本文以Siemens NX作為開發平臺，以某高速摩托艇產品研發過程中涉及的產品逆向工程、裝配設計、模具設計、數控加工編程、塑性成型模擬分析等核心關鍵技術應用研究為對象，簡略講述了Siemens NX作為CADCAMCAE的集成平臺，其該產品開發過程中有效的提高了企業新產品設計制造開發的效率，為企業創造了巨大的經濟效益。

    1 .前言

　　Siemens NX作為當前世界上最先進和緊密集成的、面向制造行業的CAD/CAM/CAE高端軟件，其涉及到工程中的概念設計、工業設計、機械設計以及工程仿真和數字化制造等各個領域。它提供了一個基于過程的產品設計環境，使產品開發從設計到加工真正實現了數據的無縫集成，從而優化了企業的產品設計與制造。Siemens NX面向過程驅動的技術是虛擬產品開發的關鍵技術,在面向過程驅動技術的環境中，用戶的全部產品以及精確的數據模型能夠在產品開發全過程的各個環節保持相關，從而有效地實現了并行工程。Siemens NX作為下一代數字產品開發軟件，幫助企業加速產品創新，實現更高的成本效益。

　　Siemens NX不僅具有強大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配和產生工程圖等設計功能;而且，在設計過程中可進行有限元分析、機構運動分析、動力學分析和仿真模擬，提高設計的可靠性。同時，可用建立的三維模型直接生成數控代碼，用于產品的加工，其后處理程序支持多種類型數控機床。通過NX產品組合全面集成工業設計和造型的解決方案，用戶能夠利用一個更大的工具包，涵蓋建模、裝配、模擬、制造和產品生命周期管理功能。設計專用工具和傳統的CAD、CAE和CAM工具相結合，提供可獲得的最完整的工業設計和最高級的表面處理解決方案。Siemens NX的各功能是靠功能模塊來實現的，不同的功能模塊實現不同的用途。Siemens NX的主要功能可以很好的幫助用戶解決包括工業設計、產品設計、計算仿真、工裝模具設計、數控加工編程、工程數據管理等方面的問題。

　　如下圖1所示利用Siemens NX作為設計平臺開發出的高速摩托艇SEADANCE，是一種小型采用噴射推進的高速動力艇，其時速可高達100公里以上。該摩托艇由艇身、發動機、噴射單元、控制系統、操縱系統、儲物箱等部分組成。摩托艇以發動機為動力，具有自重輕、吃水淺、回旋半徑小、動力大、能耗低、操縱機動靈活、速度快、抗浪性好、低噪聲、故障率低等特點。主要應用在體育運動、旅游休閑等方面，是一種高級休閑產品，在國外使用較為廣泛，目前國內使用的產品主要靠進口。該摩托艇采用的是SMC整體復合成型船體、10000轉/分的ECU電噴高速發動機、導管式螺旋槳噴射推進的船機槳系統，所采用的這些技術在國內均處于領先水平。下述對利用Siemens NX在該產品研發過程中的一些關鍵技術應用進行簡要介紹。

圖1  SEADANCE高速摩托艇

　　2 艇身與發動機總成設計與裝配

　　2.1 摩托艇艇身特點

　　摩托艇艇身由SMC復合材料熱模壓工藝成型，因此艇身性能穩定一致，強度高，耐腐蝕、耐候性好，重量輕，壽命長。同時復合材料結構可設計性好，艇身各部分可由多塊SMC模壓復合材料拼接而成，所以用 SMC模壓技術成型玻璃鋼艇身會發展迅猛、具有廣闊應用前景。特別是在水上娛樂艇、游艇、摩托艇、沖浪艇和水陸兩用船艇上將廣泛應用。在民用的漁船、工程船、海事監察船和軍用的艦艇、登陸艇也將被快速使用。

　　艇身總成主要由上艇身、內腔、下艇身三大部分組成，如圖2所示。上艇身除外觀裝飾件安裝外，還包括乘坐駕駛等操作部分的連接。內腔則主要安裝發動機、供油系統、傳動裝置、水氣混合排放系統、駕駛控制系統等部分的安裝;下艇身則主要承擔噴射系統和艇身平衡尾翼等部件的安裝和整艇的支撐作用。下艇身是船體設計的核心，其對承載、克服阻力、破浪性等方面對整體的性能起著決定性的作用。艇身總成設計制造具備如下特點：

