普什模具有限公司 陳 平 楊本偉 堯 軍

自20世紀(jì)80年代改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)以其資源豐富、人才富集、基礎(chǔ)建設(shè)完備、政策支持等優(yōu)勢(shì)迅速成為“世界工廠”，各類(lèi)產(chǎn)品以“物美價(jià)廉”的優(yōu)點(diǎn)暢銷(xiāo)世界各地。在改革開(kāi)放的浪潮中，作為各經(jīng)濟(jì)大國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的制造業(yè)，一直保持著快速發(fā)展的趨勢(shì)。模具，是以特定的結(jié)構(gòu)形式通過(guò)一定方式使材料成形的一種生產(chǎn)工具或工業(yè)產(chǎn)品，它在航空、航天、汽車(chē)、軌道交通、新能源、食品、飲料、醫(yī)療器械等各行各業(yè)中都發(fā)揮著重要作用，因此模具工業(yè)素有“工業(yè)之母”的稱(chēng)號(hào)，其發(fā)展水平是制造水平的重要標(biāo)志之一。中國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)模具產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，模具產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新又支撐著制造業(yè)的新一輪快速發(fā)展，兩者相互依存、相互促進(jìn)。此外，由于市場(chǎng)和成本等因素，發(fā)達(dá)國(guó)家的模具產(chǎn)業(yè)也在逐步向以中國(guó)為代表的發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)移。這些綜合因素促成了我國(guó)模具工業(yè)的高速發(fā)展。根據(jù)我國(guó)模具工業(yè)協(xié)會(huì)經(jīng)營(yíng)管理委員會(huì)提供的數(shù)據(jù)來(lái)看，我國(guó)模具以平均15%的年增長(zhǎng)率高速發(fā)展，高于國(guó)內(nèi)GDP的平均增值一倍多，發(fā)展態(tài)勢(shì)十分活躍。

圖1 模具設(shè)計(jì)與制造流程

模具數(shù)字化設(shè)計(jì)

自從20世紀(jì)50年代第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床誕生以來(lái)，制造業(yè)先后經(jīng)歷了加工中心、柔性制造（FMS）系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造（CIMS）系統(tǒng)的工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級(jí)。隨著模具技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的日益成熟，模具數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)成為世界各制造大國(guó)研究的熱點(diǎn)，它是由計(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)輔助工藝（CAPP）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)管理（PDM）基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的一項(xiàng)技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全數(shù)字化開(kāi)發(fā)制造過(guò)程，大大提高企業(yè)對(duì)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能力和對(duì)市場(chǎng)的快速反應(yīng)能力。

我國(guó)從20世紀(jì)80年代引入模具CAD技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)以其操作簡(jiǎn)便、設(shè)計(jì)高效、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交換快捷等優(yōu)點(diǎn)得到快速發(fā)展，及至今日，國(guó)內(nèi)主要模具企業(yè)的CAD技術(shù)都已從二維設(shè)計(jì)發(fā)展到了三維設(shè)計(jì)。不過(guò)，由于國(guó)內(nèi)的工程軟件開(kāi)發(fā)能力較弱，自主開(kāi)發(fā)的軟件綜合性能不高，國(guó)內(nèi)模具企業(yè)使用的高端工程軟件基本都是來(lái)自國(guó)外的軟件公司，目前常用的CAD軟件有UG、CATIA、Pro/E、Cimatron、Delcam等。國(guó)內(nèi)模具CAE技術(shù)自20世紀(jì)90年代開(kāi)始發(fā)展，因其具有仿真模擬可視化、工程問(wèn)題分析簡(jiǎn)單化、分析過(guò)程層次化、分析結(jié)果使問(wèn)題可預(yù)見(jiàn)化等優(yōu)點(diǎn)迅速被模具企業(yè)推廣和使用，目前模具企業(yè)常用的CAE軟件有Dynaform、Autoform、Pamstamp、Moldflow等。借助先進(jìn)的CAD和CAE技術(shù)，模具工程師可以對(duì)全三維化的模具復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬分析，確保機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，避免運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象，能最大限度地減少模具的設(shè)計(jì)問(wèn)題，從而減少不必要的模具質(zhì)量成本。此外，模具工程師也可以對(duì)產(chǎn)品數(shù)模進(jìn)行仿真模擬分析，通過(guò)仿真分析結(jié)果，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的修正和調(diào)整，預(yù)先性地消除常見(jiàn)的產(chǎn)品開(kāi)裂、起皺、回彈等問(wèn)題，能夠大幅度地減少這些常見(jiàn)問(wèn)題帶來(lái)的品質(zhì)改修次數(shù)和制造成本。

