模具CAD/CAE/CAM技术的集成及其特点

　　摘要：本文论述了目前国际和国内所使用的模具CAD/CAE/CAM技术。重点分析了各种技术的特点：模具软件的集成化；三维化；智能化；网络化以及并行技术；高速测量和逆向工程技术的应用以及现代模具加工技术。

　　现代化的模具制造加工业，应以使用模具CAD/CAE/CAM技术来实现优质、高效、低成本的产品生产为目标以适应用户对产品个性化的不断追求。在我国，有许多企业大都凭经验或已经在设计、制造等方面分散使用CAD、CAE、CAM单项技术来实现生产，这种“自动化孤岛”的方法使整个生产过程资源共享率低、信息不流畅，导致研制产品周期长、更新换代慢，难以在国际竞争中生存和发展。国外推广CAD/CAE/CAM技术成功的经验表明：企业取得显著效益，很多是从集成应用中得到的，而不是单项应用的结果。从CAD/CAE/CAM一体化的角度来说，其发展趋势是集成化、三维化、智能化和网络化，其中心思想是让用户在统一的环境中实现CAD/CAE/CAM协同作业，以便充分发挥各单元的优势和功效。

　　1 现代模具设计

　　1.1 模具软件功能集成化

　　模具软件功能的集成化要求软件的功能模块比较齐全，同时各功能模块采用同一数据模型，以实现信息的综合管理与共享，从而支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全过程，达到实现最佳效益之目的。

　　如英国Delcam公司的系列化软件就包括了曲面实体几何造型、复杂形体工程制图、工业设计高级渲染、塑料模设计专家系统、复杂形体CAM、艺术造型及雕刻自动编程系统、逆向工程系统及复杂形体在线测量系统等;以色列Cimatron公司的Cimatron系统中包括几何造型、模具专家、逆向工程、模架库、NC加工及产品数据管理系统;澳大利亚Moldflow公司注塑成型系列分析软件MPA(塑件顾问)、MPX(注塑专家)、MPI(流动、冷却、翘曲等)以及模具设计系统等。美国PTC公司CAD/CAE/CAM集成软件系统Pro/Engineer;美国EDS公司的UG;美国SDRC公司的I-DEAS集成化CAD/CAE/CAM软件，该软件在曲面设计、实体造型、仿真分析、制造、测试和并行工程等方面具有强大的功能，国际上有福特等许多汽车公司将它作为主流软件;美国Solidworks公司的Solidworks软件、C-mold公司的注塑模CAE分析软件C-mold;具备复杂曲面设计和数据仿真功能的法国Dassault公司的CATIA软件曲面造型功能较强;德国MAGMA公司的铸造过程流动与凝固分析软件MAGAMASOFT及IKV研究所的CAD MOULD;国外使用较多的还有外型设计的Alias/ICEM、实物造型的Surface、板料冲压仿真的LS-DYNA、DYNAFORM、模具设计的VAMOS及制造系统仿真的SIMPLE++等。

　　国内有上海交通大学金属塑性成型有限元分析系统和冲裁模CAD/CAM系统;北京北航海尔软件有限公司的CAXA系列软件;吉林金网格模具工程研究中心的冲压模CAD/CAE/CAM系统，其主要功能有板料冲压过程模拟、预示成形缺陷、压机速度分析、坯料形状优化和各向异性、回弹预测等[1]。

　　1.2 模具设计、分析及制造的三维化

　　传统的二维模具结构设计已越来越不适应现代化生产和集成化技术要求。模具设计、分析、制造的三维化、无纸化要求新一代模具软件以立体的、直观的感觉来设计模具，所采用的三维数字化模型能方便地用于产品结构的CAE分析、模具可制造性评价和数控加工、成形过程模拟及信息的管理与共享。如Pro/E、UG 、 I-DEAS、CATIA等软件具备参数化、基于特征、全相关等特点，从而使模具并行工程成为可能。另外，Cimatron公司的Moldexpert，Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Space-E/mold均采用了3D专业注塑模设计软件，可进行交互式3D型腔、型芯设计、模架配置及典型结构设计。澳大利亚Moldflow公司三维真实感流动模拟软件MoldflowAdvisers受到用户广泛的应用和好评。美国C-mold公司3DQuickfill也有类似功能。

　　国内有华中理工大学研制的同类软件HSC3D4.5F及郑州工业大学Z-mold软件。上海交通大学开发了金属塑性成形三维有限元仿真系统。北航海尔软件公司的CAXA三维电子图板2000和制造工程师2000能进行3D零件设计和NC加工，其特点是基于3D、参数化特征设计，实现了实体、曲面和NC加工的协调统一。