　　①在設計上，利用逆向工程的原理進行艇身設計。通過油泥模型進行外觀設計后，利用三維激光掃描配合軟件點云數據處理，同時采用先進軟件進行外觀再造型和后期數控加工。在船型上利用流體力學和仿生學對艇身進行外觀造型，其流線形外觀新穎獨特，具有較好的美學效果。采用計算流體力學分析船舶航行時阻力，以合理的完成船機槳的協調設計。

　　②在結構上，對下艇身與內膽等多處結構進行局部加強，利用整體復合模壓成型的優勢，避免了采用多套模具通過粘結加強的方式，尤其是下艇身尾部側板兩個區域加強處，一次減少了兩套模具的開發投入，為成本開發節約二十多萬元的費用。

　　③在工藝上，艇身是國內采用SMC技術壓制成型的外形尺寸最大，結構較復雜的深陷異型制品，艇身的所有部件(上艇身、下艇身、內襯、隔板)全部采用SMC模壓成型。艇身重量輕、強度高、性能好，同比鋁合金船體從重量和成本上節省30%以上。該產品通過模壓其表面光潔度高。

　　三人乘用水上摩托艇要求不僅外形美觀、速度快等特點，其所涉及的關鍵核心技術多，該產品與汽車工業具有相同的特點，是國家工業制造技術水平的集中體現。艇身的總成與裝配如下圖4所示，利用Siemens NX的三維設計與裝配功能，可以非常容易的檢查出裝配干涉等問題，而不必等到實物裝配暴露出問題后再去處理，提前解決了大部分的裝配質量問題，尤其是艇身與外觀塑料件、操控系統、排水推進系統之間的配合更是如此。同時對于發動機上裝、船機槳之間的配合，利用Siemens NX提前解決了許多無法預見的技術質量問題，加速了產品的開發效率和生產質量。

圖2  艇身總成示意圖

　　2.2 發動機總成設計與裝配

　　摩托艇發動機本體主要由曲軸箱體、活塞連桿組、曲軸飛輪組、配氣機構、冷卻潤滑系、排放系統、ECU電控系統等部分組成。機械本體主要由氣缸體、氣缸蓋、氣缸套、氣缸墊和油底組成。利用Siemens NX的三維設計與裝配功能，很容易完成該發動機各個部件及其總成的三維裝配和工程圖，如下圖3和圖4所示為該高速發動機的裝配示意圖。同時利用Siemens NX的運動分析功能和裝配包絡干涉分析功能，較好地解決了曲軸、連桿、活塞與缸體及傳動部分的運動協調、裝配間隙控制關系，為該發動機的裝配、點火、磨合試驗的順利成功起到了很好的促進作用。

圖3  發動機機械總成

圖4  ECU電噴高速發動機實物

　　3 艇身與發動機缸體模具設計制造

　　Siemens NX提供了基于專家系統的注塑模(Mold Wizard)、鈑金零件沖壓模(Die Engineer)、級進模(Progressive Die Wizard)等模具設計功能，模具專家設計系統融入了模具設計師的經驗和系統開發師的智慧，使用它們可以加速模具設計速度，提高產品的設計質量。模具設計向導技術提供了基于最優實踐基礎上的、逐步引導式進行構造的工作流程，使許多企業的模具設計過程實現了自動化。使得企業在模具設計制造(規劃、采購、詳細設計、電極設計、模具制造)的并行展開，因而縮短了交付時間。艇身SMC熱壓復合模具和發動機缸體壓鑄模具的設計，充分利用了SiemensNX的曲面造型設計、裝配設計以及Siemens NX注塑模具向導中的模具分模功能設計模塊。由于熱壓模和壓鑄模在模具的結構設計上與注塑模有相似的地方，因此在進行艇身熱壓模與發動機缸體的壓鑄模具設計時，充分利用模具設計的相似性解決模具分模，模具結構設計方面的設計工作。