模具數(shù)字化設(shè)計(jì)主要包含工藝方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面的內(nèi)容。合理的工藝方案設(shè)計(jì)既是模具設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)，又對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量起著關(guān)鍵性作用，它影響著模具和產(chǎn)品的QCT（質(zhì)量、成本和周期）；而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則決定著模具的功能、結(jié)構(gòu)尺寸、重量、強(qiáng)度等，它是模具生產(chǎn)制造實(shí)質(zhì)上的指導(dǎo)文件，決定著模具的制造工藝性和生產(chǎn)操作性。

1 模具工藝方案設(shè)計(jì)

1.1 模具工序的優(yōu)化

通過(guò)優(yōu)化沖壓工藝，減少模具工序和數(shù)量，實(shí)現(xiàn)集約化生產(chǎn)，可以大幅降低模具成本和沖壓生產(chǎn)成本。圖2是幾個(gè)不同產(chǎn)品在同一套模具上實(shí)現(xiàn)共模生產(chǎn)的示意圖，使模具成本下降約25%，生產(chǎn)成本下降約50%。

圖2 一模多產(chǎn)品的模具

1.2 NC模面變間隙技術(shù)

綜合零件成形性、材料變薄率、零件精度要求等因素對(duì)模面做變間隙處理，減少模具加工和鉗工研配時(shí)間，降低調(diào)試難度及其工作量，確保研配質(zhì)量，提高零件精度。圖3為某產(chǎn)品變間隙技術(shù)示意圖。

綜上所述，現(xiàn)在是開(kāi)放化的時(shí)代，是網(wǎng)絡(luò)化的時(shí)代。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，如何在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一席之地至關(guān)重要，而員工的思想政治素質(zhì)無(wú)疑是促進(jìn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展重要因素。

圖3 某產(chǎn)品變間隙技術(shù)示意圖

1.3 零件整體變形補(bǔ)償技術(shù)

因大尺寸平坦零件拉延成形后的零件整體剛性差，零件頂面會(huì)發(fā)生塌陷，可使用整體隆起變形補(bǔ)償技術(shù)保證零件品質(zhì)。使用Dynaform等CAE軟件完成板料的成形工藝分析，為模具的重構(gòu)加工數(shù)模提供板料變形狀態(tài)分析，并從CAE參數(shù)中得到自動(dòng)回彈補(bǔ)償?shù)哪Ｃ妫冶３趾驮惹婺Ｐ拖嗤耐負(fù)?。此?xiàng)技術(shù)可降低模具型面的研配工作量，提高模具的型面精度。

1.4 RE——逆向工程技術(shù)

逆向工程技術(shù)是一種對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)再現(xiàn)過(guò)程的技術(shù)。逆向工程技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品逆向追溯、質(zhì)量分析檢測(cè)等領(lǐng)域，其作用有：

（1）縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)周期，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度；

（2）降低企業(yè)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的成本和風(fēng)險(xiǎn)；

（3）加快產(chǎn)品的造型與系列化的設(shè)計(jì)；

（4）適合單件或小批量的零件制造，特別是模具的制造。

逆向工程技術(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用主要是通過(guò)對(duì)模具實(shí)際加工面和樣件的光學(xué)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，分析出理論數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的差異，從而快速重構(gòu)加工模面。此項(xiàng)技術(shù)可以為模具品質(zhì)改修提供重要的理論依據(jù)，提升模具品質(zhì)改修的質(zhì)量和效率。圖4所示為工程師正在對(duì)某零件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以便對(duì)其品質(zhì)改修提供理論依據(jù)。

