模具的CAD/CAE/CAM技術

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模具CAD/CAE/CAM是改造傳統模具生產方式的關鍵技術，是一項高科技、高效益的系統工程。它以電腦軟體的形式，為企業提供一種有效的輔助工具，使工程技術人員借助于電腦對產品性能、模具結構、成形工藝、數控加工及生產管理進行設計和優化。模具CAD/CAE/CAM技術能顯著縮短模具設計與製造週期、降低生產成本和提高產品品質已成為模具界的共識。 <br/><br/>與任何新生事物一樣，模具CAD/CAE/CAM在近二十年中經歷了從簡單到複雜，從試點到普及的過程。進入本世紀以來，模具CAD/CAE/CAM技術發展速度更快、應用範圍更廣，為了使廣大模具工作者能進一步加深對該技術的認識，更好發揮模具CAD/CAE/CAM的作用，本文針對模具中應用最廣泛、最具有代表性的鑄造模、鍛模、級進模、汽車覆蓋件模和塑膠注射模CAD/CAE/CAM的發展狀況和趨勢作概括性的介紹和分析。<br/><br/>鑄造模CAD/CAE/CAM的發展概況 <br/><br/>鑄造成形過程模擬的探索性工作始于求解鑄件的溫度場分佈。1962年丹麥的Fursund用有限差分法首次對二維形狀的鑄件進行了凝固過程的傳熱計算，1965年美國通用汽車公司Henzel等對汽輪機鑄件成功進行了溫度場模擬，從此鑄件在模具型腔內的傳熱過程數值分析技術在全世界範圍內迅速開展。從上世紀70年代到80年代，美國、英國、法國、日本、丹麥等相繼在鑄件凝固模擬研究和應用上取得了顯著成果，並陸續推出一批商品化類比軟體。進入90年代後，我國的高等院校，如清華大學和華中科技大學在該領域也取得了矚目的成就。<br/><br/>單純的傳熱過程模擬並不能準確計算出鑄件的溫度變化和預測鑄造中可能產生的缺陷，充模過程對鑄件初始溫度場分佈的影響以及凝固過程中液態金屬的流動對鑄件缺陷形成的影響都是不可忽視的。鑄件充模過程的模擬技術始於上世紀80年代，它以計算流體力學的理論和方法為基礎，經歷十餘載，從二維簡單形狀開始，逐步深化和擴展，現已成功實現了三維複雜形狀鑄件的充模過程模擬，並能將流動和傳熱過程相耦合。目前國外已有一批商品化的三維鑄造過程類比軟體，如日本的SOLIDIA、英國的SOLSTAR、法國的SIMULOR、瑞典的NOVACAST、德國的MAGMA和美國的AFSOLID、PROCAST等。國內也有清華大學的鑄造之星、華中科技大學的華鑄CAE等。這些鑄造模CAE軟體已覆蓋鑄鋼、鑄鐵、鑄鋁和鑄銅等各類鑄件，大到數百噸，小至幾千克，無論是在消除縮孔和縮松，還是在優化澆冒口設計，改進浮渣夾渣等方面都發揮了顯著的作用。<br/><br/>伴隨著CAE技術在鑄造領域的成功應用，鑄造工藝及模具結構CAD的研究和應用也在不斷深入，國外已陸續推出了一些應用軟體，如美國鑄造協會的AFS-SOFTWARE，可用於鑄鋼和鑄鐵件的澆冒口設計，英國FOSECO公司的FEEDERCALK軟體，可以計算鑄鋼件的澆冒口尺寸和選擇保溫冒口套的類型。我國華中科技大學和清華大學在鑄造工藝及模具結構CAD方面也做了許多工作，如清華大學開發的THFSCAD軟體，主要由圖形掃描及向量化和鑄造工藝CAD兩部分組成。前一部分對掃描輸入的圖形進行消藍去汙和向量化，後一部分用來建立參數化圖形、計算鑄件的加工餘量、繪製工藝卡等。THFSCAD是在二維圖形學的基礎上開發的，採用了AUTOCAD軟體為開發平臺。隨著CAD技術的快速進步，三維CAD系統在鑄造生產領域會逐步取代二維CAD系統而成為主流設計系統。