基于數(shù)字化沖壓件快速設(shè)計(jì)的模具設(shè)計(jì)制造

文/金吉光·蘇州網(wǎng)禾科技服務(wù)有限公司

數(shù)字化制造技術(shù)自產(chǎn)生至今，已經(jīng)從技術(shù)上的“單點(diǎn)工具”走向了集工藝技術(shù)和項(xiàng)目管理于一身的全面解決方案。近幾年，隨著相關(guān)軟件的發(fā)展，數(shù)字化、虛擬化、可視化已經(jīng)融入了模具設(shè)計(jì)制造的應(yīng)用領(lǐng)域。零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、數(shù)字化加工、模具實(shí)體的虛擬預(yù)裝配、人機(jī)交互控制工程分析等領(lǐng)域，在系統(tǒng)性數(shù)字化的支持下，實(shí)現(xiàn)了沖壓件設(shè)計(jì)與全模具開發(fā)設(shè)計(jì)制造團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)和信息資源的實(shí)時(shí)共享，極大提高了協(xié)同設(shè)計(jì)開發(fā)的效率，促進(jìn)了模具設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)知識(shí)庫(kù)的創(chuàng)建和重用，減少了技術(shù)管理造成低級(jí)錯(cuò)誤的數(shù)量，引入了轉(zhuǎn)換過程的防呆、防漏、防錯(cuò)的措施。

模具數(shù)字化開發(fā)流程管理

市場(chǎng)上客戶的要求向低價(jià)格、短開發(fā)周期、短生命周期、小中大批量波動(dòng)、多品種相似品工藝交叉的方向發(fā)展。因此，需要在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)通用的柔性和相容性相結(jié)合；在運(yùn)營(yíng)管理上滿足控制成本、保證時(shí)間計(jì)劃、工廠產(chǎn)線布局柔性化、保證管理管控流程和生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)品包裝運(yùn)輸?shù)群侠砘蟆?/p>

下文以第四類的機(jī)箱機(jī)架配電箱類、太陽(yáng)能充電電池配電箱為例，來說明沖壓件設(shè)計(jì)與快速生產(chǎn)體系。沖壓件整體尺寸為220cm×150cm×80cm。沖壓件單件60種、240個(gè)沖壓模具、50種外購(gòu)零件數(shù)量共385個(gè)，直接生產(chǎn)線作業(yè)人員涵蓋沖壓生產(chǎn)、螺母螺釘裝配、焊接裝配、鉚接裝配、涂裝、防水檢驗(yàn)、包裝等工序共45人。

隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代冷沖壓模具的設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)者直接運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的三維建模，根據(jù)沖壓件的產(chǎn)品模型，再進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，之后進(jìn)行NC的編程刀路解算。沖壓件通過逆向展開工步，實(shí)現(xiàn)三維CAD模具設(shè)計(jì)，采用面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)和參數(shù)化造型?，F(xiàn)在許多三維設(shè)計(jì)軟件本身就具有很好的開放性，具備沖壓件的設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、沖壓模擬和模具加工刀路生成等功能，可以讓處于不同地點(diǎn)分公司的工程師能夠在同一時(shí)間對(duì)同一制品的模具進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)工作，即實(shí)現(xiàn)所謂的并行工程。設(shè)計(jì)工程師借助模具設(shè)計(jì)（例如LogoPress）專業(yè)軟件。沖壓件設(shè)計(jì)者在三維造型設(shè)計(jì)時(shí)，就考慮到材料變形特性、模具NC加工、機(jī)切工藝和沖壓設(shè)備等要素，對(duì)應(yīng)每個(gè)沖壓件的產(chǎn)品特征輸出必要的屬性信息。這些特性通過PDM或者WEB等工具，及時(shí)將前期沖壓件的模具要求、注意事項(xiàng)等信息傳遞到模具設(shè)計(jì)過程中，保證技術(shù)管理的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，實(shí)時(shí)的可視化查看和共享。圖1展示了沖壓件模具設(shè)計(jì)、軸類零件的數(shù)控加工流程圖。

圖1 沖壓件模具設(shè)計(jì)、軸類零件的數(shù)控加工流程圖

三維設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模具CAD設(shè)計(jì)

三維沖壓件設(shè)計(jì)以及對(duì)應(yīng)三維模具設(shè)計(jì)，內(nèi)部需要采用參數(shù)化技術(shù)建立有標(biāo)準(zhǔn)系列的模板，累積驗(yàn)證經(jīng)過大量的賦值和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值，符合沖壓件結(jié)構(gòu)對(duì)模具的設(shè)計(jì)要求，即滿足各種類型的模具設(shè)計(jì)示意圖（圖2），能夠讓設(shè)計(jì)人員從繁瑣復(fù)雜的重復(fù)設(shè)計(jì)建模、查表試驗(yàn)參數(shù)等體力與腦力勞動(dòng)工作中解脫出來。沖壓件結(jié)構(gòu)的元素化、子特征化，并與模具并行設(shè)計(jì)的理念一致。兩者的設(shè)計(jì)計(jì)劃基本同步，包括工藝過程設(shè)計(jì)、零配件加工直至完成后入庫(kù)，模具進(jìn)程計(jì)劃在外圍總體統(tǒng)籌之下，模具設(shè)計(jì)工程師把精力更多地放在關(guān)注模具的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各零部件裝配的合理性上，這樣實(shí)現(xiàn)沖壓件設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)效率的雙提高，從方式方法上提前了模具設(shè)計(jì)的開工時(shí)間，直接縮短了沖壓件的交付周期，從而縮短了商品市場(chǎng)的上市時(shí)間，搶得先機(jī)。