圖4 某零件數(shù)據(jù)采集

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 三維實(shí)體創(chuàng)建

三維實(shí)體設(shè)計(jì)的出現(xiàn)使CAD技術(shù)從單純模仿工程圖紙的三視圖模式中解放了出來(lái)，三維實(shí)體設(shè)計(jì)能夠直觀地反映設(shè)計(jì)的真實(shí)狀態(tài)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)模擬、干涉檢查等分析手段，在設(shè)計(jì)階段就能避免以往在生產(chǎn)制造中才能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，從而降低模具制造的成本。

2.2 模具設(shè)計(jì)資料庫(kù)

模具設(shè)計(jì)資料庫(kù)包含標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、沖壓設(shè)備庫(kù)、典型結(jié)構(gòu)庫(kù)及基本結(jié)構(gòu)庫(kù)4部分。標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可以直接裝配的參數(shù)化、系列化零件；沖壓設(shè)備庫(kù)、典型結(jié)構(gòu)庫(kù)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可參考的模型；而參數(shù)化的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)庫(kù)使模具設(shè)計(jì)更加靈活、智能。模具標(biāo)準(zhǔn)化資料庫(kù)的建立，有效縮短了模具的設(shè)計(jì)周期，提高了模具質(zhì)量。

2.3 自動(dòng)沖壓過(guò)程仿真

自動(dòng)沖壓線中各機(jī)構(gòu)形狀和運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，通過(guò)沖壓線的過(guò)程仿真既可以直觀地看到整個(gè)過(guò)程中的各部件位置關(guān)系，又可以輸出干涉曲線，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中可能存在的干涉現(xiàn)象，及時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。這樣，就可以在設(shè)計(jì)中對(duì)端拾機(jī)構(gòu)以及斜楔機(jī)構(gòu)進(jìn)行修改，避免模具在線調(diào)試和生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生干涉，達(dá)到降低模具調(diào)試成本，縮短生產(chǎn)周期的目的。

模具數(shù)字化制造

數(shù)字化技術(shù)是模具制造中一項(xiàng)重要技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。近年來(lái), 信息技術(shù)不斷地與制造技術(shù)相融合，使制造業(yè)日益走向數(shù)字化。廣義的CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）技術(shù)是指借助計(jì)算機(jī)來(lái)完成從生產(chǎn)準(zhǔn)備到產(chǎn)品制造完成過(guò)程中的各項(xiàng)活動(dòng)，包括工藝輔助過(guò)程設(shè)計(jì)（CAPP）、數(shù)控（NC）加工編程、加工模擬分析、生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃、制造過(guò)程控制、質(zhì)量檢測(cè)與分析等。CAM技術(shù)在模具企業(yè)里的應(yīng)用通常是根據(jù)CAD模型自動(dòng)生成零件加工的數(shù)控代碼，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，同時(shí)完成在機(jī)床加工時(shí)的干涉和碰撞檢查模擬，常見(jiàn)的CAM過(guò)程如圖5所示。模具制造自動(dòng)化加工需要注意以下幾方面問(wèn)題。

圖5 CAM過(guò)程示意圖

1 加工模板和參數(shù)庫(kù)

模具企業(yè)里的制造技術(shù)都需要日積月累的沉淀，通過(guò)資深工程師建立加工模板和參數(shù)庫(kù)的方法，能讓新技術(shù)員應(yīng)用成功的經(jīng)驗(yàn)，編寫(xiě)出接近一般水平的程序。在編程規(guī)范中，應(yīng)明確規(guī)定機(jī)床的選用、刀具的選擇、走刀方向、加工余量等切削參數(shù)和不同形狀特征所應(yīng)采取的NC加工工藝方法。

