Pro/E在熱復合模設計與數(shù)控加工編程中的應用

sunshine1026 · 發(fā)表于 2008-8-6 13:33:37

1 前言
模具工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè),，在汽車、機械,、電子,、航空航天等行業(yè)的50％以上產(chǎn)品依賴于模具的生產(chǎn),。模具作為工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的基礎工藝裝備，其設計周期,、生產(chǎn)效率和質量直接影響著產(chǎn)品生產(chǎn)的進度,、成本和質量。因此,，提高模具和工裝的設計質量和生產(chǎn)效率對于企業(yè)的經(jīng)濟效益有著直接重要的現(xiàn)實意義,。隨著橡膠、塑料,、玻璃鋼等非金屬及復合材料在工業(yè)產(chǎn)品中所占的比例越來越大,，提高非金屬復合材料產(chǎn)品的質量和應用范圍在很大程度上與模具的設計有著密切的關系。
Pro/ENGINEER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計到制造全過程的設計制造一體化,，提供了以參數(shù)化特征實體造型為基礎、部件間的關聯(lián)設計,、共享數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)知識等技術,，是集產(chǎn)品設計、分析和制造一體化的CAD/CAE/CAM軟件平臺,。它使產(chǎn)品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換和集成,，在CAE、CAM系統(tǒng)順利接受CAD系統(tǒng)建立的三維模型,，基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫基礎上同步更新,。同時，它保證產(chǎn)品設計,、模具設計,、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)自動更新，避免了重復產(chǎn)品設計建模和NC數(shù)控編程的工作,，實現(xiàn)了CAD/CAE/CAM數(shù)據(jù)的全相關性設計,。
Pro/ENGINEER提供的基于專家系統(tǒng)的模具設計功能和高效的數(shù)控編程功能，其與產(chǎn)品和制造工藝全相關的模具設計方法克服了傳統(tǒng)模具設計模式的缺點,，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)顯示等設計制造與視頻技術結合等手段,，使設計更加生動活潑地展現(xiàn)在人們面前,。它極大地提高了產(chǎn)品設計與生產(chǎn)的效率，保證產(chǎn)品生產(chǎn)進度和質量的同時解放了產(chǎn)品設計及工藝人員的勞動生產(chǎn)力,。系統(tǒng)還提供各種數(shù)據(jù)接口,，如IGES、STL,、DXF,、STEP等,，使用戶可直接讀取UG、Catia等CAD/CAM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型,。
2 Pro/ENGINEER的模具設計方案
2.1 基于專家系統(tǒng)的模具設計
利用Pro/ENGINEER軟件提供的強大的三維造型功能,，設計者可快速完成產(chǎn)品的創(chuàng)建與修改。利用Pro/MoldDesign,、Pro/Casting,、Pro/Die等基于專家系統(tǒng)模具設計功能可快速完成分模、模具型腔及型芯的自動生成,，標準模架零部件和組件的調用等相關內容,，最終完成注塑模、鑄造模,、沖壓模的設計,。其模具設計專家系統(tǒng)建立在產(chǎn)品設計與制造工藝流程相結合的基礎之上，如鑄造,、注塑成型中的澆口,、流道、凸凹模間隙設計,、模具分型面的設計,、零件厚度與拔模檢測等制造工藝經(jīng)驗進行了吸收和應用。利用Pro/Plastic Advisor對模具的性能,、模具結構,、注塑件在成型過程中的溫度場的有限元傳熱分析和流道分析,。 Pro/MoldDesign與Pro/Casting模塊在注塑鑄造成型模具設計過程中提供了以下系列功能,。
（1）分析設計零件是否可塑，對問題區(qū)域進行檢驗和修復,。
（2）零件材料,、幾何模型和模具設計相對應的收縮間隙設計。
（3）進行模具凸凹模分型面的設計,。
（4）模具凸凹模型芯型腔,、澆口流道的設計。
（5）模具開模模擬及厚度,、拔模,、干涉等檢測。
（6）標準模架零部件組件調用及脫模機構的設計,。
（7）模具的單型腔模和多型腔模設計,。
（8）產(chǎn)品、凸凹模型芯,、型腔的模具全相關性設計,。
（9）注塑模擬流動,、傳熱及成型分析。
2.2 模具設計流程
利用Pro/ENGINEER進行模具設計的流程如圖1所示,。首先將設計好的產(chǎn)品零件和依標準模架設計的模具毛坯零件進行裝配,，設置好正確的拔模方向，進行拔模和厚度檢測,，設定產(chǎn)品收縮率與凸凹模間隙,；然后，進行模具分型面的設計與凸凹模的分割,，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、標準模架及組件的裝配設計,；最后,，將所有的設計成品轉入生產(chǎn)部門進行零部件的選取與加工制造。由此可知,，它將企業(yè)的產(chǎn)品設計,、工藝設計、模具設計和數(shù)控加工編程集成在一起,，提高了產(chǎn)品,、模具、工藝設計及數(shù)控編程的效率,。

