級進模CAD/CAM綜合教學實驗探索

俞彥勤， 劉 輝， 樊自田

(華中科技大學 材料科學與工程學院,武漢 430074)

0 引 言

級進模又稱為連續模，是在壓力機的一次行程內，在不同工位上完成多道沖壓工序的模具[1]，級進模在當代沖壓模具中生產效率最高，最適合大批量生產應用，也是實現產品自動化、半自動化生產的裝備。傳統的級進模計算機輔助設計(CAD)及其計算機輔助制造(CAM)教學實驗，一直沿用前人經驗所設定的工藝流程進行。如采用二維的方法來進行模具設計，利用數控機床及其刀具等裝備完成模具零件的切削加工，不僅學習效率低下、實驗成本高，而且學生實驗時長期接觸機床等容易造成意外傷害的機械，其實驗環境存在安全隱患。隨著計算機技術的飛速發展，現代模具設計與制造領域發生了迅猛發展。級進模計算機輔助設計(CAD)，運用材料成形與模具技術國家重點實驗室聯合Siemens PLA Software 公司共同開發的基于NX多工位級進模向導PDW(Progressive Die Wizard)系統[2]，該系統通過智能化的設計流程，引導用戶進入級進模設計的各階段，完成各種復雜工藝制定，模具結構設計等，該系統的運用使得級進模的設計進入了全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3D實體，所見即所得[3-4]。該系統是內嵌了諸多行業知識和經驗的一套專家系統，大大縮短級進模的設計時間，提高工作效率，在該系統輔助下，一名普通設計者也能在較短的時間內完成一定難度的級進模設計[5-8]。在級進模計算機輔助制造(CAM)方面，引入對傳統制造方式產生顛覆性變化的智能制造技術——3D打印技術[9-15]，級進模具有零部件眾多，結構復雜的特點，而3D打印技術對于越是復雜結構的產品，其制作速度作用越顯著。3D打印智能制造技術使得傳統模具制造工藝流程、生產過程及模式、產業鏈組合等產生了深刻的影響。

本項目基于目前最新版本NX12.0的PDW系統,采用擁有自主知識產權的HTS 500型熔融沉積成型(FDM)3D打印機，對級進模CAD/CAM教學實驗進行探索與實踐。

1 實驗的主要內容

級進模CAD/CAM綜合實驗的主要內容見圖1所示的流程圖。其實驗過程主要分為級進模CAD實驗；級進模零件的3D打印(CAM)實驗。① 給出沖壓零件的三維模型，以此項目為導向，要求學生運用NX級進模模塊PDW，完成級進模的設計；② 將設計出的3維級進模零件轉化為3D打印機能接受的STL格式的文件；③ 運用Simplify3D切片軟件，對STL格式的級進模數據進行處理，得到3D打印設備能識別的G-Code；最后，3D打印機的控制系通過讀入G-Code完成級進模零件的3D打印。從而完成級進模從3D設計到3D打印的整個過程。

圖1 級進模CAD/CAM實驗流程

2 級進模CAD實驗

(1) 鈑金零件的準備。以沖壓件三維數字模型圖2為例，利用Siemens NX 12.0之級進模設計模塊PDW，對其進行模具設計。由NX軟件部件導航器可觀測出模型是否具有鈑金特征，如果沒有鈑金特征，則利用“直接展開”工具，將零件轉化為NX鈑金零件；利用“定義中間工步”工具，根據原始部件生成關聯的中間展開工步。

圖2 沖壓件三維數字模型

(2) 級進模工藝設計。工藝設計包括級進模項目初始化、導入毛坯、毛坯布局、廢料設計、條料排樣設計等內容，PDW系統能對工藝設計的結果進行仿真沖裁見圖3。

圖3 條料仿真沖裁

PDW系統根據條料排樣結果，計算出沖壓力及其壓力中心位置，并形成計算結果報告，表1為計算結果報告。

表1 沖壓力及壓力中心計算結果

根據表1中沖壓力的大小來選擇沖壓設備；壓力中心的位置則可大致確定模具中心位置，其設計原則是：模具的壓力中心與沖床滑塊的中心應大致一致，以免造成級進模工作時凸、凹模間隙不均和導向零件的加速磨損、沖床導軌磨損等。

