模具設(shè)計(jì)的自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)研究

孫德志

（吉林工程職業(yè)學(xué)院，四平 136000）

1 模具設(shè)計(jì)概述

模具作為工業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)基礎(chǔ)行業(yè)，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著十分重要的作用，在機(jī)械制造過(guò)程中模具往往作為一種最為基礎(chǔ)的工藝裝備，對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率以及加工精度都具有決定性的作用，因此，模具行業(yè)往往也會(huì)成為各種尖端技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)模具的設(shè)計(jì)與制造的技術(shù)也在不斷的進(jìn)行創(chuàng)新和提升，以致一個(gè)國(guó)家的模具設(shè)計(jì)水平可以在一方面體現(xiàn)出這個(gè)國(guó)家的工業(yè)技術(shù)水平，在以往的模具設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，主要是依賴模具師傅的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)保證模具設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)可靠，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)并應(yīng)用到模具領(lǐng)域，模具設(shè)計(jì)的開(kāi)始出現(xiàn)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，各種先進(jìn)技術(shù)包括CAE、CAD、CAM以及CNC都被應(yīng)用到模具的設(shè)計(jì)和制造。

2 板材成型

本文主要是針對(duì)模具在板材成型加工領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，板材成型并不是片面的只是平面板材，常見(jiàn)的薄壁型材例如管裝型材都是屬于板材加工的范疇的，板材成型具有十分悠久的發(fā)展史，它的發(fā)展是同各個(gè)行業(yè)的制造需求緊密結(jié)合在一起的，像汽車、航空以及航天等重要的領(lǐng)域會(huì)包括著大量的板材加工零部件，這些行業(yè)的不斷發(fā)展促使的板材成型的技術(shù)要不斷驚醒提升和改進(jìn)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)汽車行業(yè)的產(chǎn)量要求不斷提高，對(duì)質(zhì)量的要求同樣也是不可或缺的，同時(shí)，在航空航天領(lǐng)域也要保持在國(guó)際領(lǐng)先的地位，因此，對(duì)板材成型的技術(shù)需求愈加強(qiáng)烈，這就促使了這一技術(shù)不得不向前創(chuàng)新與發(fā)展，傳統(tǒng)的板材成型技術(shù)在很大程度上已經(jīng)不能夠繼續(xù)滿足這些行業(yè)的迫切需求，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，板材成型技術(shù)的發(fā)展也尋找到了契機(jī)，那就是與計(jì)算機(jī)技術(shù)相互融合產(chǎn)生新的技術(shù)，模具的自動(dòng)化技術(shù)因此也就應(yīng)運(yùn)而生，在板材成型領(lǐng)域也的確取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 模具設(shè)計(jì)自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)

CAD/CAM/CAE等技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐漸出現(xiàn)的，并且在模具設(shè)計(jì)與制造行業(yè)得到了普遍的應(yīng)用，隨著新世紀(jì)的到來(lái)，各個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)逐漸融為一體，模具行業(yè)作為工業(yè)的一個(gè)基礎(chǔ)支撐行業(yè)必然會(huì)朝著自動(dòng)化的方向不斷發(fā)展，這樣才能在全球化的工業(yè)領(lǐng)域中起到其自身的重要作用，隨著各個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展聯(lián)系更加緊密，模具行業(yè)不單單只是局限的某個(gè)國(guó)家，大多數(shù)情況下是需要多國(guó)外某些行業(yè)提供先進(jìn)的模具產(chǎn)品，這不僅對(duì)模具的設(shè)計(jì)水平、制造質(zhì)量以及制造效率提出了更高的要求，而且還推動(dòng)著模具的自動(dòng)化的進(jìn)一步向前發(fā)展，只有這樣才能夠適應(yīng)不斷發(fā)展的經(jīng)濟(jì)。

當(dāng)前，模具的自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)主要可以概括為以下幾個(gè)主要方面，下面分別進(jìn)行詳細(xì)的研究。

3.1 模具產(chǎn)品發(fā)展將大型化、精密化

隨著模具自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，模具的產(chǎn)品也出現(xiàn)了兩個(gè)十分重要的發(fā)展方向，也就是模具的大型化發(fā)展與精密化發(fā)展，所謂大型化發(fā)展并不是指單個(gè)模具的尺寸逐漸變大，而是指將多個(gè)零件的模具集中到一個(gè)模具上進(jìn)行生產(chǎn)，也就是一個(gè)模具往往會(huì)有多個(gè)模具腔，這樣就可以提高零件的生產(chǎn)效率，模具的精密化與模具的大型化并不是沖突的，它是與零件的微型化有著一定的關(guān)系的，模具的精密化主要是為了提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。

