李志剛
華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
1. 前言
信息化是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中制造業(yè)科技發(fā)展的重點(diǎn)方向和任務(wù)，也是《2006－2020年國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略》的重要任務(wù)。信息化對(duì)于增強(qiáng)模具行業(yè)的創(chuàng)新能力，優(yōu)化模具行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升模具行業(yè)的核心競爭力，具有深遠(yuǎn)的意義。
模具企業(yè)信息化包括兩個(gè)主要方面，即技術(shù)系統(tǒng)的信息化和管理系統(tǒng)的信息化。技術(shù)系統(tǒng)的信息化主要是實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)制造過程的數(shù)字化。數(shù)字化技術(shù)是解決模具設(shè)計(jì)制造問題的有效途徑。
數(shù)字化模具技術(shù)的內(nèi)涵：
① 可制造性設(shè)計(jì)（DFM），即在設(shè)計(jì)時(shí)考慮和分析可制造性，保證工藝的實(shí)現(xiàn)；
② 計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）；
③ 計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE），仿真成形工藝過程，預(yù)測和解決可能出現(xiàn)的缺陷和成形問題；
④ 高效率的3D模具設(shè)計(jì)技術(shù)；
⑤ 數(shù)字化模具加工技術(shù)；
⑥ 在數(shù)字化技術(shù)指導(dǎo)下處理解決試模過程和生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題。
2. 可制造性設(shè)計(jì)（DFM）
傳統(tǒng)的產(chǎn)品和模具設(shè)計(jì)制造過程如圖1所示。
圖1 傳統(tǒng)的產(chǎn)品和模具設(shè)計(jì)制造過程
傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程存在的問題：開發(fā)周期長，開發(fā)成本高，質(zhì)量難以保證。如圖2所示
圖2 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程成本
據(jù)統(tǒng)計(jì)，75%的成形缺陷和困難都是由于產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)不合理造成的，而這些缺陷和困難的80%是在產(chǎn)品后期工藝設(shè)計(jì)和模具調(diào)試階段才被發(fā)現(xiàn)和改正的。 因此，應(yīng)將產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷控制在最小水平，盡量避免將設(shè)計(jì)缺陷傳遞到工藝和模具設(shè)計(jì)過程中。
面向產(chǎn)品開發(fā)和模具設(shè)計(jì)制造全過程的仿真
圖3面向產(chǎn)品開發(fā)和模具設(shè)計(jì)制造全過程的仿真
產(chǎn)品的可制造性設(shè)計(jì)，就是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段采用CAE方法，對(duì)產(chǎn)品的工藝性進(jìn)行分析，同步設(shè)計(jì)同步驗(yàn)證，可協(xié)助產(chǎn)品設(shè)計(jì)師確定最佳產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，從源頭上避免方向性錯(cuò)誤，保證產(chǎn)品具有良好的工藝性。產(chǎn)品的可制造性設(shè)計(jì)，不僅可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，還可降低產(chǎn)品開發(fā)成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量。如圖3所示。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的同步可進(jìn)行成形性驗(yàn)證
整體成形性分析
局部可成形性分析
產(chǎn)品零件的選材優(yōu)化
3. 計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）
• 工藝設(shè)計(jì)是決定零件能否順利成形的關(guān)鍵。工藝設(shè)計(jì)受到制件形狀、材料和成形條件等多種因素的影響。
• 傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)是依靠經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)可靠性差，質(zhì)量難以保證。
• 工藝設(shè)計(jì)復(fù)雜、難度大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，設(shè)計(jì)效率低。
CAPP國內(nèi)外研究與發(fā)展現(xiàn)狀
• CAPP系統(tǒng): 派生式CAPP系統(tǒng)、 創(chuàng)成式CAPP系統(tǒng)、混合式CAPP系統(tǒng)
