模具CAD/CAE/CAM一體化教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

俞彥勤, 劉 輝, 鄒佳鵬

(華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

模具CAD/CAE/CAM即模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助分析(CAE)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM),是一項(xiàng)應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)改造模具傳統(tǒng)技術(shù)的重要關(guān)鍵技術(shù)[1],是計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)模具制造業(yè)高度融合的產(chǎn)物[2],也是材料成形智能化的重要內(nèi)容[3]。該技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了模具或材料成形制件的高效、精確、優(yōu)質(zhì),極大地推動(dòng)了模具工業(yè)的發(fā)展。在“中國(guó)制造2025”計(jì)劃背景下,我國(guó)制造業(yè)急需掌握模具CAD/CAE/CAM技術(shù)的人才。高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)順應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì),著力培養(yǎng)具有學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的相關(guān)技術(shù)人才,以滿足制造業(yè)對(duì)這類人才的需求[4]。

1 模具CAD/CAE/CAM一體化實(shí)驗(yàn)課程體系的構(gòu)建

1.1 課程特點(diǎn)

模具CAD/CAE/CAM一體化實(shí)驗(yàn)課程是為材料卓越計(jì)劃實(shí)驗(yàn)班和材料成形及控制工程專業(yè)本科班設(shè)置的。該課程具有以下特點(diǎn)：

(1) 它是材料成型基本理論與模具設(shè)計(jì)及制造實(shí)踐的結(jié)合；

(2) 它是傳統(tǒng)材料加工工藝與現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)的結(jié)合；

(3) 它是材料加工基礎(chǔ)專業(yè)知識(shí)與前沿智能制造技術(shù)的結(jié)合；

(4) 一體化[5]即CAD、CAE、CAM一體化；

(5) 教學(xué)內(nèi)容綜合性強(qiáng)、知識(shí)密集,涉及包括機(jī)械工程、材料加工工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、自動(dòng)控制工程、測(cè)試技術(shù)、快速成型技術(shù)、模擬仿真技術(shù)等多領(lǐng)域及多學(xué)科交叉知識(shí)。

鑒于以上特點(diǎn),模具CAD/CAE/CAM一體化實(shí)驗(yàn)課程,時(shí)間可安排在學(xué)生進(jìn)行專業(yè)及專業(yè)基礎(chǔ)課理論學(xué)習(xí)、專業(yè)基本實(shí)踐及基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課之后、畢業(yè)設(shè)計(jì)之前進(jìn)行,比如安排在大學(xué)四年級(jí)的上學(xué)期。實(shí)驗(yàn)課程類可定位于綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性的“三性”高層次。表1為模具CAD/CAE/CAM一體化實(shí)驗(yàn)課程計(jì)劃表。

表1 模具CAD/CAE/CAM一體化實(shí)驗(yàn)課程計(jì)劃

1.2 教學(xué)現(xiàn)狀

由于模具CAD/CAE/CAM一體化實(shí)驗(yàn)課程是一門跨學(xué)科、綜合性強(qiáng)、知識(shí)密集的應(yīng)用型課程,在課程體系、教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)環(huán)境等諸方面面臨很大挑戰(zhàn)。目前國(guó)內(nèi)許多高校對(duì)該課程的教學(xué)進(jìn)行了大量的探索及研究[6-14]。原先開設(shè)的模具CAD實(shí)驗(yàn)、成形工藝模擬實(shí)驗(yàn)(CAE)、模具CAM實(shí)驗(yàn)等,受實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之間的壁壘限制,各實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容彼此孤立,關(guān)聯(lián)性不強(qiáng),致使一些實(shí)驗(yàn)“碎片”化、“孤島”化,或?qū)嶒?yàn)內(nèi)容“冗余”化,很難符合綜合性、研究性、創(chuàng)新性的要求,極大地影響了學(xué)生實(shí)驗(yàn)課的積極性和創(chuàng)造性。因此,針對(duì)現(xiàn)有模具CAD/CAE/CAM實(shí)驗(yàn)課程,從體系、內(nèi)容、手段等諸方面進(jìn)行改革與創(chuàng)新尤為重要和迫切。

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建

針對(duì)現(xiàn)有模具CAD/CAE/CAM實(shí)驗(yàn)課程運(yùn)行中存在的突出問題,對(duì)模具CAD/CAE/CAM綜合實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)體系、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行深入研究,通過科學(xué)合理的規(guī)劃,探索研究出體系完備、內(nèi)容充實(shí)、實(shí)驗(yàn)手段多樣化的模具CAD/CAE/CAM一體化教學(xué)實(shí)驗(yàn),其體系構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 模具CAD/CAM/CAE一體化實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建的基本思路是：以典型沖壓件為紐帶,運(yùn)用三維計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件,設(shè)計(jì)出沖壓模具(涵蓋復(fù)合模、級(jí)進(jìn)模),即“模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)實(shí)驗(yàn)”； 在進(jìn)行模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,對(duì)材料成形工藝進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真,檢驗(yàn)成形工藝及模具設(shè)計(jì)的合理性,即“成形工藝計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬(CAE)實(shí)驗(yàn)”；對(duì)模具主要工作零件進(jìn)行數(shù)控編程(減材制造)以及零件的快速成型(增材制造),即“模具計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)實(shí)驗(yàn)”；最后,利用制造的范例模具,在數(shù)控沖床上加工出所選定的沖壓件,即進(jìn)行“成形工藝物理模擬實(shí)驗(yàn)”。

