數字化技術在沖壓模具設計與制造中的應用

姚鴻俊

（上海晨光文具股份有限公司，上海 201406）

沖壓加工生產是利用安裝在壓力機上的沖壓模具對金屬或非金屬材料施加壓力，使其產生分離或塑性變形，從而獲得所需零件的一種壓力加工方法，在以航空制造、汽車制造和醫療器械制造等為代表的機械制造行業被廣泛采用[1]。沖壓模具是沖壓加工生產中最關鍵的部件，其設計和制造水平是國家制造業發展水平的重要標志。先進的數字化技術在沖壓模具的設計和制造過程中的應用，可以提升沖壓模具的設計與制造水平，為企業創造更大的經濟效益，為行業發展注入新的動力。

1 數字化技術在沖壓模具行業應用的意義

現階段，我國大約有50%的大型、精密以及復雜的高技術含量的模具需要依賴進口。我國與其他國家在沖壓模具方面的差距主要表現在模具產品的精度、壽命、制造周期、使用穩定性以及可靠性等方面。目前，我國傳統模具企業在技術上過度依賴鉗工。但是，以鉗工為核心的生產管理模式無法跟上時代的發展，無法滿足企業激烈競爭和產品更新換代加快的需要。所以，越來越多的模具企業開始采用CAE分析、CAD精細模面設計、CAD三維結構設計、CAM全數字化高速加工和CAD/CAE/CAM一體化集成系統等數字化技術。實現模具設計制造的并行化、數字化和集成化，有助于推動企業從傳統生產型向智能制造型轉化，還能推動行業向周期更短、品質更高以及成本更低的方向發展。

2 數字化技術在沖壓模具設計與制造中的應用

沖壓模具設計制造數字化是利用計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）、計算機輔助分析（Computer Aided Engineering，CAE）、計算機輔助工藝設計（Computer Aided Process Planning，CAPP）、計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）以及產品數據庫管理（Product Data Management，PDM）等相關軟件和系統，實現系統集成的一項技術。它可以實現沖壓模具產品的全數字化開發制造，提高企業對沖壓模具新產品的開發能力和對市場需求的快速反應能力。

2.1 沖壓模具設計中的數字化應用

目前，模具企業常用的CAD軟件有UG、Pro/E等[2]。CAE軟件有Dynaform和Autoform等。借助先進的CAD和CAE技術，模具工程師可以對全三維化的模具復雜運動過程進行仿真模擬分析，從而確保機構運動協調，減少模具的設計問題，降低生產成本。此外，模具工程師也可以對產品的數模進行仿真模擬分析，對產品進行相應的修正和調整，從而減少常見的產品開裂、起皺以及回彈等問題，降低制造成本。

模具數字化設計主要包含工藝方案設計和結構設計兩部分。合理的工藝方案設計是模具設計制造的基礎，對產品的質量、成本和制造周期有很大影響[3]。第一，通過對模具沖壓工藝方案的優化設計，可以減少模具制造的工序和數量，實現集約化生產，使模具成本和沖壓生產成本降低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，對模面做變間隙處理，減少模具加工時間和鉗工研配時間，降低調試難度，確保研配質量，提高零件精度。第三，整體隆起變形補償技術可以保證大尺寸零件的品質。有些零件拉延成形后整體剛性差，零件頂面容易發生塌陷，可使用Dynaform等CAE軟件完成板料的成形工藝分析，為模具的重構加工數模提供板料變形狀態數據，并從CAE參數中得到自動回彈補償的模面，且保持和原先曲面模型相同的拓撲。第四，實現逆向工程技術設計，縮短產品的設計和開發周期，加快產品的更新換代速度。