<br/><br/>鍛模CAD/CAE/CAM的發展概況<br/><br/>自上世紀70年代以來，國內外許多學術機構和公司對鍛模CAD/CAE/CAM技術進行了廣泛的研究，在鍛造工藝過程設計、鍛模結構設計和金屬流動類比等方面均取得了顯著的成績。 軸對稱鍛件約占鍛件總數的30%左右，加上軸對稱鍛件幾何形狀簡單，易於描述和定義，所以開發鍛模CAD/ CAM系統時國內外大多數機構和人都是從軸對稱鍛模入手。軸對稱鍛模CAD/ CAM系統的主要組成部分包括鍛件設計、模鍛工藝設計、鍛模結構設計和NC編程。鍛件設計指的是設計冷鍛件圖和熱鍛件圖，包括選擇分模面、補充機加工餘量、添加圓角和拔模斜度等。模鍛工藝設計決定是否採用預成形工序、怎樣採用預成形工序以及如何選擇鍛壓設備的噸位。<br/><br/>另一類廣泛應用的鍛件是長軸類鍛件，其成形工序設計和模具結構設計遠比軸對稱鍛模複雜，因此開發長軸類鍛模的CAD/CAM系統的難度更大、通用性也低，目前在許多通用商品化CAD/CAM軟體上二次開發的長軸類鍛模的CAD/CAM系統僅限於特定產品和特定場合的應用。<br/><br/>鍛模CAD/ CAM系統的發展方向是成組技術和模具標準化技術的進一步貫徹執行以及CAE技術和人工智慧技術的深入應用。<br/><br/>在CAE技術方面，有限元法一直是分析和研究金屬鍛造成形的主要數值分析方法，多年來已取得不少階段性的成果。1973年Lee和Kobayashi以矩陣分析法導出了剛塑性有限元的Lagrange演算法，成功分析了鍛造成形過程。1974年Zienkiewicz提出了剛粘塑性有限元的罰函數法，分析了軋製、擠壓和拉拔等成形工藝。1982年Mori和Osakada提出了剛塑性有限元中的材料可壓縮法並用於軋製和擠壓中。上世紀80年代初，Oh和Altan用大型剛塑性有限元分析軟體ALPID對各類塑性變形問題進行了深入研究。90年代以後，國外一些商品化的專業有限元分析軟體，如法國的FORGE2、美國的DEFORM、ABAQUS、MSC/AutoForge等，都已成功地應用於鍛造領域。這些軟體不僅可以預測鍛件成形的全過程，而且可以定量地給出與變形有關的各種物理量，如位移、速度、應力、應變和載荷等，為獲得最優的模具設計、最合理的工藝方案和最少的試模時間提供了技術保證。<br/><br/>級進模CAD/CAE/CAM的發展概況 <br/><br/>國外級進模CAD/CAE/CAM的研究始於上世紀60年代末，70年代便有初步應用，但僅限於二維圖形的簡單沖裁級進模，其主要功能如條料排樣、凹模佈置、工藝計算和NC編程等。彎曲級進模CAD/CAM系統出現在80年代，如日本日立公司和富士通公司的彎曲級進模系統等。為了能夠適應複雜模具的設計，富士通系統採用了自動設計和交互設計相結合的方法，在該系統中除毛坯展開、彎曲回彈計算和工步排序為自動處理外，其餘均需要設計人員的參與。<br/><br/>應用三維幾何造型技術的級進模系統始於80年代末，如美國Auto-trol公司的Die-Design系統，該系統採用三維幾何模型來描述鈑金零件，並將三維圖形技術應用於模具結構設計，顯示出三維圖形軟體在模具設計中的重要作用。 <br/><br/>進入90年代，國際著名商品化三維CAD/CAM系統，如美國的Pro/E、UG-II、 CADD5、Solidworks、MDT等均陸續在模具界得到應用。美國PTC公司基於Pro/E系統開發了鈑金零件造型模組Pro/Sheet Metal。UG Solution公司在UG-II的基礎上開發了同類型的模組UG/Sheet Metal。