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關(guān)鍵字： 模具軟件網(wǎng)絡(luò)化；逆向工程技術(shù)；加工 摘　要： 本文論述了目前國際和國內(nèi)所使用的模具CAD/CAE/CAM技術(shù)。重點分析了各種技術(shù)的特點：模具軟件的集成化；三維化；智能化；網(wǎng)絡(luò)化以及并行技術(shù)；高速測量和逆向工程技術(shù)的應(yīng)用以及現(xiàn)代模具加工技術(shù)。

現(xiàn)代化的模具制造加工業(yè)，應(yīng)以使用模具CAD/CAE/CAM技術(shù)來實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的產(chǎn)品生產(chǎn)為目標(biāo)以適應(yīng)用戶對產(chǎn)品個性化的不斷追求。在我國，有許多企業(yè)大都憑經(jīng)驗或已經(jīng)在設(shè)計、制造等方面分散使用CAD、CAE、CAM單項技術(shù)來實現(xiàn)生產(chǎn)，這種“自動化孤島”的方法使整個生產(chǎn)過程資源共享率低、信息不流暢，導(dǎo)致研制產(chǎn)品周期長、更新?lián)Q代慢，難以在國際競爭中生存和發(fā)展。國外推廣CAD/CAE/CAM技術(shù)成功的經(jīng)驗表明：企業(yè)取得顯著效益，很多是從集成應(yīng)用中得到的，而不是單項應(yīng)用的結(jié)果。從CAD/CAE/CAM一體化的角度來說，其發(fā)展趨勢是集成化、三維化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，其中心思想是讓用戶在統(tǒng)一的環(huán)境中實現(xiàn)CAD/CAE/CAM協(xié)同作業(yè)，以便充分發(fā)揮各單元的優(yōu)勢和功效。

1 現(xiàn)代模具設(shè)計

1.1 模具軟件功能集成化

模具軟件功能的集成化要求軟件的功能模塊比較齊全，同時各功能模塊采用同一數(shù)據(jù)模型，以實現(xiàn)信息的綜合管理與共享，從而支持模具設(shè)計、制造、裝配、檢驗、測試及生產(chǎn)管理的全過程，達(dá)到實現(xiàn)最佳效益之目的。

如英國Delcam公司的系列化軟件就包括了曲面實體幾何造型、復(fù)雜形體工程制圖、工業(yè)設(shè)計高級渲染、塑料模設(shè)計專家系統(tǒng)、復(fù)雜形體CAM、藝術(shù)造型及雕刻自動編程系統(tǒng)、逆向工程系統(tǒng)及復(fù)雜形體在線測量系統(tǒng)等；以色列Cimatron公司的Cimatron系統(tǒng)中包括幾何造型、模具專家、逆向工程、模架庫、NC加工及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；澳大利亞Moldflow公司注塑成型系列分析軟件MPA（塑件顧問）、MPX（注塑專家）、MPI（流動、冷卻、翹曲等）以及模具設(shè)計系統(tǒng)等。美國PTC公司CAD/CAE/CAM集成軟件系統(tǒng)Pro/Engineer；美國EDS公司的UG；美國SDRC公司的I-DEAS集成化CAD/CAE/CAM軟件，該軟件在曲面設(shè)計、實體造型、仿真分析、制造、測試和并行工程等方面具有強大的功能，國際上有福特等許多汽車公司將它作為主流軟件；美國Solidworks公司的Solidworks軟件、C-mold公司的注塑模CAE分析軟件C-mold；具備復(fù)雜曲面設(shè)計和數(shù)據(jù)仿真功能的法國Dassault公司的CATIA軟件曲面造型功能較強；德國MAGMA公司的鑄造過程流動與凝固分析軟件MAGAMASOFT及IKV研究所的CAD MOULD；國外使用較多的還有外型設(shè)計的Alias/ICEM、實物造型的Surface、板料沖壓仿真的LS-DYNA、DYNAFORM、模具設(shè)計的VAMOS及制造系統(tǒng)仿真的SIMPLE++等。

國內(nèi)有上海交通大學(xué)金屬塑性成型有限元分析系統(tǒng)和沖裁模CAD/CAM系統(tǒng)；北京北航海爾軟件有限公司的CAXA系列軟件；吉林金網(wǎng)格模具工程研究中心的沖壓模CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，其主要功能有板料沖壓過程模擬、預(yù)示成形缺陷、壓機速度分析、坯料形狀優(yōu)化和各向異性、回彈預(yù)測等[1]。

1.2 模具設(shè)計、分析及制造的三維化

傳統(tǒng)的二維模具結(jié)構(gòu)設(shè)計已越來越不適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)和集成化技術(shù)要求。模具設(shè)計、分析、制造的三維化、無紙化要求新一代模具軟件以立體的、直觀的感覺來設(shè)計模具，所采用的三維數(shù)字化模型能方便地用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的CAE分析、模具可制造性評價和數(shù)控加工、成形過程模擬及信息的管理與共享。如Pro/E、UG 、 I-DEAS、CATIA等軟件具備參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)等特點，從而使模具并行工程成為可能。另外，Cimatron公司的Moldexpert，Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Space-E/mold均采用了3D專業(yè)注塑模設(shè)計軟件，可進(jìn)行交互式3D型腔、型芯設(shè)計、模架配置及典型結(jié)構(gòu)設(shè)計。澳大利亞Moldflow公司三維真實感流動模擬軟件MoldflowAdvisers受到用戶廣泛的應(yīng)用和好評。美國C-mold公司3DQuickfill也有類似功能。

