模具制造新技术

模具制造新技术

摘要：本文主要介绍模具制造领域的新技术--模具数字化设计技术的概念及其在国内外的发展概况。

关键词：模具制造新技术；模具数字化设计技术；发展概况。

随着科学技术的发展，人们对产品制造的要求越来越高，产品的生命周期也越来越短，模具制造业面临着越来越激烈的挑战。为了能在激烈的市场竞争中谋求发展，企业必须以最新的产品、最短的开发时间、最优的质量、最低的成本、最佳的服务、最好的环保效果和最快的市场响应速度来赢得市场和用户，一方面模具制造业要加快技术创新的步伐，缩短产品开发周期，另一方面模具制造业要寻求可持续发展战略。因此，人们从各种不同角度提出了许多不同的先进制造技术新模式、新哲理、新技术、新概念、新思想、新方法，如：模具数字化设计技术。下面将对这种新技术进行介绍。

一·模具数字化设计技术：数字化设计技术，指产品和工艺设计方面CAD ／CAM ／CAE 等。数字化设计、加工、分析技术以及数字化制造中的资源管理技术等构成了数字化制造的支撑技术。数字化制造已成为先进制造技术的基础核心，实现数字化制造将是制造业应用先进制造技术的重要途径。其发展过程为：1·CAD 技术以二维绘图为主要目标；2·在二维绘图系统CAD 的基础上推出了三维曲面造型系统；3·具有基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改的参数化实体造型方法。而具体的叙述为：CAD 技术起步于20世纪50年代后期，60年代，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可行，CAD 开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、精度低的传统手工绘图。此时CAD 技术的出发点是用传统的三视图的方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。在CAD 软件开发初期，CAD 的含义仅仅是Computer Aided Drawing，而非现在我们经常讨论的CAD(Computer Aided Design)。CAD 技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期。近10年来占据绘图市场主导地位的是AutoDesk 公司的AutoCAD 软件。60年代初期出现的三维CAD 系统只是极为简单的线框系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAE 及CAM 均无法实现。进入70年代，正直飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机及汽车制造过程中遇到大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图，特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况，这样大大拖延了产品研发时间。此时法国人Bézier 提出了贝塞尔算法，使人们用计算机处理曲线及曲面问题变得可行，同时也使得法国达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统CAD 的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA 。它的出现标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式解放出来，首次实现计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAM 技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统CA TIA 为人类带来了第一次CAD 技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。20世纪70年代末到80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE ，CAM 技术也开始有了较大发展。SDRC 公司在当时星球大战计划背景下，由美国宇航局支持及合作，开发出了许多专用分析模块，用以降低巨大的太空实验费用，而UG 则侧重在曲面技术的基础上发展CAM 技术，用以满足麦道飞机零部件的加工需求。有了表面模型，CAM 的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达

形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特征，如质量、重心、惯性矩等，对CAE 十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于CAD ／CAE 一体化技术发展的探索，一些公司完成了基于实体造型技术的大型CAD ／CAE 软件开发与研制。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD 、CAE 、CAM 的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。可以说，实体造型技术的普及应用标志着CAD 发展史上的第二次技术革命。进入80年代中期，CV 公司提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法—参数化实体造型方法。它具有基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改的特征。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD 发展史上的第三次革命。此时众多CAD ／CAM ，CAE 软件开发公司群雄逐鹿。80年代后期到90年代，CAD 向系统及集成化方向发展，这将引起CAD 发展史的第四次革命。CAD ／CAM ，CAE 是IT 产业最活跃、发展最快、最具效益和最有潜力的高新技术产业。

二·产品造型数字化设计：1·产品零件造型：产品零件造型是指利用计算机系统描述零件几何形状及其相关信息，建立零件计算机模型的技术。自20世纪60年代几何造型技术出现以来，其造型理论和方法得到不断丰富和发展。

产品的设计与制造涉及许多有关产品几何形状的描述、结构分析、工艺设计、加工、仿真等方面的技术，其中几何形状的定义与描述是其核心部分。它为结构分析、工艺规程的生成及加工制造提供了基本数据。所谓几何造型，就是以计算机能够理解的方式，对实体进行精确的定义，赋予一定的数学描述，再以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，从而在计算机内部构造一个实体模型。通过这种方法定义、描述的几何实体必须是完整的、惟一的，能够从计算机模型上提取该实体生成过程中的全部信息，或者能够通过系统的计算分析自动生成某些信息。几何造型产生的模型是对产品确切的数学描述或是对产品某种状态的真实模拟，能够为各种不同的后续应用提供信息，例如，由模型产生有限元网格，编制数控加工刀具轨迹，进行碰撞、干涉检查等。因此，几何造型技术是CAD ／CAM 系统中的关键技术。

