CAD／CAM／CAE在模具设计中的应用

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2011 年12 月10 日

CAD／CAM／CAE在模具设计中的应用

摘要

模具是工业生产中的基础工艺装备，也是发展和实现少无切削技术不可缺少的工具。在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通讯行业中，有60%-80%的零部件都需要模具加工，轻工制品的生产中应用模具更多，因此模具行业有“百业之母”的美誉。

本文论述了我国模具行业的概况及其近年来所取得的成绩，对国内外模具CAD/CAE/CAM技术的发展历程和现状作了简单概述，最后总结出模具CAD/CAE/CAM的专业化、标准化、集成化、智能化、虚拟化、网络化的发展趋势，以及在塑料模具设计中的应用现状。

关键词

模具 CAD／CAM／CAE 计算机模拟技术试模

正文

一、模具CAD/CAE的基本概念

CAD(Computer Aided Design)是利用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行总体设计、绘图、工程分析与技术文档等设计活动的总称,是一项综合性技术。

CAE：(Computer Aided Engineering)即计算机辅助工程技术，是以现代计算力学为基础，以计算机仿真为手段的工程分析技术，是实现模具优化的主要支持模块。对于模具CAE来讲，目前局限于数值模拟方法，对未来模具的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷。

二、模具CAD/CAM发展概况

模具CAD/CAM的发展状况符合通用CAD/CAM软件的发展进程。目前通用CAD/CAM软件的发展现状如下：CAD技术经历了二维平面图形设计，交互式图形设计、三维线框模型设计、三维实体造型设计、自由曲面造型设计、参数化设计、特征造型设计等发展过程。近年来又出现了许多先进技术，如变量化技术、虚拟产品建模技术等。随着互联网的普及，智能化、协同化、集成化成为CAD技术新的发展特点，使CAD技术得以更广泛的应用，发展成为支持协同设计、异地设计和信息共享的网络CAD。

三、模具CAD/CAM的优越性

模具CAD/CAM的优越性赋予了它无限的生命力，使其得可以迅速发展和广泛应用。无论在提高生产率、改善质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，CAD/CAM技术的优越性是传统的模具设计制造方法所不能比拟的。其优点主要表现在以下几方面：

（1）CAD/CAM可以提高模具的质量。在计算机系统内存储了各有关专业的综合性的技术知识，为模具的设计和工艺的制定提供了科学的依据。计算机与设计人员交互作用，有利于发挥人机各自的特长，使模具设计和制造工艺更加合理化。系统采用的优化设计方法有助于某些工艺参数和模具结构的优化。

（2）CAD/CAM可以节省时间，提高生产率。设计计算和图样绘制的自动化大大缩短了设计时间。CAD与CAM的一体化可显著缩短从设计到制造的周期。例如，采用冲裁模CAD/CAM系统设计制造模具，比传统方法提高效率2-5倍。由于模具质量提高，可靠性增加，装修时间明显减少，模具的交货时间大大缩短。

（3）CAD/CAM可以较大幅度地降低成本。计算机的高速运算和自动绘图大大节省了劳动力。优化设计带来了原材料的节省，例如，冲压件的毛坯优化排样可使材料利用率提高5%-7%。采用CAM可加工传统方法难以加工的复杂模具型面，可减少模具的加工和调试工时，使制造成本降低。CAD/CAM的经济效益有些可以估算，有些则难以估算。由于采用CAD/CAM术，生产准备时间缩短，产品更新换代加快，大大增强了产品的市场竞争能力。

(4)CAD/CAM技术将技术人员从繁冗的计算、绘图和NC编程工作中解放出来，使其可以从事更多的创造性劳动。

(5)随着塑性成形过程计算机模拟技术的提高，模具CAD/CAM一体化技术可以大大增加模具的可靠性，减少直至不需要试模修模过程，提高模具设计、制造的一次成功率。

四、模具CAD/CAM技术在模具行业的应用现状

模具CAD/CAM技术发展很快，应用范围日益扩大。在冲模、锻模、挤压模、注射模和压铸模等方面都有比较成功的CAD/CAM系统。采用CAD/CAM技术是模具技术、生产革新化的措施，是模具技术发展的一个显著特点。

