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摘要：在國民經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展的大背景下，現(xiàn)代化的工業(yè)產(chǎn)品在性能和種類方面有著極大的提升和拓展。出于有效適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展需求的考慮，高精密模具的設(shè)計(jì)和制造工作在速度和效率方面也需要得到進(jìn)一步的拓展。就目前的情況來看，在設(shè)計(jì)和制造高精密復(fù)雜模具過程中，cad和CAM技術(shù)的應(yīng)用，使得模具的設(shè)計(jì)和制造周期得到一定壓縮的同時(shí)，提升了整體的加工質(zhì)量以及高精密復(fù)雜模具加工的可能性。文章以高精密復(fù)雜模具設(shè)計(jì)中CAD/CAM的技術(shù)系統(tǒng)特征分析作為切入點(diǎn)，在全面分析CAD/CAM技術(shù)系統(tǒng)常用軟件的前提下，對高精密復(fù)雜模具設(shè)計(jì)制造中CAD/CAM技術(shù)的具體應(yīng)用展開了相應(yīng)的分析。
關(guān)鍵詞：高精密復(fù)雜模具；設(shè)計(jì)制造；CAD/CAM；應(yīng)用
高精密模具設(shè)計(jì)制造過程中所用的CAD/CAM技術(shù)，是以模具的CAD和模具的CAM分別作為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種綜合性質(zhì)的計(jì)算機(jī)模具生產(chǎn)技術(shù)。模具CAD/CAM是有效改造傳統(tǒng)模具生產(chǎn)方式的關(guān)鍵技術(shù)，能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)軟件作為模具的設(shè)計(jì)和制造的有效輔助工具，確保技術(shù)人員能夠借助計(jì)算機(jī)對產(chǎn)品、模具結(jié)構(gòu)、成型工藝等方面進(jìn)行合理優(yōu)化和設(shè)計(jì)。本文通過研究模具CAD/CAM技術(shù)在高精密復(fù)雜模具設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用，為今后這項(xiàng)技術(shù)的普及推廣應(yīng)用提出較大的價(jià)值和意義。
1高精密復(fù)雜模具設(shè)計(jì)制造中CAD/CAM技術(shù)系統(tǒng)特征
（1）良好的幾何形狀描述能力。應(yīng)用在高精密模具設(shè)計(jì)制造中的CAD/CAM技術(shù)系統(tǒng)必須具備較為良好的物體幾何形狀描述能力。在模具設(shè)計(jì)工作中，由于模具的工作部分是以產(chǎn)品零件的形狀作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。無論何種類型的模具，在最初的設(shè)計(jì)階段都必須參照產(chǎn)品零件最為精細(xì)的幾何形狀，否則自然無法將有關(guān)產(chǎn)品零件的幾何信息輸入到對應(yīng)軟件系統(tǒng)中，整個(gè)設(shè)計(jì)程序也就無法正常穩(wěn)定運(yùn)行。出于有效編制NC加工程序以及計(jì)算刀具軌跡的考慮，也需要建立模具零件的精準(zhǔn)幾何模型，故此CAD/CAM技術(shù)系統(tǒng)中的一個(gè)重要問題便是幾何造型設(shè)計(jì)。
