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文檔簡介
1、一、前言產(chǎn)品的 CAD 三維造型是整個產(chǎn)品設(shè)計過程中的重要環(huán)節(jié),為提高產(chǎn)品的三維設(shè)計效率和質(zhì) 量,用戶必須掌握三維 CAD 造型的原理,充分了解 CAD 軟件中的造型方法。充分利用現(xiàn) 代先進(jìn)的 CAD 技術(shù),不但可以輔助設(shè)計者完成其設(shè)計構(gòu)思,減輕勞動強度,提高效率和精 度,改善視覺效果,而且為后續(xù)的分析、模具設(shè)計、 NC 加工等奠定基礎(chǔ)。UnigraphicsNX 提供了以參數(shù)化為基礎(chǔ),基于特征實體造型、部件間的關(guān)聯(lián)設(shè)計、專家設(shè)計 系統(tǒng)等技術(shù)。其核心技術(shù)是采用非均勻有理 B 樣條(NURBS) 作為曲面造型的基礎(chǔ),融線框 模型、 曲面造型、實體造型為一體, 參數(shù)化和特征化的混合造型系統(tǒng)。 系統(tǒng)
2、建立在統(tǒng)一的富 有關(guān)聯(lián)性的數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上,提供了工程上的完全關(guān)聯(lián)性使 CAD/CAM/CAE 各部分?jǐn)?shù)據(jù)自由 聯(lián)動切換。 UGNX 吸收了各種建模技術(shù)的優(yōu)點,率先推出了最先進(jìn)的復(fù)合建模方式,將參 數(shù)化實體建模、高級自由曲面建模、線框建模融于一體。復(fù)合建模技術(shù)代表了 CAD 發(fā)展的 趨勢,即易用、自由、高效,是目前 CAD 行業(yè)最優(yōu)化的建模方式。它可使工程師在工作時 完全不必受某種單一建模方法的束縛, 自由地、 快速地完成建模。 它既具有參數(shù)化建模的靈 活方便,在處理復(fù)雜產(chǎn)品方面又具有獨特的優(yōu)勢。 UGNX 以實際工程需要為導(dǎo)向,逐漸發(fā) 展為了 CAD/CAM/CAE/PDM 一體化的系統(tǒng)。 系統(tǒng)
3、同時具備如鈑金設(shè)計、注塑模具設(shè)計、沖 壓模及級進(jìn)模等多種專家設(shè)計模塊。二、UGNX/CAD 覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計1.基于 SMC 成型的覆蓋件設(shè)計實例 基于 SMC 成型的覆蓋件為全復(fù)合材料結(jié)構(gòu),主要由蒙皮和加強筋組成。蒙皮內(nèi)的加強筋作 為骨架以增加覆蓋件的強度和剛度, 具體圖 1 所示。 該復(fù)合材料覆蓋件必須滿足一定的重量 和剛度要求, 如重力作用下的變形和扭轉(zhuǎn)剛度, 高溫烤漆的表面氣泡及熱變形問題。 通過對 覆蓋件的 SMC 成型工藝及結(jié)構(gòu)上的研究,其成型方法采用分塊模壓,并最終粘接成型,由 外蒙皮、內(nèi)加強筋、前臉三個部件組成。由于覆蓋件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,其成型方案設(shè)計時,分 別模壓成型蒙皮、加強筋
4、,然后粘接成一體, 并根據(jù)其強度和剛度要求進(jìn)行局部加強。 其結(jié) 構(gòu)設(shè)計有以下特點: 圖 1 外蒙皮及總體裝配示意圖制品的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)形狀 制品的外部形狀應(yīng)該力求簡單, 內(nèi)腔是制品的主要型面, 為保證易于脫模和成型, 應(yīng)設(shè)計成 圓滑結(jié)構(gòu)。 避免內(nèi)腔深度尺寸過大, 對模壓成型造成困難。 該覆蓋件三個部件的所有連接特 征均采用可能大的過渡圓角,從而使其易成型。脫模斜度 對于熱固性塑料,脫模斜度在平行于壓制方向的表面上一般不小于1,對于脆硬材料,脫模斜度應(yīng)設(shè)計要求大一些。 而對于精度要求較高的產(chǎn)品應(yīng)采用較小的脫模斜度, 對于形狀復(fù) 雜,收縮率大, 厚壁不易脫模的制品應(yīng)采用較大的脫模斜度。 由于覆蓋件尺寸
