數字化技術在沖壓模具設計與制造中的應用

　　近年來，伴隨著我國航空制造業和汽車工業的迅猛發展，沖壓模具每年都在以20%的增速發展。沖壓模具是沖壓生產必不可少的工藝裝備，是技術密集型產品。沖壓件的質量、生產效率以及生產成本等與模具設計和制造有直接關系。如在一個車型生命中，周期最短、變化最頻繁的是車身，車身開發的關鍵在于車身沖壓模具的設計和制造，約占汽車開發時間的2/3，是制約新車型快速上市的關鍵因素。

　　在我國，進口模具占據了國內中高端模具市場的50%左右。以大型、精密、復雜為代表的高技術含量模具方面與國際先進水平相比，我們尚有5~10年左右的差距。在沖壓模具制造行業內，差距主要表現在精度、壽命、制造周期及使用穩定性和可靠性等方面，模具數字化設計制造技術的落后是造成產品落后的最主要原因之一。如何在有限的研制周期內交付給用戶高質量模具，需要沖壓模具企業從技術和管理上進行改進。模具數字化設計制造及企業信息化管理技術(包括數字化設計、加工、分析以及制造過程中的信息管理，即模具的CAD/CAE/CAM/DNC技術)是國際上公認的提高模具行業整體水平的有效技術手段，能夠極大地提高模具生產效率和產品質量，并提升企業的綜合水平和效益。

　　模具數字化設計與制造中的關鍵技術

　　隨著數字化技術的快速發展和普及，數字化已經應用到了模具制造的全過程。模具數字化技術是制約沖壓模具開發的一個重要因素。模具的數字化技術，就是計算機技術或計算機輔助技術在模具設計制造過程中的應用。總結國內外沖壓模具企業應用計算機輔助技術的成功經驗，根據沖壓模具制造流程，數字化沖壓模具技術主要體現在4個方面。

　　1、沖壓成形CAE技術在產品設計同步工程的應用

　　同步開發中沖壓工藝貫穿于新產品的全過程，從了解產品的工藝，到產品的沖壓工藝性分析，再到模具的開發都需要沖壓工藝人員的全程參與。沖壓CAE技術是從沖壓成形過程的實際物理規律出發，借助計算機真實地反映模具與板料的相互作用關系及板料實際變形的全過程。

　　隨著非線性理論、有限元方法和計算機硬件的迅速發展，板料沖壓成形過程的CAE分析技術經過長期的發展已經進入工業使用階段，并形成了一些通用或專用的軟件，如AutoForm/PAM-STAMP等。這些軟件提供以下分析和模擬結果：材料的流動、厚度的變化、破壞、起皺、回彈，以及殘余應力和應變。利用CAE技術在產品概念設計階段就可使模具企業對產品每一個零件的成形性、工藝性提出迅速、準確的預見。在極短的時間內對零件的外形提出評估意見，給出準確翔實的分析報告，包括數模修改依據、修改方法以及對后續工序的影響，作為結構設計部門對產品進行改進或方案確定的依據。

　　2、基于模塊化的快速設計系統

　　對于沖壓模具來說，結構設計往往占了設計工作量的很大一部分。隨著計算機技術的快速發展，CAD/CAE/CAM一體化技術得到了廣泛應用。而沖壓模具CAD技術在國內的應用，仍然停留在依靠模具設計人員的經驗，在通用CAD軟件系統上進行交互繪圖和造型的層次上，從而不能及時發現設計過程中的缺陷，延長了模具的設計周期，在某種程度上也影響了設計質量。基于UG/PROE等一系列計算機數字化造型軟件使模具的參數化模塊設計讓“模具快速設計”成為可能。要進行模具的參數化模塊設計，標準件庫和模板是基礎。通過軟件，將導柱、導板、沖頭等一系列的標準件統計入庫，以便設計時調用;同時，根據不同的零件把其相應的模具結構參數化制作成模板，同樣入結構庫。在拿到模具設計任務后，預先消化任務要求(生產廠家要求、沖壓要求);其次結合現場實際生產經驗，調用模具結構庫，進行初設計;再次進行模面設計，再進行調用標準件庫，組裝標準件;最后合裝成一套完整模具。通過參數化模塊設計實現典型結構模板化和重復工作智能化。

