淺談模具數字化設計與制造技術

普什模具有限公司 陳 平 楊本偉 堯 軍

自20世紀80年代改革開放以來，中國以其資源豐富、人才富集、基礎建設完備、政策支持等優(yōu)勢迅速成為“世界工廠”，各類產品以“物美價廉”的優(yōu)點暢銷世界各地。在改革開放的浪潮中，作為各經濟大國國民經濟支柱產業(yè)的制造業(yè)，一直保持著快速發(fā)展的趨勢。模具，是以特定的結構形式通過一定方式使材料成形的一種生產工具或工業(yè)產品，它在航空、航天、汽車、軌道交通、新能源、食品、飲料、醫(yī)療器械等各行各業(yè)中都發(fā)揮著重要作用，因此模具工業(yè)素有“工業(yè)之母”的稱號，其發(fā)展水平是制造水平的重要標志之一。中國制造業(yè)的快速發(fā)展帶動模具產業(yè)的發(fā)展，模具產業(yè)的創(chuàng)新又支撐著制造業(yè)的新一輪快速發(fā)展，兩者相互依存、相互促進。此外，由于市場和成本等因素，發(fā)達國家的模具產業(yè)也在逐步向以中國為代表的發(fā)展中國家轉移。這些綜合因素促成了我國模具工業(yè)的高速發(fā)展。根據我國模具工業(yè)協會經營管理委員會提供的數據來看，我國模具以平均15%的年增長率高速發(fā)展，高于國內GDP的平均增值一倍多，發(fā)展態(tài)勢十分活躍。

圖1 模具設計與制造流程

模具數字化設計

自從20世紀50年代第一臺數控機床誕生以來，制造業(yè)先后經歷了加工中心、柔性制造（FMS）系統、計算機集成制造（CIMS）系統的工業(yè)化轉型升級。隨著模具技術、數字化技術和網絡技術發(fā)展的日益成熟，模具數字化設計與制造技術已經成為世界各制造大國研究的熱點，它是由計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助分析（CAE）、計算機輔助工藝（CAPP）、計算機輔助制造（CAM）、產品數據庫管理（PDM）基于網絡實現系統集成的一項技術，它可以實現產品的全數字化開發(fā)制造過程，大大提高企業(yè)對新產品的開發(fā)能力和對市場的快速反應能力。

我國從20世紀80年代引入模具CAD技術，這項技術以其操作簡便、設計高效、數據存儲和交換快捷等優(yōu)點得到快速發(fā)展，及至今日，國內主要模具企業(yè)的CAD技術都已從二維設計發(fā)展到了三維設計。不過，由于國內的工程軟件開發(fā)能力較弱，自主開發(fā)的軟件綜合性能不高，國內模具企業(yè)使用的高端工程軟件基本都是來自國外的軟件公司，目前常用的CAD軟件有UG、CATIA、Pro/E、Cimatron、Delcam等。國內模具CAE技術自20世紀90年代開始發(fā)展，因其具有仿真模擬可視化、工程問題分析簡單化、分析過程層次化、分析結果使問題可預見化等優(yōu)點迅速被模具企業(yè)推廣和使用，目前模具企業(yè)常用的CAE軟件有Dynaform、Autoform、Pamstamp、Moldflow等。借助先進的CAD和CAE技術，模具工程師可以對全三維化的模具復雜運動過程進行仿真模擬分析，確保機構的運動協調，避免運動干涉現象，能最大限度地減少模具的設計問題，從而減少不必要的模具質量成本。此外，模具工程師也可以對產品數模進行仿真模擬分析，通過仿真分析結果，對產品進行相應的修正和調整，預先性地消除常見的產品開裂、起皺、回彈等問題，能夠大幅度地減少這些常見問題帶來的品質改修次數和制造成本。

模具數字化設計主要包含工藝方案設計和結構設計兩方面的內容。合理的工藝方案設計既是模具設計制造的基礎，又對產品的質量起著關鍵性作用，它影響著模具和產品的QCT（質量、成本和周期）；而結構設計則決定著模具的功能、結構尺寸、重量、強度等，它是模具生產制造實質上的指導文件，決定著模具的制造工藝性和生產操作性。

