数字化在冲压模具设计中应用

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摘要：冲压模具是冲压加工生产的核心部件，工艺技术要求极高。在冲压模具设计制造中应用数字化技术，可以提高冲压模具设计制造的效率和精度，降低生产成本。因此，分析数字化技术在冲压模具设计制造中的应用现状和应用优势。

关键词：数字化技术；冲压磨具；设计制造

冲压加工生产是利用安装在压力机上的冲压模具对金属或非金属材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件的一种压力加工方法，在以航空制造、汽车制造和医疗器械制造等为代表的机械制造行业被广泛采用[1]。冲压模具是冲压加工生产中最关键的部件，其设计和制造水平是国家制造业发展水平的重要标志。先进的数字化技术在冲压模具的设计和制造过程中的应用，可以提升冲压模具的设计与制造水平，为企业创造更大的经济效益，为行业发展注入新的动力。

1数字化技术在冲压模具行业应用的意义

现阶段，我国大约有50%的大型、精密以及复杂的高技术含量的模具需要依赖进口。我国与其他国家在冲压模具方面的差距主要表现在模具产品的精度、寿命、制造周期、使用稳定性以及可靠性等方面。目前，我国传统模具企业在技术上过度依赖钳工。但是，以钳工为核心的生产管理模式无法跟上时代的发展，无法满足企业激烈竞争和产品更新换代加快的需要。所以，越来越多的模具企业开始采用CAE分析、CAD精细模面设计、CAD三维结构设计、CAM全数字化高速加工和CAD/CAE/CAM一体化集成系统等数字化技术。实现模具设计制造的并行化、数字化和集成化，有助于推动企业从传统生产型向智能制造型转化，还能推动行业向周期更短、品质更高以及成本更低的方向发展。

2数字化技术在冲压模具设计与制造中的应用

冲压模具设计制造数字化是利用计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）、计算机辅助分析（ComputerAidedEngineering，CAE）、计算机辅助工艺设计（ComputerAidedProcessPlanning，CAPP）、计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）以及产品数据库管理（ProductDataManagement，PDM）等相关软件和系统，实现系统集成的一项技术。它可以实现冲压模具产品的全数字化开发制造，提高企业对冲压模具新产品的开发能力和对市场需求的快速反应能力。

2.1冲压模具设计中的数字化应用

目前，模具企业常用的CAD软件有UG、Pro/E等[2]。CAE软件有Dynaform和Autoform等。借助先进的CAD和CAE技术，模具工程师可以对全三维化的模具复杂运动过程进行仿真模拟分析，从而确保机构运动协调，减少模具的设计问题，降低生产成本。此外，模具工程师也可以对产品的数模进行仿真模拟分析，对产品进行相应的修正和调整，从而减少常见的产品开裂、起皱以及回弹等问题，降低制造成本。模具数字化设计主要包含工艺方案设计和结构设计两部分。合理的工艺方案设计是模具设计制造的基础，对产品的质量、成本和制造周期有很大影响[3]。第一，通过对模具冲压工艺方案的优化设计，可以减少模具制造的工序和数量，实现集约化生产，使模具成本和冲压生产成本降低25%～50%。第二，可以综合零件成形性、材料变薄率和零件精度等因素，对模面做变间隙处理，减少模具加工时间和钳工研配时间，降低调试难度，确保研配质量，提高零件精度。第三，整体隆起变形补偿技术可以保证大尺寸零件的品质。有些零件拉延成形后整体刚性差，零件顶面容易发生塌陷，可使用Dynaform等CAE软件完成板料的成形工艺分析，为模具的重构加工数模提供板料变形状态数据，并从CAE参数中得到自动回弹补偿的模面，且保持和原先曲面模型相同的拓扑。第四，实现逆向工程技术设计，缩短产品的设计和开发周期，加快产品的更新换代速度。模具的结构设计决定着模具的功能、结构、尺寸、质量以及强度等。数字化模具结构设计的应用主要体现在以下几个方面[4]。第一，创建三维实体。创建三维实体能够直观反映设计的真实状态，通过运动模拟和干涉检查等分析手段，在设计阶段就能发现以往在生产制造中才能发现的问题，从而降低模具制造的成本。第二，建立模具标准化资料库。建立模具标准化资料库有效缩短了模具的设计周期，提高了模具质量。模具设计资料库包含标准件数据库、冲压设备数据库、典型结构数据库及基本结构数据库等。第三，进行自动冲压过程仿真。通过冲压过程仿真可以直观看到整个过程中各部件的位置关系，输出干涉曲线，发现设计中可能存在的问题，从而及时进行结构优化或调整修改，避免模具在线调试和生产时产生干涉，达到降低模具调试成本、缩短生产周期的目的。

