數(shù)字化技術(shù)在沖壓模具設(shè)計與制造中的應(yīng)用

發(fā)布時間：

2018-07-05

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近年來，伴隨著我國航空制造業(yè)和汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，沖壓模具每年都在以20%的增速發(fā)展。沖壓模具是沖壓生產(chǎn)必不可少的工藝裝備，是技術(shù)密集型產(chǎn)品。沖壓件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)成本等與模具設(shè)計和制造有直接關(guān)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(fā)的關(guān)鍵在于車身沖壓模具的設(shè)計和制造，約占汽車開發(fā)時間的2/3,是制約新車型快速上市的關(guān)鍵因素。?　　在我國，進口模具占據(jù)了國內(nèi)中高端模具

數(shù)字化技術(shù)在沖壓模具設(shè)計與制造中的應(yīng)用

　　在我國，進口模具占據(jù)了國內(nèi)中高端模具市場的50%左右。以大型、精密、復(fù)雜為代表的高技術(shù)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(yè)內(nèi)，差距主要表現(xiàn)在精度、壽命、制造周期及使用穩(wěn)定性和可靠性等方面，模具數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的落后是造成產(chǎn)品落后的最主要原因之一。如何在有限的研制周期內(nèi)交付給用戶高質(zhì)量模具，需要沖壓模具企業(yè)從技術(shù)和管理上進行改進。模具數(shù)字化設(shè)計制造及企業(yè)信息化管理技術(shù)(包括數(shù)字化設(shè)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(shù))是國際上公認的提高模具行業(yè)整體水平的有效技術(shù)手段，能夠極大地提高模具生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，并提升企業(yè)的綜合水平和效益。

　　模具數(shù)字化設(shè)計與制造中的關(guān)鍵技術(shù)

　　隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展和普及，數(shù)字化已經(jīng)應(yīng)用到了模具制造的全過程。由圖1分析得知，模具數(shù)字化技術(shù)是制約沖壓模具開發(fā)的一個重要因素。模具的數(shù)字化技術(shù)，就是計算機技術(shù)或計算機輔助技術(shù)在模具設(shè)計制造過程中的應(yīng)用。總結(jié)國內(nèi)外沖壓模具企業(yè)應(yīng)用計算機輔助技術(shù)的成功經(jīng)驗，根據(jù)沖壓模具制造流程，數(shù)字化沖壓模具技術(shù)主要體現(xiàn)在4個方面。

1 沖壓成形CAE技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計同步工程的應(yīng)用

　　同步開發(fā)中沖壓工藝貫穿于新產(chǎn)品的全過程，從了解產(chǎn)品的工藝，到產(chǎn)品的沖壓工藝性分析，再到模具的開發(fā)都需要沖壓工藝人員的全程參與。沖壓CAE技術(shù)是從沖壓成形過程的實際物理規(guī)律出發(fā)，借助計算機真實地反映模具與板料的相互作用關(guān)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(fā)展，板料沖壓成形過程的CAE分析技術(shù)經(jīng)過長期的發(fā)展已經(jīng)進入工業(yè)使用階段，并形成了一些通用或?qū)Ｓ玫能浖?，如AutoForm/PAM-STAMP等。這些軟件提供以下分析和模擬結(jié)果：材料的流動、厚度的變化、破壞、起皺、回彈，以及殘余應(yīng)力和應(yīng)變。利用CAE技術(shù)在產(chǎn)品概念設(shè)計階段就可使模具企業(yè)對產(chǎn)品每一個零件的成形性、工藝性提出迅速、準(zhǔn)確的預(yù)見。在極短的時間內(nèi)對零件的外形提出評估意見，給出準(zhǔn)確翔實的分析報告，包括數(shù)模修改依據(jù)、修改方法以及對后續(xù)工序的影響，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計部門對產(chǎn)品進行改進或方案確定的依據(jù)[1]。

　　2 基于模塊化的快速設(shè)計系統(tǒng)

