論現(xiàn)代模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的信息化應(yīng)用

汪大平

摘要:隨著經(jīng)濟(jì)全球化及市場競爭的日益激烈,模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)正面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。模具企業(yè)必須利用最新的技術(shù),在最短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出高質(zhì)量、低成本、高附加值的產(chǎn)品,以最快的速度響應(yīng)和投放市場。這就需要改變傳統(tǒng)模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式,從而做出正確的決策與設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞:現(xiàn)代模具;設(shè)計(jì);制造;信息化

中圖分類號(hào):TG76文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-3198(2009)23-0284-02

現(xiàn)代模具產(chǎn)品制造是典型的單件小批量、離散型生產(chǎn)。傳統(tǒng)模具產(chǎn)品開發(fā)從設(shè)計(jì)、試制到產(chǎn)品上市周期太長,設(shè)計(jì)過程中難以與用戶進(jìn)行交流,難以及時(shí)聽取用戶的意見,難以考慮可制造性和可裝配性,很難全面考慮安全、維護(hù)等方面的要求,不能綜合考慮生產(chǎn)、時(shí)間以及費(fèi)用等相互制約條件的限制,更談不上考慮整個(gè)模具產(chǎn)品壽命周期的諸多問題。筆者就現(xiàn)代模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的高科技信息化及其應(yīng)用談點(diǎn)淺見。

1現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)與制造已步入信息化時(shí)代

改革開放30多年來,中國模具生產(chǎn)作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)有了翻天覆地的變化。這種變化主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:產(chǎn)能變化、生產(chǎn)方式變化、技術(shù)革命。大多數(shù)人看到的是中國模具產(chǎn)業(yè)作為一個(gè)行業(yè)的從無到有、從小到大、從拾漏補(bǔ)缺到成為主力,以及模具需求和產(chǎn)量的快速增長變化。但更重要的是生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變和技術(shù)革命。后兩種變化是一種更加深刻、更加根本性的變化。生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變主要體現(xiàn)在,從過去傳統(tǒng)的小而全的后方車間、作坊式的生產(chǎn),轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨仁袌鰧I(yè)協(xié)作的大規(guī)模生產(chǎn)方式;從完全非標(biāo)生產(chǎn)到相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化和準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。模具生產(chǎn)技術(shù)革命,濃縮到一點(diǎn)就是企業(yè)信息化也就是數(shù)字化制造和信息化管理。

20世紀(jì)80年代前,很多模具是靠鉗工用手打磨出來的;90年代,由于引入了數(shù)控加工機(jī)床、edm等較先進(jìn)的設(shè)備,大大地提高了模具的生產(chǎn)工藝水平,生產(chǎn)周期及模具的品質(zhì)也有了很大的縮短和改進(jìn)。高精度加工己經(jīng)把工人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來。另一方面,cad/cam/cae等計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在模具行業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用,模具的設(shè)計(jì)及數(shù)控加工水平有了很大的提高,cad/cam/cae軟件對(duì)于模具技術(shù)人員的工作效率和設(shè)計(jì)的可靠性已經(jīng)有了很大的提高。目前各模具企業(yè)又面臨著一個(gè)新的課題,如何把企業(yè)管理也同樣從煩瑣的事務(wù)中解放出來,讓信息化管理為企業(yè)的生產(chǎn)效率提升作出貢獻(xiàn)。所以模具企業(yè)管理的信息化己經(jīng)成為模具行業(yè)發(fā)展和進(jìn)步的必然趨勢。

模具生產(chǎn)是單件訂單式生產(chǎn),在管理信息化中有其強(qiáng)烈的特殊性。設(shè)計(jì)是制造的一部分,工藝設(shè)計(jì)不充分,設(shè)計(jì)與工藝信息可直接重復(fù)利用價(jià)值不大。因此,根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)把握全面信息化管理與實(shí)用、簡化管理的平衡點(diǎn),是信息化的關(guān)鍵。這就造成很難照搬成熟的管理軟件。例如汽車模具企業(yè)沒有傳統(tǒng)意義上的原材料,倉庫管理等等。購置的都是部件與部件的半成品,不存在入庫出庫過程,制造費(fèi)用的攤銷每個(gè)企業(yè)也是都不一樣。又比如成本核算更應(yīng)該采用項(xiàng)目管理的辦法,而不是采用一般加工制造業(yè)的辦法,什么pdm、erp等軟件不經(jīng)過徹底的改造是完全不適應(yīng)的。