5、較大,拔模斜 度設(shè)計一般都設(shè)計在 3以上,局部地區(qū)介于 1.5 8之間。壁厚由于 SMC 具有良好的流動性,可以成型各種薄壁變厚度尺寸的制品,其最厚截面應(yīng)保持在 13mm 以下,對于超過 25mm 的厚度,可采用特殊的引發(fā)體系,在 SMC 產(chǎn)品設(shè)計時,避免 過薄尺寸,大面積尺寸應(yīng)大于 1mm 厚,由于壁厚的不均勻性易產(chǎn)生變形,因此在變厚度地 區(qū),應(yīng)采用圓滑過渡。 SMC 成型的覆蓋件產(chǎn)品厚度一般在 3mm 左右。加強筋和凸緣結(jié)構(gòu) 對于覆蓋件薄壁結(jié)構(gòu),為增加剛度,防止產(chǎn)品變形,在多處地區(qū)設(shè)計了加強筋和凸緣結(jié)構(gòu), 筋的側(cè)面均為 3以上的拔模斜度和 3mm 以上的圓角半徑,其加強結(jié)構(gòu)如下圖 2 所示
6、。對 于整體粘接后的工況要求,在局部地區(qū)采用薄板鋁合金橫梁加強,采用粘接和螺釘對 SMC 和鋁合金橫梁進(jìn)行連接。 結(jié)構(gòu)強度剛度優(yōu)化則主要采用盒形件、 矩形加強筋及凸緣等結(jié)構(gòu)來 加強。圖2 盒形件、加強筋、凸緣結(jié)構(gòu)示意圖2. 基于 UGNX 的覆蓋件設(shè)計技巧 該覆蓋件比較復(fù)雜, 需要對其結(jié)構(gòu)合理地分解, 確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要特征。 在造型時根據(jù)產(chǎn) 品的主要結(jié)構(gòu)建立特征曲線,通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等建立一個合理的“毛坯” ,再進(jìn)行外 觀的細(xì)節(jié)設(shè)計, 產(chǎn)品的外觀形狀多由光順圓順的自由型曲線曲面組成。 要保證構(gòu)造出來的曲 面既光順又能滿足一定的精度要求, 就必須掌握一定的曲面造型技巧。 由于覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計
7、 造型本身比較復(fù)雜, 對設(shè)計者的要求比較高, 以下為作者在完成該產(chǎn)品設(shè)計時總結(jié)出的一些 經(jīng)驗:先整體后局部、參數(shù)化與非參數(shù)化有效的結(jié)合在工程中, 常常難以用一張連續(xù)完整的曲面來表達(dá)一個復(fù)雜的產(chǎn)品外形。 這樣構(gòu)造的曲面往 往不光順, 產(chǎn)生大的變形。這時可根據(jù)軟件提供的曲面造型方法, 結(jié)合產(chǎn)品的外形情況,將 其劃分為多個區(qū)域來構(gòu)造多張曲面, 然后將其縫合, 或用過渡面與其連結(jié)。 針對產(chǎn)品的需求 及優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo),在進(jìn)行造型時應(yīng)合理的利用 UGNX 提供的參數(shù)化和自由曲面造型的混 合使用問題, 如在加強筋的布局設(shè)計時采用參數(shù)化的線框模型, 有助于優(yōu)化分析和曲面重構(gòu) 設(shè)計等提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量效率;對于