1 模具工藝方案設計

1.1 模具工序的優(yōu)化

通過優(yōu)化沖壓工藝，減少模具工序和數量，實現集約化生產，可以大幅降低模具成本和沖壓生產成本。圖2是幾個不同產品在同一套模具上實現共模生產的示意圖，使模具成本下降約25%，生產成本下降約50%。

圖2 一模多產品的模具

1.2 NC模面變間隙技術

綜合零件成形性、材料變薄率、零件精度要求等因素對模面做變間隙處理，減少模具加工和鉗工研配時間，降低調試難度及其工作量，確保研配質量，提高零件精度。圖3為某產品變間隙技術示意圖。

綜上所述，現在是開放化的時代，是網絡化的時代。對于企業(yè)來說，如何在激烈的市場競爭中占據一席之地至關重要，而員工的思想政治素質無疑是促進企業(yè)可持續(xù)發(fā)展重要因素。

圖3 某產品變間隙技術示意圖

1.3 零件整體變形補償技術

因大尺寸平坦零件拉延成形后的零件整體剛性差，零件頂面會發(fā)生塌陷，可使用整體隆起變形補償技術保證零件品質。使用Dynaform等CAE軟件完成板料的成形工藝分析，為模具的重構加工數模提供板料變形狀態(tài)分析，并從CAE參數中得到自動回彈補償的模面，且保持和原先曲面模型相同的拓撲。此項技術可降低模具型面的研配工作量，提高模具的型面精度。

1.4 RE——逆向工程技術

逆向工程技術是一種對產品設計技術再現過程的技術。逆向工程技術被廣泛地應用到新產品開發(fā)和產品改型設計、產品逆向追溯、質量分析檢測等領域，其作用有：

（1）縮短產品的設計和開發(fā)周期，加快產品的更新換代速度；

（2）降低企業(yè)開發(fā)新產品的成本和風險；

（3）加快產品的造型與系列化的設計；

（4）適合單件或小批量的零件制造，特別是模具的制造。

逆向工程技術在模具行業(yè)中的應用主要是通過對模具實際加工面和樣件的光學掃描數據進行采集，分析出理論數據與實際數據的差異，從而快速重構加工模面。此項技術可以為模具品質改修提供重要的理論依據，提升模具品質改修的質量和效率。圖4所示為工程師正在對某零件進行數據采集，以便對其品質改修提供理論依據。

圖4 某零件數據采集

2 結構設計

2.1 三維實體創(chuàng)建

三維實體設計的出現使CAD技術從單純模仿工程圖紙的三視圖模式中解放了出來，三維實體設計能夠直觀地反映設計的真實狀態(tài)，通過運動模擬、干涉檢查等分析手段，在設計階段就能避免以往在生產制造中才能發(fā)現的問題，從而降低模具制造的成本。

2.2 模具設計資料庫

模具設計資料庫包含標準件庫、沖壓設備庫、典型結構庫及基本結構庫4部分。標準件庫為模具結構設計提供可以直接裝配的參數化、系列化零件；沖壓設備庫、典型結構庫為結構設計提供可參考的模型；而參數化的基礎結構庫使模具設計更加靈活、智能。模具標準化資料庫的建立，有效縮短了模具的設計周期，提高了模具質量。

2.3 自動沖壓過程仿真

自動沖壓線中各機構形狀和運動比較復雜，通過沖壓線的過程仿真既可以直觀地看到整個過程中的各部件位置關系，又可以輸出干涉曲線，從而發(fā)現設計中可能存在的干涉現象，及時進行結構優(yōu)化。這樣，就可以在設計中對端拾機構以及斜楔機構進行修改，避免模具在線調試和生產時產生干涉，達到降低模具調試成本，縮短生產周期的目的。

