浅谈模具的制造及CAD／CAE技术的应用

浅谈模具的制造及CAD／CAE技术的应用

现在模具加工工业应以使用模具ＣＡＤ/ＣＡＥ技术来实现优质、高效、低成本的产品生产为目标以适应用户对产品个性化的不断追求。在我国，有许多企业大都凭经验或已经在设计、制造等方面分散使用ＣＡＤ/ＣＡＥ单项技术来实现生产，这种“自动化孤岛”的方法使整个生产过程资源共享率低、信息不流畅，导致研制产品周期长、更新换代慢，难以在国际竞争中生存和发展。国外推广ＣＡＤ/ＣＡＥ表明：企业取得显著效益，很多是从集成应用中得到的，而不是单项应用的结果。从ＣＡＤ/ＣＡＥ一体化的角度来说，其发展趋势是集成化、三维化、智能化和网络化，其中心思想是让用户在统一的环境中实现ＣＡＤ/ＣＡＥ协同作业，以便充分发挥各单元的优势和功效。

１ 模具制造技术的性质和特点

模具的制造和使用方式形式多样,技术含量高,生产工艺独特,所牵系的生产要素多,应用范围广等几方面。除此之外,模具制造技术对生产者的业务能力和职业素质都有很高的要求。模具制造技术具有以下两个方面的原因特点:①模具是单件生产的产品,即模具是根据成品之间的结构要求进行和制造的专用成型工具;②模具制造的关键主要是制造凸模、凹模及相关成型零件的专门工艺,以及模具制造工艺过程的优化设计与高度节约问题。

２ 并行工程技术在模具中应用

模具是面向定单式的生产方式，属于单性生产，制造过程复杂，要求交货时间短。如果利用ＣＡＤ/ＣＡＥ单元技术制造模具，制造精度低、周期长，为了解决上述难题，我们将并行工程技术引入到模具制造过程中。

所谓并行工程是设计工程师在进行产品三维零件设计时就考虑模具的成型工艺、影响模具寿命的因素，并进行校对、检查，预先发现设计过程的错误。在初步确立产品的三维模型后，设计、制造及辅助分析部门的多位工程师同时进行模具结构设计、工程详图设计、模具性能辅助分析及数控机床加工指令的编程，而且每一个工程师对产品所做的修改可自动反映到其他工程师那里，大大缩短设计、数控编程的时间。

在实际生产过程中，应用ＣＡＤ/ＣＡＥ集成技术软件，将原来模具结构设计→模具型腔、型芯设计及结构二维设计→工艺准备→模具型腔、型芯设计三维造型→数控加工指令编程→数控加工的串行工艺路线改为由不同的工程师同时进行设计、工艺准备的并行路线，不但提高了模具的制造精度，而且能缩短设计、数控编程时间达40%以上。

３ 模具设计,加工的几种技术

３.1 高速铣削技术。早在20世纪30年代，德国切削物理学家carl salomon

根据一些实验曲线，即现在被称为“salomon曲线”，提出了高速切削（high speed cutting，hsc）的概念[5]。铣削加工是型腔模具加工的重要手段。而高速铣削具有工件温升低、切削力小，加工平稳、加工质量良好、加工效率高（为普通铣削加工的5～10倍）及可加工硬材料（<60hrc）等诸多优点。因而在模具的加工中日益受到重视。

3.2 逆向工程技术。按照传统的产品开发流程,开发过程是市场调研——概念设计——总体设计——详细设计——制定工艺流程——设计工装夹具——加工、检验、装配及性能测试——完成产品。即从“设计思路——产品”的产品设计过程,这被称为正向工程或顺向工程。模具工业中的逆向T程应用大致可分为以下几种情况:

在没有设计图样以及设计图样不完整或没有ＣＡD模型的情况下,在对零件原型进行测量的基础上形成零件的设计图样或ＣＡＤ模型;某些难以直接用计算机进行三维几何设计的物体,目前常用黏土、本材或泡沫塑料进行初始外形设计,再通过逆向工程将实物模型转化为三维ＣＡＤ模型;人们经常需要对已有的产品进行局部修改。原始设计没有三维ＣＡＤ摸的情况,应用逆向工程技术建立ＣＡＤ模型,再对ＣＡＤ模型进行修改,这将大火缩短产品改型周期,提高生产效率。

3.3 电火花加工技术和“绿色”产品技术。电火花加工是在一定的液体介质中，利用脉冲放电对导电材料的电蚀现象来蚀除材料，从而使零件的尺寸、形状和表面质量达到预定技术要求的一种加工方法。在特种加工中，电火花加工的应用最为广泛。

从国外的电加工机床来看，不论从性能、工艺指标、智能化、自动化程度都已达到了相当高的水平，目前国外的新动向是进行电火花铣削加工技术（电火花创成加工技术）的研究开发，这是一种替代传统的用成型电极加工型腔的新技术，它是用高速旋转的简单的管状电极作三维或二维轮廓加工（像数控铣一样），因此不再需要制造复杂的成型电极，这显然是电火花成形加工领域的重大发展。

４ CAD/CAE技术的应用

模具设计是随工业产品零件的形状、尺寸与尺寸精度、表面质量要求以及其成型工艺条件的变化而变化的,所以每副模具都必须进行创造性的设计。模具设计的内容包括产品零件成型工艺优化设计与力学计算和尺寸与尺寸精度确定与设计等,因此,模具设计常分为制件工艺分析与设计、模具总体方案设计、总体结构设计、施工图设计四个阶段。CAD/CAE,计算机辅助设计和辅助工程,它包括概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图和计算机辅助设计过程管理等。应用ＣＡＤ技术可以设计出产品的大体结构,再通过CAE技术进行结构分析、可行性评估和优化设计。采用模具CAD/CAE集成技术后,制件一般不需要再进行原型试验,采用几何造型技术,制件的形状能精确、逼真地显示在计算机屏幕上,有限元分析程序可以对其力学性能进行检测。借助于计算机,自动绘图代替了人工绘图,自动检索代替了手册查阅,快速分析代替了手工计算,使模具设计师能从繁琐的绘图和计算中解放出来,集中精力从事诸如方案构思和结

构优化等创造性的工作。在模具投产之前,CAE软件可以预测模具结构有关参数的正确性。

目前,世界上大型的CAD/CAE软件系统,如Pro/ENGINEER、UG、Solidworke、Alias等,都提供了有关产品早期设计的系统模块,我们称之为工业设计模块或概念设计模块。例如,Pro/ENGINEER就包含一个工业设计模块——ProDesign,用于支持自上而下的投影设计,以及在复杂产品设计中所包含的许多复杂任务的自动设计。此模块工具包括概念设计的二维非参数化的装配布局编辑器。这些系统模块的应用大大减少了设计师的工作量,节约了工作时间,提高了工作效率,使设计师把更多的精力用在新产品的开发及创新上。

参考文献

1 林波.计算机辅助设计与制造.全国第四届cad/cae学术报告会论文集[Ｍ].机械工业出版社.1996

2 戴同.cad capp/cam基本教程[M].机械工业出版社.1997.4

3 任仲贵.cad/cam原理[M].清华大学出版社.1992.11

4 海锦涛.先进制造技术[M].机械工业出版社.1996.12

5 李志刚,曹延安.亚洲模具工业与技术的发展状况[J].模具工业,2007,(6)

6 陈静媛.模具行业设计制造技术现状与趋势[J].机械设计与制造,2007,(2)

7王守鹏.简述模具在我国的应用和发展趋势[J].考试周刊,2009