基于UG的數(shù)控加工技術(shù)在模具加工中的應(yīng)用

薛 明

(東莞市技師學(xué)院，廣東 東莞 523468)

作為中國(guó)工業(yè)的重要組成部分，模具行業(yè)在推動(dòng)中國(guó)工業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用[1]。通過(guò)使用數(shù)控加工技術(shù)對(duì)復(fù)雜的模具進(jìn)行加工，能夠減少加工時(shí)間，提高加工精度，同時(shí)保證模具加工的質(zhì)量。由于其先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和不斷發(fā)展的技術(shù)，UG在我國(guó)被工業(yè)設(shè)計(jì)人員廣泛使用[2]。UG是一個(gè)大型的CAD/CAE/CAM軟件，集成了實(shí)體、表面和線型的建模技術(shù)。UG能夠?yàn)榧庸つ＞咛峁V泛的形狀加工程序，包括平面銑、表面輪廓加工、型腔加工、輪廓加工和固定軸輪廓加工等[3]。對(duì)于復(fù)雜的幾何形狀，通過(guò)直接加工或手工編程很難保證加工精度，而使用UG模具加工單元對(duì)模具加工進(jìn)行自動(dòng)編程，不僅可以保證加工質(zhì)量，還可以提高模具加工過(guò)程的效率[4]。

1 UG軟件

1.1 UG軟件的概念

UG是一種交互式的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)，它可以提供有效的方案解決產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中的問(wèn)題，并為產(chǎn)品測(cè)試提供合適的方法。它的功能足夠強(qiáng)大，可以創(chuàng)建復(fù)雜而堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。隨著網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量的增加，UG的實(shí)際應(yīng)用得到進(jìn)一步推廣，并逐漸成為業(yè)界最重要的加工手段[5]。

1.2 UG軟件的優(yōu)點(diǎn)

UG系統(tǒng)主要使用適當(dāng)?shù)拈_(kāi)發(fā)系統(tǒng)和數(shù)字技術(shù)，管理產(chǎn)品是設(shè)計(jì)和加工。到目前為止，UG是企業(yè)中應(yīng)用較為廣泛的設(shè)計(jì)、制造和完成產(chǎn)品的綜合工具；UG可以改進(jìn)和更新產(chǎn)品，有效管理相關(guān)知識(shí)，促進(jìn)創(chuàng)新和發(fā)展，更有力地推動(dòng)企業(yè)的未來(lái)發(fā)展。此外，UG可以提供有效的解決方案，并逐步改進(jìn)和完善整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，在有限的時(shí)間和資金限制下，最大限度地提高整體上市時(shí)間。

1.3 UG軟件的功能

UG的功能主要是產(chǎn)品和模具的設(shè)計(jì)，它擁有世界上最大和最全面的設(shè)計(jì)模塊和產(chǎn)品，以及強(qiáng)大的設(shè)計(jì)和繪圖能力。現(xiàn)在主要應(yīng)用于模具的自動(dòng)分模，涵蓋了產(chǎn)品裝配、灌裝和冷卻的所有階段，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程非常直觀、快捷[6]，用戶可以根據(jù)自己的需要方便地進(jìn)行調(diào)整，還可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件的自我開(kāi)發(fā)，很大程度上提高了模具設(shè)計(jì)效率。

2 模具設(shè)計(jì)

MoldWizard軟件是一個(gè)基于UG的專業(yè)模具制造軟件，通常情況下用于模具的設(shè)計(jì)，它可以提供一個(gè)模具庫(kù)，以方便工作人員的設(shè)計(jì)工作。

