趙振宇,蔡耀安,張澤熙,肖永山

(深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,深圳518172)

0 引言

近年來模具行業(yè)飛速發(fā)展,模具的設(shè)計(jì)和制造已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。Unigraphics(UG)NX是當(dāng)今世界上最先進(jìn)、最主流的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件之一。UG軟件具有較強(qiáng)大的CAD/CAM/CAE功能,其中Model Wizard模塊的模具設(shè)計(jì)功能非常強(qiáng)大,操作也很方便,因此UG在模具工業(yè)中,尤其在塑料模具設(shè)計(jì)中應(yīng)用范圍非常廣泛[1,2]。UG Mold Wizard是一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用模塊,主要應(yīng)用于注射模具自動(dòng)設(shè)計(jì)[3－5]。該模塊運(yùn)用知識(shí)嵌入的基本理念,按照注射模具設(shè)計(jì)過程的一般順序來實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。在此設(shè)計(jì)過程中,用戶只需根據(jù)一個(gè)產(chǎn)品的三維實(shí)體模型,即可自動(dòng)設(shè)計(jì)一般注射模具,還能結(jié)合運(yùn)用UG軟件的其他應(yīng)用模塊來拓展其功能,設(shè)計(jì)出復(fù)雜程度較高的注射模具。

高速銑削加工技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于模具制造行業(yè)之中。高速銑削具有如下特點(diǎn):利用高速低負(fù)荷狀態(tài)更快地切除材料,高速切削的主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度都很高,這樣可使大部分的切削熱通過切屑帶走,以減少零件的熱變形;此外,高速切削低負(fù)荷切削意味著可通過減小切削深度而減輕切削力,從而減少切削過程中的振動(dòng)和變形。

本文以風(fēng)扇上蓋為例,綜合利用UG Mold Wizard的功能,系統(tǒng)地闡述了設(shè)計(jì)過程及要點(diǎn),設(shè)計(jì)了一套風(fēng)扇上蓋的注塑模具,并對(duì)風(fēng)扇型腔進(jìn)行了高速銑削加工。文中實(shí)例表明,在注塑模具設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用UG Mold Wizard,可以顯著縮短模具設(shè)計(jì)和改進(jìn)的周期,提高塑料產(chǎn)品的品質(zhì),為企業(yè)節(jié)省了生產(chǎn)成本,提高了經(jīng)濟(jì)效益。

1 風(fēng)扇上蓋的注塑模具的設(shè)計(jì)

注塑模具的三維設(shè)計(jì)一般是根據(jù)注塑工藝要求和塑件的三維模型,通過分型、創(chuàng)建型腔、型芯、頂針、滑塊、鑲件等,并通過導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)模架和其他標(biāo)準(zhǔn)部件,完成模具的設(shè)計(jì)。

基于UG的注塑模具設(shè)計(jì)的主要流程是:在UG建模環(huán)境下創(chuàng)建塑件的三維模型;在UG Mold Wizard設(shè)計(jì)環(huán)境加載塑件;對(duì)塑件進(jìn)行模具分型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)過程如下:

1)創(chuàng)建塑件三維模型

根據(jù)提供的塑件樣品,在UG Modeling模塊下靈活運(yùn)用各種建模命令,創(chuàng)建風(fēng)扇上蓋的三維模型如圖1所示。

2)注塑模具總體結(jié)構(gòu)的確定

針對(duì)這個(gè)模型,為了保證模具的質(zhì)心盡量靠近其幾何中心,又要盡可能的簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu),擬采用一模一腔的設(shè)計(jì)思路;由于零件對(duì)底面、側(cè)面粗糙度要求不高,可選用大水口系統(tǒng)模架;為了提高加工效率和節(jié)省成本,定模型芯和動(dòng)模型芯均采用整體嵌入式結(jié)構(gòu)。

圖1 三維模型

將創(chuàng)建好的零件三維模型文件拷貝到即將建立的模具結(jié)構(gòu)項(xiàng)目文件所在的目錄下,然后用UG Mold Wizard模塊所對(duì)應(yīng)的工具條中的按鈕(Load)打開項(xiàng)目初始化對(duì)話框,材料選擇ABS＋PC;收縮率為1.0055,輸入相應(yīng)的參數(shù)后,進(jìn)入U(xiǎn)G Mold Wizard模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)項(xiàng)目初始化如圖2。

