李志刚 

华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室

1. 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。信息化对于增强模具行业的创新能力，优化模具行业的产品结构，提升模具行业的核心竞争力，具有深远的意义。

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如图1所示。

图1 传统的产品和模具设计制造过程

传统的产品开发过程存在的问题：开发周期长，开发成本高，质量难以保证。如图2所示

图2 传统的产品开发过程成本

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小水平，尽量避免将设计缺陷传递到工艺和模具设计过程中。

面向产品开发和模具设计制造全过程的仿真

图3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。如图3所示。

产品设计过程中的同步可进行成形性验证

整体成形性分析

局部可成形性分析

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

图   基于KBE的工艺方案设计模型

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

4. 成形过程的仿真（CAE）

CAE （Computer Aided Engineering ）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；

•           预测成形过程中的起皱和破裂等缺陷

以CAD为核心集成系统

CAE在塑料模中的应用

例1. 空调柜机上面板, 科龙公司

图1原始方案

在试模时发现制件的主要外观面上有融合纹

图2  原始方案的CAE分析结果

CAE分析与实际相符，在图示位置有融合纹产生。根据熔体流动前沿分析，在图示位置产生融合纹是浇 口位置设置不合理导致。

图3  优化设计方案后的CAE分析结果

例2. 彩电前罩壳, 海尔公司

图4 初始方案的CAE分析结果

初始方案包括四个主分流道，其中三个主分流道又各自分成两个分流道，各对应两个浇口。CAE分析发现充填不平衡，制品的上部与两侧比下部明显地先充填，存在过压现象，同时制品充填结束时的温差大（130℃）。主要原因是浇口位置不合理，充模时间过长（7秒）。

图5 改进方案的流动充填分析结果

改进后的流道系统设计，两侧的浇口由两个减为一个，充模时间缩短为2.8秒。CAE分析结果表明，充填的平衡性好，制品的各浇口基本上同时充填结束，减少了主要熔接痕的数目，充填结束时的温差明显减小。应用此方案设计的模具，一次试模成功。

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。

5.1 模具企业的几种设计模式

模式1

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。

模式2

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

5.2  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。

5.3  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

基于模块化的模具结构设计

模块化设计的实现

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

6 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”，是促进我国模具行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。

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