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關鍵字： 模具軟件網絡化；逆向工程技術；加工 摘　要： 本文論述了目前國際和國內所使用的模具CAD/CAE/CAM技術。重點分析了各種技術的特點：模具軟件的集成化；三維化；智能化；網絡化以及并行技術；高速測量和逆向工程技術的應用以及現代模具加工技術。

現代化的模具制造加工業，應以使用模具CAD/CAE/CAM技術來實現優質、高效、低成本的產品生產為目標以適應用戶對產品個性化的不斷追求。在我國，有許多企業大都憑經驗或已經在設計、制造等方面分散使用CAD、CAE、CAM單項技術來實現生產，這種“自動化孤島”的方法使整個生產過程資源共享率低、信息不流暢，導致研制產品周期長、更新換代慢，難以在國際競爭中生存和發展。國外推廣CAD/CAE/CAM技術成功的經驗表明：企業取得顯著效益，很多是從集成應用中得到的，而不是單項應用的結果。從CAD/CAE/CAM一體化的角度來說，其發展趨勢是集成化、三維化、智能化和網絡化，其中心思想是讓用戶在統一的環境中實現CAD/CAE/CAM協同作業，以便充分發揮各單元的優勢和功效。

1 現代模具設計

1.1 模具軟件功能集成化

模具軟件功能的集成化要求軟件的功能模塊比較齊全，同時各功能模塊采用同一數據模型，以實現信息的綜合管理與共享，從而支持模具設計、制造、裝配、檢驗、測試及生產管理的全過程，達到實現最佳效益之目的。

如英國Delcam公司的系列化軟件就包括了曲面實體幾何造型、復雜形體工程制圖、工業設計高級渲染、塑料模設計專家系統、復雜形體CAM、藝術造型及雕刻自動編程系統、逆向工程系統及復雜形體在線測量系統等；以色列Cimatron公司的Cimatron系統中包括幾何造型、模具專家、逆向工程、模架庫、NC加工及產品數據管理系統；澳大利亞Moldflow公司注塑成型系列分析軟件MPA（塑件顧問）、MPX（注塑專家）、MPI（流動、冷卻、翹曲等）以及模具設計系統等。美國PTC公司CAD/CAE/CAM集成軟件系統Pro/Engineer；美國EDS公司的UG；美國SDRC公司的I-DEAS集成化CAD/CAE/CAM軟件，該軟件在曲面設計、實體造型、仿真分析、制造、測試和并行工程等方面具有強大的功能，國際上有福特等許多汽車公司將它作為主流軟件；美國Solidworks公司的Solidworks軟件、C-mold公司的注塑模CAE分析軟件C-mold；具備復雜曲面設計和數據仿真功能的法國Dassault公司的CATIA軟件曲面造型功能較強；德國MAGMA公司的鑄造過程流動與凝固分析軟件MAGAMASOFT及IKV研究所的CAD MOULD；國外使用較多的還有外型設計的Alias/ICEM、實物造型的Surface、板料沖壓仿真的LS-DYNA、DYNAFORM、模具設計的VAMOS及制造系統仿真的SIMPLE++等。

國內有上海交通大學金屬塑性成型有限元分析系統和沖裁模CAD/CAM系統；北京北航海爾軟件有限公司的CAXA系列軟件；吉林金網格模具工程研究中心的沖壓模CAD/CAE/CAM系統，其主要功能有板料沖壓過程模擬、預示成形缺陷、壓機速度分析、坯料形狀優化和各向異性、回彈預測等[1]。

