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第一章现代模具技术概论模具计算机辅助设计，简称模具CAD（ComputerAidedDesign）；模具计算机辅助工程，简称模具CAE（ComputerAidedEngineering）；模具计算机辅助制造，简称模具CAM（ComputerAidedManufacturing）。纵观国内外模具工业的发展，模具CAD/CAE/CAM技术是现代模具技术最重要的组成部分，同时也是改造传统模具技术的关键。模具CAD/CAE/CAM的一体化及软件的宜人化、集成化、智能化、网络化是现代模具技术发展的必然趋势。本章重点介绍现代模具技术的概念和CAD/CAE/CAM系统集成的相关知识。1.1现代模具技术发展概述在现代机械制造业中，模具行业为许多行业起着强有力的支撑作用。随着DMC2010（第十三届中国国际模具技术和设备展览会）的召开，许多现代模具的新产品和新技术得以宣传并得到广泛的应用。特别是在汽车、家电行业、航天航空领域，甚至IT、医疗器械、轨道交通等电子专用装备及新兴产业配套领域，现代模具技术更是起着举足轻重的作用。模具制造能力的强弱和水平的高低是衡量一个国家机械制造水平的重要标志之一。1.1.1国内模具工业发展概述1.中国模具工业的发展现状20世纪80年代以来，中国模具工业迅速发展，国家也投入数千万元的研发经费，形成近百项技术成果。目前，中国国内共有模具生产企业（厂、点）约3万多个，从业人员近100万人，全球模具产量达1000亿元人民币。中国模具工业在国民GDP的比重也呈逐年增加的趋势，具体情况见表1.1。表1.1中国模具工业进出口情况年份生产厂家产值（亿元）进口模具（亿美元）出口模具（亿美元）2000170002809.771.7420011700031011.121.8820021700036012.722.5220032000045013.693.3720042000053018.134.9120053000061020.687.3820063000071020.4710.4120073000072020.5314.1320083000095020.419.2220093000098019.618.432010（4月底）3000010002019在现代模具工业总产值中，冲压模约占37%，塑料模约占43%，铸造模（包含压铸模）约为10%，锻模、轮胎模、玻璃模等其他类模具约占10%，如图1.1所示。与工业发达国家的模具类别比例基本一致。图1.1我国模具比例分配模具具体生产状况如下。1）冲模（StampingDie）使金属或非金属板材或型材分离、成形或接合而得到制件的工艺装备称为冲模。在整个机电产品制造中冲压工艺应用非常广泛，而冲模是实现冲压工艺最主要工艺装备。因此，冲模在机械制造业中占有重要的地位。近年来多工位级进模和多功能模具发展十分迅速，特别是精冲技术及精冲模具CAD系统的研究成为冲压技术一个新的发展领域。冲模的生产过程包括从原材料通过铸造、锻造、切削加工和特种加工等加工成设计图样所要求的冲模零件，再按设计、工艺规程的技术要求，将冲模零件装配成模具的过程。其中精冲具有优质、高效及低消耗的特点，在钟表、仪器仪表、精密机械、摩托车和汽车等现代工业中得到了广泛的应用。图1.2为通过冲模得到的典型的冲模产品实体零件。塑料模43%铸造模10%其他模具10%冲压模37%图1.2典型的冲模产品提高冲模技术水平可从两个方面入手，一方面是提高所体现的冲压工艺水平，开发冲压新工艺；另一方面是通过采用计算机技术（冲模CAD、CAE、CAM技术）和先进制造技术（数控多轴联动加工中心、CNC高精度电火花和线切割加工、CNC点位坐标镗、坐标磨和连续轨迹坐标磨等）提高冲模设计和制造的水平。