　　1.3 模具软件的智能化趋势

　　新一代模具软件要求模具CAD不再是对传统设计与计算方法的模仿，而是在先进设计理论指导下，充分运用模具专家的丰富知识和成功经验，来克服具体设计、工艺人员的经验局限，通过人工智能CAI等方法，实现设计的合理性和先进性，逐步达到从设计、分析评估到制造过程的完全自动化。面向制造、基于知识的智能化功能是衡量模具软件先进性和实用性的重要标志之一。如Cimatron公司的注塑模专家软件能根据脱模方向自动产生分型线和分型面，生成与制品相对应的型芯和型腔，实现模架零件的全相关，自动产生材料明细表和供NC加工的钻孔表格，并能进行智能化加工参数设定、加工结果校验等。而PTC公司推出的模具专家系统EMX则更为经典，它具有前面其他模具专家系统的共有特点外，还能实现模具装配体的2D装配图的自动出图，从而大大减轻了模具设计工程师的劳动量，提高效率，减少模具开发的时间，另外在它的EMX4..1里还强化了产品的成本计算，可以估算模具的总体成本，为模具的效率计算提供了有力依据，实现信息技术及现代管理技术【2】。

　　1.4模具软件应用的网络化趋势

　　随着模具在企业竞争、合作、生产和管理的全球化、国际化，以及计算机软硬件技术的迅速发展，使得在模具行业应用虚拟设计、敏捷制造技术既有必要，又有可能。美国在其《21世纪制造企业战略》中指出，到2006年要实现汽车工业敏捷生产/虚拟工程方案，使汽车开发周期从40个月缩短到4个月。Delcam公司最近推出的CAD/CAM集成化系统PowerSolution覆盖了几何建模、逆向工程、工业设计、工程制图、仿真分析、快速原型、数控编程、测量分析等方面。系统的每一个功能模块既可独立运行，又可通过数据接口与其它系统兼容，便于实现开放性、兼容性和专业化的统一。

　　1.5并行工程技术在模具中应用

　　模具是面向定单式的生产方式，属于单性生产，制造过程复杂，要求交货时间短。如果利用CAD、CAM单元技术制造模具，制造精度低、周期长，为了解决上述难题，我们将并行工程技术引入到模具制造过程中。#p#分页标题#e#

　　所谓并行工程是设计工程师在进行产品三维零件设计时就考虑模具的成型工艺、影响模具寿命的因素，并进行校对、检查，预先发现设计过程的错误。在初步确立产品的三维模型后，设计、制造及辅助分析部门的多位工程师同时进行模具结构设计、工程详图设计、模具性能辅助分析及数控机床加工指令的编程，而且每一个工程师对产品所做的修改可自动反映到其他工程师那里，大大缩短设计、数控编程的时间。

　　在实际生产过程中，应用Pro/ENGINEER、UG等CAD/CAE/CAM集成技术软件，将原来模具结构设计→模具型腔、型芯设计及结构二维设计→工艺准备→模具型腔、型芯设计三维造型→数控加工指令编程→数控加工的串行工艺路线改为由不同的工程师同时进行设计、工艺准备的并行路线，不但提高了模具的制造精度，而且能缩短设计、数控编程时间达40%以上。

　　1.6模具高速测量及其逆向工程技术

　　随着三坐标测量机、扫描仪、便携式扫描仪、激光跟踪仪的技术不断发展与进步，检测技术向高速度、高精度、高适应性、数字化、自动化方向发展，使得现代测量技术不断融入模具产品逆向工程设计中，进一步推动模具制造产品快速制造的响应能力。

　　逆向工程(Reverse Engineering，RE)也称反向工程或反求工程，是相对于传统的产品设计流程即所谓的正向工程(Forward Engineering，FE)而提出的。

　　2 现代模具加工技术

　　2.1高速铣削技术

　　早在20世纪30年代，德国切削物理学家Carl Salomon根据一些实验曲线，即现在被称为“Salomon曲线”，提出了高速切削(High Speed Cutting，HSC)的概念[5]。铣削加工是型腔模具加工的重要手段。而高速铣削具有工件温升低、切削力小，加工平稳、加工质量良好、加工效率高(为普通铣削加工的5～10倍)及可加工硬材料(<60HRC)等诸多优点。因而在模具的加工中日益受到重视。具体展开，高速铣削具有以下一些特点。

　　(1)高效、高速铣削的主轴转速一般为15000～40000r/min，最高可达100000r/min。在切削钢时，其切削速度约为400m/min，比传统的铣削加工高5～10倍;在加工型腔模时与传统的加工方法相比(传统铣削、电火花成形加工、抛光)其效率提高4～5倍;与完全采用EDM加工相比，其加工速度提高4～8倍。例如，加工一个插座外壳的压铸模，若采用传统铣削、电火花成形加工、抛光等工艺，约需50～60h，而采用高速铣削加工约需14h，效率提高近4倍。

