俞彥勤， 劉 輝， 樊自田

(華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,武漢 430074)

0 引 言

級(jí)進(jìn)模又稱為連續(xù)模，是在壓力機(jī)的一次行程內(nèi)，在不同工位上完成多道沖壓工序的模具[1]，級(jí)進(jìn)模在當(dāng)代沖壓模具中生產(chǎn)效率最高，最適合大批量生產(chǎn)應(yīng)用，也是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自動(dòng)化、半自動(dòng)化生產(chǎn)的裝備。傳統(tǒng)的級(jí)進(jìn)模計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)及其計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，一直沿用前人經(jīng)驗(yàn)所設(shè)定的工藝流程進(jìn)行。如采用二維的方法來(lái)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，利用數(shù)控機(jī)床及其刀具等裝備完成模具零件的切削加工，不僅學(xué)習(xí)效率低下、實(shí)驗(yàn)成本高，而且學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)期接觸機(jī)床等容易造成意外傷害的機(jī)械，其實(shí)驗(yàn)環(huán)境存在安全隱患。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域發(fā)生了迅猛發(fā)展。級(jí)進(jìn)模計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)，運(yùn)用材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合Siemens PLA Software 公司共同開(kāi)發(fā)的基于NX多工位級(jí)進(jìn)模向?qū)DW(Progressive Die Wizard)系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)通過(guò)智能化的設(shè)計(jì)流程，引導(dǎo)用戶進(jìn)入級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)的各階段，完成各種復(fù)雜工藝制定，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，該系統(tǒng)的運(yùn)用使得級(jí)進(jìn)模的設(shè)計(jì)進(jìn)入了全3D世界，用戶獲得的不是抽象的平面曲線，而是與模具零件完全一致的真實(shí)3D實(shí)體，所見(jiàn)即所得[3-4]。該系統(tǒng)是內(nèi)嵌了諸多行業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的一套專家系統(tǒng)，大大縮短級(jí)進(jìn)模的設(shè)計(jì)時(shí)間，提高工作效率，在該系統(tǒng)輔助下，一名普通設(shè)計(jì)者也能在較短的時(shí)間內(nèi)完成一定難度的級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)[5-8]。在級(jí)進(jìn)模計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)方面，引入對(duì)傳統(tǒng)制造方式產(chǎn)生顛覆性變化的智能制造技術(shù)——3D打印技術(shù)[9-15]，級(jí)進(jìn)模具有零部件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，而3D打印技術(shù)對(duì)于越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其制作速度作用越顯著。3D打印智能制造技術(shù)使得傳統(tǒng)模具制造工藝流程、生產(chǎn)過(guò)程及模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合等產(chǎn)生了深刻的影響。

本項(xiàng)目基于目前最新版本NX12.0的PDW系統(tǒng),采用擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的HTS 500型熔融沉積成型(FDM)3D打印機(jī)，對(duì)級(jí)進(jìn)模CAD/CAM教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索與實(shí)踐。

1 實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容

級(jí)進(jìn)模CAD/CAM綜合實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容見(jiàn)圖1所示的流程圖。其實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要分為級(jí)進(jìn)模CAD實(shí)驗(yàn)；級(jí)進(jìn)模零件的3D打印(CAM)實(shí)驗(yàn)。① 給出沖壓零件的三維模型，以此項(xiàng)目為導(dǎo)向，要求學(xué)生運(yùn)用NX級(jí)進(jìn)模模塊PDW，完成級(jí)進(jìn)模的設(shè)計(jì)；② 將設(shè)計(jì)出的3維級(jí)進(jìn)模零件轉(zhuǎn)化為3D打印機(jī)能接受的STL格式的文件；③ 運(yùn)用Simplify3D切片軟件，對(duì)STL格式的級(jí)進(jìn)模數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到3D打印設(shè)備能識(shí)別的G-Code；最后，3D打印機(jī)的控制系通過(guò)讀入G-Code完成級(jí)進(jìn)模零件的3D打印。從而完成級(jí)進(jìn)模從3D設(shè)計(jì)到3D打印的整個(gè)過(guò)程。

圖1 級(jí)進(jìn)模CAD/CAM實(shí)驗(yàn)流程

2 級(jí)進(jìn)模CAD實(shí)驗(yàn)