目前，基于变异模板的三维冷冲模CAD系统的研制成功，在全面系统地总结汽车配件冷冲模设计中各个组成部分的设计特征与变化特点的基础上，以参数化、变量化的零部件设计为先导，以模板的可变异组装逻辑为手段，解决冷冲压模具中落料、冲孔、弯曲、拉深、切断、压形、翻边、压印八种工艺和落料冲孔、落料拉深、冲孔拉深三种复合模的计算机辅助设计，包括输入制件处理、模具零件三维造型、平面图输出、模板修改、模板复合五个模块。软件独创了一套具有丰富语法结构的TDL模板设计语言，将模板技术灵活地运用于模具CAD系统中，通过统一性的模板修改丰富了模板变异的内涵，使系统具有良好的可扩展性。在处理三维制件时，从逻辑块分离出物理块，进而得到制件信息的分离算法。冷冲模CAD专家系统，采用专家系统技术、CAD技术、面向对象技术、图形识别技术、数据库技术、优化方法等，在Windows98/NT平台上以AutoCADR14.0为支撑软件，以C++ObjectARX、Au-toLISP、VFP为开发工具，实现了冲裁模、拉深模、挤压模工艺设计和模具结构设计，可明显降低生产成本，提高生产效率，延长模具寿命。2）汽车大型覆盖件模具（AutomotiveLargeCoverDie）汽车大型覆盖件是指汽车车身或驾驶室，覆盖发动机和盘底的薄金属板料制成的异形体零件。随着汽车行业的发展壮大，汽车大型覆盖件模具也越来越受到人们的关注。近年来，无论是新建的企业还是经过技术改造的老企业，在汽车大型覆盖件的生产上，大量采用了先进的数控技术。包括三轴至五轴的高速加工机床、大型龙门式加工中心和数控铣床、大型的测量和调试设备及多轴数控激光切割机等。生产汽车覆盖件模具的水平和能力已经大大提高。企业使用三维CAD的已越来越多，有的企业已经达到百分之百的应用。与此同时，CAE技术也得到广泛应用。数字化制造、逆向工程、并行工程、灵敏制造、精益生产等先进技术也已在汽车覆盖件模具生产中得到了应用，并产生了良好效果。在模具厂普遍采用CAPP虽然有很大难度，但也不乏成功的例子，如图1.3为汽车覆盖件的模型图。图1.3汽车模具覆盖件的模型一批留学美国和加拿大并在美国汽车模具行业从业多年的技术人员在重庆组建了DSI数码模系统（重庆）有限公司，创建和应用了数码模技术。这项技术依靠先进模具与冲压工艺的设计和模拟技术相结合的模具专家系统，将推进国内传统的制模方式向计算机技术为支撑的模具工程方向转变的进程，对缩短模具生产周期及降低成本，将起到很好的作用。一些企业已实现了CAD/CAE/CAPP/CAM一体化，提升了企业的综合水平。其生产流程如图1.4所示。其它如测量技术、表面涂镀技术、综合检具工装、标准化应用以及快速成型技术与快速经济模具成功结合，取得了不小的进步。2010预计汽车覆盖件模具行业增速将达20％，汽车覆盖件模具的市场容量将达95～105亿元。1.4覆盖件模具生产流程图3）塑料模（PlasticMould）塑料模是指用塑料(一般为环氧树脂)制成的模样。或以其他材料为基体表面覆盖一层塑料的复合材料模。我国塑料模具发展迅速，目前塑料模具在整个模具行业中所占比重约为30％，在模具进出口中的比重高达50％～70％。随着中国机械、汽车、家电、电子信息和建筑建材等国民经济支柱产业的快速发展，这一比例还将持续提高。制造一款普通轿车约需200多副内饰件模具，制造保险杠、仪表盘、油箱、方向盘等所需的大中型塑料模具仅约50％能够满足。塑料建材大量替代传统材料也成为趋势，预计2010年全国塑料门窗和塑管普及率将达到30％～50％，塑料排水管市场占有率将超过50％，这些都会大大增加对模具的需求，生活中典型的塑料模具制品如图1.5所示。图1.5典型的塑料模具制品模具市场的总体趋势是平稳向上的，在未来的模具市场中，塑料模具的发展速度将高于其它模具。在模具行业中的比例将逐步提高。目前我国塑料模具在高覆盖件模具CAD/CAECAM模具原型制造工艺检测及评价模具数据重构覆盖件样件覆盖件钢模具喷漆刷镀制模工具车身覆盖件模具数控加工产品实物技术驱动和支柱产业需求的推动下，形成了一个巨大的产业链，从上游的原辅材料工业和加工、检测设备到下游的机械、汽车、摩托车、家电、电子通信、建筑建材等几大应用产业，塑料模具发展一片生机。