圖1 模具設計工作流程

2.3 熱復合模設計實例
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,。玻璃鋼熱復合模的模壓成型是根據(jù)熱固性玻璃鋼復合材料產(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下加熱,、固化、冷卻模壓成型的,。玻璃鋼熱復合模設計的特點是其模具分型面的設計,、凸凹模設計與注塑模或鑄造模相似,，但沒有澆口和流道,，其脫模機構相對簡單，模具設計的主要部分集中在凸凹模型芯和型腔的設計上,。
傳統(tǒng)的熱復合模具設計方式是首先進行工藝性分析,、標準模架的選取，然后進行凸凹模、脫模機構及相關部件的二維繪圖設計,。這種模具設計手段效率低,，不易檢查設計中的錯誤，且模具設計質量很大程度上依賴于設計人員的經(jīng)驗,。當二維繪圖完成后,，進行數(shù)控加工編程時需要重新進行三維造型。且當試模完成后模具設計需要更改時,，又要進行二維繪圖,、三維造型和數(shù)控編程等大量重復的勞動，尤其是在凸凹模的型芯型腔設計與后續(xù)數(shù)控加工編程時,，繪圖和檢測的工作量極大,。利用Pro/ENGINEER 基于專家系統(tǒng)的模具設計功能模塊，直接根據(jù)產(chǎn)品進行模具分型面設計,、凸凹模設計、干涉檢測,、開模模擬和模具裝配等,，將凸凹模設計一次完成,，避免了模具設計人員因經(jīng)驗不足引起的錯誤,。同時，將模具設計完成后得到的凸凹模直接轉入后續(xù)NC加工模塊進行數(shù)控加工編程,，且當產(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計更改而全部自動更新，提高了模具設計和數(shù)控編程的效率和質量,。整個設計過程都是在集成的環(huán)境下完成的,。
圖2為利用Pro/MoldDesign模塊進行某玻璃鋼產(chǎn)品及其模具的凸凹模設計實例，圖中（b）為設計時的分型面及拔模方向,。整個凸凹模的設計完全根據(jù)產(chǎn)品模型進行分模設計,，開模同時將凸凹模一次設計完成,，較采用傳統(tǒng)的二維設計大幅度提高了設計的效率,，縮短了模具設計制造周期。

圖2 熱復合模設計實例
(a) 產(chǎn)品圖 (b) 分型面 (c) 凹模 (d) 凸模

3  Pro/ENGINEER的數(shù)控加工編程
3.1  數(shù)控編程功能簡介
在產(chǎn)品的數(shù)控加工編程方面,，Pro/ENGINEER軟件提供了功能強大的數(shù)控編程模塊Pro/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、后置處理功能。Pro/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)化的刀位軌跡生成,，估計加工的時間。它所具有的數(shù)控車削,、銑削,、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，具備完整關聯(lián)性,，對任何設計更改，能自動生成加工程序和資料,。
利用Pro/NC生成的刀具軌跡文件稱為CL Data（Cutter Location Data），通過Nc Check進行仿真加工檢測切削狀況,，提供的Vericut模擬功能可以模擬材料的去除過程,，使用戶對切削過程進行快速校驗和刀具軌跡地優(yōu)化設計提供指導,，以預測誤差和干涉過切。產(chǎn)生的CL刀位文件經(jīng)Ncpost或Gpost后置處理產(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),。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,。
3.2  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)（主軸轉速,、刀具進給量,、切削深度等）及輔助功能（主軸正反轉、冷卻液開關等）的設置,，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,、刀具軌跡設計、刀具軌跡編輯,、加工仿真,、后置處理和全數(shù)據(jù)關聯(lián)參數(shù)化驅動修改等功能模塊。利用Pro/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Pro/ENGINEER進行數(shù)控編程的流程圖。

圖3 Pro/NC數(shù)控編程流程圖

利用Pro/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聚來設計加工所需的刀具軌跡,。其過程是：首先設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、加工坐標系等方面內容的制造工程數(shù)據(jù)庫（加工環(huán)境設置）,，其定義可在刀具軌跡設計規(guī)劃之前完成,，也可在進行刀具軌跡設計的同時進行設置,；接下來選擇被加工的幾何對象（點、輪廓,、曲面或實體）和加工方式，如體積銑削,、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計質量,，通過仿真加工Vericut功能檢測刀位軌跡不合理之處 ,；最后,，通過后處理程序對CL Data文件經(jīng)Gpost或Ncpost后置處理生成相應數(shù)控機床系統(tǒng)NC加工程序代碼,。
3.3 數(shù)控編程實例
利用Pro/ENGINEER進行產(chǎn)品及模具的數(shù)控編程與仿真加工，當產(chǎn)品模型更改時,，所設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代碼都隨之更新,。做到了產(chǎn)品設計與制造數(shù)據(jù)的全相關，使設計制造一體化,。圖4為上述玻璃鋼熱復合模凸模產(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)表的內容進行編輯修改,，生成高效優(yōu)質的數(shù)控程序,。

a) b) c)
圖4 數(shù)控編程實例
a)編程流程樹 b)凸模刀具軌跡 c)工藝參數(shù)樹

4 小結
本文以玻璃鋼熱復合模的模具設計和數(shù)控編程的應用為例，講述了在Pro/ENGINEER軟件平臺上,，利用系統(tǒng)的參數(shù)化驅動特征造型設計和共享數(shù)據(jù)庫的動態(tài)關聯(lián)設計,、基于專家系統(tǒng)的模具設計和數(shù)控加工編程等技術，系統(tǒng)介紹了模具設計與數(shù)控編程的流程,，在克服2D模具設計的缺點的同時提高了模具設計開發(fā)的成功經(jīng)驗和成功率,。在NC加工編程環(huán)境下,，對抽出的凸凹模模型直接進行數(shù)控編程,，大大減少了編程時的建模工作量,，提高設計資源的可重復利用率，減少了設計與數(shù)控編程中的錯誤率,，真正意義上實現(xiàn)了產(chǎn)品的全相關性設計與制造一體化,。
在實際應用中,，可擴展到以空間型面定位的專用工裝夾具的設計與數(shù)控編程,，可以快速高效地進行專用夾具的設計與數(shù)控編程加工,，為提高Pro/ENGINEER的軟件應用水平和擴大其應用范圍提供了借鑒作用,。CAD/CAM一體化是解決產(chǎn)品設計,、數(shù)控加工編程高效率高質量的主要途徑之一,，也是當今機械工程應用領域的發(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,。

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