　　3.1 艇身SMC熱壓模具設計與制造

　　摩托艇艇身覆蓋件是目前國內最大的SMC模壓件，加上其外形結構復雜、鑲嵌件多、成型難度高、配合精度高、耐海水腐蝕等要求;同時承受著艇的各種運行工況作用，因而要求重量輕、比強度高。采用傳統的手糊成型工藝不僅產品質量差、技術含量低、一致性差，而且存在勞動強度高、生產效率低、制造成本高等缺陷。艇身采用SMC片狀模塑料壓制成型，將填補國內采用此種方法成型全SMC復合材料艇身的空白。采用鋼板拼焊整體模具設計制造，通過油循環加熱實現SMC艇身的熱模壓，實現SMC艇身的大批量無余量生產。SMC模壓最核心的主要依賴于模具的結構設計、模壓的時間、壓力溫度等工藝參數的合理制定、熱變形的校正措施等。如下圖7所示為SMC模壓成型的艇身下船體模具結構示意圖以及模壓出的產品。該模具結構為封閉式、油循環加熱成型艇身。此種結構較開放式、電加熱型模具，其產品重量可以嚴格控制、無飛邊、壁厚一致性好、加熱均勻、維修維護方便、模壓能耗低等多種優點。

　Siemens NX系統提供了數控線切割、車削、銑削編程功能等多種模塊。如鉆空循環、攻絲和鏜孔等點位加工編程;具有多種輪廓加工、等高環切行切以及島嶼加工平面銑削編程功能;其提供3～5坐標復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。系統提供的數控銑削編程功能模塊包括平面銑削、型芯型腔銑削、固定軸銑削、自動清根、可變軸銑削、順序銑、高速銑削等軌跡策略。其切削仿真模塊可模擬2～5軸聯動的銑削和鉆削加工。如圖5所示為利用SiemensNX完成的該摩托艇艇身模具設計、模具數控加工編程、模具實物和模壓后的產品，Siemens NX在艇身的快速成功開發上起到了至關重要的作用。

圖5  摩托艇艇身模具設計制造與實物

　　3.2 發動機缸體壓鑄模具設計

　　壓鑄是最先進的金屬成型方法之一，是實現少切屑，無切屑的有效途徑，應用很廣，發展很快。目前壓鑄合金不再局限于有色金屬的鋅、鋁、鎂和銅，而且也逐漸擴大用來壓鑄鑄鐵和鑄鋼件。壓鑄件的尺寸和重量，取決于壓鑄機的功率。由于壓鑄機的功率不斷增大，鑄件形尺寸可以從幾毫米到1～2m;重量可以從幾克到數十公斤。國外可壓鑄直徑為2m，重量為50kg的鋁鑄件。隨著鑄造的精密性、質量與可靠性、經濟、環保等要求越來越高，壓力鑄造已從單一的加工工藝發展成為新興的綜合性的先進工藝技術。如下圖6～圖8所示為利用Siemens NX設計后的高速發動機缸體及其壓鑄模具的結構設計與實物。

圖6  鋁合金高速發動機缸體

圖7  發動機缸體壓鑄模具

圖8  發動機缸體模具

　　發動機的制造在我國制造業中是難度較高的制造技術。發動機缸體缸蓋鑄造成功率低,設計和機械加工難度大。由于摩托艇的發動機是在特殊環境下工作的，因此其材料需要具有耐磨、抗熱、抗變形等特點，所以設計選材具有一定的難度。鋁合金發動機缸體結構尺寸小、內外部型腔結構復雜，尺寸精度高;同時其使用轉速高功率大等特點對發動機缸體的鑄造提出了更高的要求。該發動機缸體采用的為高磷鑄鐵鑲缸套，在壓鑄時嵌入到缸體一次成型后進行精密機械加工。缸套的厚度為2mm ，機械加工后保證最小壁厚不小于1.5mm。上下缸體均為壓鑄鋁合金ADC12(LY12)，熱處理時效為170度、保溫16小時;機械性能要求抗拉強度大于320Mpa，延伸率不小于5%，彈性模量大于75GPa。

