proe在熱模設(shè)計(jì)與數(shù)控加工編程中的應(yīng)用

2013-06-01 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線(xiàn)

本文講述了利用proeNGINEER進(jìn)行玻璃鋼產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)及其數(shù)控編程的流程,以實(shí)例的形式說(shuō)明了利用proeNGINEER軟件的參數(shù)化特征造型和共享數(shù)據(jù)庫(kù)的特性在模具設(shè)計(jì)和數(shù)控編程中的優(yōu)點(diǎn),為讀者從事產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)與數(shù)控編程的高效應(yīng)用提供了參考借鑒作用。

王華僑;李新洲;許建
關(guān)鍵字:proeNGINEER 三維設(shè)計(jì) 模具設(shè)計(jì)

1 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(chē)、機(jī)械、電子、航空航天等行業(yè)的50%以上產(chǎn)品依賴(lài)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。

proeNGINEER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,提供了以參數(shù)化特征實(shí)體造型為基礎(chǔ)、部件間的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)、共享數(shù)據(jù)庫(kù)和專(zhuān)家系統(tǒng)知識(shí)等技術(shù),是集產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析和制造一體化的CAD/CAE/CAM軟件平臺(tái)。它使產(chǎn)品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(kù)基礎(chǔ)上同步更新。同時(shí),它保證產(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)自動(dòng)更新,避免了重復(fù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模和NC數(shù)控編程的工作,實(shí)現(xiàn)了CAD/CAE/CAM數(shù)據(jù)的全相關(guān)性設(shè)計(jì)。

proeNGINEER提供的基于專(zhuān)家系統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)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(guān)的模具設(shè)計(jì)方法克服了傳統(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)更加生動(dòng)活潑地展現(xiàn)在人們面前。它極大地提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的效率,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。系統(tǒng)還提供各種數(shù)據(jù)接口,如IGES、STL、DXF、STEP等,使用戶(hù)可直接讀取UG、Catia等CAD/CAM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型。

2 proeNGINEER的模具設(shè)計(jì)方案

2.1 基于專(zhuān)家系統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)

利用proeNGINEER軟件提供的強(qiáng)大的三維造型功能,設(shè)計(jì)者可快速完成產(chǎn)品的創(chuàng)建與修改。利用Pro/MoldDesign、Pro/Casting、Pro/Die等基于專(zhuān)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(zhuān)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,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)、零件厚度與拔模檢測(cè)等制造工藝經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了吸收和應(yīng)用。利用Pro/Plastic Advisor對(duì)模具的性能、模具結(jié)構(gòu)、注塑件在成型過(guò)程中的溫度場(chǎng)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(shè)計(jì)過(guò)程中提供了以下系列功能。

(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、澆口流道的設(shè)計(jì)。

(5)模具開(kāi)模模擬及厚度、拔模、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、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。

2.2 模具設(shè)計(jì)流程

利用proeNGINEER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(mén)進(jìn)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(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,提高了產(chǎn)品、模具、工藝設(shè)計(jì)及數(shù)控編程的效率。

圖1 模具設(shè)計(jì)工作流程

2.3 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)間的共同作用下加熱、固化、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?；蜩T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、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(lài)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proeNGINEER 基于專(zhuān)家系統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)功能模塊,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)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Pro/MoldDesign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,較采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)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。

圖2 熱復(fù)合模設(shè)計(jì)實(shí)例
(a) 產(chǎn)品圖 (b) 分型面 (c) 凹模 (d) 凸模

3 proeNGINEER的數(shù)控加工編程

3.1 數(shù)控編程功能簡(jiǎn)介

在產(chǎn)品的數(shù)控加工編程方面,proeNGINEER軟件提供了功能強(qiáng)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(qiáng)大的數(shù)控加工編程、后置處理功能。Pro/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)化的刀位軌跡生成,估計(jì)加工的時(shí)間。它所具有的數(shù)控車(chē)削、銑削、線(xiàn)切割加工編程功能,支持車(chē)削中心、五軸銑削中心和四軸線(xiàn)切割數(shù)控加工編程功能,具備完整關(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Pro/NC生成的刀具軌跡文件稱(chēng)為CL Data(Cutter Location Data),通過(guò)Nc Check進(jìn)行仿真加工檢測(cè)切削狀況,提供的Vericut模擬功能可以模擬材料的去除過(guò)程,使用戶(hù)對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行快速校驗(yàn)和刀具軌跡地優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),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后置處理產(chǎn)生NC代碼。其提供的后置處理程序能滿(mǎn)足如Fanuc、 Heidenhain、Simenses、 Mitsubishi、 Mazak、Agie和Charmilles等數(shù)控系統(tǒng)。用戶(hù)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。

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(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(xiàn)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Pro/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proeNGINEER進(jìn)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(jìn)行數(shù)控編程時(shí),要求制造工程師遵循一定的邏輯步聚來(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、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、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,通過(guò)仿真加工Vericut功能檢測(cè)刀位軌跡不合理之處 ;最后,通過(guò)后處理程序?qū)L Data文件經(jīng)Gpost或Ncpost后置處理生成相應(yīng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)NC加工程序代碼。

3.3 數(shù)控編程實(shí)例

利用proeNGINEER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代碼都隨之更新。做到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造數(shù)據(jù)的全相關(guān),使設(shè)計(jì)制造一體化。圖4為上述玻璃鋼熱復(fù)合模凸模產(chǎn)品數(shù)控加工的刀具軌跡圖。用戶(hù)可以根據(jù)加工的需要對(duì)數(shù)控編程過(guò)程樹(shù)和工藝參數(shù)表的內(nèi)容進(jìn)行編輯修改,生成高效優(yōu)質(zhì)的數(shù)控程序。

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

4 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,講述了在proeNGINEER軟件平臺(tái)上,利用系統(tǒng)的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)特征造型設(shè)計(jì)和共享數(shù)據(jù)庫(kù)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)、基于專(zhuān)家系統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)和數(shù)控加工編程等技術(shù),系統(tǒng)介紹了模具設(shè)計(jì)與數(shù)控編程的流程,在克服2D模具設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)的同時(shí)提高了模具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)和成功率。在NC加工編程環(huán)境下,對(duì)抽出的凸凹模模型直接進(jìn)行數(shù)控編程,大大減少了編程時(shí)的建模工作量,提高設(shè)計(jì)資源的可重復(fù)利用率,減少了設(shè)計(jì)與數(shù)控編程中的錯(cuò)誤率,真正意義上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的全相關(guān)性設(shè)計(jì)與制造一體化。

在實(shí)際應(yīng)用中,可擴(kuò)展到以空間型面定位的專(zhuān)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(zhuān)用夾具的設(shè)計(jì)與數(shù)控編程加工,為提高proeNGINEER的軟件應(yīng)用水平和擴(kuò)大其應(yīng)用范圍提供了借鑒作用。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。

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