模具設計的自動化關鍵技術研究

孫德志

（吉林工程職業學院，四平 136000）

1 模具設計概述

模具作為工業領域的一個基礎行業，對于國民經濟的發展起著十分重要的作用，在機械制造過程中模具往往作為一種最為基礎的工藝裝備，對產品的生產效率以及加工精度都具有決定性的作用，因此，模具行業往往也會成為各種尖端技術的應用領域，對模具的設計與制造的技術也在不斷的進行創新和提升，以致一個國家的模具設計水平可以在一方面體現出這個國家的工業技術水平，在以往的模具設計與制造過程中，主要是依賴模具師傅的工作經驗來保證模具設計的精準可靠，隨著計算機技術的出現并應用到模具領域，模具設計的開始出現自動化的發展趨勢，各種先進技術包括CAE、CAD、CAM以及CNC都被應用到模具的設計和制造。

2 板材成型

本文主要是針對模具在板材成型加工領域的應用進行了研究，板材成型并不是片面的只是平面板材，常見的薄壁型材例如管裝型材都是屬于板材加工的范疇的，板材成型具有十分悠久的發展史，它的發展是同各個行業的制造需求緊密結合在一起的，像汽車、航空以及航天等重要的領域會包括著大量的板材加工零部件，這些行業的不斷發展促使的板材成型的技術要不斷驚醒提升和改進，隨著我國經濟的不斷發展，對汽車行業的產量要求不斷提高，對質量的要求同樣也是不可或缺的，同時，在航空航天領域也要保持在國際領先的地位，因此，對板材成型的技術需求愈加強烈，這就促使了這一技術不得不向前創新與發展，傳統的板材成型技術在很大程度上已經不能夠繼續滿足這些行業的迫切需求，隨著計算機技術的迅猛發展，板材成型技術的發展也尋找到了契機，那就是與計算機技術相互融合產生新的技術，模具的自動化技術因此也就應運而生，在板材成型領域也的確取得了巨大的經濟效益。

3 模具設計自動化發展趨勢

CAD/CAM/CAE等技術是隨著計算機技術的發展而逐漸出現的，并且在模具設計與制造行業得到了普遍的應用，隨著新世紀的到來，各個國家的經濟逐漸融為一體，模具行業作為工業的一個基礎支撐行業必然會朝著自動化的方向不斷發展，這樣才能在全球化的工業領域中起到其自身的重要作用，隨著各個國家的工業發展聯系更加緊密，模具行業不單單只是局限的某個國家，大多數情況下是需要多國外某些行業提供先進的模具產品，這不僅對模具的設計水平、制造質量以及制造效率提出了更高的要求，而且還推動著模具的自動化的進一步向前發展，只有這樣才能夠適應不斷發展的經濟。

當前，模具的自動化發展趨勢主要可以概括為以下幾個主要方面，下面分別進行詳細的研究。

3.1 模具產品發展將大型化、精密化

隨著模具自動化技術的不斷發展與進步，模具的產品也出現了兩個十分重要的發展方向，也就是模具的大型化發展與精密化發展，所謂大型化發展并不是指單個模具的尺寸逐漸變大，而是指將多個零件的模具集中到一個模具上進行生產，也就是一個模具往往會有多個模具腔，這樣就可以提高零件的生產效率，模具的精密化與模具的大型化并不是沖突的，它是與零件的微型化有著一定的關系的，模具的精密化主要是為了提高產品的生產質量。

3.2 模具標準件的應用將日漸廣泛

模具的自動化發展的主要目的之一就是為了提高模具的制造效率，傳統的模具制造行業對于每個新的產品都要單獨設計模具然后再去加工，加工過程中還要對模具的質量進行監測，這樣大大降低了效率，模具標準件的出現可以使得一部分模具不用再去重新設計，通過將某些模具的組成部分設計成標準化的模塊并制定出相應的國家或行業標準，對于模具的自動化發展具有很大的推動作用。

3.3 在模具設計制造中將全面推廣CAD/CAM/CAE技術

隨著計算機技術的出現并應用到模具領域，模具設計的開始出現自動化的發展趨勢，各種先進技術包括CAE、CAD、CAM以及CNC都被應用到模具的設計和制造，目前許多的計算機輔助設計的軟件在模具的設計過程中可以直接對模具的加工過程生成完成并且可靠的數控加工程序，不僅提高了模具加工的效率，而且提高了模具加工的質量。隨著工業的不斷發展，CAD/CAM/CAE等相關領域的應用軟件成本也開始逐年降低，從而降低了許多中小型企業的門檻，這幾項技術作為模具自動化發展技術的里程碑，推動了模具發展質的飛躍。

