数字化模具技术及其应用.ppt

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1、 数字化模具技术及其应用 2011.41.前言前言 信息化是国家中长期科学和技术发展规划纲要中制造业科技发展的重点方向和任务，也是20062020年国家信息化发展战略的重要任务。信息化对于转变模具行业的发展方式，优化模具产品结构，提升模具行业的核心竞争力，具有重要的意义。模具企业信息化包括两个主要方面，即技术系统的信息化和管理系统的信息化。技术系统的信息化主要是实现模具设计制造过程的数字化。数字化技术是解决模具设计制造问题的有效途径。数字化模具解决方案数字化模具解决方案Process Planning工艺过程设计工艺过程设计Casting Patterns铸型铸型Press Simulatio

2、n压机模拟压机模拟Die Structure Design模具结构设计模具结构设计Die Face Machining模面加工模面加工Process Simulation成形过程模拟成形过程模拟 数字化模具技术的内涵数字化模具技术的内涵 可制造性设计（可制造性设计（DFM），即在设计时考），即在设计时考虑和分析可制造性，保证工艺的实现；虑和分析可制造性，保证工艺的实现；计算机辅助工艺设计（计算机辅助工艺设计（CAPP）；）；计算机辅助分析（计算机辅助分析（CAE），仿真成形工），仿真成形工艺过程，预测和解决可能出现的缺陷和成艺过程，预测和解决可能出现的缺陷和成形问题；形问题；高效率的高效率的3

3、D模具设计技术；模具设计技术；数字化模具加工技术；数字化模具加工技术；在数字化技术指导下处理解决试模过程在数字化技术指导下处理解决试模过程 和生产过程中出现的问题。和生产过程中出现的问题。2.可制造性设计（可制造性设计（DFM）传统的产品和模具设计制造过程据统计，据统计，75%的成形缺陷和困难都是由的成形缺陷和困难都是由于产品早期设计不合理造成的，而这些缺于产品早期设计不合理造成的，而这些缺陷和困难的陷和困难的80%是在产品后期工艺设计是在产品后期工艺设计和模具调试阶段才被发现和改正的。和模具调试阶段才被发现和改正的。因此，应将产品设计缺陷控制在最低水平，因此，应将产品设计缺陷控制在最低水平，

4、尽量避免将设计缺陷传递到工艺和模具设尽量避免将设计缺陷传递到工艺和模具设计过程中。计过程中。传统的产品开发过程存在的问题面向产品开发和模具设计制造全过程的仿真 产品的可制造性设计，就是在产品设计阶段采用CAE方法，对产品的工艺性进行分析，同步设计同步验证，可协助产品设计师确定最佳产品设计方案，从源头上避免方向性错误，保证产品具有良好的工艺性。产品的可制造性设计，不仅可缩短产品开发周期，还可降低产品开发成本，保证产品质量。产品设计过程中的同步可成形性验证整体成形性分析产品零件的选材优化产品零件的选材优化3.计算机辅助工艺设计（计算机辅助工艺设计（CAPP）工艺设计是决定零件能否顺利成形的关键。工

5、艺设计受到制件形状、材料和成形条件等多种因素的影响。传统的工艺设计是依靠经验的设计过程，设计可靠性差，质量难以保证。工艺设计复杂、难度大，费时费力，设计效率低。CAPP国内外研究与发展现状 CAPP系统:派生式派生式CAPPCAPP系统、系统、创成式创成式CAPPCAPP系统、混合式系统、混合式CAPPCAPP系统系统 数值模拟在工艺设计中的应用：工艺性工艺性分析及缺陷预测分析及缺陷预测 、工艺参数的确定、工艺参数的确定 知识工程在CAPP中的应用：KBEKBE的特点、的特点、KBEKBE的应用、的应用、KBEKBE在工艺设计中的应用在工艺设计中的应用 基于KBE的工艺设计 知识工程（KBE）