（2）生產(chǎn)成本降低。CAD/CAM技術(shù)在高精密模具設(shè)計(jì)制造過程中，能夠極大地節(jié)省模具的設(shè)計(jì)、制造時(shí)間，提高整體的生產(chǎn)效率。CAD/CAM技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用，使得設(shè)計(jì)的計(jì)算和圖樣繪制工作自動化程度有所提高，極大地壓縮了原本的人工設(shè)計(jì)時(shí)間。CAD/CAM技術(shù)的一體化應(yīng)用，使得整個(gè)高精密模具從設(shè)計(jì)到制造的工作周期得到了顯著的降低。計(jì)算機(jī)技術(shù)本身所具有的高速運(yùn)算和自動繪圖能力，極大地降低了人力資源的投入，同時(shí)模具設(shè)計(jì)方面的優(yōu)化也在一定程度上節(jié)約了模具設(shè)備制造的投入原材料，比如，沖壓件的毛坯優(yōu)化排樣能夠使制造原材料利用效率提高5%~7%，并且CAD/CAM技術(shù)系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)之前人工方式無法完成的復(fù)雜模具型面加工工作，有效壓縮了模具的加工和調(diào)試工作時(shí)長，最終實(shí)現(xiàn)制造成本顯著降低的目標(biāo)。也正是因?yàn)镃AD和CMCAD/CAM技術(shù)將設(shè)計(jì)人員從之前復(fù)雜繁瑣的計(jì)算繪圖工作中解放，使技術(shù)人員能夠主動投入到創(chuàng)造性設(shè)計(jì)活動中。
2高精密復(fù)雜模具設(shè)計(jì)制造常用的CAD/CAM軟件分析
（1）小型CAD/CAM軟件。以windows平臺作為基礎(chǔ)誕生的SolidWorks軟件，其設(shè)計(jì)空間有著較強(qiáng)的直覺性特點(diǎn)，也是當(dāng)前應(yīng)用范圍最為廣泛的一款三維實(shí)體造型CAD軟件。這一軟件能夠?qū)?fù)雜三維零件實(shí)體造型裝配和生產(chǎn)工程圖做出直觀化的展示，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)同化的建模工作。這一軟件內(nèi)部也提供從現(xiàn)存的二維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維零件模型的強(qiáng)大轉(zhuǎn)換工具，其中也囊括了用于模具設(shè)計(jì)的MoldBase插件，能夠?yàn)橄嚓P(guān)技術(shù)人員提供設(shè)計(jì)需要的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)框架，從而以最快速度完成模具設(shè)計(jì)工作。除此之外，以windows的圖形數(shù)控編程系統(tǒng)作為基礎(chǔ)研發(fā)出來的SurfCAM軟件，能夠?qū)⒘慵谰哕壽E和零件加工的NC代碼自動生成，并且在通用的后置處理功能和適應(yīng)性方面有著較為強(qiáng)大的優(yōu)勢。這一軟件內(nèi)部帶有的透視圖基底的自動色彩編輯功能，在模具設(shè)計(jì)加工編程的過程中，能夠以最快的速度將模型分解為型芯、型腔，有效壓縮了高精密復(fù)雜模具零件的編程工作時(shí)長，并通過SRM優(yōu)化加工方式，能夠在具備復(fù)雜外形以及空間自由曲面的高精密模具類零件的編程工作中發(fā)揮重要作用。
（2）大型CAD/CAM軟件。美國境內(nèi)開發(fā)的Pro/E軟件是一個(gè)以相對較為完善的數(shù)據(jù)庫作為基礎(chǔ)開發(fā)出的系統(tǒng)，其內(nèi)部提供了諸多完善、統(tǒng)一的模型，能夠?yàn)槎鄠€(gè)部門同時(shí)致力于單一產(chǎn)品的模型設(shè)計(jì)提供幫助。這一軟件系統(tǒng)中所采用的面向?qū)ο蟮膯我粩?shù)據(jù)庫和全參數(shù)化的造型技術(shù)，為高精密模具設(shè)計(jì)的三維實(shí)體造型提供了一個(gè)完善的技術(shù)平臺，且可以為用戶提供所需的功能模塊，真正實(shí)現(xiàn)功能仿真制造數(shù)據(jù)管理等目標(biāo)，同時(shí)這一系統(tǒng)具備獨(dú)立于硬件的特點(diǎn)，在移植方面有著較大的優(yōu)勢。除此之外，I-DEAS軟件也是目前較為常用的CAD/CAM技術(shù)軟件，其中有效利用了主模型技術(shù)和先進(jìn)的變量造型系統(tǒng)。這一軟件在三維造型、刀具路徑以及加工程序生成諸多方面具備強(qiáng)大的優(yōu)勢。