8、 SMC 成型的 R 角等局部特征,可待有限元分析后的 結(jié)果來進(jìn)行最終確定?;驹煨凸δ艿氖炀毷褂迷诶?UGNX 進(jìn)行 SMC 成型的覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計時, 涉及基本曲線曲面操作比較多, 如常用 的直紋曲面( Ruled Surface )、拉伸面( Extruded Surface )、掃描面( Swept Surface)、縮放面 (Enlarge Surface )、等距面( Offset Surface )、融接圓角面( Blend Surface )、裁剪面( Trim Surface)、縫合面( Sew Surface)、延伸面( Extend Surface)、邊界面( Bound
9、ary Surface )。 要注意這些基本曲面和派生曲面的使用特點,如拉伸功能可進(jìn)行帶傾斜拔模角度的曲面設(shè) 計。同時對于基本的曲線,如直線、圓弧、曲線裁剪(Trim curve )、長度調(diào)節(jié)( Arc length )、等距線( Offset Curve )、投影曲線( Project Curve )、相交曲線( Intersection Curve )和曲線 連接( Join Curve )等生成及其編輯修改,應(yīng)做到靈活熟練。同時還應(yīng)區(qū)分Sketch 和 Curve的使用方法以及坐標(biāo)系統(tǒng)的靈活使用??旖萱I、圖層和顏色的使用 由于覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計、 模具設(shè)計與數(shù)控編程的工作量比較大, 使用快捷
10、鍵有助于降低勞動強 度。而合理的規(guī)劃圖層、顏色對幾何圖形對象的表達(dá)有助于提高設(shè)計的效率和信息的表達(dá)。 而充分利用圖形對象的陣列( Instance)、轉(zhuǎn)換( Transform )功能,可大幅度提高產(chǎn)品的設(shè)計 效率和質(zhì)量。從模具的角度考慮 產(chǎn)品三維造型的最終目的是制造。 產(chǎn)品零件大都是由模具生產(chǎn)出來的, 因此,在三維造型時, 要從模具的角度去考慮, 在確定產(chǎn)品出模方向后, 應(yīng)檢查曲面能否出模, 是否有倒扣現(xiàn)象 (即 撥模角為負(fù)角) ,如發(fā)現(xiàn)有倒扣現(xiàn)象,應(yīng)對曲面的控制線進(jìn)行修改,重構(gòu)曲面。這一點往往 被忽略, 卻是非常重要的。 在 SMC 模壓成型的覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計時表現(xiàn)尤為重要, 由于 SMC
11、成型工藝的要求,一般圓角不小于R3,拔模角度不小于 1。曲線曲面的光順控制 由于覆蓋件產(chǎn)品的外觀要求比較高、 同時涉及到模具成型以及結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化分析網(wǎng)格劃分 的需求, 要求產(chǎn)品的曲面光順性較好。 為保證曲面的光順性, 在造型滿足產(chǎn)品幾何要求的前 提下,可利用延伸、投影等方法將原始的 3D 輪廓線還原為 2D 輪廓線,刪除細(xì)節(jié)部分,然 后構(gòu)造出“重構(gòu)”曲面,再利用面的修剪方法獲得曲面外輪廓。在構(gòu)造曲面時,要隨時檢查 所建曲面的狀況,注意檢查曲面是否光順,是否扭曲,曲率變化情況等,以便及時修改。檢 查曲面光順的方法可利用對構(gòu)成的曲面進(jìn)行渲染處理, 即通過透視、 透明度和多重光源等處 理手段產(chǎn)生高