(1) 鈑金零件的準(zhǔn)備。以沖壓件三維數(shù)字模型圖2為例，利用Siemens NX 12.0之級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)模塊PDW，對(duì)其進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。由NX軟件部件導(dǎo)航器可觀測(cè)出模型是否具有鈑金特征，如果沒(méi)有鈑金特征，則利用“直接展開(kāi)”工具，將零件轉(zhuǎn)化為NX鈑金零件；利用“定義中間工步”工具，根據(jù)原始部件生成關(guān)聯(lián)的中間展開(kāi)工步。

圖2 沖壓件三維數(shù)字模型

(2) 級(jí)進(jìn)模工藝設(shè)計(jì)。工藝設(shè)計(jì)包括級(jí)進(jìn)模項(xiàng)目初始化、導(dǎo)入毛坯、毛坯布局、廢料設(shè)計(jì)、條料排樣設(shè)計(jì)等內(nèi)容，PDW系統(tǒng)能對(duì)工藝設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行仿真沖裁見(jiàn)圖3。

圖3 條料仿真沖裁

PDW系統(tǒng)根據(jù)條料排樣結(jié)果，計(jì)算出沖壓力及其壓力中心位置，并形成計(jì)算結(jié)果報(bào)告，表1為計(jì)算結(jié)果報(bào)告。

表1 沖壓力及壓力中心計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1中沖壓力的大小來(lái)選擇沖壓設(shè)備；壓力中心的位置則可大致確定模具中心位置，其設(shè)計(jì)原則是：模具的壓力中心與沖床滑塊的中心應(yīng)大致一致，以免造成級(jí)進(jìn)模工作時(shí)凸、凹模間隙不均和導(dǎo)向零件的加速磨損、沖床導(dǎo)軌磨損等。

(3) 級(jí)進(jìn)模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。級(jí)進(jìn)模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括模架設(shè)計(jì)；沖裁凸、凹模鑲塊設(shè)計(jì)；彎曲成形模鑲塊設(shè)計(jì)；鑲塊固定方式的輔助設(shè)計(jì)；級(jí)進(jìn)模的標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)等。

(4) 讓位槽設(shè)計(jì)。由于條料進(jìn)行了彎曲成形工序，其形狀高度超過(guò)了條料本身厚度，因此在級(jí)進(jìn)模的后續(xù)工位上，應(yīng)有足夠的空間來(lái)避讓這些凸出的部分，讓位槽設(shè)計(jì)就是在模板上創(chuàng)建讓位槽空間，用于放置已成形條料的突出部分，防止已成形條料與模板產(chǎn)生干涉。

(5) 腔體設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)在模具中創(chuàng)建凸模、凹模、標(biāo)準(zhǔn)件、導(dǎo)向零件等時(shí)，必須在模板的相應(yīng)位置開(kāi)設(shè)安裝槽，用于放置這些零件，一般具有真體和假體2個(gè)引用集，真體中的實(shí)體就是真正的零件，假體中的實(shí)體用于創(chuàng)建安裝槽。軟件計(jì)算原理中，創(chuàng)建安裝槽就是以模板為目標(biāo)體，以假體作為工具體進(jìn)行布爾減的運(yùn)算。

(6) 模具驗(yàn)證。靜態(tài)干涉檢查。檢查模具在合模狀態(tài)下，是否存在互相干涉的零件；動(dòng)態(tài)干涉檢查：檢查模具在工作狀態(tài)下，是否存在互相干涉的零件，動(dòng)態(tài)干涉檢查一般通過(guò)模具運(yùn)動(dòng)仿真[16]來(lái)檢查干涉的情況。

圖4為最終設(shè)計(jì)出的級(jí)進(jìn)模。

圖4 級(jí)進(jìn)模裝配圖

3 級(jí)進(jìn)模CAM實(shí)驗(yàn)

制造模具的設(shè)備采用擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的HTS 500型熔融沉積成型(FDM)3D打印機(jī)。切片軟件使用Simplify3D。

打印材料的選?。罕?為目前常用的幾種打印材料的性能對(duì)比。

從各方面綜合考量，選擇PLA(聚乳酸)，而且PLA是一種環(huán)境友好型材料，來(lái)源于再生資源，無(wú)毒、無(wú)味，可以降解，這些特點(diǎn)符合學(xué)生教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。