6、作为一种新型的智能设计方法，它通过知识驱动、繁衍和应用来解决工程问题。KBE的应用可提高工艺设计的智能化水平和设计效率。KBE的关键技术的关键技术 知识的获取与繁衍知识的获取与繁衍：知识发现、数据挖掘知识发现、数据挖掘 知识表示与推理知识表示与推理 知识表示：产生式规则、框架表示法知识表示：产生式规则、框架表示法知识表示：产生式规则、框架表示法知识表示：产生式规则、框架表示法 、语义网络语义网络语义网络语义网络 、过程表示、过程表示、过程表示、过程表示法、法、法、法、面向对象表示法面向对象表示法面向对象表示法面向对象表示法混合知识表示混合知识表示混合知识表示混合知识表示 知识的建模与推理：基于

7、规则的知识建模与推理知识的建模与推理：基于规则的知识建模与推理知识的建模与推理：基于规则的知识建模与推理知识的建模与推理：基于规则的知识建模与推理 、基于实例、基于实例、基于实例、基于实例的知识建模与推理的知识建模与推理的知识建模与推理的知识建模与推理 、基于模型的知识建模与推理、基于模型的知识建模与推理、基于模型的知识建模与推理、基于模型的知识建模与推理 知识的管理：知识的管理：知识库的建立知识库的建立知识库的建立知识库的建立 基于KBE的工艺方案设计模型 产品工艺性分析产品工艺性分析工艺方案决策工艺方案决策 工艺方案评价工艺方案评价 冲压工艺设计实例冲压工艺设计实例1）导入零件并建立工艺设

8、计管理树2）冲压件特征识别及参数提取3)冲压件工艺性分析及工艺特征提取 4)冲压件工艺路线 5)冲压方向确定 6)工艺补充面控制线和截面线模型 7)基于截面线的工艺补充面生成 8)拉深工序件（发动机罩）9)拉深成形数值模拟的网格模型 10)拉深成形模拟 等效拉延筋缺陷区域1缺陷区域2缺陷区域4缺陷区域34.成形过程的仿真（成形过程的仿真（CAE）CAE（Computer Aided Engineering）采用有限元、边界元、有限差分等数值计采用有限元、边界元、有限差分等数值计算，对产品设计、工艺设计和模具设计进算，对产品设计、工艺设计和模具设计进行辅助分析的方法，用于仿真和分析成形行辅助分析

9、的方法，用于仿真和分析成形过程，预测产品可能出现的问题或缺陷。过程，预测产品可能出现的问题或缺陷。CAE的必要性的必要性传统的工艺和模具设计方法主要依传统的工艺和模具设计方法主要依靠设计人员的经验，设计结果往往难靠设计人员的经验，设计结果往往难以预测；以预测；优化工艺过程和和模具结构设计的优化工艺过程和和模具结构设计的需要，为优化设计提供依据；需要，为优化设计提供依据；数字化模具技术的重要基础。数字化模具技术的重要基础。CAE在冲压成形中的应用在冲压成形中的应用 零件毛坯展开；零件毛坯展开；确定修边线位置；确定修边线位置；优化成形工艺设计；优化成形工艺设计；预测可能出现的起皱、破裂和回弹等缺陷

10、预测可能出现的起皱、破裂和回弹等缺陷零件毛坯尺寸的展开优化成形工艺优化成形工艺汽车发动机罩的工艺优化设计（a）拉深筋设置 （b）FLD与WLD（a）厚度分布 （b）FLD与WLD发动机罩的拉深筋优化设计R6单筋（a）厚度分布 （b）FLD与WLD 发动机罩的拉深筋优化设计局部双筋发动机罩的工艺补充优化设计（a）厚度分布 （b）FLD与WLD以CAD为核心集成系统试模试模数控数控加工加工模具模具设计设计产品产品设计设计统一统一CAD环境环境5.高效率的3D模具设计 模具CAD的发展 2D绘图，甩图板 三维设计（参数化设 计，关联设计）3D模具设计的必要性 CAD/CAPP/CAE/CAM/CAT

11、/ERP集成的需要，统一的3维模型是数字化制造的必要条件。模具企业的几种设计模式AutoCAD概念图UG、Pro/E三维结构设计三维结构设计AutoCAD零件图Cimatron数控编程模式一：标准件库DXFSTEP、IGES客户确认特点：3D、2D、CAM使用不同的软件，各系之间采用中性文件进行数据交换。无论是三维还是二维，常采用一个文件来表达全套模具，没有使用装配，串行设计方式。模式一存在的主要问题1）CAD/CAM采用不同的系统，通过中性文件进行数据交换，数据一致性维护困难，更新不方便。2）未采用装配技术，模具设计的所有工作均由一人承担，无法支持并行设计。3）设计知识的重用和共享困难。这种

