压铸模CADCAECAM技术

压铸模CAD/CAE/CAM技术来源：南京农业大学工学院作者：陈光明摘要：分析了我国压铸模设计与制造的现状及存在问题，介绍了国内外压铸模CAD/CAE/CAM技术的研究进展，根据我国压铸模CAD/CAE/CAM技术研究与开发存在的问题提出了加快发展我国压铸模CAD/CAE/CAM技术对策。关键词：压铸模；CAD；CAE；CAM1我国压铸模设计与制造的现状模具工业是国民经济的基础产业，模具工业的发展水平标志着一个国家工业水平及产品开发能力。随着工业发展，工业产品的品种、数量越来越多，对产品质量和外观的要求，更是日趋精美，华气。所以改革开放20多年以来，我国已成为使用各类模具的大国。其中，汽车、摩托车与家电产品生产用的各类模具的年需求量已占全国模具需求总量的60％以上，但是，我国模具生产能力和水平，与国外相比则差距颇大，造成上世纪90年代模具进口量占全国模具销售总额的1/3以上，达6~10亿美元。由于压铸多用于生产复杂精密铸件，故压铸模设计与制造的特点：单件，复杂，精度要求高，工作量大，周期长。目前我国压铸模设计已经具有一定的水平，基本能满足汽车、摩托车、电机、家电、仪表、灯具、电子等行业的需要。压铸模制造精度可达0.02~0.05mm，型腔表面粗糙度Ra0.4~0.2μm。模具制造周期为：中小型的3~4个月，中等复杂的4~8个月，大型的8~12个月，约为国外的1倍。模具寿命：铝合金铸件模具一般为4~8万次，个别可超过10万次，国外可达8-15万次以上。模具价格：国内约为引进价格的1/4~1/3。随着我国汽车和摩托车工业的持续发展，所需压铸模国产化的程度亦不断提高，汽车齿轮箱、离合器等有关零件的压铸模以及摩托车零件的压铸模，国内完全可以自制，替代进口。例如汽车发动机缸罩、盖板、变速器壳体和摩托车发动机缸体、齿轮箱壳体、制动器、轮毂等铝合金铸件压铸模等，我国均已能生产。例如宁波北仑地区的模具厂，在压铸模的制作和水平方面，进步较快，并以其交货快，价格竞争力强而占有市场的一定份额，已成为我国目前较大的压铸模生产基地。在压铸模制造中，目前已较普遍采用电火花加工机床，并且在一些大的工厂中开始应用CNC数控机床制造压铸模的主要部件，数控铣结合电加工已成为加工型腔、型芯的主要手段，从而提高了压铸模的制造精度与生产效率。但同时，我国压铸模生产仍然存在诸多问题，模具设计大多依靠设计人员长期以来积累的经验进行，缺乏与先进科学技术的结合，近年来开始尝试把计算机技术应用于设计中，但计算机辅助设计的应用仅限于绘图和简单的计算等，以至一套模具须经多次试模才能投入正常生产，新产品不但开发周期长，而且产品质量不易保证，废品率高，缺乏市场竞争力。我国压铸模生产状况与国外比较如表1。表1我国压铸模生产状况与国外比较项目国外国内压铸模型腔制造精度0.01~0.03mmRa0.20~0.10μm0.02~0.05mmRa0.40~0.20μm压铸模生产周期（中型压铸模）2~3个月3~6个月压铸模寿命锌、锡压铸模100~300万次20~30万次铝压铸模100万次以上20万次铜压铸模10万次0.5~1万次黑色金属压铸模0.8-2万次1500次我国压铸模的设计、制造与国外相比，仍有较大差距，反映在以下几个方面：（1）压铸模使用寿命短。目前我国设计的压铸模具普遍存在模具寿命偏低的问题，以大、中型铝合金压铸模为例，国产模具的使用寿命一般在3~8万次之间，平均6万次，有的甚至3万次都不到，而国外生产的同类模具的使用寿命可以达到10~15万次。模具使用寿命偏低，直接导致了生产效率的下降和产品成本的提高。随着车辆和电机等产品向轻量化发展，压铸模的比例将不断提高，同时对压铸模的寿命和复杂程度将提出越来越高的要求。（2）外观质量不理想。国产压铸件往往线条不清晰，水流纹不理想，表面粗糙度差。与进口压铸件对比，差距明显；（3）模具可靠性较差。传统的压铸模设计方法设计的模具可靠性较差，一般需经反复调试才能正式投入使用。（4）生产率低。