Siemens NX Sheet Metal · CAM · Simulation · Mold Wizard 完整指南

概述

Siemens NX 於單一 .prt 檔案內即可涵蓋設計(CAD)至鈑金、加工(CAM)、分析(CAE)、模具自動化全程。

本頁將 NX Sheet Metal 與航空特化 Aero Sheet Metal、NX Manufacturing(CAM:Turning/Milling/5-Axis/Post Processor)、Simcenter 3D 基礎之 Simulation(Nastran·Thermal·Motion·CFD),以及 Mold Wizard / Progressive Die Wizard 集中整理,以實務觀點呈現。

Part 建模基礎與 Synchronous Modeling 請參考 02-modeling-synchronous.md,Drafting·PMI 為基礎之 MBD 請參考 04-drafting-pmi.md。

NX Sheet Metal 基本環境

進入方式為 Ctrl+Shift+M 或 Application → Sheet Metal。

零件建立直後,應於 Menu → Preferences → Sheet Metal 先設定下列預設值,後續特徵才會一致運作。

設定	內容
Material Thickness	材料厚度
Bend Radius	預設內側半徑
Relief	Bend Relief 類型與尺寸
Neutral Factor(k-factor)	中立軸位置係數
Bend Table / Bend Formula	以實測為基礎之展開公式

起始特徵與次級特徵

Sheet Metal 零件以三種起始特徵之一出發。

1. Tab — 平板 Base。給予 Sketch Profile 厚度。
2. Contour Flange — 沿斷面 Sketch 延伸的 L 形凸緣(方形風管、護蓋)。
3. Lofted Flange — 於兩斷面曲線之間 Loft + 自動 Bending(轉換段、Transition)。

次級特徵	用途
Flange	於既有邊指定角度·長度·半徑追加凸緣
Jog	Z 形段差(Offset Flange)
Hem	將邊緣捲入的 Hemming(flat/open/closed/rolled)
Bend	以直線為基準折彎
Unbend / Rebend	僅將特定折彎展開後再摺回(追加加工特徵用)
Closed Corner / Three Bend Corner	角落密閉·3 方向角落處理
Dimple / Louver / Bead / Gusset	壓凸·縫隙·肋條形式的 Form Feature
Normal Cutout	板面法線方向穿孔(以加工工程圖為基準)

Variational Flange

長度·角度沿邊變化的凸緣。用於汽車車身骨架、航空 Stringer 設計,以 Sketch 定義高度 curve 後,即沿邊自動變動。

於 NX 11 導入,NX 2412 擴充了 Advanced Flange 的 Variational 段。

Flat Pattern

Menu → Insert → Flat Pattern / Flat Solid。

• Flat Pattern:保留鈑金特徵樹,生成「平面狀態」視圖
• Flat Solid:鎖定為完全展開的 Solid(CAM·Nesting 傳遞用)

Bend Line、Bend Allowance、Inner/Outer Mold Line 會自動標註。於工程圖中透過 Insert → View → Flat Pattern View 自動生成展開視圖與 Bend Table。

鈑金實務技巧

• 建議實測 K-factor:一般軟鋼 t1.0~t3.0 約為 0.44、鋁 0.40~0.45、SUS 0.42~0.46 範圍,但各加工廠治具有差異。
• Bend Relief 寬度不小於材料厚度,深度不小於折彎半徑為基本公式。
• Bend Radius = 與材料厚度相同(R = t)為常見製作基準。
• 相鄰折彎間距應確保在 4t 以上,以迴避模具干涉。
• Corner Rip 處理可於雷射切割後的折彎工程中預防角落撕裂。

> 提示: 每次設計變更時都應更新 Flat Pattern 追蹤下料尺寸。超出原材料板幅時將完全無法供料,故早期驗證至關重要。

Aero Sheet Metal(航空特化)

針對航空器 Stringer·Frame·Rib·Clip·Skin Doubler 等結構零件特化之授權 Add-on,亦稱為 NX Advanced Sheet Metal。

追加特徵

• Canted Flange:自板面傾斜之凸緣。表現對曲面 Skin 非垂直之 Frame 凸緣
• Joggle:平滑吸收 Skin 厚度段差之 Z Offset(定義 Ramp length、Runout、Depth)
• Lightening Cutout:圓形·橢圓減重孔 + 凸緣一次生成(Rib 標準特徵)
• Advanced Flange:變動斷面 + joggle 組合
• Beaded Flange:自動生成補強 Bead
• Profile / Extruded Stringer:Stringer 輪廓 Sweep

標準連動

• 連動 Airbus AP2633、Boeing BAC 5300 折彎標準
• Bend Allowance 計算精度 99.9% 以上(相對於實測)
• 提供 Airbus「Skin-Frame」BOM 結構範本

航空設計最佳實務

• 折彎半徑 R/t ≥ 4(鋁 2024-T3)、R/t ≥ 6(7075-T6)
• Edge Distance:自孔心至邊≥ 2D
• Joggle Runout:5t 以上
• 零件編號遵循 Airbus MSN、Boeing P/N 規則