國內(nèi)有華中理工大學(xué)研制的同類軟件HSC3D4.5F及鄭州工業(yè)大學(xué)Z-mold軟件。上海交通大學(xué)開發(fā)了金屬塑性成形三維有限元仿真系統(tǒng)。北航海爾軟件公司的CAXA三維電子圖板2000和制造工程師2000能進(jìn)行3D零件設(shè)計和NC加工，其特點是基于3D、參數(shù)化特征設(shè)計，實現(xiàn)了實體、曲面和NC加工的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

1.3 模具軟件的智能化趨勢

新一代模具軟件要求模具CAD不再是對傳統(tǒng)設(shè)計與計算方法的模仿，而是在先進(jìn)設(shè)計理論指導(dǎo)下，充分運用模具專家的豐富知識和成功經(jīng)驗，來克服具體設(shè)計、工藝人員的經(jīng)驗局限，通過人工智能CAI等方法，實現(xiàn)設(shè)計的合理性和先進(jìn)性，逐步達(dá)到從設(shè)計、分析評估到制造過程的完全自動化。面向制造、基于知識的智能化功能是衡量模具軟件先進(jìn)性和實用性的重要標(biāo)志之一。如Cimatron公司的注塑模專家軟件能根據(jù)脫模方向自動產(chǎn)生分型線和分型面，生成與制品相對應(yīng)的型芯和型腔，實現(xiàn)模架零件的全相關(guān)，自動產(chǎn)生材料明細(xì)表和供NC加工的鉆孔表格，并能進(jìn)行智能化加工參數(shù)設(shè)定、加工結(jié)果校驗等。而PTC公司推出的模具專家系統(tǒng)EMX則更為經(jīng)典，它具有前面其他模具專家系統(tǒng)的共有特點外，還能實現(xiàn)模具裝配體的2D裝配圖的自動出圖，從而大大減輕了模具設(shè)計工程師的勞動量，提高效率，減少模具開發(fā)的時間，另外在它的EMX4..1里還強化了產(chǎn)品的成本計算，可以估算模具的總體成本，為模具的效率計算提供了有力依據(jù)，實現(xiàn)信息技術(shù)及現(xiàn)代管理技術(shù)【2】。

1.4模具軟件應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)化趨勢

隨著模具在企業(yè)競爭、合作、生產(chǎn)和管理的全球化、國際化，以及計算機軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，使得在模具行業(yè)應(yīng)用虛擬設(shè)計、敏捷制造技術(shù)既有必要，又有可能。美國在其《21世紀(jì)制造企業(yè)戰(zhàn)略》中指出，到2006年要實現(xiàn)汽車工業(yè)敏捷生產(chǎn)/虛擬工程方案，使汽車開發(fā)周期從40個月縮短到4個月。Delcam公司最近推出的CAD/CAM集成化系統(tǒng)PowerSolution覆蓋了幾何建模、逆向工程、工業(yè)設(shè)計、工程制圖、仿真分析、快速原型、數(shù)控編程、測量分析等方面。系統(tǒng)的每一個功能模塊既可獨立運行，又可通過數(shù)據(jù)接口與其它系統(tǒng)兼容，便于實現(xiàn)開放性、兼容性和專業(yè)化的統(tǒng)一。

1.5并行工程技術(shù)在模具中應(yīng)用

模具是面向定單式的生產(chǎn)方式，屬于單性生產(chǎn)，制造過程復(fù)雜，要求交貨時間短。如果利用CAD、CAM單元技術(shù)制造模具，制造精度低、周期長，為了解決上述難題，我們將并行工程技術(shù)引入到模具制造過程中。

所謂并行工程是設(shè)計工程師在進(jìn)行產(chǎn)品三維零件設(shè)計時就考慮模具的成型工藝、影響模具壽命的因素，并進(jìn)行校對、檢查，預(yù)先發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程的錯誤。在初步確立產(chǎn)品的三維模型后，設(shè)計、制造及輔助分析部門的多位工程師同時進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程詳圖設(shè)計、模具性能輔助分析及數(shù)控機床加工指令的編程，而且每一個工程師對產(chǎn)品所做的修改可自動反映到其他工程師那里，大大縮短設(shè)計、數(shù)控編程的時間。

在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)用Pro/ENGINEER、UG等CAD/CAE/CAM集成技術(shù)軟件，將原來模具結(jié)構(gòu)設(shè)計→模具型腔、型芯設(shè)計及結(jié)構(gòu)二維設(shè)計→工藝準(zhǔn)備→模具型腔、型芯設(shè)計三維造型→數(shù)控加工指令編程→數(shù)控加工的串行工藝路線改為由不同的工程師同時進(jìn)行設(shè)計、工藝準(zhǔn)備的并行路線，不但提高了模具的制造精度，而且能縮短設(shè)計、數(shù)控編程時間達(dá)40%以上。

