數(shù)字化技術(shù)在沖壓模具設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用

王秀麗　魏永輝

摘 要：精度低、壽命短、生產(chǎn)周期長、使用穩(wěn)定性與可靠性差，是我國沖壓模具設(shè)計(jì)與制造過程中存在的主要問題，而出現(xiàn)這些問題的主要原因是數(shù)字化技術(shù)水平低。因此，有必要通過提高我國沖壓模具設(shè)計(jì)與制造的數(shù)字化技術(shù)水平來提高沖壓模具的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。重點(diǎn)從數(shù)字化沖壓模具設(shè)計(jì)與制造所使用的關(guān)鍵技術(shù)和沖壓模具生產(chǎn)企業(yè)數(shù)字化管理體系的構(gòu)建兩個(gè)方面入手，深入探討了數(shù)字化技術(shù)在我國沖壓模具設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用，以期為促進(jìn)我國沖壓模具行業(yè)的健康發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化技術(shù)；沖壓模具；數(shù)控加工；參數(shù)程編

中圖分類號：TG385.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.078

沖壓模具是重要的沖壓生產(chǎn)工藝設(shè)備，是典型的技術(shù)密集型、知識密集型產(chǎn)品，這也使得沖壓模具的設(shè)計(jì)與制造成為世界各國競相爭奪的高新技術(shù)領(lǐng)地。隨著我國汽車工業(yè)、航空制造業(yè)的快速化、規(guī)?；l(fā)展，沖壓模具需求以20%的速度增長，而我國中高端模具市場中50%以上的模具需要進(jìn)口，且集中于大型、復(fù)雜、精密沖壓模具上，這也體現(xiàn)了我國沖壓模具設(shè)計(jì)與制造過程中存在的問題，即沖壓模具設(shè)計(jì)與制造的精度、壽命、生產(chǎn)周期、使用穩(wěn)定性和可靠性等與國際水平有較大的差距。筆者認(rèn)為，出現(xiàn)這種情況的主要原因是模具數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)水平落后。因此，有必要深入探討我國沖壓模具設(shè)計(jì)與制造過程的數(shù)字化水技術(shù)水平提高問題，特別是從關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用和企業(yè)數(shù)字化管理體系構(gòu)建兩個(gè)方面，著力提升我國沖壓模具的設(shè)計(jì)與制造水平，進(jìn)而提高沖壓模具的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，推動我國沖壓模具行業(yè)的健康發(fā)展。

1 使用的關(guān)鍵技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，其遍及社會生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域，沖壓模具的設(shè)計(jì)與制造也不例外。可以說，數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了模具設(shè)計(jì)與制造全過程，極大地提高了沖壓模具的設(shè)計(jì)和制造水平，當(dāng)然，它也成為了制約模具開發(fā)的重要因素之一。就沖壓模具設(shè)計(jì)與制造中的數(shù)字化技術(shù)而言，主要是指借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)在沖壓模具設(shè)計(jì)與制造過程中的應(yīng)用，來提高沖壓模具設(shè)計(jì)與制造水平?？偨Y(jié)當(dāng)前國內(nèi)外沖壓模具設(shè)計(jì)與制造企業(yè)所使用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造技術(shù)成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合沖壓模具設(shè)計(jì)與制造的基本流程，其使用的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下4個(gè)。

1.1 沖壓成形計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)

所謂“同步開發(fā)”，是指沖壓工藝貫穿于模具新產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)的全過程，從最初的了解產(chǎn)品工藝，到產(chǎn)品沖壓工藝性分析，再到模具開發(fā)，整個(gè)過程都有沖壓工藝人員的身影。由此可知，在工藝與產(chǎn)品同步形成的過程中，關(guān)鍵的技術(shù)之一就是沖壓計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)。沖壓計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)是在尊重沖壓成形過程基本物理規(guī)律的前提下，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)真實(shí)反映并模擬出模具與板料之間相互作用關(guān)系和板料變形的全過程。在非線性理論、有限元方法的完善和計(jì)算機(jī)硬件升級發(fā)展的支持下，板料沖壓成形過程所使用的計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)越來越成熟，已經(jīng)開始在工業(yè)生產(chǎn)中嶄露頭角，形成了一批通用的、專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件，比如Auto Form/PAM-STAMP等。在這些通用、專業(yè)軟件的支持下，計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)在模具新產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就能夠?qū)δ＞呒捌涿總€(gè)零件的成形、工藝等提出快速、準(zhǔn)確的預(yù)見，從而大大提高沖壓模具的設(shè)計(jì)效率。

1.2 模塊化的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)