模具的結構設計決定著模具的功能、結構、尺寸、質量以及強度等。數字化模具結構設計的應用主要體現在以下幾個方面[4]。第一，創建三維實體。創建三維實體能夠直觀反映設計的真實狀態，通過運動模擬和干涉檢查等分析手段，在設計階段就能發現以往在生產制造中才能發現的問題，從而降低模具制造的成本。第二，建立模具標準化資料庫。建立模具標準化資料庫有效縮短了模具的設計周期，提高了模具質量。模具設計資料庫包含標準件數據庫、沖壓設備數據庫、典型結構數據庫及基本結構數據庫等。第三，進行自動沖壓過程仿真。通過沖壓過程仿真可以直觀看到整個過程中各部件的位置關系，輸出干涉曲線，發現設計中可能存在的問題，從而及時進行結構優化或調整修改，避免模具在線調試和生產時產生干涉，達到降低模具調試成本、縮短生產周期的目的。

2.2 沖壓模具制造中的數字化應用

數字化技術是模具制造中的一項重要技術。隨著計算機技術的發展，數字化技術的應用越來越廣泛。近年來，信息技術不斷與制造技術相融合，模具企業開始逐步采用CAM技術[5]。CAM技術在模具企業中的應用通常是根據CAD模型自動生成零件加工的數控代碼，對加工過程進行動態、干涉和碰撞檢查模擬。常見的CAM流程如圖1所示。

圖1 計算機輔助制造流程示意圖

沖壓模具數字化制造的應用主要表現在以下幾個方面。

第一，建立加工模板和參數庫。模具制造技術需要日積月累的沉淀，通過資深工程師建立加工模板和數據庫，能讓新技術員應用成功的經驗快速編寫成一些相對簡單的程序。在編程規范中，應明確機床的型號、刀具的選擇、走刀方向以及加工余量等切削參數和不同形狀特征所采取的加工工藝[6]。

第二，通過白光掃描技術建立合理的坯料模型。利用特有的數碼點和參考點構建一個完整的坐標定位系統，然后根據光學拍照定位技術和光柵測量原理，在短時間內獲得工件表面在坐標定位系統中的完整點云，稱為白光掃描技術[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模經常出現偏差，導致加工時發生撞刀或者撞機。白光掃描技術可將加工前的毛坯掃描成型，方便地與三維模型進行比對，便于CAM工程師提前發現加工鑄件的干涉、余量異常以及鑄造缺陷等問題，從而規避模具制造的事故風險，保證加工制造順利完成。

第三，可以仿真模擬加工。大型模具的結構通常很復雜，加工中刀具或主軸容易與工件發生干涉，導致模具和機床損傷，影響模具的生產周期。因此，為確保模具制造中的安全性和加工質量，工程師結合現有的機床設備建立了相應的參數庫、刀具庫和主軸庫等[8]。在程序編制完成后，調用相應的機床數據庫進行仿真模擬，即可驗證程序是否準確，并對干涉區域進行修正和優化，從而保證零件在加工時的正確性和安全性。

第四，方便在機檢測。在機檢測系統是在機床上利用測頭對工件進行檢測的一種測量方式，目的是對工件加工前、加工過程中以及加工完成后進行監測，防止人為誤操作，從而有效提高加工質量及效率。例如，在模具加工完成后，傳統的檢測模式是將模具轉運到三坐標測量機上進行復檢。這種方式雖然精確但是費時費力。現在可以使用在機檢測的方法對加工完的模具進行自動檢測，并出具檢驗報告，減少了工件的轉運時間，提高了檢測效率。

3 數字化技術在沖壓模具設計與制造中應用的優勢

數字化技術在沖壓模具設計制造中的應用，可以優化產品功能，提高制造的智能化水平，縮短產品的設計周期，實現生產過程的自動化，提高效率，降低成本。同時，它可以集成企業各類信息，提高企業管理水平和競爭力，有利于行業內的信息互通互連，實現資源共享。隨著我國數字化技術在沖壓模具制造中的應用越來越廣泛，它的作用和優勢也會越來越明顯。

4 結語

沖壓模具設計與制造數字化能促進時代的發展。企業要獲得競爭優勢，先要考慮如何提高沖壓模具設計與制造的品質。企業可以借助數字化技術實現高效的設計與加工，從而縮短整個設計的制造時間，既滿足企業的創新需求，又符合市場變化規律，有利于促進行業的發展和進步，使沖壓模具從傳統意義上的機械制造逐步轉向智能制造。