模具的制造及CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用

王均馗

（哈爾濱電機廠交直流電機有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 模具制造技術(shù)的性質(zhì)和特點

模具的制造和使用方式形式多樣,技術(shù)含量高,生產(chǎn)工藝獨特,所牽系的生產(chǎn)要素多,應(yīng)用范圍廣等幾方面。除此之外,模具制造技術(shù)對生產(chǎn)者的業(yè)務(wù)能力和職業(yè)素質(zhì)都有很高的要求。模具制造技術(shù)具有以下兩個方面的原因特點:一,模具是單件生產(chǎn)的產(chǎn)品,即模具是根據(jù)成品之間的結(jié)構(gòu)要求進行和制造的專用成型工具;二,模具制造的關(guān)鍵主要是制造凸模、凹模及相關(guān)成型零件的專門工藝,以及模具制造工藝過程的優(yōu)化設(shè)計與高度節(jié)約問題。

2 模具設(shè)計,加工的幾種技術(shù)

2.1 高速加工技術(shù)

高速加工概念起源于德國切削物理學(xué)家Carl Salomon,他認為在常規(guī)切削范圍內(nèi)切削溫度隨著切削速度的增大而升高,當(dāng)切削速度達到臨界切削速度后,切削速度再增大,切削溫度反而下降,從而大大地減少加工時間,成倍地提高機床的生產(chǎn)率。高速加工的特點及在模具工業(yè)中的應(yīng)用:

加工效率高由于切削速度高,進給速度一般也提高5-l0倍,這樣,單位時間材料切除率可提高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,減少了切屑與刀具前面的摩擦,從而使切削力大大降低;熱變形小高速加工過程中,由于極高的進給速度,95%的切削熱被切屑帶走,工件基本保持冷態(tài),這樣零件不會由于溫升而導(dǎo)致變形;加工精度高高速加工機床激振頻率很高,已遠遠超出“機床-刀具-工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍,這使得零件幾乎處于“無振動”狀態(tài)加工,同時在高速加工速度下,積屑瘤、表面殘余應(yīng)力和加工硬化均受到抑制,因此用高速加工的表面幾乎可與磨削相比。

另外,簡化工藝流程由于高速銑削的表面質(zhì)量可達磨削加工的效果,因此有些場合高速加工可作為零件的精加工工序,從而簡化了工藝流程,縮短了零件加工時間。高速加工是以高切削速度、高進給速度和高加工精度為主要特征的加工技術(shù)。其工件熱變形小,加工精度高,表面質(zhì)量好;非常適合模具加工中的薄壁、剛性較差、容易產(chǎn)生熱變形的零件,可以直接加工模具中使用的淬硬材料,特別是硬度在HRC46～60范圍內(nèi)的材料。

2.2 逆向工程技術(shù)

按照傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程,開發(fā)過程是市場調(diào)研一概念設(shè)計一總體設(shè)計一詳細設(shè)計一制定工藝流程一設(shè)計工裝夾具一加工、檢驗、裝配及性能測試一完成產(chǎn)品。即從“設(shè)計思路一產(chǎn)品”的產(chǎn)品設(shè)計過程,這被稱為正向工程或順向工程。模具工業(yè)中的逆向T程應(yīng)用大致可分為以下幾種情況:

在沒有設(shè)計圖樣以及設(shè)計圖樣不完整或沒有CAD模型的情況下,在對零件原型進行測量的基礎(chǔ)上形成零件的設(shè)計圖樣或CAD模型;某些難以直接用計算機進行三維幾何設(shè)計的物體,目前常用黏土、本材或泡沫塑料進行初始外形設(shè)計,再通過逆向工程將實物模型轉(zhuǎn)化為三維CAD模型;人們經(jīng)常需要對已有的產(chǎn)品進行局部修改。原始設(shè)計沒有三維cAD摸的情況r,應(yīng)用逆向工程技術(shù)建立C A D模型,再對CAD模型進行修改,這將大火縮短產(chǎn)品改型周期,提高生產(chǎn)效率。

3 CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用

模具設(shè)計是隨工業(yè)產(chǎn)品零件的形狀、尺寸與尺寸精度、表面質(zhì)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(chuàng)造性的設(shè)計。模具設(shè)計的內(nèi)容包括產(chǎn)品零件成型工藝優(yōu)化設(shè)計與力學(xué)計算和尺寸與尺寸精度確定與設(shè)計等,因此,模具設(shè)計常分為制件工藝分析與設(shè)計、模具總體方案設(shè)計、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工圖設(shè)計四個階段。CAD/CAE,計算機輔助設(shè)計和輔助工程,它包括概念設(shè)計、優(yōu)化設(shè)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(shè)計過程管理等。應(yīng)用CAD技術(shù)可以設(shè)計出產(chǎn)品的大體結(jié)構(gòu),再通過CAE技術(shù)進行結(jié)構(gòu)分析、可行性評估和優(yōu)化設(shè)計。采用模具CAD/CAE集成技術(shù)后,制件一般不需要再進行原型試驗,采用幾何造型技術(shù),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(xué)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(shè)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(gòu)思和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等創(chuàng)造性的工作。在模具投產(chǎn)之前,CAE軟件可以預(yù)測模具結(jié)構(gòu)有關(guān)參數(shù)的正確性。

目前,世界上大型的CAD/CAE軟件系統(tǒng),如 Pro/ENGINEER、UG、Solidworke、Alias等,都提供了有關(guān)產(chǎn)品早期設(shè)計的系統(tǒng)模塊,我們稱之為工業(yè)設(shè)計模塊或概念設(shè)計模塊。例如,Pro/ENGINEER就包含一個工業(yè)設(shè)計模塊--ProDesign,用于支持自上而下的投影設(shè)計,以及在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計中所包含的許多復(fù)雜任務(wù)的自動設(shè)計。此模塊工具包括概念設(shè)計的二維非參數(shù)化的裝配布局編輯器。這些系統(tǒng)模塊的應(yīng)用大大減少了設(shè)計師的工作量,節(jié)約了工作時間,提高了工作效率,使設(shè)計師把更多的精力用在新產(chǎn)品的開發(fā)及創(chuàng)新上。

4 結(jié)束語

隨著時代的發(fā)展,模具制造業(yè)全球化是發(fā)展的必然趨勢,其競爭不斷加劇,使當(dāng)前模具制造業(yè)面臨極大的挑戰(zhàn),這一挑戰(zhàn)主要來源于市場和技術(shù)兩大方面。每個技術(shù)單元同時面向市場和合作伙伴,必須靈活地進行重組和集成,達到優(yōu)勢互補。高速切削、逆向工程、快速成形技術(shù)與CAD/CAE/CAM/RP虛擬環(huán)境的集成可使設(shè)計概念轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的時間縮短幾倍乃至幾十倍,構(gòu)成一個快速產(chǎn)品開發(fā)及其模具制造的綜合系統(tǒng),可以實現(xiàn)從產(chǎn)品的設(shè)計、分析、加工到管理的靈活經(jīng)濟的組織方式,應(yīng)用CAD/CAE技術(shù),推動模具制造技術(shù)快速發(fā)展。

[1]李志剛,曹延安.亞洲模具工業(yè)與技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r[J].模具工業(yè),2007,(6).

[2]陳靜媛.模具行業(yè)設(shè)計制造技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢[J].機械設(shè)計與制造,2007,(2).

[3]王守鵬.簡述模具在我國的應(yīng)用和發(fā)展趨勢[J].考試周刊,2009,(36).