基于方向盘注塑模在UG中设计与制造的应用研究 Design of CNC Machine Tool Automatic Production System Based on Cloud Manufacturing

周红霞 ZHOU Hong-xia 罗永洪 LUO Yong-hong 陈平 CHEN Ping 罗永华 LUO Yong-hua 王磊明 WANG Lei-ming

摘要：文中通过对某一款玩具汽车的方向盘产品运用UG软件中的CAD模块设计构建产品数字模型，利用CAE功能分析其产品设计的可行性，然后再用注塑模设计模块和CAM模块完成其模具型腔和型芯分型设计和自动编程加工制造，全过程实现了参数化和无纸化。为了验证其加工程序可靠性和安全性，文中结合VERICUT虚拟仿真加工技术，完成对其NC程序进行优化、过切，机床碰撞、超程等错误检查，相比于传统加工方案，该方案耗时减少了35%、准确性提高了12%以上。

Abstract： This article uses the CAD module design in the UG software to construct a product digital model for a toy car steering wheel product， employs the CAE function to analyze the feasibility of its product design， and then applies the injection mold design module and the CAM module to complete the mold cavity and the core parting design and automatic programming processing and manufacturing， the whole process is parametric and paperless. In order to verify the reliability and safety of its processing program， this paper utilizes the VERICUT virtual simulation processing technology to complete its NC program optimization， over-cutting， machine tool collision， overtravel and other error checks. Compared with traditional processing programs， time consuming of this program is reduced by 35% and accuracy is improved by more than 12%.

关键词：注塑模;UG;数控机床;参数化;仿真加工;无纸化;vericut;数控加工自动编程

Key words： cloud manufacturing;CNC machine tools;granularity model;PLC;redundant information;automatic control;embedded system;linux

中图分类号：U463.2                                   文献标识码：A                                  文章編号：1674-957X（2021）22-0096-02

0  引言

模具是当今机械制造行业生产中使用最为广泛的工艺装备，是重要的工业生产手段及工艺发展方向。传统的模具产品设计方法和加工制造工艺存在设计周期长、加工工艺复杂、制造加工精度低等系统集成度低的问题。为了提高模具的信息化程度在计算机技术的日益普及背景下，在模具制造行业中，尤其是注塑模具中已经普遍采用CAD/CAE/CAM 技术，并取得了良好的经济效果。这种“无纸化”设计方式既贯彻了整体化、系统化、智能化的设计理念。又贯彻了精确性、快速性、有效性的加工规范，极大提高注塑模的设计水平和产品加工质量。因此，开展基于方向盘注塑模在UG中的研究具有十分重要的学术价值和工程意义。

1  产品结构工艺分析及三维造型设计

玩具汽车方向盘的制造材料为ABS树脂，该材料具有良好的综合性能，抗冲击性强度高，化学性能稳定，导电性良好。塑料ABS无毒、无味，外观呈象牙色半透明，或透明颗粒或粉状。密度为1.05～1.18g/㎝3，收缩率为0.4～0.9%，弹性模量值为2GPa，泊松比值为0.394，吸湿性<1%，熔融温度217～237℃，热分解温度>250℃。适于制作一般机械零件，减磨耐磨零件，儿童玩具等。方向盘结构较复杂，主要由圆盘、三条筋、圆台，由于筋是不规则曲面，造型设计较难，需要功能强大的CAD/CAE/CAM软件才能完成其无纸化产品设计要求，UG NX 软件是其CAD/CAE/CAM技术的领导者，具有强大的三维造型功能、模具设计功能、加工编程功能等，强大的设计能力可以高效快速把方向盘三维造型设计完成，其结构受力情况，并使用CAE功能进行产品结构分析，通过模拟分析，其受力符合设计玩具要求，其设计效果如图1所示。

2  分模方案的合理设计

根据方向盘的结构特点，选择UG注塑模向导模块功能，其模具结构设计必须符合数控加工制造方便高效的原则。一般模具毛坯设置的是否合理对模具加工效率有着很大关系，为了后续的数控加工方便快捷，其模具分模方式采用一腔一模。运用UG软件分模功能，分出型腔和型芯模具产品，其效果如图2、图3所示。

3  加工制造与虚拟仿真

模具加工的工作母机是金属切削数控机床，数控机床按种类可分为数控车、数控铣床、加工中心等，其工作核心是数控系统，数控系统中编程代码是数控加工编程的关键。因此编写高效正确的NC代码对加工制造非常重要，为确保加工制造中程序的正确与否，可以使用UG CAM编程功能模块和VERICUT虚拟加工技术相结合，其主要过程如下：