　　針對鋁合金發動機缸體的特點，其壓鑄模具的設計質量對于缸體的壓鑄有著重要的影響，不僅要滿足缸體空間結構上的要求，同時要考慮鋁合金材料壓鑄時的成型工藝，另外對于壓鑄過程中的充型、持壓、脫模、保溫等都需要在模具結構設計上考慮周全，利用SiemensNX的強大三維設計功能以及SiemensNX在工裝模具設計專家系統上的優勢，較好的解決了該鋁合金發動機缸體的模具設計和壓鑄要求，在國產高速汽油發動機缸體的壓鑄模具設計和壓鑄成型工藝上取得了較大的突破。如下圖9所示為壓鑄成型及利用SiemensNX的CAM功能進行數控編程，精密加工完成后的鋁合金發動機缸體實物。Siemens NX在該發動機的研制成功應用上，不僅促進了國產高速汽油發動機的設計水平，極大的促進了鋁合金壓鑄技術和精密機械加工技術的升級和廣泛應用。

圖9  壓鑄鋁合金發動機缸體

　　4 螺旋槳數字化設計與制造仿真

　　該摩托艇其噴射系統主要包括葉輪(螺旋槳)總成、發動機冷卻水供應系統、進水攔網等組成。螺旋槳通過軸與發動機輸出采用梅花聯軸接形式進行柔性連接，是推動艇運行的執行機構。該螺旋槳外形尺寸小(直徑156mm，葉片高度不足60mm，葉片最薄處為0.5mm)、重量輕(為1.2Kg)、葉片流道精度要求高。其轉速高、推力大(10000r/min，700Kg載荷，達到1.5g的加速度)、動平衡精度高，因而要求其綜合機械性能好，同時要防海水腐蝕等耐侯性要求。在研制期間采用五坐標精密機械加工等手段進行開發，批生產階段采用的是精密鑄造成型，再配合動平衡量校正技術實現該產品的制造。設計出的該螺旋槳如下圖10所示。利用SIEMENS NX完成的螺旋槳幾何模型和有限元網格劃分為后續的計算流體水動力學分析模擬、螺旋槳鑄造成型模擬、數控加工編程仿真等提供了較好的輸入條件。

圖10  高速摩托艇噴射式導管螺旋槳

　　4.1 螺旋槳計算流體水動力學分析

　　螺旋槳的水動力性能分析是螺旋槳設計過程中不可缺少的環節，數值分析技術是現在螺旋槳水動力性能分析的一種重要手段。采用CFD計算流體力學模擬分析，可以有效地減少實驗次數、節省經費、加快新產品的研發過程。下面講述利用SIEMENS NX配合ANSYS-CFX，對該三葉螺旋槳進行計算流體力學分析的模擬仿真的結果簡要說明，如下圖所示為將Siemens NX的有限元前處理模型導入ANSYS-CFX中進行分析的結果。從分析圖中可以看出，利用Siemens NX和ANSYS-CFX可以非常方便的對螺旋槳工況進行定義，并針對不同轉速工況情況下的螺旋槳速度、壓力、流量、推力進行數值分析。

　　如圖11為螺旋槳6000r/min情況下，螺旋槳軸向、徑向、旋轉的流體速度分布。圖12為10000r/min條件下，螺旋槳的流量、壓力分布圖，從圖中可以看出，葉梢的壓力最大、葉根處壓力最小。針對該螺旋槳，采用CFX計算后，其葉片通道流量為3.31Kg/S，總流量為5.5Kg/s。同時將葉片受力情況導入到強度分析中，從圖13中可以看出其最大變形量發生在葉片外圍為2.719mm，最大應力應變發生的部位以及疲勞強度滿足永久使用要求。