　　(1)典型結構模板化。基于模板化的思想，將沖壓模具各種典型的結構進行分類總結，提取其中可實現參數化控制之處，生成智能化模板在整個設計的建模過程中予以應用。

　　(2)重復工作智能化。將設計過程中的重復工作，通過載入智能化模板和二次開發工具來達到縮短設計周期的目的。

　　3、參數化程編實現模具的高速加工

　　隨著模具制造節奏的加快，數控加工已由單純的型面加工發展到型面和結構面的全面加工，由中低速加工發展到高速加工。高速加工技術應用于模具制造業中主要有如下優點：(1)小切深、高進給;(2)改善工件加工表面質量，減少打磨;(3)精度提高，減少試模工作量;(4)使用小刀具加工模具細節，減少刀具規格。降低使用費用;(5)以高精度、大進給的方式完成淬火鋼的精加工，且達到很高的模具表面質量，可以減少傳統加工因精加工后再淬火引起模具變形，從而替代某些工藝。

　　高速加工技術應用模具制造主要涉及機床、刀具和數控編程3個方面，具體工作流程如圖2所示。要實現模具安全、高效的加工，更安全的走刀軌跡和合理的加工策略就顯得尤為重要。將使用的刀具和機床設備按實物尺寸做成刀具庫和機床庫，再將不同零件的技術要求羅列成庫(零件庫)，3個庫的數字參數值整理整合到程編軟件中做成CAM加工模板，數控程編就會更安全、快速。

　　4、數字化裝配技術在模具調試中的應用

　　模具的裝配方法一般分為4種：互換裝配法、分組裝配法、修配裝配法和調整裝配法。最早，模具在加工中心加工完后，現場的裝配多采用分組裝配法：工人直接參考2D零件裝配圖精導柱導板零件進行分類，然后按先裝導板后裝導柱的先后順序來進行模座其他零件的裝配，裝配好后直接進行精加工，精加工后也沒有對單件狀態的導柱精度/導滑面位置度沒有進行有效對比和檢查，這樣，在單件精加工完后，上下模座合模，發現上下模座導向偏差很大，導致導柱導板拉傷，標準件損壞。

　　現在，將模具單件進行精加工后在線測量(OMV)的測量結果(比如上模座的導柱導向數據和下模座的導柱導向數據)在軟件里面進行記錄和統計，進行對比，發現超差馬上進行更改。圖3為某項目發動機引擎蓋內板拉延模上下模座在加工完后的測量誤差分布圖。根據這樣的測量結果就可以對上下模座合模之前誤差較大區域進行整改，保證導向間隙，并保證模具合模質量。

　　目前，一些歐美國家的模具制造可以直接采用修配裝配法(在裝配時修去指定零件上的預留修配量以達到裝配精度的方法，稱為修配法)進行模具的裝配。他們通過測量數據，直接配磨導板或其他零件保證導向間隙或裝配質量的方式進行合模裝配。這種方法提高了模具的合模進度，為后續模具的調試贏得了周期。以測量數據為依據，應用軟件進行分析處理，這種修配裝配法的方式應該會成為以后模具發展的趨勢。

　　沖壓模具企業信息化體系

　　數字化技術在沖壓模具制造行業的應用越來越廣泛，它是集管理、設計、分析、制造、檢測等模具制造整個生命周期內各個環節一體化的綜合應用技術，要有效地管理各個環節，需依靠企業信息化建設。

　　企業信息化的應用可以簡單概括為2方面，即技術管理信息化和生產管理信息化。技術管理信息化指的是基于PDM/CAPP的CAD/CAE/CAM技術的應用，實現模具設計、制造仿真的信息化或數字化;生產管理信息化則以ERP/MES系統為代表，技術管理的信息化是生產管理信息化的基礎。