2.2冲压模具制造中的数字化应用

数字化技术是模具制造中的一项重要技术。随着计算机技术的发展，数字化技术的应用越来越广泛。近年来，信息技术不断与制造技术相融合，模具企业开始逐步采用CAM技术[5]。CAM技术在模具企业中的应用通常是根据CAD模型自动生成零件加工的数控代码，对加工过程进行动态、干涉和碰撞检查模拟。常见的CAM流程如图1所示。图1计算机辅助制造流程示意图冲压模具数字化制造的应用主要表现在以下几个方面。第一，建立加工模板和参数库。模具制造技术需要日积月累的沉淀，通过资深工程师建立加工模板和数据库，能让新技术员应用成功的经验快速编写成一些相对简单的程序。在编程规范中，应明确机床的型号、刀具的选择、走刀方向以及加工余量等切削参数和不同形状特征所采取的加工工艺[6]。第二，通过白光扫描技术建立合理的坯料模型。利用特有的数码点和参考点构建一个完整的坐标定位系统，然后根据光学拍照定位技术和光栅测量原理，在短时间内获得工件表面在坐标定位系统中的完整点云，称为白光扫描技术[7]。由于原材料和铸造工艺等因素，模具的毛坯铸造精度较差，模具毛坯和模具的理论数模经常出现偏差，导致加工时发生撞刀或者撞机。白光扫描技术可将加工前的毛坯扫描成型，方便地与三维模型进行比对，便于CAM工程师提前发现加工铸件的干涉、余量异常以及铸造缺陷等问题，从而规避模具制造的事故风险，保证加工制造顺利完成。第三，可以仿真模拟加工。大型模具的结构通常很复杂，加工中刀具或主轴容易与工件发生干涉，导致模具和机床损伤，影响模具的生产周期。因此，为确保模具制造中的安全性和加工质量，工程师结合现有的机床设备建立了相应的参数库、刀具库和主轴库等[8]。在程序编制完成后，调用相应的机床数据库进行仿真模拟，即可验证程序是否准确，并对干涉区域进行修正和优化，从而保证零件在加工时的正确性和安全性。第四，方便在机检测。在机检测系统是在机床上利用测头对工件进行检测的一种测量方式，目的是对工件加工前、加工过程中以及加工完成后进行监测，防止人为误操作，从而有效提高加工质量及效率。例如，在模具加工完成后，传统的检测模式是将模具转运到三坐标测量机上进行复检。这种方式虽然精确但是费时费力。现在可以使用在机检测的方法对加工完的模具进行自动检测，并出具检验报告，减少了工件的转运时间，提高了检测效率。

3数字化技术在冲压模具设计与制造中应用的优势

数字化技术在冲压模具设计制造中的应用，可以优化产品功能，提高制造的智能化水平，缩短产品的设计周期，实现生产过程的自动化，提高效率，降低成本。同时，它可以集成企业各类信息，提高企业管理水平和竞争力，有利于行业内的信息互通互连，实现资源共享。随着我国数字化技术在冲压模具制造中的应用越来越广泛，它的作用和优势也会越来越明显。

4结语

冲压模具设计与制造数字化能促进时代的发展。企业要获得竞争优势，先要考虑如何提高冲压模具设计与制造的品质。企业可以借助数字化技术实现高效的设计与加工，从而缩短整个设计的制造时间，既满足企业的创新需求，又符合市场变化规律，有利于促进行业的发展和进步，使冲压模具从传统意义上的机械制造逐步转向智能制造。

作者:姚鸿俊 单位:上海晨光文具股份有限公司