2現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)的CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用

模具設(shè)計(jì)是隨工業(yè)產(chǎn)品零件的形狀、尺寸與尺寸精度、表面質(zhì)量要求以及其成型工藝條件的變化而變化的,所以每副模具都必須進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)。模具設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括產(chǎn)品零件(常稱為制件)成型工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)與力學(xué)計(jì)算和尺寸與尺寸精度確定與設(shè)計(jì)等,因此模具設(shè)計(jì)常分為制件工藝分析與設(shè)計(jì)、模具總體方案設(shè)計(jì)、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)四個(gè)階段。CAD/CAE,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助工程,它包括概念設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、計(jì)算機(jī)仿真、計(jì)算機(jī)輔助繪圖和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程管理等。應(yīng)用CAD技術(shù)可以設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的大體結(jié)構(gòu),再通過CAE技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、可行性評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用模具CAD/CAE集成技術(shù)后,制件一般不需要再進(jìn)行原型試驗(yàn),采用幾何造型技術(shù),制件的形狀能精確、逼真地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上,有限元分析程序可以對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行檢測。借助于計(jì)算機(jī),自動(dòng)繪圖代替了人工繪圖,自動(dòng)檢索代替了手冊(cè)查閱,快速分析代替了手工計(jì)算,使模具設(shè)計(jì)師能從繁瑣的繪圖和計(jì)算中解放出來,集中精力從事諸如方案構(gòu)思和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等創(chuàng)造性的工作。在模具投產(chǎn)之前,CAE軟件可以預(yù)測模具結(jié)構(gòu)有關(guān)參數(shù)的正確性。

當(dāng)今的概念設(shè)計(jì)已不僅僅是停留在對(duì)外觀和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上,它已經(jīng)擴(kuò)展到對(duì)模具結(jié)構(gòu)分析的領(lǐng)域。對(duì)于運(yùn)用CAD技術(shù)設(shè)計(jì)出的模具,可運(yùn)用先進(jìn)的CAE軟件(尤其是有限元軟件)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、抗沖擊實(shí)驗(yàn)?zāi)M、跌落實(shí)驗(yàn)?zāi)M、散熱能力、疲勞和蠕變等分析。通過這些分析,可以檢驗(yàn)前面的概念性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理,分析出結(jié)構(gòu)不合理的原因和部位,然后再在CAD軟件中進(jìn)行相應(yīng)的修改。修改后再在CAE中進(jìn)行各種性能的檢測,最終確定滿足要求的模具結(jié)構(gòu)。

當(dāng)今CAD技術(shù)的發(fā)展使得概念設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)在相應(yīng)的模塊中。概念設(shè)計(jì)不再只是設(shè)計(jì)師的思維,系統(tǒng)模塊也融合了一般的概念設(shè)計(jì)理念和方法。目前,世界上大型的CAD/CAE軟件系統(tǒng),如Pro/ENGINEER、UG、Solidworke、Alias等,都提供了有關(guān)產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模塊,我們稱之為工業(yè)設(shè)計(jì)模塊或概念設(shè)計(jì)模塊。例如,Pro/ENGINEER就包含一個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)模塊——ProDesign,用于支持自上而下的投影設(shè)計(jì),以及在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所包含的許多復(fù)雜任務(wù)的自動(dòng)設(shè)計(jì)。此模塊工具包括概念設(shè)計(jì)的二維非參數(shù)化的裝配布局編輯器。這些系統(tǒng)模塊的應(yīng)用大大減少了設(shè)計(jì)師的工作量,節(jié)約了工作時(shí)間,提高了工作效率,使設(shè)計(jì)師把更多的精力用在新產(chǎn)品的開發(fā)及創(chuàng)新上。

3現(xiàn)代模具制造的CAD/CAE/CAM技術(shù)應(yīng)用

現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,推動(dòng)了我國模具工業(yè)的前進(jìn)。CAD/CAE/CAM技術(shù)的日臻完善和在模具制造上的應(yīng)用,使其在現(xiàn)代模具的制造中發(fā)揮越來越重要的作用,CAD/CAE/CAM技術(shù)已成為現(xiàn)代模具的制造的必然趨勢。

