數(shù)字化在沖壓模具設(shè)計(jì)中應(yīng)用

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摘要：沖壓模具是沖壓加工生產(chǎn)的核心部件，工藝技術(shù)要求極高。在沖壓模具設(shè)計(jì)制造中應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，可以提高沖壓模具設(shè)計(jì)制造的效率和精度，降低生產(chǎn)成本。因此，分析數(shù)字化技術(shù)在沖壓模具設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化技術(shù)；沖壓磨具；設(shè)計(jì)制造

沖壓加工生產(chǎn)是利用安裝在壓力機(jī)上的沖壓模具對(duì)金屬或非金屬材料施加壓力，使其產(chǎn)生分離或塑性變形，從而獲得所需零件的一種壓力加工方法，在以航空制造、汽車制造和醫(yī)療器械制造等為代表的機(jī)械制造行業(yè)被廣泛采用[1]。沖壓模具是沖壓加工生產(chǎn)中最關(guān)鍵的部件，其設(shè)計(jì)和制造水平是國(guó)家制造業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)在沖壓模具的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的應(yīng)用，可以提升沖壓模具的設(shè)計(jì)與制造水平，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益，為行業(yè)發(fā)展注入新的動(dòng)力。

1數(shù)字化技術(shù)在沖壓模具行業(yè)應(yīng)用的意義

現(xiàn)階段，我國(guó)大約有50%的大型、精密以及復(fù)雜的高技術(shù)含量的模具需要依賴進(jìn)口。我國(guó)與其他國(guó)家在沖壓模具方面的差距主要表現(xiàn)在模具產(chǎn)品的精度、壽命、制造周期、使用穩(wěn)定性以及可靠性等方面。目前，我國(guó)傳統(tǒng)模具企業(yè)在技術(shù)上過(guò)度依賴鉗工。但是，以鉗工為核心的生產(chǎn)管理模式無(wú)法跟上時(shí)代的發(fā)展，無(wú)法滿足企業(yè)激烈競(jìng)爭(zhēng)和產(chǎn)品更新?lián)Q代加快的需要。所以，越來(lái)越多的模具企業(yè)開始采用CAE分析、CAD精細(xì)模面設(shè)計(jì)、CAD三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、CAM全數(shù)字化高速加工和CAD/CAE/CAM一體化集成系統(tǒng)等數(shù)字化技術(shù)。實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)制造的并行化、數(shù)字化和集成化，有助于推動(dòng)企業(yè)從傳統(tǒng)生產(chǎn)型向智能制造型轉(zhuǎn)化，還能推動(dòng)行業(yè)向周期更短、品質(zhì)更高以及成本更低的方向發(fā)展。

2數(shù)字化技術(shù)在沖壓模具設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用

沖壓模具設(shè)計(jì)制造數(shù)字化是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAidedDesign，CAD）、計(jì)算機(jī)輔助分析（ComputerAidedEngineering，CAE）、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）、計(jì)算機(jī)輔助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)管理（ProductDataManagement，PDM）等相關(guān)軟件和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的一項(xiàng)技術(shù)。它可以實(shí)現(xiàn)沖壓模具產(chǎn)品的全數(shù)字化開發(fā)制造，提高企業(yè)對(duì)沖壓模具新產(chǎn)品的開發(fā)能力和對(duì)市場(chǎng)需求的快速反應(yīng)能力。