以上兩個系統都缺乏面向級進成形工藝及模具結構設計的專用模組，但這方面的工作進展很快，有的已經初見成效。 <br/><br/>如美國Computer Design公司開發的級進模軟體Striker Systems是銷售量較大的商業化CAD/CAM系統，包括鈑金零件造型（SS-DESIGN）、毛坯展開（SS-UNFOLD）、毛坯排樣（SS-STRIP DESIGN），模具設計（SS-DIE DESIGN）和數控加工（SS-WIRE、SS-PROFILE）等模組。該系統支援鈑金零件的特徵造型，雖已具有某些自動化設計的功能，但其設計過程仍以交互操作為主，目前只適用於彎曲沖裁級進模的設計。<br/><br/>本世紀之初，美國UGS公司與我國華中科技大學合作在UG-II（現為NX）軟體平臺上開發出基於三維幾何模型的級進模CAD/CAM軟體NX-PDW。該軟體包括工程初始化、工藝預定義、毛坯展開、毛坯排樣、廢料設計、條料排樣、壓力計算和模具結構設計等模組。具有特徵識別與重構、全三維結構關聯等顯著特色，已在2003年作為商品化產品投入巿場。我國從上世紀90年代開始，華中科技大學、上海交通大學、西安交通大學和北京機電研究院等相繼開展了級進模CAD/CAM系統的研究和開發。如華中科技大學模具技術國家重點實驗室在AutoCAD軟體平臺上開發出基於特徵的級進模CAD/CAM系統HMJC，包括鈑金零件特徵造型、基於特徵的衝壓工藝設計、模具結構設計、標準件及典型結構建庫工具和線切割自動編程五個模組。上海交通大學為瑞士法因托（Finetool）精沖公司開發成功精密沖裁級進模CAD/CAM系統。西安交通大學開發出多工位彎曲級進模CAD系統等。近年來，國內一些軟體公司也競相加入了級進模CAD/CAM系統的開發行列，如深圳雅明軟體製作室開發的級進模系統CmCAD、富士康公司開發的用於單沖模與複合模的CAD系統Fox-cad等。 <br/><br/>汽車覆蓋件模CAD/CAE/CAM的發展概況<br/><br/>國際上最早開展汽車覆蓋件模CAD/CAM系統研究與開發的是各個大汽車製造公司。早在1965年日本豐田汽車公司已將數控技術用於汽車覆蓋件的模具加工，取得了很好的經濟效果。上世紀80年代豐田汽車公司所採用的汽車覆蓋件CAD/CAM系統包括了NTDFB和CADETT兩個設計軟體及加工凸、凹模的TINCA軟體，可完成車身外形設計、車身結構設計、沖模CAD、主模型與沖模加工和夾具加工等任務。據報導，該系統投入使用後可使豐田公司的汽車覆蓋件成形模設計與製造時間減少50%，本世紀之初豐田汽車公司又採用了美國PDC公司基於Pro/E軟體平臺開發的面向拉延模設計的專業化軟體Pro/Dieface。 美國通用汽車公司依託美國UGS公司在UG-II軟體平臺上也開發了用於汽車覆蓋件模具設計的專用模組，如鈑金件設計、車身設計、複蓋件衝壓工藝設計（包括衝壓方向選擇、工藝餘量補充、壓邊面形狀設計和修邊線確定）和模具結構設計等，目前該系統正處於試運行階段。與此同時，美國福特汽車公司、英國PSF公司、日本獲原鐵工所、富士鐵工所等國外生產汽車覆蓋件模具的公司也開發了各自公司專用的汽車覆蓋件模CAD/CAM系統。目前這些系統尚不對外出售。 國內如湖南大學、吉林大學和華中科技大學等單位近幾年來對汽車覆蓋件模CAD/CAE/CAM技術進行了系統而深入的研究，取得了許多可喜的成果。 <br/><br/>如湖南大學以先進衝壓CAE技術為突破口，開發出一套包括衝壓工藝設計和汽車覆蓋件模具設計和製造的系列化軟體。其衝壓仿真CAE自動建模系統CADEM-I能夠利用模具表面數控軌跡資料作為網格生成的幾何資料源，使建模效率成倍的提高，對於汽車覆蓋件成形，在同樣精度下可使仿真模型網格單元減少近20%~40%。