12、清晰度的逼真性和觀察性良好的彩色圖像, 再根據(jù)處理后的圖像光亮度的分布 規(guī)律來判斷出曲面的光順度。 圖像明暗度變化比較均勻, 則曲面光順性好, 如果圖像在某區(qū) 域的明暗度與其它區(qū)域相比變化較大, 則曲面光順性差。 另外, 可顯示曲面上的等高斯曲率 線,進(jìn)而顯示高斯曲率的彩色光柵圖像, 從等高斯曲率線的形狀與分布、 彩色光柵圖像的明 暗區(qū)域及變化,直觀地了解曲面的光順性情況。三、UGNX/CAM 覆蓋件模具設(shè)計與數(shù)控編程1.SMC 成型覆蓋件模具設(shè)計UnigrahpicsNX 提供了基于專家系統(tǒng)的注塑模( Mold Wizard )、鈑金零件沖壓模( Die Engineer)和級進(jìn)模( Pro
13、gressive Die Wizard )等模具設(shè)計功能,模具專家設(shè)計系統(tǒng)融入了 模具設(shè)計師的經(jīng)驗和系統(tǒng)開發(fā)師的智慧, 使用它們可以加速模具設(shè)計速度, 提高產(chǎn)品的設(shè)計 質(zhì)量。以下為 UGNX 系統(tǒng)提供的部分模具專家設(shè)計系統(tǒng)的簡介 .(1)UGNX 沖壓模具工程( UG/Die engineering )它是 UG 面向汽車鈑金件沖壓模具設(shè)計而推出的一個模塊,其功能包括沖壓工藝過成定義, 沖壓工序件的設(shè)計, 如壓力中心的調(diào)整、 工藝補充面的設(shè)計、 拉伸壓料面的設(shè)計、 分配成型 工序等內(nèi)容, 以幫助用戶完成沖壓模具的設(shè)計。 同時提供了一個完整的級進(jìn)模設(shè)計環(huán)境, 封 裝了模具設(shè)計的專家知識, 其基于
14、 UG/WAVE 關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù), 系統(tǒng)自動抽取鈑金特征, 使條 料排樣與零件幾何關(guān)聯(lián), 實現(xiàn)了設(shè)計信息的一體化。 系統(tǒng)從工程建立開始, 可以完成條料排 樣、廢料設(shè)計、模架選擇、功能組件設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)件的選取,提供提供的客戶模架庫、標(biāo)準(zhǔn)件 庫、鑲件庫加快了級進(jìn)模結(jié)構(gòu)設(shè)計的速度,提高了設(shè)計的質(zhì)量和效率。(2)UGNX 注塑模設(shè)計( MoldWizards ) 整合了模具專家的經(jīng)驗, 提供實務(wù)的設(shè)計流程, 參數(shù)式圖形建構(gòu), 使模具設(shè)計經(jīng)驗較少的工 程師也能在循序漸進(jìn)的導(dǎo)覽設(shè)計之下, 使模具設(shè)計師快速完成從產(chǎn)品、 凸凹模、 模架與標(biāo)準(zhǔn) 件的設(shè)計與裝配、 工程圖一系列過程。 提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量同時大幅度縮短
15、制程周期, 降低 了生產(chǎn)成本。系統(tǒng)以 3D 產(chǎn)品傳遞資料,彈性靈活的機(jī)構(gòu)設(shè)計,使設(shè)計模具工作具有更多彈 性空間。 通過建立模具設(shè)計工程、 模具簇、 建立坐標(biāo)系、 設(shè)置收縮率、 設(shè)定凸凹模毛坯尺寸、 模具輔助工具及分模、 調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)模架庫及標(biāo)準(zhǔn)件、 設(shè)計滑塊和頂出機(jī)構(gòu)、 設(shè)置澆口流道與冷 卻系統(tǒng)、設(shè)計電極、模具總裝與零件清單 BOM 表等快速的完成模具的設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)件配置到 NC 編程環(huán)境。由于 SMC 成型熱壓模具,其結(jié)構(gòu)與沖壓模類似,同時有注塑模的特點,如加熱系統(tǒng)、抽芯 結(jié)構(gòu)等特征。在利用 UGNX 進(jìn)行該覆蓋件的模具設(shè)計時,要根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行功能 的合理應(yīng)用,如等厚度的外蒙皮其分型面的設(shè)