由于国产模具使用可靠性不稳定，生产中故障多，返修量大，班产量不如进口模具高。（5）一些大型、精密压铸模具及压铸设备还需要依赖进口，例如大型汽车零件压铸模，国内基本上还不能自行制造，主要依靠进口。铜合金、镁合金压铸模亦是薄弱环节。（6）压铸模标准化程度低。模具标准化是现代模具设计与制造的基础。推行模具标准化是实现模具合理化生产必备条件。模具标准化和专业化对缩短模具制造周期、提高产品质量以及降低生产成本都有重要的作用。我国模具标准化和专业化程度近年来虽然有一定的提高，但与国际水平相比仍相差甚远。日本、美国模具的平均生产周期已缩短到1.5~2.5个月，而我国模具的平均生产周期在4~5个月以上，其主要原因之一是模具标准化程度和水平不高！据统计，目前国内模具的标准化程度只有30％左右，专业化生产才刚刚起步，生产供应的标准件品种、规格不齐，质量不高，不能满足互换性要求，从而造成我国模具生产水平，仍基本上处于极不合理的单件生产状态。而美国模具产业的标准化程度为70％，专业化程度为99％。在这方面，我国的设计人员对塑料模、冲压模的研究还比较多，对于压铸模的专业化、标准化的研究则相对较少。2模具CAD/CAE/CAM概述CAD/CAE/CAM（简称3C）是一种新兴的综合性计算机应用技术。它以计算机作为主要技术手段，处理各种数字信息与图形信息，辅助完成产品设计、分析模拟、评价与制造中的各项活动。当今用户对模具制造的要求是“交货期短”、“精度高”、“质量好”、“价格低”。如何在最短的时间内、以最低的成本生产出优质压铸件，提高产品竞争力，已成为企业的迫切任务。利用以计算机为代表的高新技术，促进压铸业的技术改造与进步，使压铸生产正在从主要依靠经验走向科学理论指导生产的阶段，已成为必然的发展趋势。模具CAD/CAE/CAM技术，在国外的模具企业中使用已很普及。实践证明，模具CAD/CAE/CAM技术是当代最合理的模具生产方式，是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程，是模具技术发展的一个重要里程碑。3压铸模CAD/CAE/CAM研究现状、存在的问题及发展对策3.1研究概况由于每副模具是特定产品零件生产用的专用工装。因此，模具设计是随着工业产品零件的形状尺寸与尺寸精度，表面质量要求，以及其成型工艺条件的变化而变化的。所以，每副模具都必须进行创造性的设计。可见，模具设计是具有相当技术含量的脑力劳动。同时，设计工作量也相当大，若采用传统设计方法，也是繁重的体力劳动。如一辆新型轿车投产需配套2000副以上各类专用模具；一个型号的摩托车共需要模具近1000副，一台冰箱投产需配套350副以上各类专用模具；一台洗衣机投产需配套200副以上各类专用模具。所以，采用传统设计方法，采用经验设计和人工设计图样，实践证明，不仅达不到精确、优化设计要求，而且设计周期很长；同时，由于模具和制造之间的关系密切，可以说，模具制造是模具设计的延续，是验证设计正确性的过程。而采用人工设计方法不可能实现模具设计与制造一体化，必将造成设计与制造脱节，使设计质量不高，不精确、不可达到优化设计的要求。随着近无余量铸造技术的发展，压铸件的应用范围日益扩大，压铸模的设计和制造任务也日益繁重。由于压铸模设计的复杂性，使其不仅设计周期长，而且对设计人员的要求高，因而设计人员的培养时间也长。这些都有碍于产品的更新换代，有碍于企业竞争力的提高。压铸模CAD/CAE/CAM技术就是为适应这种形势而发展起来的。压铸模CAD/CAE/CAM技术的使用，不仅缩短了压铸模设计与制造周期，优化了设计，提高压铸模质量、延长压铸模使用寿命、降低生产成本、提高产品竞争力，而且促进了设计标准化、数据库化。因此，最近无余量铸造的发展方向之一，它在现代压铸生产中愈来愈受到压铸工作者的重现。国外模具CAD/CAE/CAM系统的发展已有20多年历史，且发展速度极快。