试析模具的制造及CAD/CAE技术的应用

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　　[摘要]作为一种高附加值和高技术密集型产业,模具工业已成为当今工业发展的基础。而模具工业发展的关键主要依靠先进技术的应用,本文在介绍了模具制造技术的性质和特点的同时,试析现代模具设计、制造中应用的各种先进制造及CAD/CAE技术的应用,揭示了当前模具制造领域的发展方向。 
　　[关键词]模具制造设计 CAD/CAE技术 
　　 
　　一、模具制造技术的性质和特点 
　　 
　　模具的制造和使用方式形式多样,技术含量高,生产工艺独特,所牵系的生产要素多,应用范围广等几方面。除此之外,模具制造技术对生产者的业务能力和职业素质都有很高的要求。模具制造技术具有以下两个方面的原因特点:一,模具是单件生产的产品,即模具是根据成品之间的结构要求进行和制造的专用成型工具;二,模具制造的关键主要是制造凸模、凹模及相关成型零件的专门工艺,以及模具制造工艺过程的优化设计与高度节约问题。 
　　 
　　二、模具设计,加工的几种技术 
　　 
　　1.高速加工技术 
　　高速加工概念起源于德国切削物理学家Carl Salomon,他认为在常规切削范围内切削温度随着切削速度的增大而升高,当切削速度达到临界切削速度后,切削速度再增大,切削温度反而下降,从而大大地减少加工时间,成倍地提高机床的生产率。高速加工的特点及在模具工业中的应用: 
　　加工效率高由于切削速度高,进给速度一般也提高5-l0倍,这样,单位时间材料切除率可提高3-6倍,因此加工效率大大提高;切削力小高速加工由于切削速度高,切屑流出的速度快,减少了切屑与刀具前面的摩擦,从而使切削力大大降低;热变形小高速加工过程中,由于极高的进给速度,95%的切削热被切屑带走,工件基本保持冷态,这样零件不会由于温升而导致变形;加工精度高高速加工机床激振频率很高,已远远超出“机床-刀具-工件”工艺系统的固有频率范围,这使得零件几乎处于“无振动”状态加工,同时在高速加工速度下,积屑瘤、表面残余应力和加工硬化均受到抑制,因此用高速加工的表面几乎可与磨削相比。 
　　另外,简化工艺流程由于高速铣削的表面质量可达磨削加工的效果,因此有些场合高速加工可作为零件的精加工工序,从而简化了工艺流程,缩短了零件加工时间。高速加工是以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的加工技术。其工件热变形小,加工精度高,表面质量好;非常适合模具加工中的薄壁、刚性较差、容易产生热变形的零件,可以直接加工模具中使用的淬硬材料,特别是硬度在HRC46～60范围内的材料。 
　　2.逆向工程技术 
　　按照传统的产品开发流程,开发过程是市场调研一概念设计一总体设计一详细设计一制定工艺流程一设计工装夹具一加工、检验、装配及性能测试一完成产品。即从“设计思路一产品”的产品设计过程,这被称为正向工程或顺向工程。模具工业中的逆向T程应用大致可分为以下几种情况: 
　　在没有设计图样以及设计图样不完整或没有CAD模型的情况下,在对零件原型进行测量的基础上形成零件的设计图样或CAD模型;某些难以直接用计算机进行三维几何设计的物体,目前常用黏土、本材或泡沫塑料进行初始外形设计,再通过逆向工程将实物模型转化为三维CAD模型;人们经常需要对已有的产品进行局部修改。原始设计没有三维cAD摸的情况r,应用逆向工程技术建立C A D模型,再对CAD模型进行修改,这将大火缩短产品改型周期,提高生产效率。

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　　三、 CAD/CAE技术的应用
　　
　　模具设计是随工业产品零件的形状、尺寸与尺寸精度、表面质量要求以及其成型工艺条件的变化而变化的,所以每副模具都必须进行创造性的设计。模具设计的内容包括产品零件成型工艺优化设计与力学计算和尺寸与尺寸精度确定与设计等,因此,模具设计常分为制件工艺分析与设计、模具总体方案设计、总体结构设计、施工图设计四个阶段。CAD/CAE,计算机辅助设计和辅助工程,它包括概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图和计算机辅助设计过程管理等。应用CAD技术可以设计出产品的大体结构,再通过CAE技术进行结构分析、可行性评估和优化设计。采用模具CAD/CAE集成技术后,制件一般不需要再进行原型试验,采用几何造型技术,制件的形状能精确、逼真地显示在计算机屏幕上,有限元分析程序可以对其力学性能进行检测。借助于计算机,自动绘图代替了人工绘图,自动检索代替了手册查阅,快速分析代替了手工计算,使模具设计师能从繁琐的绘图和计算中解放出来,集中精力从事诸如方案构思和结构优化等创造性的工作。在模具投产之前,CAE软件可以预测模具结构有关参数的正确性。
　　目前,世界上大型的CAD/CAE软件系统,如Pro/ENGINEER、UG、Solidworke、Alias等,都提供了有关产品早期设计的系统模块,我们称之为工业设计模块或概念设计模块。例如,Pro/ENGINEER就包含一个工业设计模块——ProDesign,用于支持自上而下的投影设计,以及在复杂产品设计中所包含的许多复杂任务的自动设计。此模块工具包括概念设计的二维非参数化的装配布局编辑器。这些系统模块的应用大大减少了设计师的工作量,节约了工作时间,提高了工作效率,使设计师把更多的精力用在新产品的开发及创新上。
　　
　　四、结束语
　　
　　随着时代的发展,模具制造业全球化是发展的必然趋势,其竞争不断加剧,使当前模具制造业面临极大的挑战,这一挑战主要来源于市场和技术两大方面。每个技术单元同时面向市场和合作伙伴,必须灵活地进行重组和集成,达到优势互补。高速切削、逆向工程、快速成形技术与CAD/CAE/CAM/RP虚拟环境的集成可使设计概念转换为产品的时间缩短几倍乃至几十倍,构成一个快速产品开发及其模具制造的综合系统,可以实现从产品的设计、分析、加工到管理的灵活经济的组织方式,应用CAD/CAE技术,推动模具制造技术快速发展。
　　
　　参考文献:
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　　[2]陈静媛.模具行业设计制造技术现状与趋势[J].机械设计与制造,2007,(2).
　　[3]王守鹏.简述模具在我国的应用和发展趋势[J].考试周刊,2009,(36).