在其逐漸更新的過程中，增加了復(fù)雜的零件設(shè)計(jì)、高級曲面造型等功能模塊，為高精密復(fù)雜模具的設(shè)計(jì)制造提供了更為強(qiáng)大的技術(shù)支持。除此之外，CATIA軟件因其自身在曲面設(shè)計(jì)方面的強(qiáng)大功能，得以在航空、汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。這一軟件不但提供了較為豐富的造型工具，且具備高度統(tǒng)一化的用戶界面以及數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用程序接口，能夠做到有機(jī)結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)、工程分析等功能，最大化壓縮高精密復(fù)雜模具設(shè)計(jì)制造的工作周期，顯著提升最終的模具產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。
（3）有限元分析專用軟件。ANSYS軟件本身融合了結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場分析等技術(shù)，能夠做到與大部分的CAD軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，這一軟件主要囊括了前處理模塊、分析計(jì)算模塊、后處理模塊3個(gè)部分，能夠?qū)⒛＞吖こ讨械母鞣N結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行合理模擬，并借助模塊計(jì)算功能發(fā)揮，對高精密模具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、性能做出持續(xù)的優(yōu)化、完善。同時(shí)以有限元程序作為基礎(chǔ)誕生的DEFORM軟件，其本質(zhì)上是一個(gè)高度模塊化、集成化的有限元模擬系統(tǒng)，主要囊括了前處理器、后處理器、有限元模擬和用戶處理四個(gè)模塊，主要被應(yīng)用在各類塑性體積成型過程中的金屬流動、應(yīng)變力、溫度等物理場的分布分析中。同時(shí)，DEFORM軟件主要被用于板料成型的模擬過程中，換言之，在工藝和模型設(shè)計(jì)中遇到的復(fù)雜板材成型問題，通過使用這一軟件能夠得到有效的解決，借助成型過程中板料缺陷的模擬，能夠?qū)φw板料成型性能做出科學(xué)合理的評估，且其中所具備的完善的前后處理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)文本編輯的目的，并提供與CAD軟件之間的接口，具備較為優(yōu)秀的二次開發(fā)功能。
3高精密復(fù)雜模具設(shè)計(jì)制造中CAD/CAM的應(yīng)用分析
3.1高精密復(fù)雜模具設(shè)計(jì)中CAD/CAM應(yīng)用。（1）圖形設(shè)計(jì)。CAD/CAM技術(shù)在高精密模具設(shè)計(jì)制造過程中，首先被應(yīng)用在圖形設(shè)計(jì)中，可以直接借助這一系統(tǒng)開展工作。就目前的情況來看，高精密模具的開發(fā)和生產(chǎn)過程中，計(jì)算機(jī)和數(shù)控技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用普及。企業(yè)在經(jīng)過市場調(diào)查和模具研究之后，能夠在制定出完善生產(chǎn)決策的前提下，下達(dá)對應(yīng)的生產(chǎn)計(jì)劃，隨后便可以進(jìn)行高精密模具的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。設(shè)計(jì)人員通過使用模具CAD工作站，能夠?qū)⒏呔苣＞咴O(shè)計(jì)過程中的造型計(jì)算分析、工程圖繪制等工作以最快的時(shí)間完成，且能夠在設(shè)計(jì)階段對模具產(chǎn)品質(zhì)量有效做出科學(xué)合理的評價(jià)，確保設(shè)計(jì)人員能夠從之前繁重的人工繪圖工作中得以解放，擁有更多參與到創(chuàng)造性勞動中的時(shí)間，以此進(jìn)一步推動高精密模具設(shè)計(jì)的精密度提升。