3.2 模具標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)用將日漸廣泛

模具的自動(dòng)化發(fā)展的主要目的之一就是為了提高模具的制造效率，傳統(tǒng)的模具制造行業(yè)對(duì)于每個(gè)新的產(chǎn)品都要單獨(dú)設(shè)計(jì)模具然后再去加工，加工過(guò)程中還要對(duì)模具的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這樣大大降低了效率，模具標(biāo)準(zhǔn)件的出現(xiàn)可以使得一部分模具不用再去重新設(shè)計(jì)，通過(guò)將某些模具的組成部分設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)化的模塊并制定出相應(yīng)的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于模具的自動(dòng)化發(fā)展具有很大的推動(dòng)作用。

3.3 在模具設(shè)計(jì)制造中將全面推廣CAD/CAM/CAE技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)并應(yīng)用到模具領(lǐng)域，模具設(shè)計(jì)的開(kāi)始出現(xiàn)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，各種先進(jìn)技術(shù)包括CAE、CAD、CAM以及CNC都被應(yīng)用到模具的設(shè)計(jì)和制造，目前許多的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件在模具的設(shè)計(jì)過(guò)程中可以直接對(duì)模具的加工過(guò)程生成完成并且可靠的數(shù)控加工程序，不僅提高了模具加工的效率，而且提高了模具加工的質(zhì)量。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，CAD/CAM/CAE等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用軟件成本也開(kāi)始逐年降低，從而降低了許多中小型企業(yè)的門檻，這幾項(xiàng)技術(shù)作為模具自動(dòng)化發(fā)展技術(shù)的里程碑，推動(dòng)了模具發(fā)展質(zhì)的飛躍。

4 模具設(shè)計(jì)的自動(dòng)化

模具設(shè)計(jì)的自動(dòng)化是一個(gè)比較完整的生產(chǎn)模具的過(guò)程，通過(guò)CAD軟件對(duì)模具進(jìn)行設(shè)計(jì)的周期中，可以不斷對(duì)所設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行質(zhì)量上的改進(jìn)，找出設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題并且進(jìn)行修正，對(duì)于實(shí)際中應(yīng)用的模具對(duì)其進(jìn)行信息的完整收集然后將其體現(xiàn)在CAD模型之中，并可以在企業(yè)內(nèi)部進(jìn)行文件的共享從而幾種多名設(shè)計(jì)人才的智慧對(duì)設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行改進(jìn)，最后可以生成模具的生產(chǎn)文件，實(shí)現(xiàn)整個(gè)模具設(shè)計(jì)到制造的自動(dòng)化過(guò)程。

4.1 輸入產(chǎn)品模型，生成高質(zhì)量實(shí)體模型

在模具設(shè)計(jì)與制造的自動(dòng)化過(guò)程中，模具的產(chǎn)品模型輸入是最為基礎(chǔ)的一個(gè)步驟，只有得到十分完整的實(shí)體模型才可以保證整個(gè)模具設(shè)計(jì)過(guò)程的可靠性，然而當(dāng)前的狀況就是常用的一些造型軟件雖然在造型方面具有很好的使用功能，但是在進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)一系列的問(wèn)題，在進(jìn)行數(shù)據(jù)交互過(guò)程中最容易出現(xiàn)問(wèn)題的部分就是曲面部分，很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的過(guò)程中就需要對(duì)導(dǎo)入的產(chǎn)品模型進(jìn)行相應(yīng)的處理過(guò)程，處理過(guò)程大多數(shù)情況是針對(duì)的造型公差，當(dāng)造型間隙相對(duì)公差較大的情況下常常采用的造型處理方法有兩種，一種方法稱為愈合處理，另一種方法是公差處理模型，前一種方法的應(yīng)用比較受限，并不是所有的情況都可以用該方法進(jìn)行處理，后一種方法是在實(shí)際應(yīng)用中使用較多并且最終效果也比較好的處理方法，因此常常采用該方法。

4.2 完備產(chǎn)品模型

在模具設(shè)計(jì)與制造的自動(dòng)化過(guò)程中，模具的產(chǎn)品模型的完備是模具廠家需要完成的一個(gè)十分重要的步驟，之所以還需要對(duì)設(shè)計(jì)好的模型進(jìn)行完備是因?yàn)樵S多模型在設(shè)計(jì)的過(guò)程中是不需要將整個(gè)模型完整地繪制出來(lái)的，有時(shí)候僅僅給出模具的一個(gè)簡(jiǎn)單的外觀，而內(nèi)部的結(jié)構(gòu)則需要模具的廠家進(jìn)行細(xì)化，這種情況在汽車行業(yè)比較普遍出現(xiàn)，就算設(shè)計(jì)人員最終給出的產(chǎn)品的模型是完整的，模具廠家也需要完成另一部分工作，那就是將模具進(jìn)行分離，也就是分為型芯和型腔兩個(gè)部分，只有這樣設(shè)計(jì)出的模具才能夠進(jìn)行使用，因此，不管設(shè)計(jì)人員最終給出的產(chǎn)品的模型是不是完整的，該模型都需要進(jìn)行不得處理，也就是模型的完備。