2 坯料建立

由于原材料、鑄造工藝等原因，國(guó)內(nèi)模具的毛坯鑄造精度較差，模具毛坯和模具的理論數(shù)模經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)偏差，給后續(xù)加工帶來(lái)撞刀、撞機(jī)等重大制造風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)白光掃描技術(shù)（TRITOP技術(shù)，即利用特有的數(shù)碼點(diǎn)和參考點(diǎn)來(lái)構(gòu)建一個(gè)完整的坐標(biāo)定位系統(tǒng)，利用光學(xué)拍照定位技術(shù)和光柵測(cè)量原理，可在極短的時(shí)間獲得復(fù)雜工件表面的完整點(diǎn)云的一種技術(shù)）對(duì)加工前的毛坯進(jìn)行掃描成型，用掃描成型的數(shù)據(jù)與三維模型進(jìn)行比對(duì)（如圖6所示），便于CAM工程師在程序編制之前，提前發(fā)現(xiàn)加工鑄件的干涉、余量異常、鑄造缺陷等問(wèn)題并進(jìn)行預(yù)先處理，規(guī)避模具制造的事故風(fēng)險(xiǎn)，保證加工制造的順利完成。

圖6 掃描數(shù)據(jù)與模型比對(duì)

3 仿真模擬

大型模具的結(jié)構(gòu)通常都很復(fù)雜，側(cè)切、側(cè)整形模具上斜楔機(jī)構(gòu)較多，在加工中刀具或主軸與工件容易發(fā)生干涉，會(huì)對(duì)模具和機(jī)床造成損傷，造成經(jīng)濟(jì)損失并影響模具周期。因此，為確保模具制造中的安全性和加工的質(zhì)量，工程師結(jié)合本公司的機(jī)床設(shè)備，建立了相應(yīng)的參數(shù)庫(kù)、刀具庫(kù)、主軸頭庫(kù)等，在程序編制完成后，調(diào)用相應(yīng)的機(jī)床數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行切削仿真模擬，驗(yàn)證程序并對(duì)干涉區(qū)域進(jìn)行修正和優(yōu)化，保證零件在現(xiàn)場(chǎng)加工的正確性和安全性，如圖7所示。

圖7 模具加工的仿真模擬

4 在機(jī)檢測(cè)

在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)是在機(jī)床上利用測(cè)頭對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)的一種測(cè)量方式，目的是對(duì)工件加工前、加工過(guò)程中以及加工完成后進(jìn)行全過(guò)程的監(jiān)測(cè)，防止人為誤操作，進(jìn)而有效地提高加工質(zhì)量及效率。例如，以前在模具加工完成后，傳統(tǒng)的檢測(cè)模式是將模具轉(zhuǎn)運(yùn)到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行復(fù)檢，這種方式雖然精確但是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，也無(wú)法解決和模具數(shù)字化加工進(jìn)行無(wú)縫銜接的問(wèn)題?，F(xiàn)在可以使用在機(jī)檢測(cè)方法對(duì)加工完的模具進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)并出具檢驗(yàn)報(bào)告，減少了工件的轉(zhuǎn)運(yùn)和輔助時(shí)間，大大提高了檢測(cè)效率。

結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造是計(jì)算機(jī)技術(shù)、制造技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與管理科學(xué)的交叉、融和、發(fā)展與應(yīng)用的結(jié)果，也是制造企業(yè)、制造系統(tǒng)與生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)系統(tǒng)不斷實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的必然趨勢(shì)。它使原有的傳統(tǒng)制造業(yè)變成了智力型的工業(yè)，使企業(yè)主要通過(guò)資源要素（如勞動(dòng)力、設(shè)備、資金）競(jìng)爭(zhēng)逐漸變?yōu)橐詣?chuàng)新能力知本型的競(jìng)爭(zhēng)。目前，世界科技已由20世紀(jì)的“機(jī)械化時(shí)代”邁入了21世紀(jì)的“智能化時(shí)代”，模具數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展應(yīng)以提高自動(dòng)化和智能化水平為主，積極創(chuàng)新和采用高新技術(shù)，逐步將CAD/CAE/CAM/IT和模具系統(tǒng)集成為一體，最終實(shí)現(xiàn)模具的無(wú)紙化、數(shù)字化、自動(dòng)化加工。