2.1沖壓模具設(shè)計(jì)中的數(shù)字化應(yīng)用

目前，模具企業(yè)常用的CAD軟件有UG、Pro/E等[2]。CAE軟件有Dynaform和Autoform等。借助先進(jìn)的CAD和CAE技術(shù)，模具工程師可以對(duì)全三維化的模具復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬分析，從而確保機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，減少模具的設(shè)計(jì)問(wèn)題，降低生產(chǎn)成本。此外，模具工程師也可以對(duì)產(chǎn)品的數(shù)模進(jìn)行仿真模擬分析，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的修正和調(diào)整，從而減少常見的產(chǎn)品開裂、起皺以及回彈等問(wèn)題，降低制造成本。模具數(shù)字化設(shè)計(jì)主要包含工藝方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分。合理的工藝方案設(shè)計(jì)是模具設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ)，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、成本和制造周期有很大影響[3]。第一，通過(guò)對(duì)模具沖壓工藝方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以減少模具制造的工序和數(shù)量，實(shí)現(xiàn)集約化生產(chǎn)，使模具成本和沖壓生產(chǎn)成本降低25%～50%。第二，可以綜合零件成形性、材料變薄率和零件精度等因素，對(duì)模面做變間隙處理，減少模具加工時(shí)間和鉗工研配時(shí)間，降低調(diào)試難度，確保研配質(zhì)量，提高零件精度。第三，整體隆起變形補(bǔ)償技術(shù)可以保證大尺寸零件的品質(zhì)。有些零件拉延成形后整體剛性差，零件頂面容易發(fā)生塌陷，可使用Dynaform等CAE軟件完成板料的成形工藝分析，為模具的重構(gòu)加工數(shù)模提供板料變形狀態(tài)數(shù)據(jù)，并從CAE參數(shù)中得到自動(dòng)回彈補(bǔ)償?shù)哪Ｃ?，且保持和原先曲面模型相同的拓?fù)?。第四，?shí)現(xiàn)逆向工程技術(shù)設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)周期，加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度。模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定著模具的功能、結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)量以及強(qiáng)度等。數(shù)字化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[4]。第一，創(chuàng)建三維實(shí)體。創(chuàng)建三維實(shí)體能夠直觀反映設(shè)計(jì)的真實(shí)狀態(tài)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)模擬和干涉檢查等分析手段，在設(shè)計(jì)階段就能發(fā)現(xiàn)以往在生產(chǎn)制造中才能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，從而降低模具制造的成本。第二，建立模具標(biāo)準(zhǔn)化資料庫(kù)。建立模具標(biāo)準(zhǔn)化資料庫(kù)有效縮短了模具的設(shè)計(jì)周期，提高了模具質(zhì)量。模具設(shè)計(jì)資料庫(kù)包含標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)庫(kù)、沖壓設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)、典型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)及基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)等。第三，進(jìn)行自動(dòng)沖壓過(guò)程仿真。通過(guò)沖壓過(guò)程仿真可以直觀看到整個(gè)過(guò)程中各部件的位置關(guān)系，輸出干涉曲線，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中可能存在的問(wèn)題，從而及時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化或調(diào)整修改，避免模具在線調(diào)試和生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生干涉，達(dá)到降低模具調(diào)試成本、縮短生產(chǎn)周期的目的。

