模具的数字化制造技术

文章编号:1004-132Ⅹ(2002)22-1891-03

模具的数字化制造技术

阮雪榆　赵　震

摘要:在回顾塑性成形与模具技术发展成就的基础上,指出模具工业的重要发展趋势——数字化。提出了模具数字化制造的几项主要支撑技术,即模具数字化设计、加工、分析技术以及模具数字化制造中的资源管理技术,并对这些支撑技术的现状、研究重点以及今后发展方向进行了评述,最后指出应该从战略的高度大力开展模具数字化制造技术的研究开发和加速用数字化制造技术改造传统的模具工业。

关键词:模具;数字化制造;KBE ;高速切削;数值仿真

中图分类号:TG76 文献标识码:A

收稿日期:2002—09—26

模具作为塑性成形加工的重要工艺装备,其设计与制造水平直接影响着机械、电子等众多领域产品的质量和生产效率。迄今为止,塑性成形与模具技术取得了长足的进展,主要体现在以下几方面:¹塑性成形的基础理论已基本形成;º以有限元为核心的塑性成形数值仿真技术日趋成熟,为人们认识成形过程的本质规律提供了新途径;»CAD 、CAM 等技术的不断深入应用,使模具质量提高、制造周期下降;¼新的成形方法不断出现并得到成功应用。

目前在工业技术先进国家,数字化制造已经成为提高企业和产品竞争力的重要手段[1]。制造业信息化是当今世界制造业发展的大趋势,是以信息化带动工业化战略的重要组成部分。作为制造业的重要组成部分,模具的数字化制造理应成为21世纪模具技术的核心。模具的数字化制造就是要实现设计数字化、加工数字化、管理数字化、服务咨询数字化等。数字化技术的应用,导致了制造信息的表示、存储、处理、传递等方法的深刻变革,使模具制造业逐步由传统的生产型向知识型模式转化。数字化设计、加工、分析技术以及数字化制造中的资源管理技术等构成了模具数字化制造的支撑技术。

1　模具数字化设计技术

如何增强产品的市场竞争能力,提高产品质量、缩短开发周期已成为现代模具制造企业的追求目标。中国模具制造业已经历了以甩图板为目标的计算机辅助绘图历程,现在许多企业正在实施以建立全局产品模型为目标的三维设计与分

析,这对增强企业的市场竞争力起到了积极的作

用。但模具设计是一个知识驱动的创造性过程,它包含了对知识的继承、集成、创新和管理。随着世界制造业竞争的加剧,创新产品的开发已成为竞争的关键所在,而创新产品的竞争优势在于其所拥有的知识含量。随着智能技术的发展,如何将人类知识作为改造传统产业的原动力已成为重要的研究课题。在早期的模具智能设计系统中,智能活动一般是以设计型专家系统形式出现的,但存在许多缺陷:¹缺乏对数值计算的集成;º缺乏对众多领域知识的集成;»缺乏对多种任务和功能的集成,因而设计对象的规模和复杂性都受到限制。基于知识的工程(know ledg e -based en-gineering,KBE)正是面向现代设计要求而产生、发展的新型智能设计方法,已成为促进工程设计智能化的重要途径,是模具数字化设计的重要发展方向,美国For d 汽车公司已将KBE 作为21世纪发展战略中信息领域的关键技术之一[2]

。近年来,美国、日本和欧洲各国政府在KBE 技术的开发与应用方面给予了有力的支持,许多跨国公司和著名大学纷纷开展研究,以提高产品开发的创新能力。如美国的Boeing 、Pratt &Whitney 、General Electric 、Timken 等公司,欧洲的British Aerospace 、Jaguar 、Rexam 、Lotus 、SAAB 等公司,日本的M itsubushi 、Hitachi 、Mat-sushita 等公司,应用领域涉及航空、汽车、消费品、工业设备等领域。KBE 对工业界的影响是显著的,如Jaguar 汽车公司采用KBE 技术设计某车型发动机盖,设计时间由2个月缩减为2h 。上海交通大学模具CAD 国家工程研究中心与瑞士Feinto ol 公司合作开发了精冲模具工艺设计KBE 系统、与青岛海尔模具公司合作开发了注塑

