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数字化模具技术及其应用华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室李志刚2011.41.前言信息化是《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中制造业科技发展的重点方向和任务，也是《2006－2020年国家信息化发展战略》的重要任务。信息化对于转变模具行业的发展方式，优化模具产品结构，提升模具行业的核心竞争力，具有重要的意义。模具企业信息化包括两个主要方面，即技术系统的信息化和管理系统的信息化。技术系统的信息化主要是实现模具设计制造过程的数字化。数字化技术是解决模具设计制造问题的有效途径。数字化模具解决方案ProcessPlanning工艺过程设计CastingPatterns铸型PressSimulation压机模拟DieStructureDesign模具结构设计DieFaceMachining模面加工ProcessSimulation成形过程模拟数字化模具技术的内涵①可制造性设计（DFM），即在设计时考虑和分析可制造性，保证工艺的实现；②计算机辅助工艺设计（CAPP）；③计算机辅助分析（CAE），仿真成形工艺过程，预测和解决可能出现的缺陷和成形问题；④高效率的3D模具设计技术；⑤数字化模具加工技术；⑥在数字化技术指导下处理解决试模过程和生产过程中出现的问题。2.可制造性设计（DFM）传统的产品和模具设计制造过程据统计，75%的成形缺陷和困难都是由于产品早期设计不合理造成的，而这些缺陷和困难的80%是在产品后期工艺设计和模具调试阶段才被发现和改正的。因此，应将产品设计缺陷控制在最低水平，尽量避免将设计缺陷传递到工艺和模具设计过程中。传统的产品开发过程存在的问题面向产品开发和模具设计制造全过程的仿真产品的可制造性设计，就是在产品设计阶段采用CAE方法，对产品的工艺性进行分析，同步设计同步验证，可协助产品设计师确定最佳产品设计方案，从源头上避免方向性错误，保证产品具有良好的工艺性。产品的可制造性设计，不仅可缩短产品开发周期，还可降低产品开发成本，保证产品质量。产品设计过程中的同步可成形性验证整体成形性分析产品零件的选材优化3.计算机辅助工艺设计（CAPP）•工艺设计是决定零件能否顺利成形的关键。工艺设计受到制件形状、材料和成形条件等多种因素的影响。•传统的工艺设计是依靠经验的设计过程，设计可靠性差，质量难以保证。•工艺设计复杂、难度大，费时费力，设计效率低。CAPP国内外研究与发展现状•CAPP系统:派生式CAPP系统、创成式CAPP系统、混合式CAPP系统•数值模拟在工艺设计中的应用：工艺性分析及缺陷预测、工艺参数的确定•知识工程在CAPP中的应用：KBE的特点、KBE的应用、KBE在工艺设计中的应用基于KBE的工艺设计知识工程（KBE）作为一种新型的智能设计方法，它通过知识驱动、繁衍和应用来解决工程问题。KBE的应用可提高工艺设计的智能化水平和设计效率。KBE的关键技术•知识的获取与繁衍：知识发现、数据挖掘•知识表示与推理知识表示：产生式规则、框架表示法、语义网络、过程表示法、面向对象表示法—混合知识表示知识的建模与推理：基于规则的知识建模与推理、基于实例的知识建模与推理、基于模型的知识建模与推理•知识的管理：知识库的建立基于KBE的工艺方案设计模型•产品工艺性分析•工艺方案决策•工艺方案评价冲压工艺设计实例1）导入零件并建立工艺设计管理树2）冲压件特征识别及参数提取3)冲压件工艺性分析及工艺特征提取4)冲压件工艺路线5)冲压方向确定6)工艺补充面控制线和截面线模型7)基于截面线的工艺补充面生成8)拉深工序件（发动机罩）9)拉深成形数值模拟的网格模型10)拉深成形模拟等效拉延筋缺陷区域1缺陷区域2缺陷区域4缺陷区域34.