編程時，繪圖和檢測的工作量極大。
利用NX基于專家系統(tǒng)的模具設(shè)計功能模塊，設(shè)計師可以直接根據(jù)產(chǎn)品進行模具分型面設(shè)計、凸凹模設(shè)計、干涉檢測、開模模擬和模具裝配等，將凸凹模設(shè)計一次完成，避免了模具設(shè)計人員因經(jīng)驗不足引起的錯誤。同時，將模具設(shè)計完成后得到的凸凹模，直接轉(zhuǎn)入后續(xù)的NC加工模塊進行數(shù)控加工編程，且當(dāng)產(chǎn)品和模具需要修改時，凸凹模及數(shù)控加工的刀具軌跡隨著設(shè)計更改而全部自動更新，提高了模具設(shè)計和數(shù)控編程的效率和質(zhì)量，整個設(shè)計過程都是在集成的環(huán)境下完成的。
圖2為利用NX模塊進行某玻璃鋼產(chǎn)品及其模具的凸凹模設(shè)計實例，圖中(b)為設(shè)計時的分型面及拔模方向。整個凸凹模的設(shè)計完全根據(jù)產(chǎn)品模型進行分模設(shè)計，開模同時將凸凹模一次設(shè)計完成，與采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計相比，大幅度提高了設(shè)計的效率，縮短了模具設(shè)計制造周期。
三、NX的數(shù)控加工編程
1. 數(shù)控編程功能簡介
在產(chǎn)品的數(shù)控加工編程方面，NX軟件提供了功能強大的數(shù)控編程模塊NX/NC。該CAM模塊和CAD模塊集成在一起，具有強大的數(shù)控加工編程和后置處理功能。NX/NC可分別對各種加工機床的各種加工方式進行數(shù)控加工編程，能產(chǎn)生生產(chǎn)過程規(guī)劃，提供參數(shù)化的刀位軌跡，估計加工的時間。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，對任何設(shè)計更改，能自動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Nc Check可以進行仿真加工檢測切削狀況，其中，系統(tǒng)提供的Vericut模擬功能可以模擬材料的去除過程，用戶可以對切削過程進行快速校驗，對刀具軌跡進行優(yōu)化設(shè)計，以預(yù)測誤差和干涉過切。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。用戶可以通過修改Option File文件(機床配置文件)和FIL File 文件(數(shù)控機床系統(tǒng)接口文件)，產(chǎn)生適合自有數(shù)控機床系統(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、刀具進給量、切削深度等)及輔助功能(主軸正反轉(zhuǎn)、冷卻液開關(guān)等)的設(shè)置，進行數(shù)值計算獲得實際加工時的刀具軌跡，然后按數(shù)控機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、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)動修改等功能模塊。利用NX/NC進行數(shù)控程序的編制流程與實際加工的邏輯思維是相似的，圖3為利用NX進行數(shù)控編程的流程圖。
利用NX/NC模塊進行數(shù)控編程時，要求制造工程師遵循一定的邏輯步驟來設(shè)計加工所需的刀具軌跡，其過程是：首先設(shè)計加工所需的制造模型(產(chǎn)品與毛坯)，然后建立包含加工機床、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(加工環(huán)境設(shè)置)，其定義可在刀具軌跡設(shè)計規(guī)劃之前完成，也可在進行刀具軌跡設(shè)計的同時進行設(shè)置。接下來，選擇被加工的幾何對象(點、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)加工對象和加工方式，及切削工藝參數(shù)進行數(shù)值計算，生成需要的刀具軌跡。這里為了提高刀具軌跡的設(shè)計質(zhì)量，通常通過仿真加工(Vericut功能)檢測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)控機床系統(tǒng)的NC加工程序代碼。
3. 數(shù)控編程實例
利用NX進行產(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，所設(shè)計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代碼都會隨之更新。從而實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計與制造數(shù)據(jù)的全相關(guān)，即設(shè)計制造一體化。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，對數(shù)控編程過程樹和工藝參數(shù)表的內(nèi)容進行編輯修改，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)計和數(shù)控編程的應(yīng)用為例，系統(tǒng)介紹了模具設(shè)計與數(shù)控編程的流程。在實際應(yīng)用中，本文所述的應(yīng)用可擴展到以空間型面定位的專用工裝夾具的設(shè)計與數(shù)控編程，可以快速高效地進行專用夾具的設(shè)計與數(shù)控編程加工，為提高NX的軟件應(yīng)用水平和擴大其應(yīng)用范圍提供了借鑒。CAD/CAM一體化是解決產(chǎn)品設(shè)計、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)今機械工程應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展方向，CAD/CAM一體化的實現(xiàn)對于提高制造企業(yè)的競爭實力和經(jīng)濟效益有著重要的意義。