圖2 項(xiàng)目初始化

3)分模

2018年9月25日，習(xí)近平總書記親臨黑龍江墾區(qū)考察，并對(duì)農(nóng)墾定位、發(fā)展戰(zhàn)略、深化改革、糧食生產(chǎn)、綠色發(fā)展、農(nóng)業(yè)科技等工作作出了一系列重要指示，為推進(jìn)農(nóng)墾改革發(fā)展指明了方向。墾區(qū)廣大干部群眾備受鼓舞，更加堅(jiān)定了推進(jìn)農(nóng)墾改革發(fā)展的信心和決心。集團(tuán)（總局）黨委把學(xué)習(xí)宣傳貫徹習(xí)近平總書記在墾區(qū)考察時(shí)的重要講話精神作為首要政治任務(wù)，以把握精神實(shí)質(zhì)、核心要義、統(tǒng)一思想行動(dòng)為根本，以推動(dòng)農(nóng)墾改革發(fā)展為目標(biāo)，注重以上率下，注重全面系統(tǒng)，注重知行合一，在“高”“廣”“深”“實(shí)”上發(fā)力，高標(biāo)準(zhǔn)高質(zhì)量地做好習(xí)近平總書記重要講話精神的學(xué)習(xí)宣傳貫徹工作，收到了良好的效果。

分模是注射模具設(shè)計(jì)的最重要的一環(huán),它是用分模面將包含模具型腔的體積塊分開成動(dòng)模型芯和定模型腔,而分模面就是動(dòng)模型芯和定模型腔的接觸面。分模一般按以下步驟進(jìn)行:修補(bǔ)塑件;提取塑件的分型線;生成分模面;分模得到動(dòng)模型芯、定模型腔和滑塊型芯。

對(duì)于具有孔或者槽的塑件,在分模前需要修補(bǔ)好這些結(jié)構(gòu)。修補(bǔ)分為片體修補(bǔ)和實(shí)體修補(bǔ),風(fēng)扇上蓋由于具有開放的空間,需要采用實(shí)體修補(bǔ),經(jīng)實(shí)體修補(bǔ)后的風(fēng)扇上蓋產(chǎn)品和相應(yīng)的實(shí)體修補(bǔ)塊如圖3所示。

圖3 修補(bǔ)塑件

塑件修補(bǔ)好后,開始提取塑件的分型線。分型線是產(chǎn)品的最大輪廓線,是產(chǎn)生分模面的基礎(chǔ)。電池扣分型線可以通過搜索修補(bǔ)好的塑件的邊線獲取,自動(dòng)搜索分型線,如圖4所示。

圖4 分型線

分模面是以產(chǎn)生的分型線為基礎(chǔ),采用有界平面的方法獲得。然后提取區(qū)域,使得構(gòu)成塑件的所有面都被指派到型芯側(cè)或型腔側(cè)。如果面的總數(shù)等于型芯和型腔的面的總和,則可以通過自動(dòng)或分步的方法進(jìn)一步獲得型腔和型芯,如圖5。

圖5 型芯和型腔的創(chuàng)建

4)確定模架和模具標(biāo)準(zhǔn)件

針對(duì)型芯和型腔的大小,選擇合適的模架。選擇大水口系統(tǒng)模架,如圖6所示,系統(tǒng)自動(dòng)載入模架。接著為模具選擇標(biāo)準(zhǔn)件,包括主流道襯套、定位環(huán)、頂針、拉料桿、復(fù)位彈簧、垃圾釘、支撐柱等。

圖6 模架

5)創(chuàng)建澆口特征

圖7 澆口的創(chuàng)建

6)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用冷卻系統(tǒng)特征,分別創(chuàng)建冷卻系統(tǒng)的水道特征、堵頭特征、水管連接特征等。這套模具的冷卻系統(tǒng)主要是用來冷卻成型型腔,可以創(chuàng)建形冷卻水道示意圖,如圖8所示。

圖8 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2 電腦風(fēng)扇型腔高速加工技術(shù)的應(yīng)用

高速銑削加工用量的確定主要考慮加工效率、加工表面品質(zhì)、刀具磨損以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料時(shí),加工用量會(huì)有很大差異,目前尚無完整的加工數(shù)據(jù),可根據(jù)實(shí)際選用的刀具和加工對(duì)象參考刀具廠商提供的加工用量選擇。一般的選擇原則是中等的每齒進(jìn)給量fz,較小的軸向切深ap,適當(dāng)大的徑向切深ae,切削速度[6]。電腦風(fēng)扇型腔數(shù)控加工在DMU60T加工中心上進(jìn)行,采用的數(shù)控系統(tǒng)是西門子840D。風(fēng)扇型腔如圖9型腔,材料是模具鋼P(yáng)20,選用的刀具是TiAlN涂層刀。加工參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖9 風(fēng)扇型腔