同時(shí)，CAD/CAM技術(shù)也可以利用客戶提供的現(xiàn)存CAD模型數(shù)據(jù)，將之轉(zhuǎn)化為模具設(shè)計(jì)過程中所需要的圖形。模具企業(yè)在設(shè)計(jì)制造高精密模具產(chǎn)品的過程中，往往會由客戶提供繪制完成的圖形，但由于客戶和模具生產(chǎn)制造企業(yè)使用的軟件存在一定的差異，便會在圖紙數(shù)據(jù)交流方面出現(xiàn)一定的難度，由于絕大部分的CAD程序在數(shù)據(jù)庫方面有著一定的差異，無法與其他系統(tǒng)共同分享集合數(shù)據(jù)，故此客戶方所提供的CAD數(shù)據(jù)集合體必須翻譯成模具制造方技術(shù)系統(tǒng)能夠讀取的信息。就目前的情況看來，雖然這一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化問題未能得到全面有效的解決，但目前開發(fā)出來的包含CADfix等在內(nèi)的軟件能夠有效預(yù)防這一問題的發(fā)生。（2）CAE分析。模具CAD技術(shù)在誕生之后，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)在注塑模、壓鑄模、鍛模等模具的設(shè)計(jì)優(yōu)化方面得到了廣泛的應(yīng)用，并能夠?yàn)槟＞弋a(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。注塑模的CAE技術(shù)主要囊括了模具結(jié)構(gòu)的分析、運(yùn)動分析諸多工作。壓鑄模的CAE，主要是以壓鑄件沖型的流場數(shù)值模擬等功能為主，最后的擠壓模CAE則是將模具生產(chǎn)等中產(chǎn)品變形過程應(yīng)力場的分布及其變化等問題做出全面分析以及實(shí)驗(yàn)，幫助設(shè)計(jì)人員以最終的分析結(jié)果作為基礎(chǔ)，對模具產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能做出科學(xué)的優(yōu)化。比如在注塑成型的過程中，因其充模流動的過程較為復(fù)雜，處于高溫狀態(tài)的塑料容器，往往會在壓力的影響下，通過流道和澆口向模具的型腔內(nèi)進(jìn)行填充，借此將型腔內(nèi)部原有的氣體全面排出，這便需要確定排氣的具體位置。同樣的，多股塑料熔體流料在某一處進(jìn)行會合的時(shí)候，會形成相應(yīng)的熔接痕，必須要確定融熔接痕的具體位置。在之前的注塑模成型過程中，這些問題的解決，往往需要經(jīng)過反復(fù)多次的試模，不但浪費(fèi)了模具生產(chǎn)資源，也極大地延長了模具的生產(chǎn)周期。而模具CAE技術(shù)的應(yīng)用，能夠在全面分析塑料熔體液態(tài)流動性的前提下，將澆口的位置大小、排氣的位置做出合理確定，以此來幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段采取措施避免問題的發(fā)生。
3.2高精密復(fù)雜模具制造中CAD/CAM應(yīng)用。（1）NC刀具的軌跡生成。數(shù)控編程技術(shù)作為高精密模具設(shè)計(jì)制造中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，其工作體系的核心便是生成模具生產(chǎn)所需的刀具軌跡，在得到生產(chǎn)刀具軌跡之后，需要進(jìn)行離散處理，使其成為一個(gè)個(gè)的刀位點(diǎn)，并在經(jīng)過處理之后，得到最終的模具生產(chǎn)加工程序。CAD/CAM技術(shù)系統(tǒng)同樣可以在NC刀具的軌跡生成發(fā)揮巨大的作用。就目前的狀況來看，相對較為獨(dú)立的CAN系統(tǒng)和一體化程度水平較高的CAD/CAM技術(shù)系統(tǒng)是NC刀具生成軌跡中最為有效的兩種技術(shù)方式，其中前者獨(dú)立性質(zhì)相對較高的CAM系統(tǒng)主要是從其他的CAD文件或系統(tǒng)中將產(chǎn)品的幾何模型進(jìn)行提取，而后者即便同樣是針對CAD系統(tǒng)中原有的零件產(chǎn)品幾何模型進(jìn)行提取，但需要借助內(nèi)部數(shù)據(jù)格式的調(diào)用。