　　對于沖壓模具來說，結(jié)構(gòu)設(shè)計往往占了設(shè)計工作量的很大一部分。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展， CAD/CAE/CAM 一體化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。而沖壓模具CAD技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用，仍然停留在依靠模具設(shè)計人員的經(jīng)驗，在通用CAD軟件系統(tǒng)上進行交互繪圖和造型的層次上，從而不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程中的缺陷，延長了模具的設(shè)計周期，在某種程度上也影響了設(shè)計質(zhì)量?；赨G/PROE等一系列計算機數(shù)字化造型軟件使模具的參數(shù)化模塊設(shè)計讓“模具快速設(shè)計”成為可能。要進行模具的參數(shù)化模塊設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)件庫和模板是基礎(chǔ)。通過軟件，將導(dǎo)柱、導(dǎo)板、沖頭等一系列的標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)計入庫，以便設(shè)計時調(diào)用;同時，根據(jù)不同的零件把其相應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)參數(shù)化制作成模板，同樣入結(jié)構(gòu)庫。在拿到模具設(shè)計任務(wù)后，預(yù)先消化任務(wù)要求(生產(chǎn)廠家要求、沖壓要求);其次結(jié)合現(xiàn)場實際生產(chǎn)經(jīng)驗，調(diào)用模具結(jié)構(gòu)庫，進行初設(shè)計;再次進行模面設(shè)計，再進行調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件庫，組裝標(biāo)準(zhǔn)件;最后合裝成一套完整模具[2]。通過參數(shù)化模塊設(shè)計實現(xiàn)典型結(jié)構(gòu)模板化和重復(fù)工作智能化。

　　(1)典型結(jié)構(gòu)模板化。基于模板化的思想，將沖壓模具各種典型的結(jié)構(gòu)進行分類總結(jié)，提取其中可實現(xiàn)參數(shù)化控制之處，生成智能化模板在整個設(shè)計的建模過程中予以應(yīng)用。

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

　　3 參數(shù)化程編實現(xiàn)模具的高速加工

　　隨著模具制造節(jié)奏的加快，數(shù)控加工已由單純的型面加工發(fā)展到型面和結(jié)構(gòu)面的全面加工，由中低速加工發(fā)展到高速加工。高速加工技術(shù)應(yīng)用于模具制造業(yè)中主要有如下優(yōu)點： (1)小切深、高進給;(2)改善工件加工表面質(zhì)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(jié)，減少刀具規(guī)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(zhì)量，可以減少傳統(tǒng)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(shù)應(yīng)用模具制造主要涉及機床、刀具和數(shù)控編程3個方面，具體工作流程如圖2所示。要實現(xiàn)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(shè)備按實物尺寸做成刀具庫和機床庫，再將不同零件的技術(shù)要求羅列成庫(零件庫)，3個庫的數(shù)字參數(shù)值整理整合到程編軟件中做成CAM加工模板，數(shù)控程編就會更安全、快速。

4 數(shù)字化裝配技術(shù)在模具調(diào)試中的應(yīng)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(diào)整裝配法。最早，模具在加工中心加工完后，現(xiàn)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(dǎo)柱導(dǎo)板零件進行分類，然后按先裝導(dǎo)板后裝導(dǎo)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(tài)的導(dǎo)柱精度/導(dǎo)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(fā)現(xiàn)上下模座導(dǎo)向偏差很大，導(dǎo)致導(dǎo)柱導(dǎo)板拉傷，標(biāo)準(zhǔn)件損壞。

　　現(xiàn)在，將模具單件進行精加工后在線測量(OMV)的測量結(jié)果(比如上模座的導(dǎo)柱導(dǎo)向數(shù)據(jù)和下模座的導(dǎo)柱導(dǎo)向數(shù)據(jù))在軟件里面進行記錄和統(tǒng)計，進行對比，發(fā)現(xiàn)超差馬上進行更改。圖3為某項目發(fā)動機引擎蓋內(nèi)板拉延模上下模座在加工完后的測量誤差分布圖。根據(jù)這樣的測量結(jié)果就可以對上下模座合模之前誤差較大區(qū)域進行整改，保證導(dǎo)向間隙，并保證模具合模質(zhì)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(yù)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(shù)據(jù)，直接配磨導(dǎo)板或其他零件保證導(dǎo)向間隙或裝配質(zhì)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(xù)模具的調(diào)試贏得了周期。以測量數(shù)據(jù)為依據(jù)，應(yīng)用軟件進行分析處理，這種修配裝配法的方式應(yīng)該會成為以后模具發(fā)展的趨勢。

　　沖壓模具企業(yè)信息化體系

　　數(shù)字化技術(shù)在沖壓模具制造行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，它是集管理、設(shè)計、分析、制造、檢測等模具制造整個生命周期內(nèi)各個環(huán)節(jié)一體化的綜合應(yīng)用技術(shù)，要有效地管理各個環(huán)節(jié)，需依靠企業(yè)信息化建設(shè)。

