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現代模具產品制造是典型的單件小批量、離散型生產。傳統模具產品開發從設計、試制到產品上市周期太長,設計過程中難以與用戶進行交流,難以及時聽取用戶的意見,難以考慮可制造性和可裝配性,很難全面考慮安全、維護等方面的要求,不能綜合考慮生產、時間以及費用等相互制約條件的限制,更談不上考慮整個模具產品壽命周期的諸多問題。筆者就現代模具產品設計與制造的高科技信息化及其應用談點淺見。

1現代模具設計與制造已步入信息化時代

改革開放30多年來,中國模具生產作為一個產業有了翻天覆地的變化。這種變化主要體現在三個方面:產能變化、生產方式變化、技術革命。大多數人看到的是中國模具產業作為一個行業的從無到有、從小到大、從拾漏補缺到成為主力,以及模具需求和產量的快速增長變化。但更重要的是生產方式轉變和技術革命。后兩種變化是一種更加深刻、更加根本性的變化。生產方式的轉變主要體現在,從過去傳統的小而全的后方車間、作坊式的生產,轉變為高度市場專業協作的大規模生產方式;從完全非標生產到相對標準化和準標準化生產。模具生產技術革命,濃縮到一點就是企業信息化也就是數字化制造和信息化管理。

20世紀80年代前,很多模具是靠鉗工用手打磨出來的;90年代,由于引入了數控加工機床、edm等較先進的設備,大大地提高了模具的生產工藝水平,生產周期及模具的品質也有了很大的縮短和改進。高精度加工己經把工人從繁重的體力勞動中解放出來。另一方面,cad/cam/cae等計算機輔助技術在模具行業也得到了廣泛的應用,模具的設計及數控加工水平有了很大的提高,cad/cam/cae軟件對于模具技術人員的工作效率和設計的可靠性已經有了很大的提高。目前各模具企業又面臨著一個新的課題,如何把企業管理也同樣從煩瑣的事務中解放出來,讓信息化管理為企業的生產效率提升作出貢獻。所以模具企業管理的信息化己經成為模具行業發展和進步的必然趨勢。

模具生產是單件訂單式生產,在管理信息化中有其強烈的特殊性。設計是制造的一部分,工藝設計不充分,設計與工藝信息可直接重復利用價值不大。因此,根據企業生產特點把握全面信息化管理與實用、簡化管理的平衡點,是信息化的關鍵。這就造成很難照搬成熟的管理軟件。例如汽車模具企業沒有傳統意義上的原材料,倉庫管理等等。購置的都是部件與部件的半成品,不存在入庫出庫過程,制造費用的攤銷每個企業也是都不一樣。又比如成本核算更應該采用項目管理的辦法,而不是采用一般加工制造業的辦法,什么pdm、erp等軟件不經過徹底的改造是完全不適應的。2現代模具設計的CAD/CAE技術的應用

模具設計是隨工業產品零件的形狀、尺寸與尺寸精度、表面質量要求以及其成型工藝條件的變化而變化的,所以每副模具都必須進行創造性的設計。模具設計的內容包括產品零件(常稱為制件)成型工藝優化設計與力學計算和尺寸與尺寸精度確定與設計等,因此模具設計常分為制件工藝分析與設計、模具總體方案設計、總體結構設計、施工圖設計四個階段。CAD/CAE,計算機輔助設計和輔助工程,它包括概念設計、優化設計、有限元分析、計算機仿真、計算機輔助繪圖和計算機輔助設計過程管理等。應用CAD技術可以設計出產品的大體結構,再通過CAE技術進行結構分析、可行性評估和優化設計。采用模具CAD/CAE集成技術后,制件一般不需要再進行原型試驗,采用幾何造型技術,制件的形狀能精確、逼真地顯示在計算機屏幕上,有限元分析程序可以對其力學性能進行檢測。借助于計算機,自動繪圖代替了人工繪圖,自動檢索代替了手冊查閱,快速分析代替了手工計算,使模具設計師能從繁瑣的繪圖和計算中解放出來,集中精力從事諸如方案構思和結構優化等創造性的工作。在模具投產之前,CAE軟件可以預測模具結構有關參數的正確性。