2.1 初始化

在模具制作的初始化階段，設(shè)計(jì)者需要詳細(xì)分析實(shí)際的產(chǎn)品需求，設(shè)定產(chǎn)品的基本參數(shù)，并檢查是否存在特殊的問(wèn)題。這個(gè)過(guò)程主要包括逐步引入零件的模型，然后應(yīng)對(duì)其進(jìn)行分析，保證產(chǎn)品沒(méi)有缺陷和瑕疵。分割線在最外面，對(duì)裝載材料、路徑進(jìn)行設(shè)定，并允許系統(tǒng)自動(dòng)分析，根據(jù)描述的零件的具體名稱，劃分和細(xì)分為不同的層次。第一層是頂層節(jié)點(diǎn)，可根據(jù)其功能分為若干個(gè)子節(jié)點(diǎn)。例如，冷卻子集主要包含冷卻系統(tǒng)的模型和標(biāo)準(zhǔn)組件。在其中心定義了一個(gè)坐標(biāo)系，這樣設(shè)計(jì)者就可以看到結(jié)構(gòu)的實(shí)際位置，并對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。這些元素也應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)者的實(shí)際要求進(jìn)行完善和定義[7]。由于實(shí)際的冷卻過(guò)程涉及體積相關(guān)參數(shù)的逐漸變化，需要考慮一些潛在因素。特別是原始部件的形狀和實(shí)際使用的材料類型，應(yīng)確定每個(gè)零件的具體尺寸，并且考慮到材料的收縮率。例如，模具坐標(biāo)系的參考軸應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展。

2.2 分模設(shè)計(jì)

在對(duì)一個(gè)特定的形狀模具進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，分模設(shè)計(jì)通常反映在產(chǎn)品的分界面創(chuàng)造的環(huán)節(jié)上。這通常需要從產(chǎn)品的實(shí)際成型面開(kāi)始，與分型面結(jié)合，形成一個(gè)比較完整的表面，根據(jù)實(shí)際的表面紋理進(jìn)行細(xì)分，逐漸形成模具的核心和型腔。這一過(guò)程應(yīng)先在軟件中選擇一個(gè)分區(qū)管理器，并找到一個(gè)合適的處理器[8]。這個(gè)處理器可以自動(dòng)處理和搜索同一平面和不同平面的分割線。分割線根據(jù)具體的產(chǎn)品模型生成，然后進(jìn)一步調(diào)整坐標(biāo)系，以考慮到實(shí)際開(kāi)合過(guò)程中型腔接觸面的具體幾何形狀。在一些特定的情況下可以通過(guò)選擇順序創(chuàng)建選項(xiàng)，手動(dòng)完成創(chuàng)建。

2.3 后期處理

分模設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)在MoldWizard軟件的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)中選擇相應(yīng)的校準(zhǔn)任務(wù)，同時(shí)選擇標(biāo)準(zhǔn)件和模架。工作人員可以使用索引，來(lái)處理一些重要的部件數(shù)據(jù)，如活動(dòng)模板的厚度和高度，并根據(jù)指定的尺寸參數(shù)計(jì)算出支承板的厚度。此外，還將處理如下數(shù)據(jù)：首先是回填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重要的是應(yīng)平衡不同的流道，使流速、壓降和溫度等參數(shù)逐漸趨于平衡；其次，應(yīng)考慮回填系統(tǒng)中主要流道的尺寸和配置，因?yàn)樗鼈儠?huì)在一定程度上影響模具中的壓降和流速，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，主通道和噴嘴的尺寸應(yīng)完全相同，錐度應(yīng)控制在4°～6°的角度；最后是水道的橫斷面設(shè)計(jì)[9]，水道橫斷面設(shè)計(jì)的主要參考點(diǎn)是壓力、技術(shù)和能源消耗。圓形可以減少壓力和能源消耗，梯形可以提高效率并簡(jiǎn)化整個(gè)過(guò)程，而六邊形則適用于橫截面長(zhǎng)度較短的鋼軌。

