NX8.0在殼體模具型腔設計與數控加工中的應用

郭 晟，陽彥雄，劉 勇，賴 嘯

（宜賓職業技術學院，宜賓 644000）

NX8.0在殼體模具型腔設計與數控加工中的應用

郭 晟，陽彥雄，劉 勇，賴 嘯

（宜賓職業技術學院，宜賓 644000）

0 引言

隨信息技術與計算機技術的快速發展，CAD和CAM等技術日趨完善，現代企業生產中已大量應用先進的CAD/CAE/CAM集成軟件，使得三維數字化設計與加工仿真技術得到了較成熟的應用，UG(Unigraphics簡稱)NX是當今世界上最先進、最暢銷、面向制造行業的高端軟件之一[1]，該軟件提供了一個基于過程的產品設計環境，使產品開發從設計到加工真正實現了數據的無縫集成，極好地優化了產品設計與制造，大大縮短了產品從開發設計到制造的周期，節省了材料、資源、時間和經費。

作為工業之母，模具行業的發展日新月異，新產品層出不窮，而各類殼體模具是生活、生產用品的重要工藝設備，在此類模具中，型腔的設計與加工對產品質量起著至關重要的作用，模具CAD/CAM技術的應用，為推動產品質量的提高及模具技術創新發揮著重要的作用。本文主要討論運用UG軟件的CAD/CAM功能模塊，結合殼體模具零件的設計與加工工藝特點，進行型腔的三維數字化設計，并編制合理有效的殼體模具型腔的數控加工程序，以提高模具質量和縮短加工周期。

1 三維模型的建立

當消費性電子進入高度成熟期后,外形的設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品設計的追逐目標，相應的注塑模具設計要求也越來越高，現代注塑模具設計越來越依靠3D設計軟件的輔助，而UG軟件則是其中的一款性能優秀的綜合性軟件[2]。

UGNX運用其強大的面向過程驅動技術實現虛擬產品的開發，在面向過程驅動技術的環境中，能有效實現產品以及精確的數據模型的全相關，從而有效地實現了并行工程。經過對真實殼體數據的采集與分析，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，在此放大一個相應的收縮率系數），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，并通過創建草圖、回轉求差、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

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

2.1 殼體模具型腔的加工方案

零件如圖2所示，形腔由一些形狀復雜的曲面構成，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，通過數控銑銷加工，在此以底座進行一次裝夾，安排了型腔銑，設了粗加工、半精加工與精加工，并根零件結構特點，還設有區域輪廓銑與清根（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 程序設計

UG系統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，進行加工環境初始化，按工藝安排創建刀具組，并根據UG/CAM的操作流程進行幾何體的創建，指定好坐標系（根據工件裝夾要求，設置好安全平面）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 創建粗銑型腔內腔工序

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

此零件型腔周邊輪廓島嶼較多，為提高加工質量，在半精銑型腔內腔時選擇環繞切削，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速。生成刀軌并進行3D仿證，得到較優的刀軌（如圖4所示），而仿真結果也說明程序是正確的，但型腔的表面精度還難以達到設計與使用要求，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 創建內腔輪廓曲面區域銑精加工工序

輪廓銑是三坐標聯動加工，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動方式與走刀方式，可根據零件表面輪廓選擇切削路徑及切削方法，從而滿足復雜曲面的半精加工與精加工要求[8]。

模具型腔的內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”（“主軸轉速”輸3000）與“機床控制”欄下相應設置；驅動方法為“區域銑削”， 采用同心往復的切削模式，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置為0。由于是精加工，將部件的內公差及外公差均設為0。生成刀軌并進行3D動態仿真驗證，從仿真的結果來看，刀軌良好，型腔的表面加工質量好，達到設計與使用要求，可以進行刀軌確認。

圖5 輪廓曲面區域銑精加工后的仿真效果

2.2.4 清根（角）加工工序的創建

因為此零件模型復雜，存在銑銷后的殘留預料區域，為保證型腔表面質量，須安排清根（角）加工對局部區域進行后續處理，來對母模穴的角落和凹谷區域進行清理。選擇型腔的所有底面為【指定切削區域，分別完成“進給率和速度”（“主軸轉速”輸4000）與“機床控制”欄下的相應設置，驅動方法選擇清根，生成刀軌。通過運行”工具進行3D及2D動態仿真，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，其主要任務是將NX CAM軟件生成的加工刀位軌跡源文件轉成數控機床可接受的代碼(NC)文件[9]。本模具型腔的加工經過3D模擬驗證后無干涉、無過切、無碰撞、無欠切等不良情況，經過后處理生成可用于實際加工的程序，并進行了產品的加工制作，從實際加工的結果來看，模具型面質量好，順利地完成了生產任務。

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

3 結束語

UGNX軟件CAD/CAM功能具有較完美的結合，在模具的設計與加工中可以隨時對模型進行修改，并依據3D仿真結果能提前發現加工中的問題并及時解決，保證了加工質量，其自動編程彌補了人工編程的不足，提高了效率。現代模具型腔精度要求越來越高，只有綜合運用數控加工工藝手段，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應用技巧與經驗[J].機床與液壓,2009,37(2),2.

[2]郭晟,劉存平,陽彥雄.基于UG的學習機風扇盒蓋注塑模具設計[J].制造業自動化,2011,18.

[3]李海萍.模具數控加工技術的研究與發展[J].機械設計與制造,2008(6).

[4]施鑫煜.UG/CAM數控車編程加工的關鍵技術及應用[J].裝備制造技術,2012,5.

[5]薛世超,高國琴,莊景燦.模具數控加工技術的研究與發展[J].機械設計與制造,2008(6).

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

[7]李超.五軸數控加工程序設計研究[J].機械設計與制造,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用[J].機床與液壓,2011,39(3).

[9]黃志榮,丁仕燕.UGNX在醫用手柄數控加工中的應用[J].常州工學院學報,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技術是現代產品設計與制造的重要手段，是先進設計與制造技術的主力。模具CAD/CAM技術在現代模具企業研發與生產中占據關鍵地位，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——型腔的造型建模設計與數控加工編程，進行了較復雜型腔零件的三維建模、數控加工工藝設計，實現了型腔零件的開粗、固定軸曲面輪廓半精加工、曲面輪廓精加工及清根加工，對刀軌進行了優化，同時進行了3D仿真驗證，通過后處理生成了在實際生產中可執行的數控加工程序，對同類產品的設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

宜賓職業技術學院院級科研項目（YBZY SCI 13-13）