衝壓仿真CAE系統CADEM-II採用先進的理論和演算法，在保證衝壓件大變形計算精度的前提下顯著地提高了分析速度。衝壓工藝分析與設計系統CADEM-III採用殼體失穩理論預測覆蓋件成形中的起皺趨勢，採用基於仿真的毛坯反算技術，實現了複雜零件的毛坯形狀和尺寸的迭代反求。<br/><br/>又如華中科技大學模具技術國家重點實驗室最新推出的汽車覆蓋件衝壓成形快速分析軟體FASTAMP，基於改進的有限元逆演算法和板殼單元，綜合考慮了摩擦、壓邊力和拉深筋等工藝條件，將產品設計、材料選擇和工藝設計緊密聯繫起來，能夠快速模擬汽車覆蓋件成形後的起皺、破裂和成形不足等缺陷，優化壓邊力、拉深筋和摩擦等工藝參數、校核壓料面和工藝補充面的合理性、提供最優的毛坯形狀，從而可以為汽車覆蓋件工藝設計和模具設計提供全面的解決方案。<br/><br/>塑膠注射模CAD/CAE/CAM的發展概況<br/><br/>塑膠注射模CAD/CAM是伴隨著通用機械CAD/CAM技術發展而不斷深化的。從上世紀60年代基於線框模型的CAD系統開始, 到70年代以曲面造型為核心的CAD/CAM系統，80年代實體造型技術的成功應用，90年代基於特徵的參數化實體/曲面造型技術的完善，為塑膠注射模採用CAD/CAE/CAM技術提供了可靠的保證。目前在國內外巿場已湧現出一批成功應用於塑膠注射模的CAD/CAE/CAM系統。 現在國外一些著名的商品化三維造型軟體都帶有獨立的注射模設計模組，如美國PTC公司的Pro/E、UGS公司的UG-II、SDRC公司的I-DEAS系統。這三個CAD/CAM系統目前在塑膠模具工業中的應用最為廣泛。此外還有美國CV公司的CADDS系統、法國MATRA公司的EUCLID系統、法國DASSAULT公司的CATIA系統、英國DELCAM公司的DUCT系統、日本造船資訊系統株式會社的Space-E系統和日本UNISYS株式會社的CADCEUS系統等都各具特色，擁有各自的用戶群。 塑膠注射模CAE技術的發展也十分迅速，從上世紀60年代的一維流動和冷卻分析到70年代的二維流動和冷卻分析再到90年代的准三維流動和冷卻分析，其應用範圍已擴展到保壓分析、纖維分子取向和翹曲預測等領域並且成效卓著。<br/><br/>塑膠注射成型CAE商品化軟體中應用最廣泛的當數美國Moldflow公司的類比軟體MF，該軟體主要包括流動類比（MF/FLOW）、冷卻分析（MF/COOL）、翹曲分析（MF/WARP）、氣輔分析(MF/GAS)和應力分析（MF/STRESS）等。該公司於1998年推出准三維的雙面流軟體（Part Adviser），2002年推出真三維的實體流軟體模組，目前該公司在世界上擁有較大的用戶群。 近十餘年來，我國對塑膠注射成型CAE技術也開展了系統而深入的研究。華中科技大學、上海交通大學、鄭州大學和南昌大學等都相繼取得了可喜的成果。如華中科技大學模具技術國家重點實驗室在最近推出的商品化塑膠注射成型集成化仿真系統HSCAE6.10，從1989年推出的HSCAE1.0版到如今的6.10版，經歷了從二維分析到三維分析，從實用化到商品化，從局部試點到大面積推廣應用的進程，已成為塑膠製品設計、模具結構優化和工程師培訓的有力工具，HSCAE仿真系統目前已在國內80多家工廠和學校推廣應用。<br/><br/>模具CAD/CAE/CAM的發展趨勢<br/><br/>本世紀的科學技術正處於日新月異的變革之中，通過與電腦技術的緊密結合，人工智慧技術、並行工程、面向裝配、參數化特徵建模以及關聯設計等一系列與模具工業相關的技術發展之快、學科領域交叉之廣前所未見。