試析模具的制造及CAD/CAE技術的應用
[摘要] 為一種高附加值和高技術密集型產(chǎn)業(yè),模具工業(yè)已成為當今工業(yè)發(fā)展的基礎。而模具工業(yè)發(fā)展的關鍵主要依靠先進技術的應用,本文在介紹了模具制造技術的性質和特點的同時,試析現(xiàn)代模具設計、制造中應用的各種先進制造及CAD/CAE技術的應用,揭示了當前模具制造領域的發(fā)展方向。
[關鍵詞] 具制造設計 CAD/CAE技術
一、模具制造技術的性質和特點
模具的制造和使用方式形式多樣,技術含量高,生產(chǎn)工藝獨特,所牽系的生產(chǎn)要素多,應用范圍廣等幾方面。除此之外,模具制造技術對生產(chǎn)者的業(yè)務能力和職業(yè)素質都有很高的要求。模具制造技術具有以下兩個方面的原因特點:一,模具是單件生產(chǎn)的產(chǎn)品,即模具是根據(jù)成品之間的結構要求進行和制造的專用成型工具; 二,模具制造的關鍵主要是制造凸模、凹模及相關成型零件的專門工藝,以及模具制造工藝過程的優(yōu)化設計與高度節(jié)約問題。
二、模具設計,加工的幾種技術
1.高速加工技術
高速加工概念起源于德國切削物理學家Carl Salomon,他認為在常規(guī)切削范圍內切削溫度隨著切削速度的增大而升高,當切削速度達到臨界切削速度后,切削速度再增大,切削溫度反而下降,從而大大地減少加工時間,成倍地提高機床的生產(chǎn)率。高速加工的特點及在模具工業(yè)中的應用:
加工效率高由于切削速度高,進給速度一般也提高5-l0倍,這樣,單位時間材料切除率可提高3-6倍,因此加工效率大大提高;切削力小高速加工由于切削速度高,切屑流出的速度快,減少了切屑與刀具前面的摩擦,從而使切削力大大降低;熱變形小高速加工過程中,由于極高的進給速度,95%的切削熱被切屑帶走,工件基本保持冷態(tài),這樣零件不會由于溫升而導致變形;加工精度高高速加工機床激振頻率很高,已遠遠超出“機床-刀具-工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍, 這使得零件幾乎處于“無振動”狀態(tài)加工,同時在高速加工速度下,積屑瘤、表面殘余應力和加工硬化均受到抑制,因此用高速加工的表面幾乎可與磨削相比。
另外,簡化工藝流程由于高速銑削的表面質量可達磨削加工的效果,因此有些場合高速加工可作為零件的精加工工序,從而簡化了工藝流程,縮短了零件加工時間。高速加工是以高切削速度、高進給速度和高加工精度為主要特征的`加工技術。其工件熱變形小,加工精度高,表面質量好;非常適合模具加工中的薄壁、剛性較差、容易產(chǎn)生熱變形的零件,可以直接加工模具中使用的淬硬材料,特別是硬度在HRC46～60范圍內的材料。
2.逆向工程技術
按照傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程,開發(fā)過程是市場調研一概念設計一總體設計一詳細設計一制定工藝流程一設計工裝夾具一加工、檢驗、裝配及性能測試一完成產(chǎn)品。即從“設計思路一產(chǎn)品”的產(chǎn)品設計過程,這被稱為正向工程或順向工程。模具工業(yè)中的逆向T程應用大致可分為以下幾種情況:
在沒有設計圖樣以及設計圖樣不完整或沒有CAD模型的情況下,在對零件原型進行測量的基礎上形成零件的設計圖樣或CAD模型;某些難以直接用計算機進行三維幾何設計的物體,目前常用黏土、本材或泡沫塑料進行初始外形設計,再通過逆向工程將實物模型轉化為三維CAD模型;人們經(jīng)常需要對已有的產(chǎn)品進行局部修改。原始設計沒有三維cAD摸的情況r,應用逆向工程技術建立C A D模型,再對CAD模型進行修改,這將大火縮短產(chǎn)品改型周期,提高生產(chǎn)效率。
三、CAD/CAE技術的應用
模具設計是隨工業(yè)產(chǎn)品零件的形狀、尺寸與尺寸精度、表面質量要求以及其成型工藝條件的變化而變化的,所以每副模具都必須進行創(chuàng)造性的設計。模具設計的內容包括產(chǎn)品零件成型工藝優(yōu)化設計與力學計算和尺寸與尺寸精度確定與設計等,因此,模具設計常分為制件工藝分析與設計、模具總體方案設計、總體結構設計、施工圖設計四個階段。CAD/CAE,計算機輔助設計和輔助工程,它包括概念設計、優(yōu)化設計、有限元分析、計算機仿真、計算機輔助繪圖和計算機輔助設計過程管理等。應用CAD技術可以設計出產(chǎn)品的大體結構,再通過CAE技術進行結構分析、可行性評估和優(yōu)化設計。采用模具CAD/CAE集成技術后,制件一般不需要再進行原型試驗,采用幾何造型技術,制件的形狀能精確、逼真地顯示在計算機屏幕上,有限元分析程序可以對其力學性能進行檢測。借助于計算機,自動繪圖代替了人工繪圖,自動檢索代替了手冊查閱,快速分析代替了手工計算,使模具設計師能從繁瑣的繪圖和計算中解放出來,集中精力從事諸如方案構思和結構優(yōu)化等創(chuàng)造性的工作。在模具投產(chǎn)之前,CAE軟件可以預測模具結構有關參數(shù)的正確性。
目前,世界上大型的CAD/CAE軟件系統(tǒng),如Pro/ENGINEER、UG、Solidworke、Alias等,都提供了有關產(chǎn)品早期設計的系統(tǒng)模塊,我們稱之為工業(yè)設計模塊或概念設計模塊。例如,Pro/ENGINEER就包含一個工業(yè)設計模塊——ProDesign,用于支持自上而下的投影設計,以及在復雜產(chǎn)品設計中所包含的許多復雜任務的自動設計。此模塊工具包括概念設計的二維非參數(shù)化的裝配布局編輯器。這些系統(tǒng)模塊的應用大大減少了設計師的工作量,節(jié)約了工作時間,提高了工作效率,使設計師把更多的精力用在新產(chǎn)品的開發(fā)及創(chuàng)新上。
四、結束語
隨著時代的發(fā)展,模具制造業(yè)全球化是發(fā)展的必然趨勢,其競爭不斷加劇,使當前模具制造業(yè)面臨極大的挑戰(zhàn),這一挑戰(zhàn)主要來源于市場和技術兩大方面。每個技術單元同時面向市場和合作伙伴,必須靈活地進行重組和集成,達到優(yōu)勢互補。高速切削、逆向工程、快速成形技術與CAD/CAE/CAM/RP虛擬環(huán)境的集成可使設計概念轉換為產(chǎn)品的時間縮短幾倍乃至幾十倍,構成一個快速產(chǎn)品開發(fā)及其模具制造的綜合系統(tǒng),可以實現(xiàn)從產(chǎn)品的設計、分析、加工到管理的靈活經(jīng)濟的組織方式,應用CAD/CAE技術,推動模具制造技術快速發(fā)展。
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