• 數(shù)值模擬在工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用：工藝性分析及缺陷預(yù)測 、工藝參數(shù)的確定
• 知識(shí)工程在CAPP中的應(yīng)用：KBE的特點(diǎn)、KBE的應(yīng)用、KBE在工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
基于KBE的工藝設(shè)計(jì)
知識(shí)工程（KBE）作為一種新型的智能設(shè)計(jì)方法，它通過知識(shí)驅(qū)動(dòng)、繁衍和應(yīng)用來解決工程問題。KBE的應(yīng)用可提高工藝設(shè)計(jì)的智能化水平和設(shè)計(jì)效率。
KBE的關(guān)鍵技術(shù)
• 知識(shí)的獲取與繁衍 ：知識(shí)發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)挖掘
• 知識(shí)表示與推理
知識(shí)表示：產(chǎn)生式規(guī)則、框架表示法、語義網(wǎng)絡(luò)、過程表示法、面向?qū)ο蟊硎痉?/span>—混合知識(shí)表示。
知識(shí)的建模與推理：基于規(guī)則的知識(shí)建模與推理 、基于實(shí)例的知識(shí)建模與推理 、基于模型的知識(shí)建模與推理。
• 知識(shí)的管理：知識(shí)庫的建立
基于KBE的工藝方案設(shè)計(jì)模型
• 產(chǎn)品工藝性分析
• 工藝方案決策
• 工藝方案評(píng)價(jià)
圖 基于KBE的工藝方案設(shè)計(jì)模型
沖壓工藝設(shè)計(jì)實(shí)例
1）導(dǎo)入零件并建立工藝設(shè)計(jì)管理樹
2）沖壓件特征識(shí)別及參數(shù)提取
3) 沖壓件工藝性分析及工藝特征提取
4) 沖壓件工藝路線
5) 沖壓方向確定
6) 工藝補(bǔ)充面控制線和截面線模型
7) 基于截面線的工藝補(bǔ)充面生成
8) 拉深工序件（發(fā)動(dòng)機(jī)罩）
9) 拉深成形數(shù)值模擬的網(wǎng)格模型
10) 拉深成形模擬
4. 成形過程的仿真（CAE）
CAE （Computer Aided Engineering ）采用有限元、邊界元、有限差分等數(shù)值計(jì)算，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)進(jìn)行輔助分析的方法，用于仿真和分析成形過程，預(yù)測產(chǎn)品可能出現(xiàn)的問題或缺陷。
CAE的必要性
• 傳統(tǒng)的工藝和模具設(shè)計(jì)方法主要依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)結(jié)果往往難以預(yù)測；
• 優(yōu)化工藝過程和和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)；
• 數(shù)字化模具技術(shù)的重要基礎(chǔ)。
CAE在沖壓成形中的應(yīng)用
• 零件毛坯展開；
• 確定修邊線位置；
• 優(yōu)化成形工藝設(shè)計(jì)；
• 預(yù)測成形過程中的起皺和破裂等缺陷
以CAD為核心集成系統(tǒng)
CAE在塑料模中的應(yīng)用
例1. 空調(diào)柜機(jī)上面板, 科龍公司
圖1原始方案
在試模時(shí)發(fā)現(xiàn)制件的主要外觀面上有融合紋
圖2 原始方案的CAE分析結(jié)果
CAE分析與實(shí)際相符，在圖示位置有融合紋產(chǎn)生。根據(jù)熔體流動(dòng)前沿分析，在圖示位置產(chǎn)生融合紋是澆 口位置設(shè)置不合理導(dǎo)致。
圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案后的CAE分析結(jié)果
例2. 彩電前罩殼, 海爾公司
圖4 初始方案的CAE分析結(jié)果
初始方案包括四個(gè)主分流道，其中三個(gè)主分流道又各自分成兩個(gè)分流道，各對(duì)應(yīng)兩個(gè)澆口。CAE分析發(fā)現(xiàn)充填不平衡，制品的上部與兩側(cè)比下部明顯地先充填，存在過壓現(xiàn)象，同時(shí)制品充填結(jié)束時(shí)的溫差大（
圖5 改進(jìn)方案的流動(dòng)充填分析結(jié)果
改進(jìn)后的流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，兩側(cè)的澆口由兩個(gè)減為一個(gè)，充模時(shí)間縮短為2.8秒。CAE分析結(jié)果表明，充填的平衡性好，制品的各澆口基本上同時(shí)充填結(jié)束，減少了主要熔接痕的數(shù)目，充填結(jié)束時(shí)的溫差明顯減小。應(yīng)用此方案設(shè)計(jì)的模具，一次試模成功。
5. 高效率的3D模具設(shè)計(jì)
• 模具CAD的發(fā)展
2D繪圖，甩圖板，三維設(shè)計(jì)（參數(shù)化設(shè)計(jì)，關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)）
• 3D模具設(shè)計(jì)的必要性
CAD/CAPP/CAE/CAM/CAT/ERP集成的需要，統(tǒng)一的3維模型是數(shù)字化制造的必要條件。
5.1 模具企業(yè)的幾種設(shè)計(jì)模式
模式1
特點(diǎn)：3D、2D、CAM使用不同的軟件，各系之間采用中性文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。無論是三維還是二維，常采用一個(gè)文件來表達(dá)全套模具，沒有使用裝配，串行設(shè)計(jì)方式。