12、模式的设计效率低，无法发挥团队的优势来对复杂模具进行攻关。规模较小的企业常用这种模式，企业发展到一定规模后，此模式的问题就会突出，成为整个模具设计与制造环节的瓶颈问题。UG三维概念图UG三维结构设计三维结构设计UG零件2D图UG数控编程模式二：标准件库客户确认主模型特点：3D/2D/CAM使用统一的平台，保证了数据一致性，设计变更容易管理。设计在全三维环境下进行，采用主模型和装配技术，支持并行设计，可充分发挥团队的作用，显著提高设计效率。设计经验易于积累，设计知识或模型便于重用和管理并行设计方法：主模型和装配的使用一副复杂模具的模架、定模、动模、滑块（斜顶）、2D、数控、总装配、工程文档等，可

13、由不同的设计小组或人员分工协作，并行设计。三维模具设计需解决的问题 1）通用CAD/CAM系统，解决了可以做的问题，如何做得更好、效率更高？（高效率高效率）2）目前，多数情况下模具设计仍需依赖经验，如何更充分地利用企业的历史设计数据？（KBE）解决上述问题需要在通用的CAD/CAM系统平台上进行定制化定制化开发，建立适用于处理不同情况的专用模具CAD/CAM设计系统，采用KBE技术技术把模具设计知识和设计流程融入到专用系统中，从而真正发挥三维设计系统的优势。定制化开发专用模具设计系统的工作1）针对企业特点，做好标准化工作。）针对企业特点，做好标准化工作。2）针对特定产品，采用模板和功能组件进行

14、设计。）针对特定产品，采用模板和功能组件进行设计。3）通过定制开发，集成企业的设计知识和设计流程，）通过定制开发，集成企业的设计知识和设计流程，提升设计效率和设计质量。提升设计效率和设计质量。高效率高效率3D 模具设计的实现方法模具设计的实现方法 KBE技术的应用技术的应用 模具结构的标准化模具结构的标准化 整体模板的应用整体模板的应用 整体设计模板：典型模具结构整体设计模板：典型模具结构 局部模板的应用局部模板的应用 局部设计模板局部设计模板：功能设计模块功能设计模块模块化设计的实现模块化设计的实现非相关特征相关特征过渡特征功能组件不同结构特征的处理方法不同结构特征的处理方法例子例子方法方法

15、相关特征相关特征拉延凸模、拉延凹模和拉延凸模、拉延凹模和压压料圈料圈 ProgrammingProgramming非相关特征非相关特征凸模、拉延凹模和凸模、拉延凹模和压压料圈料圈 组件库组件库+组件装配方法组件装配方法连连接特征接特征拉延凸模、拉延凹模和拉延凸模、拉延凹模和压压料圈料圈 Programming+KBEProgramming+KBE功能功能组组件件导导柱柱导导套合件等套合件等 组组件件库库+组组件装配方法件装配方法装配体装配体双双动动拉延模、拉延模、单动单动拉延模拉延模参数化参数化库库和和KBEKBE标标准件准件拉延凸模、拉延凹模和拉延凸模、拉延凹模和压压料圈料圈 参数化建参数化

16、建库库整体模板的应用（拉深模设计）整体模板的应用（拉深模设计）标准件设计型面简化等距面型生成曲线简化水平等距线生成Z向等距线生成曲线投影空刀面生成空刀生成侧壁设计内加强筋设计外加强筋设计模具结构初始化凸模主体设计下压料面生成凹模主体设计上压料面生成压料圈主体设计双动拉延模设计向导单动拉延模设计向导调用标准件标准件快速装配标准件尺寸修改标准件设计相关特征生成设计工具集工作部分设计凹模设计步骤1凹模片体设计工作部分2等距面生成设计工具3凹模主体设计工作部分4内加强筋设计设计工具5外加强筋设计设计工具6底板设计标准件凹模片体设计凹模主体设计凹模内加强筋设计草图画出加强筋中心线布置凹模外加强筋设计草图