　　通過該體系架構優化產品開發模式與流程，實現產品數據的統一管理與共享、設計知識和加工工藝知識的積累和重用;建立以車間作業調度為核心，實時采集生產過程中的進度、質量、物料信息的生產過程體系。通過系統的手段，把模具企業上下游業務過程、技術溝通過程及模具企業內部業務管理過程，以信息化的形式固定下來，從而充分挖掘企業潛力，提高企業資源的利用效率以及企業的快速響應能力，最終把模具企業的管理人員從煩瑣的事務中解放出來。

　　1、建立以模具結構為中心的產品數據組織模式，保持產品數據一致性

　　采用PDM/CAPP來管理所有模具的各類檔案，并在系統中建立各類模具的BOM結構，同時將與模具零件相關的各類文件，如主機廠過來的數模、設計任務書、模具三維模型、檢具數據、更改單等與產品結構關聯起來。設計工程師可以通過輸入零件圖號、零件名稱等手段來查詢所需的技術資料，也可以通過逐層展開產品結構來獲取產品資料，在查詢過程中設計工程師無需了解文檔存放的物理位置，即可在短時間內查找到所需的產品文檔。

　　采用PDM/CAPP系統，將所有的模具設計資料統一管理在結構化數據庫中，系統將自動保持模具數據同步，保證了模具數據的唯一性和及時性。設計工程師及下游其他部門可以通過PDM/CAPP系統隨時獲取最新的模具資料和歷史檔案，并可保證數據的一致性。

　　2、建立以項目進度采集與控制為核心的項目管理平臺，優化車間調度管理

　　模具企業的車間管理是一大難題，生產管理是典型的按照單一訂單實現的項目，每付模具從接單、設計到生產、調試都體現出其獨立性，都需要專門的項目負責人進行進度采集與控制管理。由于每個項目包含幾十甚至上百套模具，每套模具需要幾個月的時間，需要同時監控十幾個設計、制造和交付節點，模具項目的進度采集和管理是一件復雜繁瑣的工作。采用ERP/MES系統，實現在統一平臺上進行訂單管理(業務錄入)、計劃排產、物料跟蹤、生產調度等功能的方式，通過與計劃層的管理系統(ERP)和控制系統(MES)的集成，將計劃、生產與控制緊密聯系起來，從而在計劃層和控制層之間建立了一座溝通的橋梁和紐帶。將模具項目計劃中的每個節點，作為數據采集與控制的節點，實現車間管理的優化調度。

　　3、建立基于數據庫的知識管理體系，共享知識傳承

　　沖壓模具行業是一個很依賴“經驗”的行業，國外各大公司都形成有自己的模具設計、工藝流程和生產參數數據庫。通過搭建一個集整個模具的設計、工藝和制造能相互對接的CAD、CAPP和CAM系統的集成化平臺，形成一個統一的數據管理系統，有效管理企業的沖壓工藝與結構設計庫、典型工藝庫及調試問題記錄等信息，積累模具開發經驗，實現企業智力資產的積累。

　　4、建立電子化流程，實現過程的可追溯性

　　在PDM/CAPP系統中建立相關文檔的電子審批/發放流程模型，所有被審批的電子文檔自動在流程中根據審批表決規則進行流動，流程自動將審批任務分發給相關人員。參與不同審批環節的審批人員可在電子化的流程中進行表決，如同意、反對或棄權等，并可輸入表決意見。系統將記錄整個審批過程的信息，審批通過的文檔將自動變為正式發放的文檔，從而實現過程的可追溯性。

　　結束語

　　綜上所述，我國的沖壓模具企業已經開始將先進的數字化技術應用于模具制造中，而且近幾年發展迅速，部分企業已經開始到歐美市場承接訂單。但是，數字化技術的普及在我國還有待深入，我們的沖壓模具行業發展水平，尤其是復雜、大型的中高檔沖壓模具與發達國家相比還有很大差距。應當大力開展模具數字化設計與制造技術的研究，使數字化技術普遍應用于模具工業，并用來改造傳統的模具工業，這是我國模具工業發展的大勢所趨。