4 模具設計的自動化

模具設計的自動化是一個比較完整的生產模具的過程，通過CAD軟件對模具進行設計的周期中，可以不斷對所設計的模具進行質量上的改進，找出設計過程中存在的問題并且進行修正，對于實際中應用的模具對其進行信息的完整收集然后將其體現在CAD模型之中，并可以在企業內部進行文件的共享從而幾種多名設計人才的智慧對設計的模具進行改進，最后可以生成模具的生產文件，實現整個模具設計到制造的自動化過程。

4.1 輸入產品模型，生成高質量實體模型

在模具設計與制造的自動化過程中，模具的產品模型輸入是最為基礎的一個步驟，只有得到十分完整的實體模型才可以保證整個模具設計過程的可靠性，然而當前的狀況就是常用的一些造型軟件雖然在造型方面具有很好的使用功能，但是在進行數據交互的過程中往往會出現一系列的問題，在進行數據交互過程中最容易出現問題的部分就是曲面部分，很容易出現數據丟失的現象，因此在進行數據交互的過程中就需要對導入的產品模型進行相應的處理過程，處理過程大多數情況是針對的造型公差，當造型間隙相對公差較大的情況下常常采用的造型處理方法有兩種，一種方法稱為愈合處理，另一種方法是公差處理模型，前一種方法的應用比較受限，并不是所有的情況都可以用該方法進行處理，后一種方法是在實際應用中使用較多并且最終效果也比較好的處理方法，因此常常采用該方法。

4.2 完備產品模型

在模具設計與制造的自動化過程中，模具的產品模型的完備是模具廠家需要完成的一個十分重要的步驟，之所以還需要對設計好的模型進行完備是因為許多模型在設計的過程中是不需要將整個模型完整地繪制出來的，有時候僅僅給出模具的一個簡單的外觀，而內部的結構則需要模具的廠家進行細化，這種情況在汽車行業比較普遍出現，就算設計人員最終給出的產品的模型是完整的，模具廠家也需要完成另一部分工作，那就是將模具進行分離，也就是分為型芯和型腔兩個部分，只有這樣設計出的模具才能夠進行使用，因此，不管設計人員最終給出的產品的模型是不是完整的，該模型都需要進行不得處理，也就是模型的完備。

4.3 產生模具

在模具設計與制造的自動化過程中，模具的產生是在產品模型完備以后需要進行的下一個步驟，在模具的產生過程又可以細化為兩個部分，一部分就是型芯和型腔的產生，這是模具的主要部分，另一部分就是模架等附件，又可以稱之為模具的輔助部分，很多模具設計的人員希望通過實體造型的CAD應用軟件來完成這項工作，然后在實際操作中往往是不能夠完成的，這是因為模具產生設計過程中應用到最多的就是曲面造型這一功能，而這些現有的應用軟件往往很難達到使用的要求。

4.4 加工準備

模具加工前的準備是在模具設計與制造的自動化過程最后一個關鍵步驟，這一步驟同樣十分關鍵，它既涉及到模具的設計，也涉及到模具的制造，整個模具的生產過程并不是單一的切削就可以完成的，有時候還需要特殊的加工方式來進行配合，最常見的就是放電加工，對于需要切削加工的表面需要選擇對應的刀具來進行加工，而對于需要放電加工的表面就比較復雜，首先需要對放電加工的部分設計對應的電極模型，這一步驟有時候會占據整個模具設計的大部分時間，而電極模型的設計原理就是對需要進行加工的部分進行求逆的過程。

4.5 板材成型模具設計

如圖1所示為一種鋁合金板材，對其進行自動化的模具設計時可以遵循上面闡述的四個步驟，此外還需要得到一些材料的特性參數、與模具相關的邊界條件以及速度均方差的計算方法等等。

圖1 鋁合金板材

如表1所示為模具的材料特性表，在模具的自動化設計過程中需要用到表中的相應參數。

表1 材料特性表

如表2所示為與模具有關的邊界條件。

表2 與模具有關的邊界條件

型材出口斷面速度的均方差計算公式如下所示：

其中，vi是考察截面上i節點處的流動速度，v是所有考察節點的平均速度，n是考察節點總數。

5 結論

隨著計算機技術的出現并應用到模具領域，模具設計的開始出現自動化的發展趨勢，各種先進技術包括CAE、CAD、CAM以及CNC都被應用到模具的設計和制造，目前許多的計算機輔助設計的軟件在模具的設計過程中可以直接對模具的加工過程生成完成并且可靠的數控加工程序，不僅提高了模具加工的效率，而且提高了模具加工的質量，本文主要是針對模具在板材成型加工領域的應用進行了研究，當前模具正在朝著多個方向同時發展，其中模具的自動化技術是最具有代表性的一個方向，模具設計的自動化是一個比較完整的生產模具的過程，對于這個過程本文進行了詳細的闡述與分析。

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