　　(2)高精度。一般加工精度为10μm，有的精度还要高。

　　(3)高表面质量。由于高速铣削的工件温升小(约3℃)，故表面没有变质层及微裂纹，热变形也小。最好的表面粗糙度Ra小于1μm。

　　(4)可加工高硬材料。可铣削HRC 50～54的钢材，铣削的最高硬度可达HRC60。以上这些特点都优于EDM加工，由此可见，高速铣削加工工艺及装备无疑是模具制造技术重要的发展方向[5]。

　　瑞士克朗公司UCP 710型五轴联动加工中心，其机床定位精度可达8μm，自制的具有矢量闭环控制电主轴，最大转速为42000r/min。意大利RAMBAUDR公司的高速铣床，其加工范围达2500mm×5000mm×1800mm，转速达20500r/min，切削进给速度达20m/min。HSM一般主要用于大、中型模具加工，如汽车覆盖件模具、压铸模、大型塑料等曲面加工，其曲面加工精度可达0.01mm。

　　2.2 电火花加工技术和“绿色”产品技术

　　电火花加工是在一定的液体介质中，利用脉冲放电对导电材料的电蚀现象来蚀除材料，从而使零件的尺寸、形状和表面质量达到预定技术要求的一种加工方法。在特种加工中，电火花加工的应用最为广泛。

　　从国外的电加工机床来看，不论从性能、工艺指标、智能化、自动化程度都已达到了相当高的水平，目前国外的新动向是进行电火花铣削加工技术(电火花创成加工技术)的研究开发，这是一种替代传统的用成型电极加工型腔的新技术，它是用高速旋转的简单的管状电极作三维或二维轮廓加工(像数控铣一样)，因此不再需要制造复杂的成型电极，这显然是电火花成形加工领域的重大发展。

　　在电火花加工技术进步的同时，电火花加工的安全和防护技术越来越受到人们的重视，许多电加工机床都考虑了安全防护技术。目前欧共体已规定没有“CE”标志的机床不能进入欧共体市场，同时国际市场也越来越重视安全防护技术的要求。目前，电火花加工机床的主要问题是辐射骚扰，因为它对安全、环保影响较大，在国际市场越来越重视“绿色”产品的情况下，作为模具加工的主导设备电火花加工机床的″绿色″产品技术，将是今后必须解决的难题。

　　日本沙迪克公司采用直线电机伺服驱动的AQ325L、AQ550LLS-WEDM具有驱动反应快、传动及定位精度高、热变形小等优点。瑞士夏米尔公司的NCEDM具有P-E3自适应控制、PCE能量控制及自动编程专家系统。另外有些EDM还采用了混粉加工工艺、微精加工脉冲电源及模糊控制(FC)等技术[4]。

　　2.3 基于RPM快速经济制模技术

　　快速原型/零件制造(Raprd Prototype/Part Manufacturing，简称RPM)技术就是20世纪后期起源于美国，并很快发展起来的一种先进制造技术，RPM技术是近20年来制造技术领域的一次重大突破。它是综合利用CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光技术的技术集成以实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术[1]。

　　RPM技术发展到今天，其发展重心已从快速原型制造(RPM)向快速模具(RT)制造及金属零件快速制造方向转移，各种各样的后续制造材料及工艺不断出现。目前RPM的快速制模主要是注塑模、冲压模、铸模等。

　　快速经济模具制造技术突出表现在快速原型(PP)与快速模具制造(RT)上。近年来，PP+RT的研究成为国内外RPM界十分关注并大力开发的领域之一。

　　2.4 模具工业新工艺、新理念、新模式进一步得到认同

　　在成形工艺方面，主要有冲压模具功能复合化、超塑性成形、塑性精密成形技术、塑料模气体辅助注射技术及热流道技术、高压注射成形技术等。另一方面，随着先进制造技术的不断发展和模具行业整体水平的提高，在模具行业出现了一些新的设计、生产、管理理念与模式。具体主要有：适应模具单件生产特点的柔性制造技术;创造最佳管理和效益的团队精神，精益生产;提高快速应变能力的并行工程、虚拟制造及全球敏捷制造、网络制造等新的生产哲理;广泛采用标准件通用件的分工协作生产模式;适应可持续发展和环保要求的绿色设计与制造等。#p#分页标题#e#

　　参考文献

　　[1]林 波.计算机辅助设计与制造.全国第四届CAD/CAM学术报告会论文集[M].机械工业出版社.1996.

　　[2]戴 同.CAD/CAPP/CAM基本教程[M].机械工业出版社.1997.4.

　　[3]任仲贵.CAD/CAM原理[M].清华大学出版社.1992.11.

　　[4]海锦涛.先进制造技术[M].机械工业出版社.1996.12.