當今的概念設計已不僅僅是停留在對外觀和結構的設計上,它已經擴展到對模具結構分析的領域。對于運用CAD技術設計出的模具,可運用先進的CAE軟件(尤其是有限元軟件)對其進行強度、剛度、抗沖擊實驗模擬、跌落實驗模擬、散熱能力、疲勞和蠕變等分析。通過這些分析,可以檢驗前面的概念性結構設計是否合理,分析出結構不合理的原因和部位,然后再在CAD軟件中進行相應的修改。修改后再在CAE中進行各種性能的檢測,最終確定滿足要求的模具結構。

當今CAD技術的發展使得概念設計思想體現在相應的模塊中。概念設計不再只是設計師的思維,系統模塊也融合了一般的概念設計理念和方法。目前,世界上大型的CAD/CAE軟件系統,如Pro/ENGINEER、UG、Solidworke、Alias等,都提供了有關產品早期設計的系統模塊,我們稱之為工業設計模塊或概念設計模塊。例如,Pro/ENGINEER就包含一個工業設計模塊——ProDesign,用于支持自上而下的投影設計,以及在復雜產品設計中所包含的許多復雜任務的自動設計。此模塊工具包括概念設計的二維非參數化的裝配布局編輯器。這些系統模塊的應用大大減少了設計師的工作量,節約了工作時間,提高了工作效率,使設計師把更多的精力用在新產品的開發及創新上。

3現代模具制造的CAD/CAE/CAM技術應用

現代經濟的飛速發展,推動了我國模具工業的前進。CAD/CAE/CAM技術的日臻完善和在模具制造上的應用,使其在現代模具的制造中發揮越來越重要的作用,CAD/CAE/CAM技術已成為現代模具的制造的必然趨勢。

(1)CAD/CAE/CAM計算機輔助設計、模擬與制造一體化,CAD/CAE/CAM一體化集成技術是現代模具制造中最先進、最合理的生產方式。使用計算機輔助設計、輔助工程與制造系統,按設計好的模具零件分別編制該零件的數控加工程序是從設計到制造的一個必然過程。在具有現代模具設計制造能力的工廠內,該過程都是在CAD/CAE/CAM系統內進行的,其加工程序直接由聯機電纜輸入加工機臺,在編制程序時可利用系統中的加工模擬功能進行細致的模擬,將零件,刀具、刀柄、夾具,平臺及刀具移動速度、路徑等顯示出來,以便觀察整個模具零件的切削過程和前后的形狀,進而檢查程序編制的正確性,這對于復雜的多曲面的模具零件尤為重要。

(2)模具的零部件除了有高精度的幾何要求外,其形位精度要求也較高,一般的量具是很難達到理想的目的的,這時就要依賴精密零件測量系統。這種精密零件測量系統簡稱CMM,即CoordinateMeasuringMaching,是數控加工中心的一種變形。它的測量精度可達0.25μm,其測量工件的方式如下:將經由CAD/CAM系統或CMM專用軟件所產生的零件數據選送至CMM的計算機系統,經過適當的設置后,即按照所給出的數據去測量工件,將所得結果與原始數據比較,得出工件加工后的誤差。如果原始數據是從設計圖紙得來的,則可直接將設計數據送入CMM專用軟件,然后進行測量,將取得的加工誤差數據進行質量分析,以判斷工件的加工質量。如果檢測的不是單個零件而是若干個零件的組件,則由各零件的誤差積累而導致總偏差被顯示出來。

(3)現代模具制造的必然趨勢,就是用機械加工盡可能地取代人工加工。這就確定了先進設備在現代制造中的作用,尤其現在加工中心、數控高速成型銑床、數控銑床、數控車床、多軸聯動機床、數控模具雕刻機、電火花加工機床、數控精密磨床、三坐標測量機、掃描儀等現代化設備在工廠中的廣泛使用。而且這些設備大部分所用的程序基本上都是應用CAD/CAE/CAM系統產生的。機臺與計算機聯機,加工程序是通過聯機電纜輸入機臺的。操作人員按照規定的程序裝夾工件,配備刀具和操作,機臺就能自動地完成該機臺上應該完成的加工任務,并將理想的模具零件制造出來或為下一加工工序完成規定的部分。操作人員的熟練程度和情緒變化基本不影響加工質量和加工效益,這也是現代模具加工優于傳統機械加工的一個方面。

總之,CAD/CAE/CAM集成技術就是在這種情況下應運而生的,它已成為現代模具制造技術發展的必然趨勢,并以科學合理的方法給模具制造者提供了一種行之有效的輔助工具。該技術可使模具制造者在模具制造之前能借助于計算機對制件、模具結構、加工、成本等進行反復修改和優化,直至獲得最佳結果。