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1891・模具的数字化制造技术——阮雪榆　赵　震

模模架选择KBE系统、与日本山中合金株式会社合作开发了冷锻模具设计KBE系统,普遍提高了设计效率,并有效保存了企业积累的设计经验和知识。由于KBE技术的开放性,迄今为止,尚无一种公认、完备的定义。本文给出的定义如下: KBE是面向工程开发,以提高市场竞争力为目标,通过知识的继承、繁衍、集成和管理,建立各领域异构知识系统和多种描述形式知识集成的开放设计环境,并获得创新能力的工程设计方法。由此可见,KBE有如下特点:¹KBE是一个知识的处理过程,包含了知识的继承、繁衍、集成和管理,它不仅处理显性知识,更关注know-how 等隐性知识的显性化,因而是数字化创新设计的重要使能技术。ºKBE处理多领域知识和多种描述形式的知识,是集成化的大规模知识处理环境。»KBE是面向整个设计过程的各异构系统的集成,是一种开放的体系结构。

KBE关键技术包括知识建模、知识表示和推理、知识获取和繁衍、知识集成等,目前KBE在模具数字化设计领域的研究重点如下:

(1)基于知识的产品建模　将专家的设计经验和设计过程的有关知识,集成于产品信息模型中,为实现产品设计智能化提供充分的信息。

(2)工程知识的繁衍技术　通过机器学习等方法来分析数据库系统中存储的大量工程数据,从而挖掘出潜在的知识,即KDD(know ledg e dis-cov ery in database)。该方法可应用于信息管理、过程控制、决策支持和工程设计等领域;目前大多数的研究都集中在数据挖掘算法和模式的选取上,在冲压弯曲回弹控制方面的应用研究正在开展。

(3)工程知识的表示和推理技术　模具设计知识的表示方法有经验公式、规则、事例等。单一的知识表示形式是无法描述复杂的设计过程的,KBE集成多种模式的知识表示方法,从而最大限度地提高知识利用的质量与知识创新的层次;同时,多种推理方式,如基于规则推理(r ule -based reasoning,RBR)、基于事例推理(case -based r easoning,CBR)、基于模型推理(m odel -based reasoning,M BR)的集成应用将使工程知识能真正应用于模具设计的实践。

2　模具数字化加工技术

加工技术是当前制约模具数字化技术发展的主要瓶颈,数字化加工的重要发展趋势是高速加工技术。

随着高速切削机理研究的进展,20世纪80年代以后高速切削技术已逐渐被工业界所接受,高速加工数控机床的应用也得到发展,其研究应用的一个重要目标是缩短加工时的切削与非切削时间,对于复杂形状和难加工材料及高硬度材料减少加工工序,最大限度地实现产品的高精度和高质量[3,4]。

高速加工与传统的数控加工方法相比并无本质区别,两者牵涉到同样的工艺参数,但其加工效果相对于传统数控加工有着无可比拟的优越性:¹有利于提高生产率;º有利于改善工件的加工精度和表面质量;»有利于延长刀具的使用寿命和应用直径较小的刀具;¼有利于加工薄壁零件和脆性材料;½简化了传统加工工艺[5,6]。许多高速切削研究集中于提高金属去除率上,但高速数控加工首先面临的是传统刀具材料寿命短的问题。目前用于高速切削的刀具材料种类已相当多,如用于铸铁的氮化硅刀具、用于铝(合金)的立方碳化物刀具和用于切削硬钢的超耐磨刀具,性能价格比也基本能够满足用户的要求,所以目前的研究重点开始转向提高机床加工性能上来,切削性能的测量、再生切削振颤的避免、结构设计、刀具的夹持和切削系统控制等是重要的研究课题。

高速加工作为一种新的技术,其优点是显而易见的,它给传统的数控加工带来了革命性的变化,但目前即使在瑞士、德国、美国、日本等国,对这一技术也还处在不断的研究中,有许多问题有待解决,国内在这一方面的研究尚处于起步阶段,目前主要存在如下问题[7]:

(1)缺乏合理的加工参数选择方案　目前尚无完整的高速切削加工参数表可供选择,也没有许多加工实例可供参考,大多数依靠以往的经验、或者进行大量的试切来选择参数。因此,如何选择合理的加工工艺参数,达到最佳的切削效果,提高生产率是目前高速切削应用的重要问题。

(2)缺乏合适的刀具选择方法　由于高速切削的切削机理与传统的切削完全不同,加工的磨损机制与失效形式、刀具的受力状况、形成的切屑形态等都不同,因此,如何选择合理的高速切削刀具,尽可能延长刀具使用寿命以及最大限度地发挥刀具的性能,亦是十分关键的技术。

(3)刀位路径规划没有考虑高速切削的特点高速切削要求刀具路径应尽可能圆滑,少转折点,无尖转折点,程序算法应保证高精度、碰到干扰能迅速调整、保证合理的进给速度、避免刀具振

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中国机械工程第13卷第22期2002年11月下半月