(1) 模具零件的STL轉(zhuǎn)化。將上述設(shè)計(jì)好的級(jí)進(jìn)模3D零件數(shù)字模型轉(zhuǎn)化成STL格式的文件。

表2 增材制造高分子材料性能對(duì)比

(2) 模型導(dǎo)入。圖5(a)為級(jí)進(jìn)模凸模固定板(PP板)的3D數(shù)字模型，將其轉(zhuǎn)化為STL格式的文件，導(dǎo)入到切片軟件Simplify3D中，其軟件界面如圖5(b)所示。

(a) 凸模固定板

(b) Simplify3D切片軟件界面

(3) 模型編輯。對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行編輯，如模型位置、旋轉(zhuǎn)、比例縮放等。

(4) 打印參數(shù)設(shè)置。設(shè)置打印材料、打印速度、噴嘴直徑、層高、裙邊、底座(raft)、打印速度、填充參數(shù)、支撐參數(shù)、擠壓頭參數(shù)等。

(5) 生成G-Code。以下為級(jí)進(jìn)模凸模固定板生成的G-Code(片段)：

G-Code generated by Simplify3D(R) Version 4.0.1；

Nov 13, 2018 at 12:34:59 PM；

Settings Summary；

processName,ppban；

applyToModels,pp；

profileName,HTS-500SS_pp ；

profileVersion,2018-11-01 18:22:47；

適時(shí)注水，改善水質(zhì)，一般15～20天加注新水一次。天氣干旱時(shí)，應(yīng)增加注水次數(shù)。如果魚(yú)塘養(yǎng)殖密度高，必須配備增氧機(jī)，并科學(xué)使用增氧機(jī)。還需要定期檢查魚(yú)的生長(zhǎng)情況，如發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)緩慢，則需加強(qiáng)投喂。

baseProfile,Default；

printMaterial,PLA；

printQuality,Medium；

printExtruders；

extruderName,Primary Extruder；

extruderToolheadNumber,0；

extruderDiameter,0.4；

……

endingGcode,M104 S0；turn off extruder,M140 S0 ；turn off bed,G1 X20 Z460 F8000；,M84 ； disable motors,M106 S0； exportFileFormat,gcode；

M82

M106 S0

M140 S70

M190 S70

M104 S225 T0

M109 S225 T0

G28 ；home all axes

G29 ；

G92 E0

G1 E-1.0000 F3600

G1 Z0.400 F1000

……

(6) 模具零件的3D打印。將G-Code數(shù)據(jù)輸入到HTS 500型熔融沉積成型3D打印機(jī)，打印設(shè)備控制系統(tǒng)根據(jù)G-Code指令，自動(dòng)完成模具零件的打印，見(jiàn)圖6所示。

圖6 模具零件的3D打印

經(jīng)過(guò)以上實(shí)驗(yàn)步驟，從而完成級(jí)進(jìn)模CAD/CAM綜合實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于NX PDW的級(jí)進(jìn)模計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)，采用與加工零件結(jié)構(gòu)完全一致的3D設(shè)計(jì)，使學(xué)生所見(jiàn)即所得。

模具CAM引入3D打印技術(shù)，很容易制作出模具各零件的原型，且清潔、綠色，而學(xué)生可以較少接觸刀鋸、車(chē)床等容易造成意外人身傷害的機(jī)械，解決了實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中的健康與安全問(wèn)題。

級(jí)進(jìn)模具有零部件眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，而3D打印技術(shù)對(duì)于越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其制作的速度作用越顯著。

運(yùn)用FDM 3D技術(shù)制造出的級(jí)進(jìn)模，雖然不能直接用于沖壓件的生產(chǎn)，但能使學(xué)生實(shí)現(xiàn)模具零件從設(shè)計(jì)到現(xiàn)實(shí)的過(guò)程，其工藝智能化仿真程度高，能使學(xué)生及時(shí)地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤并進(jìn)行修改，大大提高了工作效率及學(xué)習(xí)效率。此外，還便于學(xué)生理解3D打印的原理與方法，讓學(xué)生在“學(xué)”中“做”，在“做”中“悟”，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)方法的轉(zhuǎn)變。