2 模具CAD/CAE/CAM一體化實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容

2.1 三維建模實(shí)驗(yàn)

2.1.1直接建模

向?qū)W生提出實(shí)驗(yàn)任務(wù)的沖壓零件二維工程圖,如圖2所示,要求運(yùn)用CAD三維軟件進(jìn)行直接建模。

圖2 沖壓零件二維工程圖

2.1.2 間接建模

直接提供實(shí)物零件,要求利用反求設(shè)備及逆向工程技術(shù)進(jìn)行零件反求建模。

通過以上直接建?；蚰嫦蜷g接建模2種方式,得到?jīng)_壓件的三維數(shù)字模型,如圖3所示。

圖3 沖壓件三維模型圖

2.2 模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述沖壓件三維模型,利用NX設(shè)計(jì)PDW模塊,進(jìn)行模具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),學(xué)生可以自行選擇成形工藝方案或不同的工序組合來進(jìn)行模具設(shè)計(jì),例如采用先落料后拉伸,或先拉伸后落料等不同工藝方案,也可以采用不同模具如復(fù)合模(見圖4(a))、級(jí)進(jìn)模(見圖4(b))等來完成零件的成形。

圖4 模具三維造型圖

2.3 成形工藝計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬(CAE)實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過不同的工藝方案及不同工序組合的模具設(shè)計(jì)后,運(yùn)用板料成形模擬軟件對(duì)已確定的工藝進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析,例如分析成形時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變、成形極限圖、成形載荷等,還可預(yù)測(cè)分析零件成形過程可能出現(xiàn)的缺陷,如拉裂、變薄、彎曲回彈等,從而對(duì)工藝及其設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行校驗(yàn)及修改。圖5為零件彎曲變形模擬分析圖。

圖5 彎曲工藝模擬分析圖

2.4 模具計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)實(shí)驗(yàn)

減材制造。將所設(shè)計(jì)模具的主要工作零件,運(yùn)用NX制造模塊生成的加工程序,在數(shù)控雕銑機(jī)上進(jìn)行減材制造,如圖6(a)所示。

圖6 模具零件的制造

增材制造。從所設(shè)計(jì)模具的主要工作零件模型,導(dǎo)出為.STL格式的數(shù)據(jù)文件,在擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的HTS系列[15]FDM快速成型機(jī)上完成模具零件的增材制造,如圖6(b)所示。

將數(shù)控加工(減材制造)與快速成型(增材制造)進(jìn)行對(duì)比,使學(xué)生掌握兩種加工方法各自的特點(diǎn)、原理、運(yùn)用場(chǎng)合等,有利于學(xué)生對(duì)現(xiàn)代模具制造專業(yè)知識(shí)的融會(huì)貫通。

2.5 成形工藝物理模擬實(shí)驗(yàn)

利用制造的范例模具,在數(shù)控沖床上加工出指定的沖壓件(圖7),即進(jìn)行成形工藝物理模擬實(shí)驗(yàn),并結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬(CAE)部分的預(yù)測(cè),分析沖壓件產(chǎn)生缺陷的原因。

圖7 沖壓件成形

3 結(jié)語

通過模具CAD/CAM/CAE實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建與創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)從沖壓件的數(shù)字模型到成形零件實(shí)物全過程(PLM)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié),讓學(xué)生“所見即所得”,培養(yǎng)學(xué)生良好的科技創(chuàng)新意識(shí)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)以學(xué)生為中心,提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主觀能動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容編排方面,以零件數(shù)據(jù)流“瀑布”式逐層推進(jìn),層次分明,時(shí)空排列有序,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

按照本實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)架,學(xué)生可自行選擇不同的沖壓制件、不同的沖壓成形工藝組合來進(jìn)行實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生“主動(dòng)實(shí)驗(yàn)”, 激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課的積極性和創(chuàng)造性。該實(shí)驗(yàn)已應(yīng)用于我校2014級(jí)材料成型及控制工程專業(yè)本科約200名學(xué)生中,教學(xué)效果良好。本實(shí)驗(yàn)除應(yīng)用于模具CAD/CAE/CAM大型一體化實(shí)驗(yàn)之外,也可用于學(xué)生課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)。