(3) 級進模結構設計。級進模結構設計，包括模架設計；沖裁凸、凹模鑲塊設計；彎曲成形模鑲塊設計；鑲塊固定方式的輔助設計；級進模的標準件設計等。

(4) 讓位槽設計。由于條料進行了彎曲成形工序，其形狀高度超過了條料本身厚度，因此在級進模的后續工位上，應有足夠的空間來避讓這些凸出的部分，讓位槽設計就是在模板上創建讓位槽空間，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生干涉。

(5) 腔體設計。計算機在模具中創建凸模、凹模、標準件、導向零件等時，必須在模板的相應位置開設安裝槽，用于放置這些零件，一般具有真體和假體2個引用集，真體中的實體就是真正的零件，假體中的實體用于創建安裝槽。軟件計算原理中，創建安裝槽就是以模板為目標體，以假體作為工具體進行布爾減的運算。

(6) 模具驗證。靜態干涉檢查。檢查模具在合模狀態下，是否存在互相干涉的零件；動態干涉檢查：檢查模具在工作狀態下，是否存在互相干涉的零件，動態干涉檢查一般通過模具運動仿真[16]來檢查干涉的情況。

圖4為最終設計出的級進模。

圖4 級進模裝配圖

3 級進模CAM實驗

制造模具的設備采用擁有自主知識產權的HTS 500型熔融沉積成型(FDM)3D打印機。切片軟件使用Simplify3D。

打印材料的選取：表2為目前常用的幾種打印材料的性能對比。

從各方面綜合考量，選擇PLA(聚乳酸)，而且PLA是一種環境友好型材料，來源于再生資源，無毒、無味，可以降解，這些特點符合學生教學實驗的要求。

(1) 模具零件的STL轉化。將上述設計好的級進模3D零件數字模型轉化成STL格式的文件。

表2 增材制造高分子材料性能對比

(2) 模型導入。圖5(a)為級進模凸模固定板(PP板)的3D數字模型，將其轉化為STL格式的文件，導入到切片軟件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。對導入的模型進行編輯，如模型位置、旋轉、比例縮放等。

(4) 打印參數設置。設置打印材料、打印速度、噴嘴直徑、層高、裙邊、底座(raft)、打印速度、填充參數、支撐參數、擠壓頭參數等。

(5) 生成G-Code。以下為級進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；

適時注水，改善水質，一般15～20天加注新水一次。天氣干旱時，應增加注水次數。如果魚塘養殖密度高，必須配備增氧機，并科學使用增氧機。還需要定期檢查魚的生長情況，如發現生長緩慢，則需加強投喂。

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數據輸入到HTS 500型熔融沉積成型3D打印機，打印設備控制系統根據G-Code指令，自動完成模具零件的打印，見圖6所示。

圖6 模具零件的3D打印

經過以上實驗步驟，從而完成級進模CAD/CAM綜合實驗的整個過程。

4 結 語

基于NX PDW的級進模計算機輔助設計(CAD)，采用與加工零件結構完全一致的3D設計，使學生所見即所得。

模具CAM引入3D打印技術，很容易制作出模具各零件的原型，且清潔、綠色，而學生可以較少接觸刀鋸、車床等容易造成意外人身傷害的機械，解決了實驗室教學中的健康與安全問題。

級進模具有零部件眾多，結構復雜的特點，而3D打印技術對于越是復雜結構的產品，其制作的速度作用越顯著。

運用FDM 3D技術制造出的級進模，雖然不能直接用于沖壓件的生產，但能使學生實現模具零件從設計到現實的過程，其工藝智能化仿真程度高，能使學生及時地發現設計錯誤并進行修改，大大提高了工作效率及學習效率。此外，還便于學生理解3D打印的原理與方法，讓學生在“學”中“做”，在“做”中“悟”，實現學習方法的轉變。