對于沖壓模具設(shè)計(jì)來說，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是所有設(shè)計(jì)工作中工作量最大的一部分。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)被廣泛應(yīng)用。雖然沖壓模具CAD技術(shù)在國內(nèi)已有較多的探索式應(yīng)用，但是，對模具設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)的要求和依賴性比較高，軟件設(shè)計(jì)水平基本停留在利用通用CAD系統(tǒng)交互繪圖、造型的層次上，還不能借助軟件來發(fā)現(xiàn)新型模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中存在的缺陷，導(dǎo)致沖壓模具設(shè)計(jì)周期比較長，在一定程度上影響了沖壓模具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。以UG/PROE等一系列計(jì)算機(jī)數(shù)字化造型軟件的成功開發(fā)與應(yīng)用為例，使沖壓模具實(shí)現(xiàn)“模塊化設(shè)計(jì)”成為可能。此過程的先進(jìn)之處在于引入了“參數(shù)化模塊”，以軟件中的標(biāo)準(zhǔn)件庫和模板為重要基礎(chǔ)。應(yīng)用“模塊化設(shè)計(jì)”軟件，可以將導(dǎo)柱、導(dǎo)板、沖頭等一系列標(biāo)準(zhǔn)件提前統(tǒng)計(jì)入庫，以便在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)調(diào)用。它可以根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求提前將沖壓模具的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入到軟件中制成模板，同樣，也可以在設(shè)計(jì)過程中調(diào)用，大大提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和精度。

1.3 參數(shù)化程編

隨著沖壓模具制造與更換節(jié)奏的加快，數(shù)控加工已由傳統(tǒng)單純的型面加工向型面、結(jié)構(gòu)面并重的全面加工轉(zhuǎn)變，加工與制造速度由中低速向高速轉(zhuǎn)變。高速加工與制造技術(shù)在沖壓模具制造業(yè)中的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：①小切深、高進(jìn)給；②有效改善工件表面加工質(zhì)量，減少打磨操作；③大大提高了加工精度，試模工作量明顯減少；④把握小刀具加工模具的細(xì)節(jié)，減少不同規(guī)格刀具的使用次數(shù)，進(jìn)一步減少加工費(fèi)用；⑤采用高精度、大進(jìn)給的方式完成淬火鋼精加工，模具表面質(zhì)量高，成功避免了傳統(tǒng)加工方式導(dǎo)致的沖壓模具變形問題。

參數(shù)化程編的作用在于大大提高了數(shù)控加工的自動化水平，進(jìn)一步提高了沖壓模具件的加工精度和沖壓模具件的加工效率?？傊?，“參數(shù)化程編”數(shù)控加工技術(shù)使高速加工沖壓模具成為可能，在大大提高沖壓模具加工效率同時(shí)，保證了加工沖壓模具質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)化。這對提高沖壓模具的穩(wěn)定性和可靠性有非常重要的意義。數(shù)控加工“參數(shù)化程編”應(yīng)用流程如圖1所示。

1.4 數(shù)字化裝配技術(shù)

當(dāng)前，沖壓模具裝配主要有分組裝配法、互換裝配法、修配裝配法和調(diào)整裝配法4種。對于早期沖壓模具加工，在加工中心完成加工后，要在現(xiàn)場裝配，多使用分組裝配法。分組裝配法的缺點(diǎn)是無法保證單件狀態(tài)的導(dǎo)柱精度/導(dǎo)滑面位置度，導(dǎo)柱導(dǎo)板會有拉傷，最終損壞標(biāo)準(zhǔn)件。而在數(shù)字化環(huán)境下，可以在線測量精加工后的沖壓模具單件，將相應(yīng)的測量結(jié)果直接統(tǒng)計(jì)、記錄到軟件中，并與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)問題馬上更改，大大提高了沖壓模具的加工精度，切實(shí)保證沖壓模具的加工質(zhì)量。目前，越來越多的西方國家開始采用數(shù)字化裝配技術(shù)裝配模具，最典型的方法是修配裝配法。整個(gè)裝配過程通過準(zhǔn)確測量相關(guān)數(shù)據(jù)直接配磨導(dǎo)板或者其他零件，從而保證導(dǎo)向間隙，最終做到合模裝配。數(shù)字化裝配技術(shù)方法有效保證了沖壓模具的合模進(jìn)度，為后續(xù)沖壓模具的調(diào)試贏得更多時(shí)間，從而完成數(shù)據(jù)測量和軟件分析，有效保證沖壓模具的加工質(zhì)量。

2 數(shù)字化管理體系的構(gòu)建

數(shù)字化技術(shù)在沖壓模具行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，它是集管理、設(shè)計(jì)、分析、制造和檢測等沖壓模具制造整個(gè)生命周期內(nèi)各個(gè)環(huán)節(jié)一體化的綜合應(yīng)用技術(shù)。要想保證數(shù)字化技術(shù)在沖壓模具設(shè)計(jì)與制造各個(gè)環(huán)節(jié)的成功應(yīng)用，構(gòu)建沖壓模具設(shè)計(jì)與制造企業(yè)完善的數(shù)字化管理體系是關(guān)鍵。該體系的構(gòu)建進(jìn)一步優(yōu)化了沖壓模具產(chǎn)品的開發(fā)模式和流程，實(shí)現(xiàn)了沖壓模具產(chǎn)品數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與共享、設(shè)計(jì)知識和加工工藝知識的積累、重用。同時(shí)，要建立以沖壓模具加工車間作業(yè)調(diào)度為核心，實(shí)時(shí)采集沖壓模具生產(chǎn)制造過程中的進(jìn)度、質(zhì)量、物料信息等數(shù)據(jù)，將數(shù)字化的沖壓模具設(shè)計(jì)與制造過程、工藝等固定下來，而不被其他企業(yè)所模仿，真正成為沖壓模具設(shè)計(jì)與制造企業(yè)的核心技術(shù)。