圖11  軸向、徑向、旋轉的流體速度分布

圖12  螺旋槳的流速、流量、壓力分布圖

圖13  變形與應力強度分布圖

　　4.2 螺旋槳五坐標數控加工編程仿真

　　螺旋槳設計制造、產品定型早期為有效的進行螺旋槳的敞水試驗，減少鑄造批量生產時模具的返修工作量以及避免模具報廢，采用五坐標數控機床進行加工其模型件是非常有意義的。可以實現縮短開發周期，提高螺旋槳設計質量，避免設計時參數的確定、葉片形狀以及螺旋槳的強度等綜合方面的影響。針對該螺旋槳的結構特點，在五坐標機床上進行加工時，如何有效的設計其刀具加工軌跡路徑，避免機床干涉、碰斷刀、報廢零件等方面是非常有必要的。該螺旋槳五坐標機床加工時分為幾個組成部分，三軸粗加工排量、刀具側刃五坐標粗精加工葉型、刀具底刃五坐標粗精加工流道等。如圖14所示為在Siemens NX環境下設計的該螺旋槳的銑削刀具軌跡示意圖。銑削加工完成后進行拋光處理即可得到模樣件進行螺旋槳的敞水試驗。

圖14  螺旋槳五坐標銑削編程示意圖

　　針對該螺旋槳，其鑄造成型方式常用的有真空鑄造、離心鑄造、消失模鑄造等多種方式，其中離心鑄造方案雖然產品的成型理論上一致性容易保證，但其模具投入成本相對較高，消失模鑄造由于槳葉厚度最薄處只有0.5mm，本身由于其強度要求，采用消失模鑄造其鑄造表面質量難以滿足其疲勞強度要求。而采用真空鑄造成型的方案可以兼顧離心鑄造與消失模鑄造的優點，即可有效保證產品質量，同時又能減小模具的投入費用。如15圖所示為分別采用數控精密加工和鑄造成型大批量生產后的螺旋槳實物，該螺旋槳經過5萬公里的測試后完全滿足使用要求。

圖15  導管螺旋槳數控加工實物和鑄造成型實物

　　5 消聲器拉深成型模擬

　　如下圖16所示的摩托艇發動機的消聲器，采用的是兩個半筒形薄壁鋁合金殼體焊接成型，其半筒形殼體采用拉深成型。利用Siemens NX的板料沖壓拉深成型模擬分析功能，如下圖所示，對該筒形件的展開料和回彈進行了簡要分析計算，提高了產品工藝的設計效率。如展開料計算方面，采用Siemens NX模擬計算的毛料直徑為578.81mm，而采用經驗公式計算的展開料直徑為560.39mm。分析原因在于其底部的凸起，經過實際驗證，Siemens NX的計算模擬是合理的，規避了經驗公式無法解決局部區域展開料計算問題。

圖16  消聲器筒形件拉深成型模擬

　　結合拉深成型工藝特點，該產品總的拉深系數為0.5183;材料的相對厚度為0.8638。根據總的拉深系數和材料的相對厚度，對該無凸緣筒形件，不用壓邊圈拉深時，需要三次拉深才能滿足工藝要求，三次拉深系數分別設置為0.75、0.85、0.813;每次拉深的直徑分別為434.3、368.98、300;采用壓邊圈時至少需要兩次拉深，兩次拉深系數可在0.55～0.6，0.8～0.9之間選取。每次拉深的工件高度依據相應的經驗公式進行計算，在此不進行描述。經過模擬仿真，其孔口直徑存在1.3mm的回彈，利用SiemensNX的設計功能較好的完成了模具設計上的修配，經過驗證有效的節省了后續工序修整的同時提高了產品的成型質量。

　　6 總結

　　Siemens NX作為一款高檔的CADCAMCAE設計平臺，功能豐富，使用方便。本文簡略講述了利用

Siemens NX開發高速摩托艇項目過程中，所涉及的產品逆向工程應用、產品設計與裝配協調、模具工裝設計與數控加工編程、板料成型模擬仿真等方面的功能應用。利用Siemens NX提供的強大的設計制造仿真一體化功能，極大的提高了產品的設計質量和研發效率，推動了企業的技術進步和制造平臺的升級。

　　參考文獻：

　　【1】UGNX5.0 Help

　　【2】夏巨葚等，材料成型工藝，機械工業出版社， 2005

　　【3】李建軍等，機械工業出版社，模具設計基礎及模具CAD， 2006

　　【4】黃乃瑜等，江西科學技術出版社，中國模具設計大典(第五卷)，2003