4.3 產(chǎn)生模具

在模具設(shè)計(jì)與制造的自動(dòng)化過(guò)程中，模具的產(chǎn)生是在產(chǎn)品模型完備以后需要進(jìn)行的下一個(gè)步驟，在模具的產(chǎn)生過(guò)程又可以細(xì)化為兩個(gè)部分，一部分就是型芯和型腔的產(chǎn)生，這是模具的主要部分，另一部分就是模架等附件，又可以稱之為模具的輔助部分，很多模具設(shè)計(jì)的人員希望通過(guò)實(shí)體造型的CAD應(yīng)用軟件來(lái)完成這項(xiàng)工作，然后在實(shí)際操作中往往是不能夠完成的，這是因?yàn)槟＞弋a(chǎn)生設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用到最多的就是曲面造型這一功能，而這些現(xiàn)有的應(yīng)用軟件往往很難達(dá)到使用的要求。

4.4 加工準(zhǔn)備

模具加工前的準(zhǔn)備是在模具設(shè)計(jì)與制造的自動(dòng)化過(guò)程最后一個(gè)關(guān)鍵步驟，這一步驟同樣十分關(guān)鍵，它既涉及到模具的設(shè)計(jì)，也涉及到模具的制造，整個(gè)模具的生產(chǎn)過(guò)程并不是單一的切削就可以完成的，有時(shí)候還需要特殊的加工方式來(lái)進(jìn)行配合，最常見(jiàn)的就是放電加工，對(duì)于需要切削加工的表面需要選擇對(duì)應(yīng)的刀具來(lái)進(jìn)行加工，而對(duì)于需要放電加工的表面就比較復(fù)雜，首先需要對(duì)放電加工的部分設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的電極模型，這一步驟有時(shí)候會(huì)占據(jù)整個(gè)模具設(shè)計(jì)的大部分時(shí)間，而電極模型的設(shè)計(jì)原理就是對(duì)需要進(jìn)行加工的部分進(jìn)行求逆的過(guò)程。

4.5 板材成型模具設(shè)計(jì)

如圖1所示為一種鋁合金板材，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化的模具設(shè)計(jì)時(shí)可以遵循上面闡述的四個(gè)步驟，此外還需要得到一些材料的特性參數(shù)、與模具相關(guān)的邊界條件以及速度均方差的計(jì)算方法等等。

圖1 鋁合金板材

如表1所示為模具的材料特性表，在模具的自動(dòng)化設(shè)計(jì)過(guò)程中需要用到表中的相應(yīng)參數(shù)。

表1 材料特性表

如表2所示為與模具有關(guān)的邊界條件。

表2 與模具有關(guān)的邊界條件

型材出口斷面速度的均方差計(jì)算公式如下所示：

其中，vi是考察截面上i節(jié)點(diǎn)處的流動(dòng)速度，v是所有考察節(jié)點(diǎn)的平均速度，n是考察節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

5 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)并應(yīng)用到模具領(lǐng)域，模具設(shè)計(jì)的開(kāi)始出現(xiàn)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，各種先進(jìn)技術(shù)包括CAE、CAD、CAM以及CNC都被應(yīng)用到模具的設(shè)計(jì)和制造，目前許多的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件在模具的設(shè)計(jì)過(guò)程中可以直接對(duì)模具的加工過(guò)程生成完成并且可靠的數(shù)控加工程序，不僅提高了模具加工的效率，而且提高了模具加工的質(zhì)量，本文主要是針對(duì)模具在板材成型加工領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，當(dāng)前模具正在朝著多個(gè)方向同時(shí)發(fā)展，其中模具的自動(dòng)化技術(shù)是最具有代表性的一個(gè)方向，模具設(shè)計(jì)的自動(dòng)化是一個(gè)比較完整的生產(chǎn)模具的過(guò)程，對(duì)于這個(gè)過(guò)程本文進(jìn)行了詳細(xì)的闡述與分析。

[1] 賀強(qiáng),楊文鋒,唐慶如.復(fù)合材料構(gòu)件模壓成形技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化2015(05).

[2] 張海丹,石朋飛,肖賀.自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線模具運(yùn)動(dòng)仿真研究與應(yīng)用[J].模具制造.2015(01).

[3] 謝建榮.模具設(shè)計(jì)效率的分析和評(píng)價(jià)[D].廣東工業(yè)大學(xué),2007.

[4] 沈衛(wèi)華.面向知識(shí)管理的模具設(shè)計(jì)知識(shí)表達(dá)與處理方法研究[D].廣東工業(yè)大學(xué),2005.