圖2 模具設(shè)計(jì)示意圖

良好的沖壓件三維設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)手段是實(shí)現(xiàn)目的的軟件工具。相應(yīng)的軟件協(xié)調(diào)機(jī)制，結(jié)合先進(jìn)的模具設(shè)計(jì)理念，將模具設(shè)計(jì)、分析、制造以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理融為一體。高效的沖壓件開發(fā)過程，是建立在大量的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化工作之上的?？v觀全球模具行業(yè)，CAD應(yīng)用從二維平臺(tái)轉(zhuǎn)向三維全相關(guān)參數(shù)化并為相關(guān)的環(huán)境提供必要的信息，以滿足各個(gè)層次的應(yīng)用需要，三維模具設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化已經(jīng)開始處于主導(dǎo)地位。

CAM制造過程的模具數(shù)字化加工

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行模具零部件以元素化特征分工推進(jìn)的同時(shí)，相應(yīng)的CAM責(zé)任人員在第一時(shí)間獲取到流程通知后，便開始進(jìn)行零部件的加工工藝及程序的編制。工藝人員、數(shù)控NC編程人員、治具（工裝、夾具）設(shè)計(jì)、加工人員、包括模具任務(wù)計(jì)劃人員和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理人員共享著以物料清單（EBOM）形式呈現(xiàn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和制造工程數(shù)據(jù)，在各個(gè)環(huán)節(jié)執(zhí)行對(duì)應(yīng)任務(wù)的同時(shí)，可以在正確的時(shí)間訪問正確的零部件制造數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)制造整個(gè)過程的協(xié)同作業(yè)。

實(shí)體造型設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)入到CAM加工程序編制過程，實(shí)現(xiàn)加工條件設(shè)置、刀路智能化編制，而不介入贅余的人為操作干涉，出錯(cuò)幾率低，大大提高加工過程的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)沖壓件標(biāo)準(zhǔn)孔轉(zhuǎn)換為模具孔類加工的自動(dòng)編程及數(shù)控NC設(shè)備刀具庫(kù)的共同管理。

工藝技術(shù)人員借助該CAM內(nèi)嵌模塊平臺(tái)連同PDM提供的網(wǎng)頁(yè)信息，可方便快速地獲得模具設(shè)計(jì)人員提供的各種信息：圖紙文檔、技術(shù)條件、精度要求、客戶納期、零部件清單、加工流程、當(dāng)前工序等等。對(duì)模具制造的整體要求有全面了解之后，在配置有相應(yīng)安全權(quán)限的前提下，進(jìn)入PDM文檔庫(kù)中直接由工藝編制人員進(jìn)行檢出CAD模型數(shù)據(jù)，獲得NC編制程序的依據(jù)，從而生成數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)軸、行程、刀夾具庫(kù)、并進(jìn)行后置處理，這些文件在完成審批后，第一時(shí)間傳輸發(fā)布至加工現(xiàn)場(chǎng)，為設(shè)備操作人員和進(jìn)度計(jì)劃安排人員提供必要的數(shù)據(jù)。

可預(yù)知的仿真分析和模擬裝配

模具設(shè)計(jì)時(shí)零部件運(yùn)動(dòng)過程中的干涉檢查，可以在沖壓設(shè)備及模具安裝兩者間找到最佳的工位排布；加工過程中，對(duì)刀路的優(yōu)化和試切驗(yàn)證起到完善和糾錯(cuò)的作用。根據(jù)刀具的位置檢測(cè)出是否跟模具工件間存在干涉或者過切以及同設(shè)備、夾具發(fā)生碰撞、干涉的情況。對(duì)于拉深型腔較為復(fù)雜、加工周期很長(zhǎng)的汽車類模具零部件而言，自動(dòng)加工和預(yù)先的仿真計(jì)算是必不可少的。

借助于模具現(xiàn)場(chǎng)制造數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)（MDC）及沖壓制造現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（POP）對(duì)模具加工過程及使用過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行全生命周期的信息狀態(tài)跟蹤。這樣配合仿真和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的結(jié)合，就可以清晰地得到過程中的物理變化情況，如刀具和模具材料的溫度變化、切削力能力強(qiáng)弱等，這樣就有助于反饋給加工技術(shù)人員進(jìn)行冷卻條件、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給參數(shù)等的合理優(yōu)化。

結(jié)束語

本文筆者單純站在沖壓件快速設(shè)計(jì)與制造角度，說明了沖壓件的三維設(shè)計(jì)是快速制作模具的必要條件。從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的層面考慮，建立一個(gè)信息化驅(qū)動(dòng)的集成系統(tǒng)，推動(dòng)創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型智能制造的基礎(chǔ)，通過CAD/CAE/CAM/ERP/MES等管理、技術(shù)綜合平臺(tái)的支撐，打造全新概念的數(shù)字化制造企業(yè)，將給企業(yè)創(chuàng)新增添新的活力，面對(duì)市場(chǎng)上激烈的競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)“快、好、省”，才可以不被時(shí)代淘汰。