相对而言，压铸模CAD/CAE/CAM系统起步较晚，只有10多年的历史，但由于可以借鉴其它模具CAD/CAE/CAM的经验，发展速度也相当快——经历了由低级到高级、由研究到应用的过程。不过，建成的系统不多，迄今为止，还没有建成一个完善的系统。我国近几年已有一大批模具企业推广应用计算机技术，特别是以生产家用电器的企业为代表，陆续引进了相当数量的CAD/CAE/CAM系统。如美国EDS公司的UG；美国PTC公司的Pro/Engineer；美国CNC公司的MasterCAM；英国Deltacam公司的DUCT5；以色列的Cimatron；以及美国AC-Tech公司的C-Mold；法国MatraDataVision公司用于汽车及覆盖件模具的Euclid-IS等专用软件；德国MAGMA公司的MAGMASOFT用于压铸模的专用软件。这些系统与软件的引进，虽花费了大量资金，但在我国模具行业中，实现了CAD/CAE/CAM的集成，从模具图的生成到模具加工的自动编程，并能运用CAE技术对成型进行计算机模拟等，取得了一定的技术经济效益，促进与推动了我国模具CAD/CAE/CAM技术的发展。（1）压铸模CAD技术压铸模CAD，使用计算机可进行辅助设计师完成产品的全部设计过程，最后输出满意的设计结果和产品图样。采用计算机进行辅助设计，可以改变传统的经验设计方法，由静态设计分析向动态设计分析过渡，由可行性设计向优化设计过渡。利用计算机辅助人们完成设计任务，可以发挥人和计算机各自的优势，有效地提高工作效率和质量。近年来，国内外对压铸模CAD开展了大量工作，并和CAM结合以代替传统的手工设计和制造，同时配合CAE辅助工程，既可大大缩短压铸模生产周期，又可减轻劳动者的工作强度，提高压铸模的设计质量，降低成本，最终提高企业的竞争力。初期的压铸模CAD，只对压铸工艺参数进行选择，仅利用了计算机的计算功能，减轻了设计人员的劳动强度。随着计算机软硬件技术的高速发展，压铸模CAD技术也跨上了新的台阶。国外较高级的压铸模CAD系统，除了对压铸模设计参数进行计算、选择外，还可以自动生成图形、输出图形，并能进行压铸过程模拟与分析及输出数控加工纸带，形成CAD/CAM系统。国内压铸模CAD研究工作起步较晚，但很多单位开展了研究。国外研究的几类软件，国内也已开展工作，但尚无综合性软件投入生产使用，多数着重于在开发花费较小的压铸模具专用中小系统。1986年，我国通过机械工业部设立的共性技术基金项目，开始了对压铸基础工艺的计算机辅助设计研究。首先对在生产上有指导意义且可为以后的深入研究奠定基础的项目——压铸机选型、压铸件报价、压铸模基本构件、浇道系统及基础工艺参数选择等项目进行了探索。20世纪90年代，在压铸模计算机辅助设计方面的工作有了新的进展。其中，太原机械学院的系统软件由四部分组成：操作系统、图形软件、数据库和应用程序，具有一定的实用性；华南理工大学和东南大学联合开发的“压铸工艺参数及缺陷判断的专家系统”，具有一定的综合优化作用；哈尔滨科学技术大学提出的“压铸模CAD系统”，有人认为是一种较为理想的压铸模CAD系统模式；华中科技大学从1993年开始的压铸模CAD/CAM系统的研究，取得了较好的效果；东风汽车公司也同期开展了这方面的工作，取得了一定进展。不同的软件性能不完全相同，但多采用二次开发的手段，在PC机上运行，辅助设计的内容一般为：在输入铸件具体形状、尺寸、合金种类后，可估算出铸件体积与质量，选择压铸机，设计浇注系统、型腔、抽芯机构、模板、推出机构、定位装置，并选择材质，最后绘制出模具图纸。这些软件已分别应用在一些压铸模的设计中。（2）压铸模CAE技术压铸模CAE和CAD是紧密相联的，CAE要利用CAD阶段得到的型腔数据和模具结构，结合压铸机参数、压铸工艺参数、压铸材料和模具材料的性能指标等进行分析计算，得到分析结果又反过来指导设计人员修改设计方案直至合理。目前专门针对压铸模的CAE软件还比较少，压铸模CAE目前主要以压铸件充型的流场数值模拟、压铸模/压铸件温度场模拟、压铸模/压铸件应力场数值模拟为主。模具设计水平除