CAM(NX Manufacturing)

進入方式為 Ctrl+Alt+M 或 Application → Manufacturing。於 CAM 環境中,Navigator 切換為 4 種。

Navigator	用途
Program Order Navigator	加工順序程式樹
Machine Tool View	刀具清單
Geometry View	MCS、Workpiece、Feature geometry
Machining Method View	粗銑·中銑·精銑·檢查 Method

初始 Setup 順序

1. 於 Geometry View → MCS 配置 MCS(Machine Coordinate System)。
2. Workpiece:定義 Part(完成形狀)、Blank(素材)、Check(固定治具)。
3. 刀具定義:於 Create Tool 指定直徑·長度·flute 數·Holder。
4. 選擇加工 Method:Rough(切削深度大)、Finish(優先表面粗糙度)等。
5. 建立 Operation:選擇加工類型 → 設定參數 → Generate Tool Path。

銑削(Milling)

• 2.5-Axis:Face Milling、Pocket、Drill、Plunge、Bore
• 3-Axis:Cavity Mill(粗銑)、Z-Level(精銑)、Fixed Contour、Streamline
• 5-Axis:Variable Contour、Variable Streamline、Tube Milling、Flow Cut、Valley Finishing
• 刀具軸控制:Tilt、Lead/Lag、4-axis normal to drive、5-axis normal to part

車削(Turning) / Mill-Turn

支援 Rough Turning、Finish Turning、Groove、Thread、Axial Drill、Center Drilling、Boring 等傳統車削,並支援結合 Live Tooling 的 Mill-Turn(複合機)。

High-Speed Machining(HSM)

• Trochoidal 加工(Tool Engagement 一致)使刀具壽命提升 5~10 倍
• Look-Ahead 控制、Smooth connection
• Constant Tool Engagement(Adaptive Roughing)

Tool Path Display & Verification

• Verify(Gouge Check):自動檢查刀具-零件干涉
• Simulate(Machine Simulation):將機台模型整個以 3D 跑動,確認 Collision/Limit
• IPW(In Process Workpiece):累積追蹤前一工序去除後之狀態,作為下一工序輸入

Post Processor

將 Tool Path 轉換為實際的 G-code/M-code。

• Post Hub:基於雲端,內建約 1,000 種機台套件
• Post Configurator:Fanuc、Siemens 840D、Heidenhain iTNC、Mazak Matrix 等各控制器細部自訂

CAM 自動化

• Feature-Based Machining(FBM):自動辨識孔·口袋等特徵,自動套用庫中策略
• Machining Knowledge Editor:將公司內加工 Know-How 編入為規則
• Template-Based:對類似零件複製套用範本

CAM 實務技巧

• MCS 一般取於零件上方中央,以 Z+ 為刀具軸(日本工具機慣例)。歐洲偏好 X-Y 平面基準。
• Stock 一般為預加工餘量 0.2~0.5mm、精加工餘量 0.05~0.1mm。
• Cut Pattern 依形狀選擇:平面為主選 Zig-Zag,曲面為主選 Follow Periphery。
• 為最小化 Air Cut,應妥善設定 Engage/Retract。Helical Engage 可減少進刀衝擊。
• 於 Tool Library 記錄實測刀具壽命,啟用自動更換提醒。
• 傳送 DNC 前務必以 Machine Simulation 完成碰撞檢查。

> 注意: 若 Post Processor 自訂錯誤,實機上可能發生急加/減速·錯誤 Tool Change,主軸可能損壞。新 Post 務必經空切驗證後再投入實加工。

Simulation(Simcenter 3D)

NX Nastran 於 2019 年起重新命名為 Simcenter Nastran,Simcenter 3D 則為整合 Pre/Post 環境。與 NX CAD 共享 Body 之 seamless 工作流程為其強項。

支援的 Solution:Linear Static、Modal、Buckling、Dynamic(Transient/Frequency/Random)、Nonlinear、Thermal、Optimization、Rotor Dynamics、Aeroelasticity。

FEM Workflow

1. 建立 FEM File(.fem) — 內含網格與物性
2. Idealize Geometry — 移除不必要特徵、抽取中立面
3. 指定 Material & Physical Property
4. Meshing — 1D(Beam/Rod/Bar)、2D(Shell CQUAD4/CTRIA3)、3D(Solid CHEXA/CTETRA/CPENTA)
5. 建立 Simulation File(.sim) — 邊界條件、載荷、Solver 類型
6. Constraints & Loads — Fixed、Pinned、Force、Pressure、Torque、Gravity、Inertia
7. Solve — 可選 Simcenter Nastran、ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA、MSC Nastran
8. Post-process — Contour/Deformation/Stress/Strain/Animation