1.6模具高速測量及其逆向工程技術(shù)

隨著三坐標(biāo)測量機、掃描儀、便攜式掃描儀、激光跟蹤儀的技術(shù)不斷發(fā)展與進(jìn)步，檢測技術(shù)向高速度、高精度、高適應(yīng)性、數(shù)字化、自動化方向發(fā)展，使得現(xiàn)代測量技術(shù)不斷融入模具產(chǎn)品逆向工程設(shè)計中，進(jìn)一步推動模具制造產(chǎn)品快速制造的響應(yīng)能力。

逆向工程（Reverse Engineering，RE）也稱反向工程或反求工程，是相對于傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計流程即所謂的正向工程（Forward Engineering，F(xiàn)E）而提出的。

2 現(xiàn)代模具加工技術(shù)

2.1高速銑削技術(shù)

早在20世紀(jì)30年代，德國切削物理學(xué)家Carl Salomon根據(jù)一些實驗曲線，即現(xiàn)在被稱為“Salomon曲線”，提出了高速切削（High Speed Cutting，HSC）的概念[5]。銑削加工是型腔模具加工的重要手段。而高速銑削具有工件溫升低、切削力小，加工平穩(wěn)、加工質(zhì)量良好、加工效率高（為普通銑削加工的5～10倍）及可加工硬材料（<60HRC）等諸多優(yōu)點。因而在模具的加工中日益受到重視。具體展開，高速銑削具有以下一些特點。

（1）高效、高速銑削的主軸轉(zhuǎn)速一般為15000～40000r/min，最高可達(dá)100000r/min。在切削鋼時，其切削速度約為400m/min，比傳統(tǒng)的銑削加工高5～10倍；在加工型腔模時與傳統(tǒng)的加工方法相比（傳統(tǒng)銑削、電火花成形加工、拋光）其效率提高4～5倍；與完全采用EDM加工相比，其加工速度提高4～8倍。例如，加工一個插座外殼的壓鑄模，若采用傳統(tǒng)銑削、電火花成形加工、拋光等工藝，約需50～60h，而采用高速銑削加工約需14h，效率提高近4倍。

（2）高精度。一般加工精度為10μｍ，有的精度還要高。

（3）高表面質(zhì)量。由于高速銑削的工件溫升�。�約3℃），故表面沒有變質(zhì)層及微裂紋，熱變形也小。最好的表面粗糙度Ra小于１μｍ。

（4）可加工高硬材料。可銑削HRC 50～54的鋼材，銑削的最高硬度可達(dá)HRC60。以上這些特點都優(yōu)于EDM加工，由此可見，高速銑削加工工藝及裝備無疑是模具制造技術(shù)重要的發(fā)展方向[5]。

瑞士克朗公司UCP 710型五軸聯(lián)動加工中心，其機床定位精度可達(dá)8μｍ，自制的具有矢量閉環(huán)控制電主軸，最大轉(zhuǎn)速為42000ｒ/ｍｉｎ。意大利RAMBAUDR公司的高速銑床，其加工范圍達(dá)2500ｍｍ×5000ｍｍ×1800ｍｍ，轉(zhuǎn)速達(dá)20500ｒ/ｍｉｎ，切削進(jìn)給速度達(dá)20ｍ/ｍｉｎ。HSM一般主要用于大、中型模具加工，如汽車覆蓋件模具、壓鑄模、大型塑料等曲面加工，其曲面加工精度可達(dá)0.01ｍｍ。

2.2 電火花加工技術(shù)和“綠色”產(chǎn)品技術(shù)

電火花加工是在一定的液體介質(zhì)中，利用脈沖放電對導(dǎo)電材料的電蝕現(xiàn)象來蝕除材料，從而使零件的尺寸、形狀和表面質(zhì)量達(dá)到預(yù)定技術(shù)要求的一種加工方法。在特種加工中，電火花加工的應(yīng)用最為廣泛。

從國外的電加工機床來看，不論從性能、工藝指標(biāo)、智能化、自動化程度都已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，目前國外的新動向是進(jìn)行電火花銑削加工技術(shù)（電火花創(chuàng)成加工技術(shù)）的研究開發(fā)，這是一種替代傳統(tǒng)的用成型電極加工型腔的新技術(shù)，它是用高速旋轉(zhuǎn)的簡單的管狀電極作三維或二維輪廓加工（像數(shù)控銑一樣），因此不再需要制造復(fù)雜的成型電極，這顯然是電火花成形加工領(lǐng)域的重大發(fā)展。

在電火花加工技術(shù)進(jìn)步的同時，電火花加工的安全和防護(hù)技術(shù)越來越受到人們的重視，許多電加工機床都考慮了安全防護(hù)技術(shù)。目前歐共體已規(guī)定沒有“ＣＥ”標(biāo)志的機床不能進(jìn)入歐共體市場，

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