(1)CAD/CAE/CAM計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、模擬與制造一體化,CAD/CAE/CAM一體化集成技術(shù)是現(xiàn)代模具制造中最先進(jìn)、最合理的生產(chǎn)方式。使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、輔助工程與制造系統(tǒng),按設(shè)計(jì)好的模具零件分別編制該零件的數(shù)控加工程序是從設(shè)計(jì)到制造的一個(gè)必然過程。在具有現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)制造能力的工廠內(nèi),該過程都是在CAD/CAE/CAM系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行的,其加工程序直接由聯(lián)機(jī)電纜輸入加工機(jī)臺(tái),在編制程序時(shí)可利用系統(tǒng)中的加工模擬功能進(jìn)行細(xì)致的模擬,將零件,刀具、刀柄、夾具,平臺(tái)及刀具移動(dòng)速度、路徑等顯示出來,以便觀察整個(gè)模具零件的切削過程和前后的形狀,進(jìn)而檢查程序編制的正確性,這對(duì)于復(fù)雜的多曲面的模具零件尤為重要。

(2)模具的零部件除了有高精度的幾何要求外,其形位精度要求也較高,一般的量具是很難達(dá)到理想的目的的,這時(shí)就要依賴精密零件測量系統(tǒng)。這種精密零件測量系統(tǒng)簡稱CMM,即Coordinate Measuring Maching,是數(shù)控加工中心的一種變形。它的測量精度可達(dá)0.25μm,其測量工件的方式如下:將經(jīng)由CAD/CAM系統(tǒng)或CMM專用軟件所產(chǎn)生的零件數(shù)據(jù)選送至CMM的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)置后,即按照所給出的數(shù)據(jù)去測量工件,將所得結(jié)果與原始數(shù)據(jù)比較,得出工件加工后的誤差。如果原始數(shù)據(jù)是從設(shè)計(jì)圖紙得來的,則可直接將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)送入CMM專用軟件,然后進(jìn)行測量,將取得的加工誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析,以判斷工件的加工質(zhì)量。如果檢測的不是單個(gè)零件而是若干個(gè)零件的組件,則由各零件的誤差積累而導(dǎo)致總偏差被顯示出來。

(3)現(xiàn)代模具制造的必然趨勢,就是用機(jī)械加工盡可能地取代人工加工。這就確定了先進(jìn)設(shè)備在現(xiàn)代制造中的作用,尤其現(xiàn)在加工中心、數(shù)控高速成型銑床、數(shù)控銑床、數(shù)控車床、多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床、數(shù)控模具雕刻機(jī)、電火花加工機(jī)床、數(shù)控精密磨床、三坐標(biāo)測量機(jī)、掃描儀等現(xiàn)代化設(shè)備在工廠中的廣泛使用。而且這些設(shè)備大部分所用的程序基本上都是應(yīng)用CAD/CAE/CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的。機(jī)臺(tái)與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī),加工程序是通過聯(lián)機(jī)電纜輸入機(jī)臺(tái)的。操作人員按照規(guī)定的程序裝夾工件,配備刀具和操作,機(jī)臺(tái)就能自動(dòng)地完成該機(jī)臺(tái)上應(yīng)該完成的加工任務(wù),并將理想的模具零件制造出來或?yàn)橄乱患庸すば蛲瓿梢?guī)定的部分。操作人員的熟練程度和情緒變化基本不影響加工質(zhì)量和加工效益,這也是現(xiàn)代模具加工優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械加工的一個(gè)方面。

總之,CAD/CAE/CAM集成技術(shù)就是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生的,它已成為現(xiàn)代模具制造技術(shù)發(fā)展的必然趨勢,并以科學(xué)合理的方法給模具制造者提供了一種行之有效的輔助工具。該技術(shù)可使模具制造者在模具制造之前能借助于計(jì)算機(jī)對(duì)制件、模具結(jié)構(gòu)、加工、成本等進(jìn)行反復(fù)修改和優(yōu)化,直至獲得最佳結(jié)果。