今後十年新一代模具CAD/CAE/CAM系統必然是當今最好的設計理念、最新的成形理論和最高水準的製造方法相結合的產物，其特點將反映在專業化、網路化、集成化和智慧化四個方面。<br/><br/>隨著模具工業的快速發展，近幾年來世界各國的軟體發展商投入了巨大的人力和物力，針對各類模具的特點，將通用的CAD/CAM系統改造為模具行業專用的系統，取得了較大成效。已投入使用的有美國UGS公司的級進模設計系統NX-PDW、塑膠注射模設計系統Mold Wizard、以色列Cimatron公司的模具設計和製造系統Quick、英國DELCAM公司的塑膠模設計和製造系統PS-Moldmaker、法國Misslel software公司的注射模專用軟體Top Mold和級進模專用軟體Top Progress、日本UNISYS株式會社的塑膠模設計和製造系統CADCEUS等。這些軟體的技術特點是能在統一的系統環境下，使用統一的資料庫，完成特定模具的設計。NX-PDW初步實現了模具零件的結構關聯, CADCEUS的特色在於三維設計與二維視圖的聯動，PS-Moldmaker做到了加工資訊的自動封裝，這些特點使得專業軟體更加宜人化。 <br/><br/>目前，國外一些軟體發展商已能按實際生產過程中的功能劃分產品系列，在網路系統下實現CAD/CAE/CAM的一體化，解決傳統混合型CAD/CAM系統無法滿足實際生產過程分工協作的要求。例如英國DELCAM公司在原有軟體DUCT5的基礎上，為適應最新軟體發展及工業生產實際推出了CAD/CAM集成化系統Delcam's Power Solution，該系統覆蓋了幾何建模、逆向工程、工業設計、工程製圖、仿真分析、快速原型、資料編程、測量分析等各個領域。系統的每個功能模組既可獨立運行，又可通過資料介面與其他系統相相容，並能按使用要求進行組合，以便形成專業化的CAD/CAE/CAM系統，做到開放性、相容性和專業化的統一。可以預計，模具CAD/CAE/CAM系統在今後幾年內將會逐步發展為支援從設計、分析、管理到加工全過程的產品資訊管理的集成化系統。<br/><br/>現階段，模具設計和製造在很大程度上仍然依靠著模具工作者的經驗，僅憑電腦的數值計算功能去完成諸如模具設計方案的選擇、工藝參數與模具結構的優化、成型缺陷的診斷以及模具成形性能的評價是不現實的。新一代模具CAD/CAE/CAM系統正在利用KBE（基於知識的工程）技術進行脫胎換骨的改造。如UG-II中所提供的人工智慧模組KF（Knowledge Fusion）。利用KF可將設計知識融入系統之中，以便進行圖形識別與推理。 數值計算和人工智慧技術的結合將是今後相當長時間內一件十分艱巨而重要的工作。傳統的類比軟體基本上都是被動式計算工具，分析前需要用戶事先設計成形方案和確定工藝參數，分析結果常常難於直接用來指導生產，這在很大程度上影響了類比軟體的推廣和普及，華中科技大學模具技術國家重點實驗室在國產注塑成型類比軟體HSCAE6.10中成功地引入了人工智慧技術。對於注射時間、注射溫度等具有連續取值空間的參數，採用人工神經網路進行優化，對於分析結果的解釋和評價則採用基於規則推理的方法來處理。HSCAE6.10的專家系統規則庫以專家知識為基礎，涵蓋了有關短射、流動平衡、熔體降解、溫差控制、保壓時間、許可剪切應力、剪切速率和鎖模力等方面的領域知識，在對分析結果進行綜合和提煉的基礎上驅動專家系統進行推理，對成型方案進行評價並在分析報告中輸出具體的改進建議，其目標是將類比軟體由傳統的“被動式”計算工具提升為新一代的“主動式”優化系統。<br/><br/>