楊建西， 徐 博， 張 健

（1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000；2.臺(tái)州電業(yè)局，浙江 臺(tái)州 318000）

0 引言

模具是一種將材料填充到其型腔中，以獲得所需尺寸和形狀的工具。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，企業(yè)要在短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量、高附加值的產(chǎn)品，以最快的速度響應(yīng)市場(chǎng)需求。目前，模具CAD/CAM技術(shù)向集成化、智能化發(fā)展。傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)和加工方式遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足模具生產(chǎn)的新技術(shù)，新工藝，新設(shè)備發(fā)展。這就需要采用現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)，將模具設(shè)計(jì)過(guò)程中的信息流進(jìn)行有機(jī)集成，并模擬產(chǎn)品性能及制造全過(guò)程，減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的主觀誤差，縮短生產(chǎn)周期，進(jìn)而做出正確的決策與設(shè)計(jì)方案，減少制造成本，提高制造精度。

利用計(jì)算機(jī)大容量、運(yùn)算快的特點(diǎn)，同時(shí)借助存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的大量數(shù)據(jù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，保證方案的可行性。利用CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，經(jīng)CAM軟件處理成能夠被數(shù)控機(jī)床能夠識(shí)別的代碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工，使生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高精度、高效率和高度自動(dòng)化。目前我國(guó)多數(shù)企業(yè)利用UG技術(shù)進(jìn)行數(shù)控加工，準(zhǔn)確掌握模具尺寸的參數(shù)，進(jìn)而對(duì)復(fù)雜型腔模具進(jìn)行快速優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)。

1 CAD/CAM在模具加工中的作用及UG的功能

1.1 CAD/CAM在模具加工中的作用

（1）模具CAD/CAM系統(tǒng)具備描述物體幾何形狀的能力。根據(jù)產(chǎn)品零件的形狀，進(jìn)行模具工作部分是設(shè)計(jì)，需要提供產(chǎn)品零件的二位圖紙和形狀描述。這就需要CAD系統(tǒng)具備描述幾何形狀的能力和造型能力，也為編制NC加工程序、計(jì)算刀具軌跡作基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

（2）模具CAD/CAM要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。建立模具CAD系統(tǒng)時(shí)，首先要解決的問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量。采用標(biāo)準(zhǔn)化的模具結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)模具時(shí)選用標(biāo)準(zhǔn)模具零件進(jìn)行組合，減少工作零件數(shù)目。

（3）模具CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)具有充分的柔性。模具的結(jié)構(gòu)多樣，型面復(fù)雜，很大程度上屬于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，多數(shù)為單件或小批量，這就要求模具CAD/CAM系統(tǒng)，具有充分的柔性，即可根據(jù)不同產(chǎn)品的特點(diǎn)，靈活抉擇，方便修改設(shè)計(jì)。CAD/CAM/CAE一體化系統(tǒng)覆蓋工程制圖、建模、工業(yè)設(shè)計(jì)、逆向工程、仿真分析、快速原型、數(shù)控編程、測(cè)量分析等領(lǐng)域。即可獨(dú)立運(yùn)行，又可通過(guò)數(shù)據(jù)接口與其他系統(tǒng)相兼容，按要求進(jìn)行組合。

1.2 UG的功能

UG的功能涉及到平面工程制圖、三維造型、機(jī)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)分析、制造、渲染和動(dòng)畫(huà)仿真、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)交互傳輸、模擬加工過(guò)程等。CAD功能實(shí)現(xiàn)了目前制造行業(yè)中常規(guī)的工程技術(shù)、設(shè)計(jì)和繪畫(huà)的自動(dòng)化；CAE功能能夠進(jìn)行有限元分析、靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析；CAM功能則為數(shù)控機(jī)床提供NC編程技術(shù)。同時(shí)，它還提供了一整套CAD/CAM/CAE業(yè)界最先進(jìn)的二次開(kāi)發(fā)的工具集，為不同的用戶(hù)提供相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具，去定制UG使它滿(mǎn)足一個(gè)企業(yè)具體的需求，達(dá)到減少產(chǎn)品上市時(shí)間，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新，減少成本，捕捉和再使用知識(shí)，致力于從概念設(shè)計(jì)到工程分析到制造的整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程。

通過(guò)應(yīng)用主模型方法，使得從設(shè)計(jì)到制造的所有應(yīng)用保持相關(guān)性和參數(shù)化。通過(guò)使用主模型，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM（iMAN），產(chǎn)品可視化（PV）以及運(yùn)用 Internet技術(shù)，支持?jǐn)U展企業(yè)范圍的并行協(xié)作。為了在并行工程團(tuán)隊(duì)間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共同識(shí)別與共同享用，則必須建立、執(zhí)行與檢查企業(yè)CAD（三維建模）標(biāo)準(zhǔn)。利用知識(shí)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化，UG解決了怎樣捕捉、再使用和運(yùn)用累積在制造產(chǎn)品中的知識(shí)。