目前我国模具行业应用的模具CAD/CAM软件可以分为两大类：1是机械行业内通用的的CAD/C。2是专门针对模具行业开发的模具CAD/CAM系统，如：上海交大模具CAD国家工程中心开发的冷冲模CAD系统等。

（1）国外模具CAD/CAM技术的应用现状工业发达国家较大的模具生产厂家在CAD/CAM上进行了较大的投资，正大力开发这一技术。如法国FOS模具公司已购买了大型CAD/CAM系统，日本黑田精工株式会社已大力投资开发CAD/CAM 系统，瑞士法因图尔公司采用大型CAD/CAM系统设计加工模具已占30%。目前，应用CAD/CAM技术较普遍的为美、日、德等国。例如，日本丰田汽车公司于1965年将数控用于模具加工。20世纪80年代初期开始采用覆盖件冲模CAD/CAM系统。该系统包括设计覆盖件的NTDFB和CADEIT软件和加工凸、凹模的TINCA软件。利用三坐标测量仪测量粘土模型，并将数据送入计算机。将所得图形经平滑

处理后，再把这些数据用于覆盖件设计、冲模的设计与制造。该系统有较强的三维图形功能，可在屏幕上反复修改曲面形状，使工件在冲压成形时不致产生工艺缺陷，从而保证了模具和工件的质量。模具型面的模型保存在数据库中，TINCA 软件可利用这些数据，进行模具型面的数控加工。

(2) 国内模具CAD/CAM技术的应用现状经过近几十年的发展，我国模具CAD/CAM有了长足的发展，在国内的模具生产中，CAD/CAM技术已经得到广泛的应用。模具行业已引进相当数量的国外CAD/CAM系统。并配置了运行速度快、性能高的计算机。但是对于国内一些大型模具企业，它们的CAD/CAM应用状况多停留在从国外购买先进的CAD/CAM系统和设备，但在其上进行的二次开发较少，资源利用率低;对于国内一些中小型模具企业，它们的CAD/CAM应用很少，有些仅停留在以计算机代替画板绘图。所以有必要改善国内模具企业的CAD/CAM应用状况，使它们真正做到快速、准确地对市场做出反应，并使制造的模具产品质量高、成本低，即达到敏捷制造的目的。

五、CAD技术在模具设计中的未来发展方向

模具CAD技术在传统的应用基础还要不断的适应新的环境和新的挑战．寻求新的发展。

(一)逐步提高CAD系统的智能化程度

人工智能是计算机的几大功能之

一．将人工智能引入CAD系统，使其具有专家的经验和知识．具有学习、推理、联想和判断的能力．从而达到设计自动化的目的。目前提高智能化程度的路径有两条：一是继续研究专家系统技术的应用：二是开展KBE(基于知识工程)技术的研究．主要是开发基于KBE的专用工具．如UGII中的KF(KnowledgeFu—sion)。

(二)研究模具的运动仿真技术．即冲模的冲压过程与注射模的运动仿真因为冲模与注射模的结构复杂．在冲压与注射过程中．一些模具零件的运动难免产生干涉现象．特别是级进模还可能存在条料运动与模具运动的干涉．而在设计中这些现象难以发现．故只有采用仿真技术在计算机上显示其运动状态．即时改正错误的设计，以避免生产中出现问题。

(三)协同创新设计将成为模具设计的主要方向制造业垂直整合的模式使得世界范围内的产品销售、产品设计、产品生产和模具制造分工更明确。模具企业间通过Intemet网络进行异地协同设计和制造。根据企业自身的信息化程度和企业间合作的层次不同，采用的技术手段和方案有很大不同。随着科技的不断进步．制造业正向数字化、全球化、网络化的方向发展．产品的生命周期越来越短．新产品的上市速度越来越快。模具是制造业的基本工艺设备．