表1 高速銑削加工的刀具

1)粗加工策略

粗加工的主要目標(biāo)是追求單位時(shí)間內(nèi)的材料去除率,并為半精加工準(zhǔn)備工件的幾何輪廓,保證后續(xù)半精加工或精加工余量均勻,以利于粗加工刀路的平穩(wěn)、高效。UG型腔銑程序分層切除風(fēng)扇上蓋型腔零件材料,UG軟件粗加工最常用的粗加工方式有平面銑、型腔銑和插銑[7]。高速銑削粗加工采用型腔銑(跟隨周邊),其下切或行間過渡部分應(yīng)該采用斜式下刀或圓弧下刀,并且盡量采取順銑的加工方式,刀具路徑的尖角處要采用圓角的光順處理,這樣才可能保持刀具負(fù)荷的穩(wěn)定,減少任何切削方向的突然變化,從而符合高速加工的需求。根據(jù)粗加工策略和參數(shù)設(shè)置,刀具軌跡仿真如圖10。利用設(shè)定較小的切削步距和切削深度,并考慮切削深度和進(jìn)給率的合理搭配,以便保持刀具的切削載荷恒定,進(jìn)而保持恒定的材料切除率[8]。

圖10 粗加工

2)半精加工策略

半精加工的主要目標(biāo)是使工件輪廓形狀平整,表面精加工余量均勻。UG加工軟件應(yīng)用其中的參考功能,其殘留粗加工能自動(dòng)識(shí)別上一道工序的殘留區(qū)域和拐角區(qū)域,自動(dòng)判別在上一道工序留有的臺(tái)階的層間進(jìn)行切削,系統(tǒng)智能地優(yōu)化刀具路徑,使用戶能夠獲得空走刀最少的優(yōu)化的刀具路徑。根據(jù)半精加工策略和參數(shù)設(shè)置,刀具軌跡仿真如圖11。

圖11 半精加工

3)精加工策略

精加工的主要目標(biāo)是獲得幾何尺寸、形狀精度及表面品質(zhì)的工件,保證加工的零件符合設(shè)計(jì)要求的表面品質(zhì)和尺寸精度。UG的精加工的連接處應(yīng)盡量采用圓弧或螺旋等方式切入切出工件,要盡量減少抬刀次數(shù)和減少刀具路徑頻繁的方向變化。使用UG進(jìn)行高速精加工,不僅要注意使用拐角過渡光順、圓弧進(jìn)退刀加工策略外,最好把零件表面分為陡峭區(qū)域和非陡峭區(qū)域分別進(jìn)行精加工,以保證恒定的殘留高度。陡峭區(qū)域適合選用等高輪廓銑方式,其中切削參數(shù)選項(xiàng)中的層之間連接方法選擇直接對(duì)部件進(jìn)刀方法,該種層間連接方法中間不抬刀,生成的刀具路徑連續(xù)光滑,沒有不同層高之間的刀軌移動(dòng),避免了由于抬刀和進(jìn)刀頻繁對(duì)零件表面品質(zhì)的影響。非陡峭區(qū)域適合選用固定軸輪廓銑方式,可通過設(shè)置刀軸的方向、投影矢量和驅(qū)動(dòng)方法等在復(fù)雜輪廓表面上生成刀具路徑。根據(jù)精加工策略和參數(shù)設(shè)置,刀具軌跡仿真如圖12。

圖12 精加工

4)清根加工策略

使用UG清根加工方法能夠沿著部件表面形成的凹角與溝槽生成刀軌,系統(tǒng)根據(jù)加工最佳法則自動(dòng)確定清根的方向和順序[9]。用該驅(qū)動(dòng)方法創(chuàng)建刀具路徑時(shí),系統(tǒng)使刀具盡可能與部件幾何保持接觸,減少刀具的非切削運(yùn)動(dòng),進(jìn)一步優(yōu)化了刀軌。當(dāng)塑料模具中出現(xiàn)復(fù)雜的型芯或型腔時(shí),使用該策略可減少精加工或半精加工的時(shí)間,并可確保余量均勻,保證刀具路徑平滑光順,切削負(fù)荷均勻一致。

結(jié)語

傳統(tǒng)的注塑模具設(shè)計(jì),從模具分型到具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),完全依靠自身的經(jīng)驗(yàn),對(duì)設(shè)計(jì)者的要求較高,并且效率低下?，F(xiàn)代制造技術(shù)在模具制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用,高速銑削加工技術(shù)以其高效、高精度和高的表面加工品質(zhì)在模具制造中起到越來越重要的作用。采用UG Mold Wizard可以讓系統(tǒng)引導(dǎo)設(shè)計(jì)者逐步完成設(shè)計(jì)內(nèi)容,并且創(chuàng)建出來的模具與塑件產(chǎn)品參數(shù)相關(guān),這樣模具設(shè)計(jì)變得更加快捷、簡(jiǎn)單、容易修改。本文以風(fēng)扇上蓋為例,詳細(xì)介紹的這種基于UG Mold wizard模塊的注塑模具設(shè)計(jì),操作簡(jiǎn)便,快速高效,具有很大的靈活性。應(yīng)用UG軟件對(duì)模具進(jìn)行設(shè)計(jì),提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率,避免傳統(tǒng)方法人為因素多,要多次修改試模的缺點(diǎn),減少模具設(shè)計(jì)及制造周期,提高了模具產(chǎn)品品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益。

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