2.1 以模具結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為中心的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

采用PDM/CAPP等來管理與沖壓模具相關(guān)的各類檔案資料，在數(shù)字化系統(tǒng)中建立各類沖壓模具的BOM結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)沖壓模具零部件相關(guān)文件、數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，比如數(shù)模、設(shè)計(jì)任務(wù)書、三維模型、檢具數(shù)據(jù)和更改單等。沖壓模具設(shè)計(jì)人員可以通過輸入零件圖號、名稱等手段來查詢、使用所需的技術(shù)資料，同時(shí)，可以逐層展開產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來獲取相關(guān)資料、數(shù)據(jù)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以在無需了解文檔具體位置的情況下，在最短時(shí)間內(nèi)查找到所需的資料、數(shù)據(jù)信息?？傊褪抢脭?shù)字化技術(shù)將所有的沖壓模具設(shè)計(jì)資料統(tǒng)一管理到結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫中，建立以沖壓模具結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為中心的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)自動保存和同步功能，在保證沖壓模具數(shù)據(jù)唯一性、及時(shí)性的同時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)及相關(guān)人員可以通過該數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)獲得最新的、同一份沖壓模具設(shè)計(jì)資料，切實(shí)保證了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性。

2.2 以項(xiàng)目進(jìn)度采集與控制為核心的項(xiàng)目管理平臺

沖壓模具企業(yè)車間管理是一個(gè)大難題，生產(chǎn)管理是典型的按照單一訂單實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目，每套沖壓模具從接單、設(shè)計(jì)到生產(chǎn)、調(diào)試各個(gè)過程都是相對獨(dú)立的，需要專門人員采集、控制、管理項(xiàng)目。在實(shí)際操作過程中，每個(gè)沖壓模具設(shè)計(jì)與制造項(xiàng)目可以包含幾十甚至上百套沖壓模具，而每套沖壓模具的設(shè)計(jì)、制造可能都需要幾個(gè)月的時(shí)間，需要對幾十個(gè)設(shè)計(jì)、制造和交付節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控實(shí)屬一項(xiàng)煩瑣、復(fù)雜的工作，最重要的是無法保證工作效果。在數(shù)字化技術(shù)環(huán)境下，應(yīng)用ERP/MES系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一平臺上完成訂單管理、計(jì)劃排產(chǎn)、物料跟蹤和生產(chǎn)調(diào)度等工作，同時(shí)，可以通過ERP和MES系統(tǒng)的集成進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)沖壓模具計(jì)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與控制的一體化操作，且可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)環(huán)節(jié)，大大提高企業(yè)的生產(chǎn)管理效率。

2.3 基于沖壓模具產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫的知識管理體系

沖壓模具的設(shè)計(jì)與制造是一個(gè)嚴(yán)重依賴“經(jīng)驗(yàn)”的行業(yè)，不論是國外，還是國內(nèi)的各大沖壓模具生產(chǎn)公司，都基本形成了自己獨(dú)特的沖壓模具設(shè)計(jì)、工藝流程和生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫。因此，搭建一個(gè)集沖壓模具設(shè)計(jì)、制造和工藝控制各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)字化管理平臺，形成一個(gè)統(tǒng)一的沖壓模具產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，以此作為沖壓模具企業(yè)知識管理的核心，將其應(yīng)用到企業(yè)知識管理工作中，在形成沖壓模具企業(yè)“自我特色”的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)產(chǎn)品知識的積累、傳承和共享。

參考文獻(xiàn)

[1]王宏松，汪程，修輝平.模具數(shù)字化設(shè)計(jì)與快速制造[J].精密成形工程，2014（02）.

[2]張亞標(biāo).現(xiàn)代沖壓模具在機(jī)械零件精加工中的應(yīng)用探討[J].科技展望，2016（12）.

[3]袁浩旭.沖壓模具數(shù)字化設(shè)計(jì)手冊軟件的應(yīng)用研究[J].科技風(fēng)，2015（11）.

[4]李德慶.談沖壓模具的設(shè)計(jì)與加工[J].遼寧師專學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（03）.

[5]李鑫.汽車熱沖壓模具的數(shù)字化鑄造工藝研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2015.

〔編輯：白潔〕