成形过程的仿真（CAE）CAE（ComputerAidedEngineering）采用有限元、边界元、有限差分等数值计算，对产品设计、工艺设计和模具设计进行辅助分析的方法，用于仿真和分析成形过程，预测产品可能出现的问题或缺陷。CAE的必要性•传统的工艺和模具设计方法主要依靠设计人员的经验，设计结果往往难以预测；•优化工艺过程和和模具结构设计的需要，为优化设计提供依据；•数字化模具技术的重要基础。CAE在冲压成形中的应用•零件毛坯展开；•确定修边线位置；•优化成形工艺设计；•预测可能出现的起皱、破裂和回弹等缺陷零件毛坯尺寸的展开优化成形工艺汽车发动机罩的工艺优化设计BindersurfacePartDrawbead（a）拉深筋设置（b）FLD与WLD（a）厚度分布（b）FLD与WLD发动机罩的拉深筋优化设计——R6单筋（a）厚度分布（b）FLD与WLD发动机罩的拉深筋优化设计——局部双筋发动机罩的工艺补充优化设计（a）厚度分布（b）FLD与WLD以CAD为核心集成系统试模数控加工模具设计成形性分析工艺辅助设计分析产品设计统一CAD环境虚拟试模5.高效率的3D模具设计•模具CAD的发展2D绘图，甩图板三维设计（参数化设计，关联设计）•3D模具设计的必要性CAD/CAPP/CAE/CAM/CAT/ERP集成的需要，统一的3维模型是数字化制造的必要条件。模具企业的几种设计模式AutoCAD概念图UG、Pro/E三维结构设计AutoCAD零件图Cimatron数控编程模式一：标准件库DXFSTEP、IGES客户确认特点：3D、2D、CAM使用不同的软件，各系之间采用中性文件进行数据交换。无论是三维还是二维，常采用一个文件来表达全套模具，没有使用装配，串行设计方式。模式一存在的主要问题1）CAD/CAM采用不同的系统，通过中性文件进行数据交换，数据一致性维护困难，更新不方便。2）未采用装配技术，模具设计的所有工作均由一人承担，无法支持并行设计。3）设计知识的重用和共享困难。这种模式的设计效率低，无法发挥团队的优势来对复杂模具进行攻关。规模较小的企业常用这种模式，企业发展到一定规模后，此模式的问题就会突出，成为整个模具设计与制造环节的瓶颈问题。UG三维概念图UG三维结构设计UG零件2D图UG数控编程模式二：标准件库客户确认主模型特点：3D/2D/CAM使用统一的平台，保证了数据一致性，设计变更容易管理。设计在全三维环境下进行，采用主模型和装配技术，支持并行设计，可充分发挥团队的作用，显著提高设计效率。设计经验易于积累，设计知识或模型便于重用和管理并行设计方法：主模型和装配的使用一副复杂模具的模架、定模、动模、滑块（斜顶）、2D、数控、总装配、工程文档等，可由不同的设计小组或人员分工协作，并行设计。三维模具设计需解决的问题1）通用CAD/CAM系统，解决了可以做的问题，如何做得更好、效率更高？（高效率）2）目前，多数情况下模具设计仍需依赖经验，如何更充分地利用企业的历史设计数据？（KBE）解决上述问题需要在通用的CAD/CAM系统平台上进行定制化开发，建立适用于处理不同情况的专用模具CAD/CAM设计系统，采用KBE技术把模具设计知识和设计流程融入到专用系统中，从而真正发挥三维设计系统的优势。定制化开发专用模具设计系统的工作1）针对企业特点，做好标准化工作。2）针对特定产品，采用模板和功能组件进行设计。3）通过定制开发，集成企业的设计知识和设计流程，提升设计效率和设计质量。