2.2沖壓模具制造中的數(shù)字化應(yīng)用

數(shù)字化技術(shù)是模具制造中的一項(xiàng)重要技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。近年來(lái)，信息技術(shù)不斷與制造技術(shù)相融合，模具企業(yè)開始逐步采用CAM技術(shù)[5]。CAM技術(shù)在模具企業(yè)中的應(yīng)用通常是根據(jù)CAD模型自動(dòng)生成零件加工的數(shù)控代碼，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)、干涉和碰撞檢查模擬。常見的CAM流程如圖1所示。圖1計(jì)算機(jī)輔助制造流程示意圖沖壓模具數(shù)字化制造的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。第一，建立加工模板和參數(shù)庫(kù)。模具制造技術(shù)需要日積月累的沉淀，通過(guò)資深工程師建立加工模板和數(shù)據(jù)庫(kù)，能讓新技術(shù)員應(yīng)用成功的經(jīng)驗(yàn)快速編寫成一些相對(duì)簡(jiǎn)單的程序。在編程規(guī)范中，應(yīng)明確機(jī)床的型號(hào)、刀具的選擇、走刀方向以及加工余量等切削參數(shù)和不同形狀特征所采取的加工工藝[6]。第二，通過(guò)白光掃描技術(shù)建立合理的坯料模型。利用特有的數(shù)碼點(diǎn)和參考點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)完整的坐標(biāo)定位系統(tǒng)，然后根據(jù)光學(xué)拍照定位技術(shù)和光柵測(cè)量原理，在短時(shí)間內(nèi)獲得工件表面在坐標(biāo)定位系統(tǒng)中的完整點(diǎn)云，稱為白光掃描技術(shù)[7]。由于原材料和鑄造工藝等因素，模具的毛坯鑄造精度較差，模具毛坯和模具的理論數(shù)模經(jīng)常出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致加工時(shí)發(fā)生撞刀或者撞機(jī)。白光掃描技術(shù)可將加工前的毛坯掃描成型，方便地與三維模型進(jìn)行比對(duì)，便于CAM工程師提前發(fā)現(xiàn)加工鑄件的干涉、余量異常以及鑄造缺陷等問(wèn)題，從而規(guī)避模具制造的事故風(fēng)險(xiǎn)，保證加工制造順利完成。第三，可以仿真模擬加工。大型模具的結(jié)構(gòu)通常很復(fù)雜，加工中刀具或主軸容易與工件發(fā)生干涉，導(dǎo)致模具和機(jī)床損傷，影響模具的生產(chǎn)周期。因此，為確保模具制造中的安全性和加工質(zhì)量，工程師結(jié)合現(xiàn)有的機(jī)床設(shè)備建立了相應(yīng)的參數(shù)庫(kù)、刀具庫(kù)和主軸庫(kù)等[8]。在程序編制完成后，調(diào)用相應(yīng)的機(jī)床數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行仿真模擬，即可驗(yàn)證程序是否準(zhǔn)確，并對(duì)干涉區(qū)域進(jìn)行修正和優(yōu)化，從而保證零件在加工時(shí)的正確性和安全性。第四，方便在機(jī)檢測(cè)。在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)是在機(jī)床上利用測(cè)頭對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)的一種測(cè)量方式，目的是對(duì)工件加工前、加工過(guò)程中以及加工完成后進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止人為誤操作，從而有效提高加工質(zhì)量及效率。例如，在模具加工完成后，傳統(tǒng)的檢測(cè)模式是將模具轉(zhuǎn)運(yùn)到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行復(fù)檢。這種方式雖然精確但是費(fèi)時(shí)費(fèi)力。現(xiàn)在可以使用在機(jī)檢測(cè)的方法對(duì)加工完的模具進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并出具檢驗(yàn)報(bào)告，減少了工件的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，提高了檢測(cè)效率。

3數(shù)字化技術(shù)在沖壓模具設(shè)計(jì)與制造中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

數(shù)字化技術(shù)在沖壓模具設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用，可以優(yōu)化產(chǎn)品功能，提高制造的智能化水平，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，提高效率，降低成本。同時(shí)，它可以集成企業(yè)各類信息，提高企業(yè)管理水平和競(jìng)爭(zhēng)力，有利于行業(yè)內(nèi)的信息互通互連，實(shí)現(xiàn)資源共享。隨著我國(guó)數(shù)字化技術(shù)在沖壓模具制造中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它的作用和優(yōu)勢(shì)也會(huì)越來(lái)越明顯。

4結(jié)語(yǔ)

沖壓模具設(shè)計(jì)與制造數(shù)字化能促進(jìn)時(shí)代的發(fā)展。企業(yè)要獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，先要考慮如何提高沖壓模具設(shè)計(jì)與制造的品質(zhì)。企業(yè)可以借助數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效的設(shè)計(jì)與加工，從而縮短整個(gè)設(shè)計(jì)的制造時(shí)間，既滿足企業(yè)的創(chuàng)新需求，又符合市場(chǎng)變化規(guī)律，有利于促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，使沖壓模具從傳統(tǒng)意義上的機(jī)械制造逐步轉(zhuǎn)向智能制造。

作者:姚鴻俊 單位:上海晨光文具股份有限公司