3 基于UG的數(shù)控加工技術(shù)在模具加工中的作用

UG是當(dāng)今最流行的模具制造程序之一，主要因?yàn)樗且环N具有良好人機(jī)交互性的三維建模軟件，UG在根據(jù)模型加工制造模具之前，可以先確定好模具的三維空間模型。UG的數(shù)控加工技術(shù)具有強(qiáng)大的自由造型能力，使設(shè)計(jì)者能夠有效地設(shè)計(jì)復(fù)雜的形狀。UG的數(shù)控加工技術(shù)還可以用來(lái)精簡(jiǎn)一些模具的加工過(guò)程，有效避免模具材料、尺寸、形狀和其他模具加工問(wèn)題的出現(xiàn)。通過(guò)不斷改變計(jì)算機(jī)中的設(shè)計(jì)模型，可以提高模具加工的速度，有效保證模具加工的質(zhì)量[10]。

設(shè)計(jì)者可以使用UG工具制作部分交互式編程功能，來(lái)創(chuàng)建程序節(jié)點(diǎn)、幾何節(jié)點(diǎn)、支撐節(jié)點(diǎn)和加工方法節(jié)點(diǎn)，以創(chuàng)建精確的圖形化刀具路徑。在此基礎(chǔ)上，用戶可以自動(dòng)創(chuàng)建數(shù)控加工程序，根據(jù)圖形化的刀具路徑進(jìn)行加工和調(diào)整，并編輯最終刀具位置的源文件。

3.1 建立合理的加工定位基準(zhǔn)

開(kāi)始對(duì)模具進(jìn)行數(shù)控加工之前，有必要選擇適當(dāng)?shù)亩ㄎ稽c(diǎn)并創(chuàng)建加工坐標(biāo)系。為了保證模具的位置和尺寸精度，數(shù)控加工的定位參考點(diǎn)應(yīng)與模具設(shè)計(jì)參考點(diǎn)和工藝參考點(diǎn)基本一致。模具定位的理想點(diǎn)是盡量減少累積誤差對(duì)模具精度的影響。所需要的方法應(yīng)根據(jù)模具的特點(diǎn)進(jìn)行選擇。因此，在開(kāi)始計(jì)算機(jī)輔助模具設(shè)計(jì)之前，用戶應(yīng)對(duì)加工誤差和模具的尺寸有充分的了解，并據(jù)此選擇工件定位的參考點(diǎn)，設(shè)置安全平面，選擇工件最高處的平面作為安全平面，防止刀具在快速移動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生刀具干涉，以確保模具加工的質(zhì)量。加工坐標(biāo)系和安全平面如圖1所示。

3.2 加工方法的選用

確定了加工位置的參考點(diǎn)，設(shè)計(jì)者就需要為當(dāng)前的加工過(guò)程選擇合適的加工方法。加工方法的選擇對(duì)模具加工的效率和質(zhì)量有著決定性的影響，是整個(gè)模具加工過(guò)程中不可缺少的一部分。UG為模具提供了多種數(shù)控模具加工方法，以滿足加工過(guò)程中不同階段的要求。

3.2.1 粗加工階段

模具加工的第一道工序是粗加工，這對(duì)所有模具來(lái)說(shuō)也是必不可少的。粗加工階段主要的任務(wù)是獲得加工部分，并清除所有的廢料，該階段使用的工具一般都是大直徑的刀具。同時(shí)，必須相應(yīng)提高加工速度，最佳加工速度通常是最大直徑。然而，應(yīng)該注意的是，在確定刀具的性能時(shí)，需要考慮到盡可能多的條件，例如切削速度、范圍和最佳速度。這些因素包括刀具本身的相對(duì)特性、被加工材料的特性和機(jī)床的能力。這些條件確保了工具的質(zhì)量，并提高了工具加工的效率。多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)有許多不同類型的刀具、大的切削范圍和切削速度時(shí)，刀具本身的速度會(huì)降低。此外，應(yīng)嚴(yán)格控制切割速度，并相應(yīng)放慢速度。在目前的制造階段，UG型腔銑是最常用的粗加工方式。如果對(duì)模具制作進(jìn)行相應(yīng)的粗加工，局部零件要按照?qǐng)A周和細(xì)部進(jìn)行粗加工連接，即在最大的切削路徑率下，也可以選擇面銑、平面銑。