由此不難看出，即便二者存在著方式層面的差異，但無論使用哪種系統(tǒng)，生成產(chǎn)品生產(chǎn)刀具軌跡、輸入交互生產(chǎn)工藝參數(shù)、零件三維加工的動態(tài)仿真、編輯生產(chǎn)刀具軌跡、后置處理任務(wù)都是其中缺一不可的關(guān)鍵功能模塊。作為國內(nèi)高精密模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)行業(yè)使用較為廣泛的CAD/CAM系統(tǒng)的UG，其在刀具生產(chǎn)軌跡確定方面有著最為顯著的優(yōu)勢，且能夠針對常見的車削、線切割等形成完善的產(chǎn)品加工方式。（2）數(shù)控加工過程仿真系統(tǒng)。高精密模具在設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造的過程中，零件在數(shù)控機(jī)床上的加工環(huán)節(jié)是需要借助數(shù)控指令程序來實(shí)現(xiàn)的。為了確保程序自身的精準(zhǔn)性，有效預(yù)防在零件加工中出現(xiàn)的彼此碰撞干涉問題，在實(shí)際的生產(chǎn)工作中需要使用試切工作進(jìn)行檢驗(yàn)，但這種方式在浪費(fèi)工時(shí)和生產(chǎn)材料的同時(shí)，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)周期也有所增加。就目前的情況來看，CAD/CAM技術(shù)在這一環(huán)節(jié)中的應(yīng)用是以當(dāng)下NC切削仿真特點(diǎn)作為基礎(chǔ)，劃分為力學(xué)仿真和幾何仿真兩個(gè)方面。其中幾何仿真因?yàn)椴恍枰獙⑶邢髁Α⑶邢鲄?shù)以及其他影響因素考慮其中，只需要針對刀具相對于工件的應(yīng)用進(jìn)行仿真，以此來檢驗(yàn)NC程序正確與否。幾何仿真在具體的工作過程中，能夠做到在不考量切削力、切削參數(shù)及其他影響因素的前提下，單純仿真工件生產(chǎn)中刀具的具體應(yīng)用，且能夠較為直觀地對NC程序的合理性進(jìn)行檢驗(yàn)。簡單而言，這一數(shù)控加工技術(shù)仿真可以分為如下兩類：第一，以自動編程作為基礎(chǔ)得到NC程序，并將之用于加工過程的仿真。第二，針對之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行后置處理之后的加工過程仿真。由于后者的加工過程仿真模式并不能將高精密模具加工生產(chǎn)過程中的受力等因素全面考量，只能夠檢驗(yàn)刀具生產(chǎn)軌跡的正確與否，導(dǎo)致其應(yīng)用局限性相對較大。以NC程序作為基礎(chǔ)的加工仿真，不但能夠有效將高精密模具設(shè)計(jì)制造過程中的干涉以及碰撞進(jìn)行全面檢驗(yàn)。而且能夠測量整個(gè)模具設(shè)計(jì)制造過程所需要的工時(shí)相對而言，其使用性能更為優(yōu)秀，得到了廣泛的普及、應(yīng)用。
4總結(jié)
目前工業(yè)生產(chǎn)水平的提高對于高精密模具功能以及設(shè)計(jì)水平提出了更高的要求，而CAD/CAM技術(shù)作為計(jì)算機(jī)發(fā)展過程中與工業(yè)生產(chǎn)和模具生產(chǎn)結(jié)合所誕生出的全新技術(shù)系統(tǒng)，得以在高精密模具的設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造過程廣泛應(yīng)用。CAD/CAM技術(shù)能在提高模具設(shè)計(jì)精密程度以及精準(zhǔn)度的同時(shí)，極大地縮短生產(chǎn)周期，而在相關(guān)技術(shù)持續(xù)更新發(fā)展的影響下，CAD/CAM技術(shù)系統(tǒng)必然會為高精密模具設(shè)計(jì)制造提供更為強(qiáng)大的技術(shù)支撐。
作者:方建榮 楊玉貴 單位:四川成飛集成科技股份有限公司