Thermal / Motion / CFD

• Thermal:Steady-state / Transient。Conduction·Convection·Radiation。使用 TMG 求解器。用於電子裝置散熱、引擎汽缸頭熱應力、煞車碟盤分析。
• Motion(Multibody Dynamics):RecurDyn 或 Simcenter 3D Motion。定義 Joint(Revolute/Translational/Cylindrical/Spherical/Universal/Planar/Gear/Cam)與 Force/Torque、Contact。可連動 Adams 求解器。
• CFD:Concepteur CFD(NX 2412 新增,基於 FloEFD)於設計環境內處理流體·熱分析,正式分析則轉移至 Simcenter STAR-CCM+。

Topology Optimization / Generative Design

Simcenter Topology Optimization 求解器於輸入設計空間·保留空間·載荷後,推薦質量最小化的形狀。

Lattice Structure 自動生成功能對 3D 列印輕量化特別實用。

分析實務技巧

• 網格收斂驗證:將網格尺寸減半,確認結果差異在 5% 以內
• 厚度/長度比 1:10 以上時,2D Shell 比 3D Solid 更快更準確
• 焊道以 RBE2/RBE3 Multi-Point Constraint 剛性連接,或以疊層 Solid 建模
• 接觸分析以 Glued → Linear contact → Nonlinear contact 順序漸進
• 與 Hand Calc(簡單樑理論)在 10% 內一致為可靠性基準

> 注意: 若將 CAD 模型原樣送入分析,小圓角·孔會破壞網格品質。應以 Idealize Geometry 排除分析觀點下不必要之特徵後再生成網格。

Mold Wizard(射出模具自動化)

將射出模具以 10 階段工作流程標準化的 NX 特化 Add-on。

1. Project Initialization — 載入製品零件,設定材料·收縮率(ABS 0.5%、PC 0.6% 等)
2. 定義 Mold CSYS — 模具基準座標
3. Workpiece — Insert 外形 Box
4. Multi-cavity Layout — 1×2、2×4、Radial 等 Cavity 配置
5. Parting Design — Region Analysis(分類 Cavity/Core 面)→ Parting Line → Parting Surface → 分離 Core & Cavity
6. Mold Base Library — 自動載入 Hasco、Meusburger、DME、Futaba、LKM 型錄
7. Standard Parts — Ejector Pin、Locating Ring、Sprue Bushing、Slider、Lifter、Sub-Insert、Runner
8. Cooling Channels — 直線·角度·口袋冷卻配置
9. Gating — Sprue、Runner、Gate(Edge、Pin-point、Tab、Submarine、Banana)
10. BOM & Drawing — 自動生成 BOM·工程圖·Mold Cost Report

Mold Wizard 進階功能

• Parting Check:自動偵測 Undercut → 標示需要 Slider/Lifter 之區域
• Patch Body:分模前自動補孔
• Shrinkage Scale:將收縮率以均勻或軸別套用
• Mold Analysis:Draft Angle、Thickness Check、Undercut 綜合點檢
• Electrode Design 模組:EDM 用銅電極自動生成 + 連動 WEDM

> 提示: 以 Mold Wizard 建立的 Cavity/Core 以 Master Model 結構直接流入 NX CAM。於設計→加工連動中消除檔案轉移錯誤的最大理由正在於此。

Progressive Die Wizard(PDW)

鈑金連續沖壓模具設計自動化。管理 下料 → 折彎 → 成形 → 衝孔 各站。

• Blank Generator:Flat Pattern → Nesting → Strip Layout
• Strip Layout:站別配置(Pilot、Pierce、Blank、Form、Cut-off)
• Die Design:Punch、Die、Stripper、Die Plate
• Insert Standard Parts:Misumi、Fibro、Dayton 標準 Punch·Pin·Bushing
• Cost Estimation:材料利用率與模具成本估算

Die Design 實務技巧

• Die Clearance:依材質·厚度參考資料庫(SS400 t1.0 ≈ 7%、SUS304 ≈ 10%)
• Bridge(Web)最小寬度為材料厚度的 1.5~2 倍
• Carrier Strip 依產品特性於 Edge Carrier vs Center Carrier 中選擇
• 自第二站起需有 Piloting Hole(防止各站累積位置誤差)

實務檢查清單

• Sheet Metal:Preferences 的厚度·K-factor·Relief 與團隊標準一致
• 確認 Flat Pattern 與最新設計同步
• 使用 Aero Sheet Metal 時確認 OEM 折彎標準(Airbus AP2633 等)設定
• CAM:MCS 原點·方向與機台基準一致
• Stock/Finish 餘量依表面粗糙度基準設定
• 以 Machine Simulation 確認 Collision/Limit 後執行 Post
• Simulation:保存網格收斂驗證紀錄(5% 內)
• 驗證 FEM 結果相對於 Hand Calc 在 10% 內一致
• Mold Wizard:完成 Shrinkage Scale·Draft·Undercut 點檢
• PDW:達成 Strip Layout 材料利用率 70% 以上目標