高效率3D模具设计的实现方法•KBE技术的应用•模具结构的标准化•整体模板的应用整体设计模板：典型模具结构•局部模板的应用局部设计模板：功能设计模块模块化设计的实现非相关特征相关特征过渡特征功能组件不同结构特征的处理方法例子方法相关特征拉延凸模、拉延凹模和压料圈Programming非相关特征凸模、拉延凹模和压料圈组件库+组件装配方法连接特征拉延凸模、拉延凹模和压料圈Programming+KBE功能组件导柱导套合件等组件库+组件装配方法装配体双动拉延模、单动拉延模参数化库和KBE标准件拉延凸模、拉延凹模和压料圈参数化建库整体模板的应用（拉深模设计）标准件设计型面简化等距面型生成曲线简化水平等距线生成Z向等距线生成曲线投影空刀面生成空刀生成侧壁设计内加强筋设计外加强筋设计模具结构初始化凸模主体设计下压料面生成凹模主体设计上压料面生成压料圈主体设计双动拉延模设计向导单动拉延模设计向导调用标准件标准件快速装配标准件尺寸修改标准件设计相关特征生成设计工具集工作部分设计凹模设计步骤•1凹模片体设计工作部分•2等距面生成设计工具•3凹模主体设计工作部分•4内加强筋设计设计工具•5外加强筋设计设计工具•6底板设计标准件凹模片体设计凹模主体设计凹模内加强筋设计草图画出加强筋中心线布置凹模外加强筋设计草图画出加强筋中心线布置下底板设计调入组件组件开孔（UG）程序自动生成图加标准件和端头总体结构6·数字化模具加工技术：高效率、自动化•先进的数控加工与检测技术的应用，大幅提高了模具加工效率和加工精度，从根本上改变了模具的生产方式。•高速度、高精度、高效率是数字化模具加工设备的显著特点。高速切削加工机床、激光加工机床和高效电加工机床的应用，大大提高了模具的加工效率和精度。高速加工机床•所谓高速主要是指高转速和高的进给速度。高速加工机床不仅具有高的主轴转速，也具有与主轴转速相匹配的高的进给速度。•高速机床转速已可达10万RPM以上，在生产中应用的通常为为1.5—3.5万RPM。高速加工的优越性1高切除率，可用于粗加工、半精加工和精加工；2高速硬切削，大大减少手工修磨工作量；3高表面质量，尺寸精度高、表面光洁；4快速加工电极，特别是形状复杂的或薄壁类电极。高速切削加工机床高速加工程序的编制Delcam’sRacelineMachining•PatentedDelcamstrategyforhigh-speedroughing•Smoothesoutpassesastheymoveawayfromtheform•Minimisessharpdirectionchangesandsoallowsfastermachiningandlongercutterlife激光检测装置的应用可提高NC机床运转的安全性，避免由于机床位置的故障，工作装夹定位和刀具问题引起的加工质量问题。在NC机床的加工过程中，利用激光束检测工件和刀具的位置，并与NC程序比校。如发现位置异常，可自动停机，以免发生设备和加工质量事故。也可用于检测加工过程中刀具的长度变化和完好状态。如发现刀具局部破损，或出现裂纹，也可控制机床停车，更换刀具。NC加工过程中的激光测量与控制自动化模具加工系统•自动化模具加工系统是模具加工技术的新发展，提供了更高的加工效率、更大的柔性和更好的质量保证。自动化模具加工系统由加工机床、零件库与刀具库、传送与装夹装置、机器人、测量机和自动清洗机等部分组成。•自动化模具加工单元•自动化模具生产线自动化电火花加工系统（电极库）工件与电极库机器人从库中抓取工件工件的自动装夹德国一条实际运行的模具自动化生产线我国在建的自动化模具生产线大、中、小三条生产线结束语当前，我国正处于从模具制造大国向模具制造强国转变的进程中，未来的10－15年是模具行业发展的重要的时期。“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走新型工业化道路”，是促进我国模具产业结构转型升级和跨越发展的必由之路。数字化模具技术是解决模具设计制造问题的有效途径。谢谢！