模式一存在的主要問題
1）CAD/CAM采用不同的系統(tǒng)， 通過中性文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)一致性維護(hù)困難，更新不方便。
2）未采用裝配技術(shù)，模具設(shè)計(jì)的所有工作均由一人承擔(dān)，無法支持并行設(shè)計(jì)。
3）設(shè)計(jì)知識(shí)的重用和共享困難。
這種模式的設(shè)計(jì)效率低，無法發(fā)揮團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢來對(duì)復(fù)雜模具進(jìn)行攻關(guān)。規(guī)模較小的企業(yè)常用這種模式，企業(yè)發(fā)展到一定規(guī)模后，此模式的問題就會(huì)突出，成為整個(gè)模具設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)的瓶頸問題。
模式2
特點(diǎn)：3D/2D/CAM使用統(tǒng)一的平臺(tái)，保證了數(shù)據(jù)一致性，設(shè)計(jì)變更容易管理。設(shè)計(jì)在全三維環(huán)境下進(jìn)行，采用主模型和裝配技術(shù)，支持并行設(shè)計(jì)，可充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)的作用，顯著提高設(shè)計(jì)效率。設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)易于積累，設(shè)計(jì)知識(shí)或模型便于重用和管理
5.2 并行設(shè)計(jì)方法：主模型和裝配的使用
一副復(fù)雜模具的模架、定模、動(dòng)模、滑塊（斜頂）、2D、數(shù)控、總裝配、工程文檔等，可由不同的設(shè)計(jì)小組或人員分工協(xié)作，并行設(shè)計(jì)。
5.3 定制化開發(fā)專用模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作
1）針對(duì)企業(yè)特點(diǎn)，做好標(biāo)準(zhǔn)化工作。
2）針對(duì)特定產(chǎn)品，采用模板和功能組件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3）通過定制開發(fā)，集成企業(yè)的設(shè)計(jì)知識(shí)和設(shè)計(jì)流程，提升設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。
高效率3D 模具設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法
• KBE技術(shù)的應(yīng)用
• 模具結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化
• 整體模板的應(yīng)用
整體設(shè)計(jì)模板：典型模具結(jié)構(gòu)
• 局部模板的應(yīng)用
局部設(shè)計(jì)模板 ：功能設(shè)計(jì)模塊
基于模塊化的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
模塊化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)
不同結(jié)構(gòu)特征的處理方法
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例子 |
方法 |
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相關(guān)特征 |
拉延凸模、拉延凹模和壓料圈 |
Programming |
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非相關(guān)特征 |
凸模、拉延凹模和壓料圈 |
組件庫+ 組件裝配方法 |
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連接特征 |
拉延凸模、拉延凹模和壓料圈 |
Programming+KBE |
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功能組件 |
導(dǎo)柱導(dǎo)套合件等 |
組件庫+ 組件裝配方法 |
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裝配體 |
雙動(dòng)拉延模、單動(dòng)拉延模 |
參數(shù)化庫和KBE |
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標(biāo)準(zhǔn)件 |
拉延凸模、拉延凹模和壓料圈 |
參數(shù)化建庫 |
6 結(jié)束語
當(dāng)前，我國正處于從模具制造大國向模具制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的進(jìn)程中，未來的10－15年是模具行業(yè)發(fā)展的重要的時(shí)期。
“以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化，走新型工業(yè)化道路”，是促進(jìn)我國模具行業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展的必由之路。數(shù)字化模具技術(shù)是解決模具設(shè)計(jì)制造問題的有效途徑。