目前塑料制品的应用日渐广泛，为塑料模具提供了一个广阔的市场，同时对模具也提出了更高的要求，大型化、高精度、多功能复合型的模具将受到青睐。与此同时，建筑、家电、汽车等行业对塑料模具的需求量都很大。据估计，仅汽车、摩托车行业每年就需要100多亿元的模具，彩电模具每年也有约28亿元的市场。4）压铸模（DieCastingMould）压铸模是指将熔融合金在高压、高速条件下充型，并在高压下冷却凝固成形的精密铸造方法。压铸模具比例也呈现逐年增大的趋势。很据中国模具工业协会经营管理委员会编制的《全国模具专业厂今本情况》统计，压铸模具约占各类模具总产值的5%，年增长速度高达25%。2006年全国压铸件的总产量就已经突破100万吨，年产值达480亿。压铸模生产发展趋势向着精密、复杂、大型模具方向发展，缩短模具的制造周期，提高模具的加工质量。现代产品更新换代加速、竞争激烈、缩短模具制造周期、提高压铸模质量是一项紧迫的任务，需要应用先进的制造技术作为保障。随着对铸件性能要求的不断提高，压铸工艺也向新的方向拓展，主要有以下几种：(1)真空压铸(2)充氧压铸(3)定向抽气充氧压铸(4)气流负压压铸(5)双压射冲头压铸(6)黑色金属压铸(7)半固态金属压铸等计算机辅助工程在压铸中的应用成为提高压铸技术水平的重要途径，目前计算机在压铸领域研究的重点是半固态过程、低压铸造过程、压铸充型过程的数值模拟。5）模具标准件（MoldstandardParts）模具标准化程度和应用水平是衡量模具工业水平的重要标志。模具的标准化程度决定着产品的质量、效率和效益。工业较为发达的国家，对标准化工作都十分重视，我国也在逐步加强模具的标准化程度。但我国模具的标准化程度和应用水平还比较低，乐观地估计不足30%，目前我国共发布了90多项标准，其中冲模标准22项、塑料模具标准20余项，与国外工业发达国家70～80%相比，尚有较大的差距。现在生产销售厂家虽然逐年增加，但大多数是规模小、设备陈旧、工艺落后、成本高、效益低。只有普通中小型标准冲模模架和塑料模模架、导柱、导套、推杆、模具弹簧、气动元件等产品，商品化程度较高，可基本满足国内市场的需求，并有部分出口。据有关资料统计，采用专业化生产的标准件比自制标准件其配合精度和位置精度将至少提高一个数量级，并可保证互换性，提高模具的使用寿命，进而促进行业内部经济体制、经营机制以及产业结构和生产治理方面的改革，实现专业化和规模化生产，并带动模具标准件商品市场的形成与发展。广泛应用标准件可缩短设计制造周期达25～40%；可节约由于使用者自制标准件所造成的社会工时，减少原材料及能源的浪费；可为模具CAD/CAM等现代技术的应用奠定基础；可显著提高模具的制造精度和使用性能。2.中国模具技术的发展方向现代模具与传统模具不同，它不仅形状与结构十分复杂，而且技术要求更高，是传统的模具制造方法无法实现的，必须借助于现代化科学技术的发展，采用先进制造技术，才能达到技术要求。根据国家“十二五”发展规划提供的资料，未来十年，中国模具工业和模具技术的主要发展方向将包括：1）超大型、超精密、长寿命、高效模具。2）多种材质、多种颜色、多层多腔、多种成型方法一体化。3）为各种快速经济模具，特别是与快速成型技术相结合的RP/RT技术。4）模具设计、加工及各种管理将向数字化、信息化、CAD/CAE/CAM/CAPP以PDM/PLM/ERP等智能化、集成化和网络化。5）更高性能及满足特殊用途的模具新材料及先进的加工方法。6）各种模具型腔表面处理技术，如涂覆、修补、研磨和抛光等新工艺。7）逆向工程、并行工程、复合加工及虚拟技术。8）热流道技术、气辅和其它注射成型工艺及模具技术。9）模具标准化。10）“绿色模具”即模具从结构设计、原材料选用、制造工艺、模具修复和报废，以及在模具的回收利用等方面考虑其节约资源、重复使用、利于环保等可持续发展这一趋势。3.我国与国外模具行业的差距我国的模具行业与国外的差距见表1.2。表1.2我国模具行