2 CAD/CAM技術(shù)在花紋塊基模中的應(yīng)用

UG是知識(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域中的領(lǐng)先者。其實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)與基于產(chǎn)品和過(guò)程的知識(shí)工程的組合，顯著地改進(jìn)了汽車(chē)、航天、航空、機(jī)械等工業(yè)的生產(chǎn)。為各種規(guī)模的企業(yè)帶來(lái)了顯著的價(jià)值，簡(jiǎn)化復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品成本，增加企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

輪胎在汽車(chē)、航天、航空、機(jī)械等領(lǐng)域中占有重要地位，其中輪胎花紋是提高汽車(chē)輪胎使用性能，影響輪胎的壽命，確保行駛安全的重要一環(huán)。輪胎花紋的造型非常困難，有以下幾個(gè)原因：花紋的頂部在輪胎的胎面上，而輪胎的截面由很多段圓弧構(gòu)成，基本形狀是一個(gè)不規(guī)則環(huán)形。花紋的深度是平滑連續(xù)變化的，中間深，兩邊淺，如圖1所示，就是輪胎截面圖頂部的第二條曲線。輪胎花紋的底部是圓弧，壁是不同角度的斜線，截面形狀共分為B—B、C—C、D—D、E—E、F—F、G—G、M—M、P—P 八 種 ，圖1所示為其中三種典型截面形狀。

圖1 輪胎花紋截面（底部為橢圓）Fig.1 Pattern’s section

2.1 輪胎花紋塊基模的的工藝分析

輪胎花紋由三個(gè)基本花紋類(lèi)型C、M、L按一定次序組成。C、M、L形狀一樣，寬度尺寸不同，花紋大小尺寸也不一樣。寬度尺寸分別為22.0995mm，27.6243mm，33.1492mm。其排列次序如表1所示，表中C，M，L為花紋類(lèi)型，數(shù)字代表該類(lèi)花紋的數(shù)目。有21個(gè)C型花紋，23個(gè)M型花紋，20個(gè)L型花紋，總共63個(gè)花紋。這樣組合以后，大小花紋相間，錯(cuò)落有致，滿(mǎn)足了輪胎花紋的要求，但是增加了輪胎模具加工的難度。

表1 輪胎花紋排列表Tab.1 Range of tire’s pattern

2.2 花紋塊基模造型

精密鑄造花紋圈是輪胎活絡(luò)模具中的重要部件，花紋塊基模的加工精密程度的決定輪胎花紋質(zhì)量。早期工藝把輪胎模具從中間分成左右兩部分，該方法分模簡(jiǎn)單易行，但存在系列問(wèn)題。目前是將輪胎模具沿圓周分成幾部分，采用8個(gè)或10個(gè)完全不同的花紋塊基模，專(zhuān)門(mén)的合模裝置，是活絡(luò)模技術(shù)，保證了輪胎生產(chǎn)的精度和要求。

2.3 花紋塊基模加工工藝

在對(duì)造型經(jīng)過(guò)詳細(xì)的分析的基礎(chǔ)上，利用CAD/CAM技術(shù)，確定加工方法和設(shè)置加工參數(shù)，需要從各個(gè)方面考慮，具體參數(shù)需要經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)，修改，再實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，進(jìn)而確定刀具及加工方法等。針對(duì)不同的機(jī)床，編制不同的后處理程序，在加工過(guò)程中，具體參數(shù)的設(shè)置，通過(guò)生成刀具軌跡，再模擬仿真，檢查干涉和碰撞情況，需要經(jīng)過(guò)不斷的試驗(yàn)，修改，再試驗(yàn)的過(guò)程，即計(jì)算機(jī)驗(yàn)證和試切驗(yàn)證。

圖2 輪胎模具Fig.2 Tire mould

3 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)CAD/CAM技術(shù)研究與實(shí)踐的基礎(chǔ)上，該技術(shù)已逐漸取代了傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)理念和方法，就通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真，在產(chǎn)品生產(chǎn)之前，進(jìn)行了精確的分析和交互設(shè)計(jì)。通過(guò)該方法，對(duì)花紋塊基模的工藝進(jìn)行分析與數(shù)控編程進(jìn)行處理與驗(yàn)證加工。上述研究成果達(dá)到工程實(shí)用水平。研究的方法已應(yīng)用于輪胎生產(chǎn)廠家和輪胎花紋研究設(shè)計(jì)部門(mén)，進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。該方法已在生產(chǎn)實(shí)踐中成功獲得應(yīng)用，可以推廣至輪胎花紋、裝飾件等類(lèi)似的花紋曲面，借助CAD/CAM技術(shù)，可以提高模具設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)費(fèi)用。