proe在熱模設計與數(shù)控加工編程中的應用

2013-06-01 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

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

王華僑;李新洲;許建
關鍵字:proeNGINEER 三維設計模具設計

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。

proeNGINEER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。

proeNGINEER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 proeNGINEER的模具設計方案

2.1 基于專家系統(tǒng)的模具設計

利用proeNGINEER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proeNGINEER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proeNGINEER 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 proeNGINEER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,proeNGINEER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proeNGINEER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proeNGINEER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。

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proeNGINEER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proeNGINEER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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