3.2.2 半精加工階段

精加工階段之前是半精加工階段，它與下一個(gè)階段的進(jìn)展和模具的最終質(zhì)量密切相關(guān)。半精加工階段的主要目的是確保在下一個(gè)加工階段之前，待加工零件的剩余部分是光滑和均勻的。如果在粗加工階段，模具表面的其余部分是均勻的，那么精加工階段就可以直接開(kāi)始。在平面銑或型腔銑中使用大型刀具進(jìn)行粗加工的問(wèn)題是，在工件的平面或曲面上留下不均勻的殘留物。經(jīng)過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和資料研究得出結(jié)論：主要在大刀不能考慮工件倒角或死角、大刀不能到達(dá)槽口、小圓角加工位置大于大球頭銑刀的加工極限、槽口之間有切削層等情況下，會(huì)出現(xiàn)不均勻殘留。為了克服上述問(wèn)題，可以采取如下有效措施來(lái)提高模具的加工效率：為了解決凹槽狹窄的問(wèn)題，可以通過(guò)設(shè)置型腔銑來(lái)加工零件的其余部分；零件四角的加工應(yīng)通過(guò)型腔銑的參考刀具來(lái)完成；創(chuàng)建曲面輪廓銑的清根操作或徑向切削操作，然后使用較小的刀具清理未切削材料部分。

3.2.3 精加工階段

精加工是在半精加工之后進(jìn)行的，其作用是在前一道工序的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，使零件的表面標(biāo)準(zhǔn)化。在加工工件時(shí)，通常會(huì)選擇加工表面輪廓的刀具，并根據(jù)實(shí)際加工情況調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速和切削速度，這2個(gè)參數(shù)被設(shè)定在相對(duì)較高的數(shù)值。如果是平坦的工件，應(yīng)減小切削間距，以便進(jìn)行輪廓加工，切削速度應(yīng)設(shè)置得較低，主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)設(shè)置得相對(duì)較高。

3.3 刀具軌跡后置處理

在上述步驟都完成后，如圖2a所示，需要在UG軟件數(shù)控加工模塊中創(chuàng)建加工工序，依次是型腔銑粗銑、型腔銑精銑、深度輪廓粗銑、深度輪廓精銑、翻面后腔銑粗銑、型腔銑精銑等6個(gè)工序，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行加工模擬，以確保加工過(guò)程中的工件、夾具或刀具不直接與刀具相撞，同時(shí)要進(jìn)行刀具干涉的檢查。然后修改和優(yōu)化參數(shù)以消除可能存在的錯(cuò)誤，最后確定正確的刀具路徑及參數(shù)。如圖26所示，最后用戶根據(jù)機(jī)床參數(shù)選擇合適的UG后處理器，就能自動(dòng)生成模具加工程序。此處應(yīng)注意，不能直接應(yīng)用UG后處理默認(rèn)的程序格式，應(yīng)根據(jù)實(shí)際機(jī)床參數(shù)設(shè)置后處理程序格式，否則生成的程序可能導(dǎo)致加工事故。通過(guò)將該程序?qū)胂鄳?yīng)的數(shù)控機(jī)床，就可以實(shí)現(xiàn)模具的加工操作。

4 結(jié)語(yǔ)

模具加工的特殊性對(duì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求較高，逆向性已經(jīng)成為部件設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的一個(gè)重要特征。面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，模具制造企業(yè)應(yīng)提高模具加工的精度控制，充分利用UG數(shù)控技術(shù)，結(jié)合模具加工的實(shí)際需要和特點(diǎn)，優(yōu)化并進(jìn)一步提高軟件的性能，加大研發(fā)和探索力度，引領(lǐng)和推動(dòng)模具制造行業(yè)走向新的發(fā)展。