模具數字化制造

數字化技術是模具制造中一項重要技術，隨著計算機技術的發(fā)展，數字化技術的應用也越來越廣泛。近年來, 信息技術不斷地與制造技術相融合，使制造業(yè)日益走向數字化。廣義的CAM（計算機輔助制造）技術是指借助計算機來完成從生產準備到產品制造完成過程中的各項活動，包括工藝輔助過程設計（CAPP）、數控（NC）加工編程、加工模擬分析、生產作業(yè)計劃、制造過程控制、質量檢測與分析等。CAM技術在模具企業(yè)里的應用通常是根據CAD模型自動生成零件加工的數控代碼，對加工過程進行動態(tài)模擬，同時完成在機床加工時的干涉和碰撞檢查模擬，常見的CAM過程如圖5所示。模具制造自動化加工需要注意以下幾方面問題。

圖5 CAM過程示意圖

1 加工模板和參數庫

模具企業(yè)里的制造技術都需要日積月累的沉淀，通過資深工程師建立加工模板和參數庫的方法，能讓新技術員應用成功的經驗，編寫出接近一般水平的程序。在編程規(guī)范中，應明確規(guī)定機床的選用、刀具的選擇、走刀方向、加工余量等切削參數和不同形狀特征所應采取的NC加工工藝方法。

2 坯料建立

由于原材料、鑄造工藝等原因，國內模具的毛坯鑄造精度較差，模具毛坯和模具的理論數模經常會出現偏差，給后續(xù)加工帶來撞刀、撞機等重大制造風險。通過白光掃描技術（TRITOP技術，即利用特有的數碼點和參考點來構建一個完整的坐標定位系統，利用光學拍照定位技術和光柵測量原理，可在極短的時間獲得復雜工件表面的完整點云的一種技術）對加工前的毛坯進行掃描成型，用掃描成型的數據與三維模型進行比對（如圖6所示），便于CAM工程師在程序編制之前，提前發(fā)現加工鑄件的干涉、余量異常、鑄造缺陷等問題并進行預先處理，規(guī)避模具制造的事故風險，保證加工制造的順利完成。

圖6 掃描數據與模型比對

3 仿真模擬

大型模具的結構通常都很復雜，側切、側整形模具上斜楔機構較多，在加工中刀具或主軸與工件容易發(fā)生干涉，會對模具和機床造成損傷，造成經濟損失并影響模具周期。因此，為確保模具制造中的安全性和加工的質量，工程師結合本公司的機床設備，建立了相應的參數庫、刀具庫、主軸頭庫等，在程序編制完成后，調用相應的機床數據庫進行切削仿真模擬，驗證程序并對干涉區(qū)域進行修正和優(yōu)化，保證零件在現場加工的正確性和安全性，如圖7所示。

圖7 模具加工的仿真模擬

4 在機檢測

在機檢測系統是在機床上利用測頭對工件進行檢測的一種測量方式，目的是對工件加工前、加工過程中以及加工完成后進行全過程的監(jiān)測，防止人為誤操作，進而有效地提高加工質量及效率。例如，以前在模具加工完成后，傳統的檢測模式是將模具轉運到三坐標測量機上進行復檢，這種方式雖然精確但是費時費力，也無法解決和模具數字化加工進行無縫銜接的問題?，F在可以使用在機檢測方法對加工完的模具進行自動檢測并出具檢驗報告，減少了工件的轉運和輔助時間，大大提高了檢測效率。

結束語

數字化設計與制造是計算機技術、制造技術、網絡技術與管理科學的交叉、融和、發(fā)展與應用的結果，也是制造企業(yè)、制造系統與生產過程、生產系統不斷實現數字化的必然趨勢。它使原有的傳統制造業(yè)變成了智力型的工業(yè)，使企業(yè)主要通過資源要素（如勞動力、設備、資金）競爭逐漸變?yōu)橐詣?chuàng)新能力知本型的競爭。目前，世界科技已由20世紀的“機械化時代”邁入了21世紀的“智能化時代”，模具數字化設計與制造技術的發(fā)展應以提高自動化和智能化水平為主，積極創(chuàng)新和采用高新技術，逐步將CAD/CAE/CAM/IT和模具系統集成為一體，最終實現模具的無紙化、數字化、自動化加工。