　　企業(yè)信息化的應(yīng)用可以簡單概括為2方面，即技術(shù)管理信息化和生產(chǎn)管理信息化。技術(shù)管理信息化指的是基于PDM/CAPP的CAD/CAE/CAM技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)模具設(shè)計、制造仿真的信息化或數(shù)字化;生產(chǎn)管理信息化則以ERP/MES系統(tǒng)為代表，技術(shù)管理的信息化是生產(chǎn)管理信息化的基礎(chǔ)[3]。

通過該體系架構(gòu)優(yōu)化產(chǎn)品開發(fā)模式與流程，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與共享、設(shè)計知識和加工工藝知識的積累和重用;建立以車間作業(yè)調(diào)度為核心，實時采集生產(chǎn)過程中的進度、質(zhì)量、物料信息的生產(chǎn)過程體系。通過系統(tǒng)的手段，把模具企業(yè)上下游業(yè)務(wù)過程、技術(shù)溝通過程及模具企業(yè)內(nèi)部業(yè)務(wù)管理過程，以信息化的形式固定下來，從而充分挖掘企業(yè)潛力，提高企業(yè)資源的利用效率以及企業(yè)的快速響應(yīng)能力，最終把模具企業(yè)的管理人員從煩瑣的事務(wù)中解放出來。

　　1 建立以模具結(jié)構(gòu)為中心的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組織模式，保持產(chǎn)品數(shù)據(jù)一致性

　　采用PDM/CAPP來管理所有模具的各類檔案，并在系統(tǒng)中建立各類模具的BOM結(jié)構(gòu)，同時將與模具零件相關(guān)的各類文件，如主機廠過來的數(shù)模、設(shè)計任務(wù)書、模具三維模型、檢具數(shù)據(jù)、更改單等與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)起來。設(shè)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(shù)資料，也可以通過逐層展開產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來獲取產(chǎn)品資料，在查詢過程中設(shè)計工程師無需了解文檔存放的物理位置，即可在短時間內(nèi)查找到所需的產(chǎn)品文檔。

　　采用PDM/CAPP系統(tǒng)，將所有的模具設(shè)計資料統(tǒng)一管理在結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)將自動保持模具數(shù)據(jù)同步，保證了模具數(shù)據(jù)的唯一性和及時性。設(shè)計工程師及下游其他部門可以通過PDM/CAPP系統(tǒng)隨時獲取最新的模具資料和歷史檔案，并可保證數(shù)據(jù)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(yōu)化車間調(diào)度管理

　　模具企業(yè)的車間管理是一大難題，生產(chǎn)管理是典型的按照單一訂單實現(xiàn)的項目，每付模具從接單、設(shè)計到生產(chǎn)、調(diào)試都體現(xiàn)出其獨立性，都需要專門的項目負責(zé)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(jiān)控十幾個設(shè)計、制造和交付節(jié)點，模具項目的進度采集和管理是一件復(fù)雜繁瑣的工作。采用ERP/MES系統(tǒng)，實現(xiàn)在統(tǒng)一平臺上進行訂單管理(業(yè)務(wù)錄入)、計劃排產(chǎn)、物料跟蹤、生產(chǎn)調(diào)度等功能的方式，通過與計劃層的管理系統(tǒng)(ERP)和控制系統(tǒng)(MES)的集成，將計劃、生產(chǎn)與控制緊密聯(lián)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(jié)點，作為數(shù)據(jù)采集與控制的節(jié)點，實現(xiàn)車間管理的優(yōu)化調(diào)度。

　　3 建立基于數(shù)據(jù)庫的知識管理體系，共享知識傳承

　　沖壓模具行業(yè)是一個很依賴“經(jīng)驗”的行業(yè)，國外各大公司都形成有自己的模具設(shè)計、工藝流程和生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫。通過搭建一個集整個模具的設(shè)計、工藝和制造能相互對接的CAD、CAPP和CAM系統(tǒng)的集成化平臺，形成一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，有效管理企業(yè)的沖壓工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計庫、典型工藝庫及調(diào)試問題記錄等信息，積累模具開發(fā)經(jīng)驗，實現(xiàn)企業(yè)智力資產(chǎn)的積累。

　　4 建立電子化流程，實現(xiàn)過程的可追溯性

　　在PDM/CAPP系統(tǒng)中建立相關(guān)文檔的電子審批/發(fā)放流程模型，所有被審批的電子文檔自動在流程中根據(jù)審批表決規(guī)則進行流動，流程自動將審批任務(wù)分發(fā)給相關(guān)人員。參與不同審批環(huán)節(jié)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(quán)等，并可輸入表決意見。系統(tǒng)將記錄整個審批過程的信息，審批通過的文檔將自動變?yōu)檎桨l(fā)放的文檔，從而實現(xiàn)過程的可追溯性

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