近几年，人们在实体造型的基础上，除了对几何实体的尺寸、形状加以描述外，还附加上工艺信息，如尺寸公差、表面粗糙度等，研究开发了特征造型技术，这是现今CAD ／CAM 领域中的一个研究热点，称为新一代的造型系统。

2·装配造型：

在零件造型完成以后，根据设计意图将不同零件组织在一起，形成与实际产品装配相一致的装配结构以供设计者分析评估，这种方法称为装配造型(Assembly Modeling) 。

通过参数化方法将零件组装成装配，与用参数化方法将特征组装成零件的过程非常相似。但是组织大型的复杂装配绝不仅仅是零件的简单组合，它需要提供特殊的技术来提高工作效率，这些技术包括简化表达、模型替换、自上而下的设计等。

CAD 系统提供的装配功能不仅能快速组合零部件成产品，而且在装配中，可参照其他部件进行部件关联设计，并可对装配模型进行间隙分析、重量管理等操作。装配模型生成后，可建立爆炸视图，并可将其引入到装配工程图中；同时，在装配工程图中可自动产生装配明细表，并能对轴测图进行局部剖切。

三、模具数字化设计：塑料注射模CAD/CAM；冷冲压模具CAD/CAM；塑料注射模CAD 的应用。

1·塑料注射模CAD/CAM：

（1）国外发展状况：国外进行专用塑料模CAD 软件系统的研究始于20世纪80年代，

到了20世纪80年代中期，注射模CAD 技术已从实验室阶段进入实用化阶段，目前已有比较成熟的注射模CAD 软件系统问世和大面积推广应用，较著名的有美国UG 公司的MoldWizard 、美国PTC 公司的Pro ／MoldDesign 、英国DELCAM 公司的Ps-Mold 、以色列Cimatron 公司的MoldExpert ，以及日本日立造船情报系统株式会社最新开发的SpaceE ／mold 软件系统等。这些软件的主要功能有：1) 强大的造型功能，尤其是曲面造型功能，可以方便地设计出具有复杂自由曲面的塑料制品；2) 方便的模具分型面定义工具，成形零件自动生成；3) 标准模架库品种齐全，调用简单；4) 典型结构、标准零件库添加方便；5) 非标准零件造型和装配简单实用。

（2）国内发展状况：国内对注射模CAD 技术的研究与应用相对国外来说起步较晚，经过近20年的努力，已取得了很大的发展，主要的研究成果有：华中科技大学1988年实现了注射模CAD ／CAE ／CAM 集成系统HSCl ．0版，1990年升级为HCSl ．1版，1997年推出了HSC2．0版。该系统以AutoCAD 软件包为图形支撑平台，包括模具结构设计子系统，结构及工艺参数计算校核子系统，塑料流动、冷却与保压模拟子系统，数控线切割编程子系统，建库工具和设计进程管理模块等，并已实现商品化，其中的模具结构设计系统是二维的。近年来，在华中科技大学华中软件公司的三维参数化造型系统InteSolid 上，开发了三维注射模结构设计系统。合肥工业大学开发了注射模二维系统IPMCAD 和三维系统IPMCADV3．0。随后以AutoCADRl3．0和MDT 为环境，进一步采用参数化特征模型、特征建模技术和装配模型技术，研制出注射模CAD 三维参数化系统IPMCADV4．0。此外，还有上海交通大学开发的集成化注射模智能CAD 系统、浙江大学开发的精密注射模CAD ／CAM 系统、郑州工业大学的ZMOLD 等系统。

2·冷冲压模具CAD/CAM的概况：

（1）国外冲模CAD 发展概况：20世纪90年代，许多商品化的CAD ／CAM 系统，如美国的Pro ／E ，UG-Ⅱ，CADDS5，SolidWorks ，MDT 等在模具行业逐步得到应用，但由于这些CAD ／CAM 系统在开发之初都是作为通用机械设计与制造的工具来构思的。为了能够提高模具设计的效率和正确率，必须进行二次开发。为此，美国PTC 公司在Pro ／E 系统的基础上，开发了板金零件造型模块Pro ／SheetMetal ；UGSolutions 公司在UG-Ⅱ系统上，也开发了类似的模块UG ／SheetMetal 等。在Pro ／SheetMetal 和UG ／SheetMetal 等板金零件设计系统中，虽然采用了基于特征的造型方法，但仍缺乏面向冲模成形工艺及模具设计的专用模块。