3.1 数控加工工艺分析与UG编程  方向盘结构主要由不规则的曲面组成，人工计算编写数控程序较难，可以使用UG  CAM功能进行数控加工自动编程。其编程思路，粗加工采用型腔铣，半精加工采用等高轮廓铣，精加工采用固定轴铣、清根加工等加工方法。具体编程流程先进入加工环境初始化界面，设置编程原点即工作坐标系为毛坯最高表面的中心点处，设置加工坐标系和工作坐标系位置重合，设置加工安全平面，选择合理的加工刀具、根据加工产品的加工阶段创建不同加工工序，输入相应的加工参数，然后生成刀轨路径，可自动生成NC数控加工程序代码，最后进行实体加工刀轨验证和过切检查，其部分加工阶段切削参数设置和实体仿真验证结果如图4、图5所示。

3.2 VERICUE构建数控机床和导入UG后处理NC代码  VERICUT虚拟仿真数控机床设备的特点，可根据加工机器及数控系统搭建相应的虚拟数控设备，设置模具毛坯尺寸，设置数控加工编程原点，其程序原点对加工制造至关重要，如设置错误容易造成加工模具零件报废及产生重大机床刀具碰撞事故，损坏数控机床设备，产生不可挽回经济损失。通过VERICUT虚拟技术可预知NC代码加工的正确性，其过程是依次导入相应的粗、精加工NC代码到VERICUT软件中。NC代码程序的修改验证工作可在UG软件中设置相关加工参数进行管理和更正。为了提高加工效率，编程人员可以把粗精加工程序代码按先后顺序放到同一个程序中，然后根据程序程序中的不同刀具代码，并在VERICUT中设置相对应的刀具大小及刀号，进行一次性的仿真所有加工过程，等确定验证无误后，再把NC代码程序输入数控机床进行加工制造。

3.3 VERICUE虚拟仿真与优化  仿真虚拟技术可对方向盘模具进行全过程加工仿真，检查其有无无碰撞、过切现象，并利用其自带程序优化功能，检查其在圆弧过渡加工及曲面加工时自动选择合理的切削用量，从而保证其加工精度和加工效率，减少废品率。

4  无纸化数控编程和虚拟仿真加工技术结合分析

“无纸化”设计理念是现代机械加工制造中一种重要的手段，尤其是模具加工制造应用较广泛。使用这种方式进行产品设计和数控编程，可以快速进行相关产品模型以及数控程序的编写与修改。为了减少数控机床在加工过程中产生碰撞、过切的现象，提高数控加工的正确性，结合使用VERICUT仿真虚拟技术模拟数控加工过程，具有以下优势。

4.1 安全性高  一般数控加工设备比较贵重，因此产品加工安全对于数控设备来说非常重要。为确保加工安全，在进行真实加工前可使用VERICUT软件进行虚拟仿真数控加工，通过仿真后可检测加工程序是否正确，为进行真实加工提供安全依据。

4.2 加工效率高  UG编程加工制造功能模块内容丰富，编程人员在使用UG软件进行加工编程时刀路选择方法较多，结合虚拟仿真技术程序员可快速选择最快最好最安全的加工刀路，為真实加工节约加工制造时间及减少刀具磨损，对于批量生产可产生较高的生产效率。

4.3 程序优化功能强  VERICUT具有NC程序优化功能，可弥补前期编程人员在使用UG软件编写各组NC代码的不合理性，减少程序过长，导致加工时间长效率低等现象。使用优化功能相比传统的编程加工方式加工方向盘模具可减少加工时间到达35%左右，加工正确性也提高了12%以上。

5  总结

玩具方向盘注塑模产品结构较复杂，使用“无纸化”设计方式可以快速完成从产品设计、注塑模分模设计、加工制造等功能模块设计与修改，减少相关设计和编程人员的工作量，提高了设计的合理性和正确性，在数控加工制造过程中结合VERICUT仿真虚拟技术，可以减少加工容易产生的碰撞、过切等，优化加工程序，减少程序量，从而提高加工安全性、正确性、从而获取良好的经济价值。

参考文献：

[1]李峰，朱亮亮.数控加工工艺与编程[M].北京：化学工业出版社，2019.

[2]黄雪梅.VERICUT数控仿真实例教程[M].北京：化学工业出版社，2019.

[3]詹建新，张日红.UG NX 12.0产品设计、模具设计与数控编程从新手到高手[M].北京：清华大学出版社，2021.

[4]沈春根，孔维忠，关天龙.UG NX 11.0有限元分析基础实战[M].北京：机械工业出版社，2018.