16、計,可直接利用 UGNX 模具專家系統(tǒng)提供的 模具分模功能來完成。 SMC 模壓成型設(shè)備主要包括液壓機(jī)和模具,模具結(jié)構(gòu)總體設(shè)計由凸 凹模、加熱系統(tǒng)、頂出機(jī)構(gòu)、切邊機(jī)構(gòu)、抽芯結(jié)構(gòu)送料機(jī)構(gòu)等部分組成。 SMC 成型模具主 要有半溢式垂直分型和半溢式水平分析兩種結(jié)構(gòu),如下圖3 所示為 SMC 成型的覆蓋件外蒙皮的凸凹模具結(jié)構(gòu)。圖 3. 外蒙皮覆蓋件模具結(jié)構(gòu)示意圖2. SMC 成型覆蓋件模具數(shù)控編程UnigrahicsNX/CAM 由 8 個重要組成部分:包括三維建模、刀具軌跡設(shè)計、刀具軌跡編輯修 改、加工仿真、后置處理、數(shù)控編程模板、切削參數(shù)庫設(shè)計和二次開發(fā)功能接口。UnigraphicsNX 系統(tǒng)
17、提供了模具的數(shù)控編程模板 Shops_diemould ,它將預(yù)先的加工順序、工 藝參數(shù)、 切削參數(shù)設(shè)置好, 針對相似的零件加工對象, 應(yīng)用模板可以大幅度提高模具數(shù)控編 程的效率和質(zhì)量,同時在加工新的產(chǎn)品對象時,只需調(diào)用模板文件,選擇所需的幾何體,并 啟動這個流程即可。 用戶通過加工向?qū)Х浅H菀椎膹哪0逯蝎@得專家級的制造過程指導(dǎo), 全 部內(nèi)容可非常簡單而有效的提供給缺乏經(jīng)驗的用戶, 有利于吸收別人的經(jīng)驗, 通過向?qū)В?預(yù) 先定義的模板可以被激活,并通過簡單的交互快速生成數(shù)控加工刀具軌跡。 系統(tǒng)提供了提供鉆孔循環(huán),攻絲和鏜孔等點位加工編程; 具有多種輪廓加工、等高環(huán)切,行 切以及島嶼加工平面銑削
18、編程功能;其提供 35 坐標(biāo)復(fù)雜曲面的固定軸與變軸加工編程功 能,可以任意控制刀具軸的矢量方向,具有曲面輪廓、等高分層、參數(shù)線加工、曲面流線、 陡斜面、曲面清根等多種刀具軌跡控制方式。 UGNX 銑削可完成粗加工單個或多個型腔、 沿任意類似型芯的形狀進(jìn)行粗加工大余量去除、 對非常復(fù)雜的形狀產(chǎn)生刀具運動軌跡, 確定 走刀方式、 通過容差型腔銑削可加工設(shè)計精度低、 曲面之間有間隙和重疊的形狀, 而構(gòu)成型 腔的曲面可達(dá)數(shù)百個、 發(fā)現(xiàn)型面異常時, 它可以或自行更正, 或者在用戶規(guī)定的公差范圍內(nèi) 加工出型腔等功能。 使用銑削編程功能用戶可以完成 3 軸聯(lián)動加工刀具路徑、 加工區(qū)域選擇 功能、 多種驅(qū)動方法和走刀方式的確定, 如沿邊界切削、 放射狀切削、 螺旋切削及用戶定義 方式切削,在沿邊界驅(qū)動方式中又可選擇同心圓和放射狀走刀等多種走刀方式、提供逆銑、 順銑控制以及螺旋進(jìn)刀方式、 自動識別前道工序未能切除的未加工區(qū)域和陡峭區(qū)域, 以便用 戶進(jìn)一步清理這些地方、 其銑削編程可以仿真刀具路徑, 產(chǎn)生
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