目前，许多开发通用CAD ／CAM 软件的公司正在开发并陆续推出能够用于级进模设计与制造的专用软件。如美国ComputerDesign 公司开发的级进模CAD 软件StrikerSystems 是现今为止销售较多的商业级进模CAD ／CAM 系统。该系统由板金零件造型(SS—DESIGN) 、毛坯展开(SS—UNFOLD) 、毛坯排样(SS—NEST) 、条料排样(SS—STRIPDESIGN) 、模具设计(SS—DIEDESIGN) 和数控加212(SS—PUNGH 、SS —WIRE 和SS —PROFILE) 等模块组成，支持板金零件特征造型、毛坯自动展开、交互式条料排样和模具结构设计，以及自动的线切割编程。但该系统主要的特点还是交互操作，而且只适用于弯曲冲裁级进模的设计。

美国UG 公司于2000年开始与国内华中科技大学合作，在UG-Ⅱ软件平台开发出基于三维图形的级进模CAD ／CAM 软件(PDW)。该软件包括工艺处理、条料排样、模具结构设计等模块，目前已投入市场试用。

此外，新加坡国立大学及马来西亚、印度等国家与我国台湾、香港地区均有学者或有关公司在开发级进模CAD ／CAM 系统，而且均在工厂试用。

汽车覆盖件模具CAD ／CAM 的研究在世界各大汽车公司均取得成效。其中日本丰田汽车公司于1965年将数控技术用于模具加工，1980年开始采用模具CAD ／CAM 系统。该系统包括NTDFE 和CADETT 两个设计软件及加工凸、凹模的TINCA 软件，可完成车身外形设计、车身结构设计、冲模CAD 、主模型与冲模加工、夹具加工等。冲模CAD 主要应用三维几何构型

与图形变换的功能，其中有关工艺成形性能的评价，应用有限元分析方法和几何模拟方法。该系统投人使用后，可使覆盖件成形模的设计与加工时间减少50％。

美国通用汽车公司、福特汽车公司和英国PSF 公司均已建立覆盖件拉延成形模CAD ／CAM 系统，特别是福特汽车公司在覆盖件塑性成形模拟方面取得了很大成就，应用大应变弹塑性有限元方法，模拟覆盖件的成形过程，预测其中的压力、应变分布、失稳破裂及回弹的计算等。

（2）国内冲模CAD 发展概况：

到目前为止，先后通过国家有关部门鉴定的有：1984年华中科技大学建成的精冲模CAD ／CAM 系统，1985年机电研究院建成的冲裁模CAD ／CAM 系统，1986年华中科技大学、上海交通大学建成的冲裁模CAD ／CAM 系统，相继又有西安交通大学、华中科技大学、上海交通大学等开展了拉延模、弯曲级进模CAD ／CAM ，以及精冲级进模CAD ／CAM 的研究。

从20世纪90年代中期开始，华中科技大学模具技术国家重点实验室在深入分析级进模设计特点的基础上，将基于特征的设计方法应用于级进模CAD ／CAM 系统的开发上，于1999年在AutoCAD 软件平台上建成了基于特征的级进模CAD ／CAM 集成系统(HMJC系统) 。系统共分板金零件的特征造型、基于特征的冲压工艺设计(条料排样) 、模具结构及零件设计、级进模标准件和典型结构建库工具，以及线切割自动编程等5大模块。其中，板金零件特征造型模块主要用于将板金零件的产品信息输入计算机，建立板金零件的特征模型，为后续的工艺及模具结构设计提供信息。基于特征的冲压工艺设计模块可实现板金零件自动展开、毛坯排样及冲压工序设计、工位布置、工艺参数计算等。由于在冲压工艺设计时需考虑众多因素，所以该模块提供进行交互设计的各种操作命令，以便用户快速确定设计结果。模具结构及零件设计模块则为用户提供设计模具总装结构及模具零件的相关功能，使用户可方便地设计出级进模，输出符合用户要求的模具总装图与模具零件图。模具标准件及典型结构建库工具用于建立用户的标准件库和典型结构库，它面向用户开放，可按需要进行添加、删除和修改。目前正在继续开发基于UG-Ⅱ软件的级进模CAD 系统。

总之，数字化设计技术是其他先进制造技术的基础核心。而且运用模具数字化设计技术，实现逆向工程、RP 技术与CAD/CAE/CAM虚拟环境的集成，构成一个快速产品开发及其模具制造的综合系统，可以实现从产品的设计、分析、加工到管理的灵活经济的组织方式。

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