17、画出加强筋中心线布置下底板设计调入组件组件开孔（UG）程序自动生成图加标准件和端头总体结构6 数字化模具加工技术数字化模具加工技术：高效率、自动化高效率、自动化 先进的数控加工与检测技术的应用，大幅先进的数控加工与检测技术的应用，大幅提高了模具加工效率和加工精度，从根本上改提高了模具加工效率和加工精度，从根本上改变了模具的生产方式。变了模具的生产方式。高速度、高精度、高效率是数字化模具加工高速度、高精度、高效率是数字化模具加工设备的显著特点。高速切削加工机床、激光加设备的显著特点。高速切削加工机床、激光加工机床和高效电加工机床的应用，大大提高了工机床和高效电加工机床的应用，大大提高了模具的加工

18、效率和精度。模具的加工效率和精度。高速加工机床所谓高速主要是指高转速和高的进给速度。所谓高速主要是指高转速和高的进给速度。高速加工机床不仅具有高的主轴转速，也高速加工机床不仅具有高的主轴转速，也具有与主轴转速相匹配的高的进给速度。具有与主轴转速相匹配的高的进给速度。高速机床转速已可达高速机床转速已可达10万万RPM以上，在生以上，在生产中应用的通常为为产中应用的通常为为1.53.5万万RPM。高速加工的优越性高速加工的优越性1 1 高切除率，可用于粗加工、半精加工和精加工；高切除率，可用于粗加工、半精加工和精加工；2 2 高速硬切削，大大减少手工修磨工作量；高速硬切削，大大减少手工修磨工作量；

19、3 3 高表面质量，尺寸精度高、表面光洁；高表面质量，尺寸精度高、表面光洁；4 4 快速加工电极，特别是形状复杂的或薄壁类电极。快速加工电极，特别是形状复杂的或薄壁类电极。高速切削加工机床高速切削加工机床高速加工程序的编制高速加工程序的编制Delcams Raceline Machining Patented Patented DelcamDelcam strategy for high-speed strategy for high-speed roughingroughingSmoothes out passes as Smoothes out passes as they move aw

20、ay from the they move away from the formformMinimises sharp direction Minimises sharp direction changes and so allows changes and so allows faster machining and longer faster machining and longer cutter lifecutter life激激光光检检测测装装置置的的应应用用可可提提高高NC机机床床运运转转的的安安全全性性，避避免免由由于于机机床床位位置置的的故故障障，工工作作装装夹夹定定位位和和刀刀

21、具具问问题题引引起起的的加加工工质质量量问问题题。在在NC机机床床的的加加工工过过程程中中，利利用用激激光光束束检检测测工工件件和和刀刀具具的的位位置置，并并与与NC程程序序比比校校。如如发发现现位位置置异异常常，可可自自动动停停机机，以以免免发发生生设设备备和和加加工工质质量量事事故故。也也可可用用于于检检测测加加工工过过程程中中刀刀具具的的长长度度变变化化和和完完好好状状态态。如如发发现现刀刀具具局局部部破破损损，或或出出现现裂裂纹纹，也也可可控控制制机机床床停停车车，更换刀具。更换刀具。NC加工过程中的激光测量与控制加工过程中的激光测量与控制 自动化模具加工系统自动化模具加工系统是模具加

22、工技术的新发展，提供了更高的加工效率、更大的柔性和更好的质量保证。自动化模具加工系统由加工机床、零件库与刀具库、传送与装夹装置、机器人、测量机和自动清洗机等部分组成。自动化模具加工单元自动化模具生产线自动化电火花加工系统（电极库）工件与电极库机器人从库中抓取工件工件的自动装夹德国一条实际运行的模具自动化生产线我国在建的自动化模具生产线大、中、小三条生产线 结束语 当前，我国正处于从模具制造大国向模具制造强国转变的进程中，未来的1015年是模具行业发展的重要的时期。“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走新型工业化道路”，是促进我国模具产业结构转型升级和跨越发展的必由之路。数字化模具技术是解决模具设计制造问题的有效途径。谢谢！