1.2 模具設計、分析及制造的三維化

傳統的二維模具結構設計已越來越不適應現代化生產和集成化技術要求。模具設計、分析、制造的三維化、無紙化要求新一代模具軟件以立體的、直觀的感覺來設計模具，所采用的三維數字化模型能方便地用于產品結構的CAE分析、模具可制造性評價和數控加工、成形過程模擬及信息的管理與共享。如Pro/E、UG 、 I-DEAS、CATIA等軟件具備參數化、基于特征、全相關等特點，從而使模具并行工程成為可能。另外，Cimatron公司的Moldexpert，Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Space-E/mold均采用了3D專業注塑模設計軟件，可進行交互式3D型腔、型芯設計、模架配置及典型結構設計。澳大利亞Moldflow公司三維真實感流動模擬軟件MoldflowAdvisers受到用戶廣泛的應用和好評。美國C-mold公司3DQuickfill也有類似功能。

國內有華中理工大學研制的同類軟件HSC3D4.5F及鄭州工業大學Z-mold軟件。上海交通大學開發了金屬塑性成形三維有限元仿真系統。北航海爾軟件公司的CAXA三維電子圖板2000和制造工程師2000能進行3D零件設計和NC加工，其特點是基于3D、參數化特征設計，實現了實體、曲面和NC加工的協調統一。

1.3 模具軟件的智能化趨勢

新一代模具軟件要求模具CAD不再是對傳統設計與計算方法的模仿，而是在先進設計理論指導下，充分運用模具專家的豐富知識和成功經驗，來克服具體設計、工藝人員的經驗局限，通過人工智能CAI等方法，實現設計的合理性和先進性，逐步達到從設計、分析評估到制造過程的完全自動化。面向制造、基于知識的智能化功能是衡量模具軟件先進性和實用性的重要標志之一。如Cimatron公司的注塑模專家軟件能根據脫模方向自動產生分型線和分型面，生成與制品相對應的型芯和型腔，實現模架零件的全相關，自動產生材料明細表和供NC加工的鉆孔表格，并能進行智能化加工參數設定、加工結果校驗等。而PTC公司推出的模具專家系統EMX則更為經典，它具有前面其他模具專家系統的共有特點外，還能實現模具裝配體的2D裝配圖的自動出圖，從而大大減輕了模具設計工程師的勞動量，提高效率，減少模具開發的時間，另外在它的EMX4..1里還強化了產品的成本計算，可以估算模具的總體成本，為模具的效率計算提供了有力依據，實現信息技術及現代管理技術【2】。

1.4模具軟件應用的網絡化趨勢

隨著模具在企業競爭、合作、生產和管理的全球化、國際化，以及計算機軟硬件技術的迅速發展，使得在模具行業應用虛擬設計、敏捷制造技術既有必要，又有可能。美國在其《21世紀制造企業戰略》中指出，到2006年要實現汽車工業敏捷生產/虛擬工程方案，使汽車開發周期從40個月縮短到4個月。Delcam公司最近推出的CAD/CAM集成化系統PowerSolution覆蓋了幾何建模、逆向工程、工業設計、工程制圖、仿真分析、快速原型、數控編程、測量分析等方面。系統的每一個功能模塊既可獨立運行，又可通過數據接口與其它系統兼容，便于實現開放性、兼容性和專業化的統一。

1.5并行工程技術在模具中應用

模具是面向定單式的生產方式，屬于單性生產，制造過程復雜，要求交貨時間短。如果利用CAD、CAM單元技術制造模具，制造精度低、周期長，為了解決上述難題，我們將并行工程技術引入到模具制造過程中。

所謂并行工程是設計工程師在進行產品三維零件設計時就考慮模具的成型工藝、影響模具壽命的因素，并進行校對、檢查，預先發現設計過程的錯誤。在初步確立產品的三維模型后，設計、制造及輔助分析部門的多位工程師同時進行模具結構設計、工程詳圖設計、模具性能輔助分析及數控機床加工指令的編程，而且每一個工程師對產品所做的修改可自動反映到其他工程師那里，大大縮短設計、數控編程的時間。

在實際生產過程中，應用Pro/ENGINEER、UG等CAD/CAE/CAM集成技術軟件，將原來模具結構設計→模具型腔、型芯設計及結構二維設計→工藝準備→模具型腔、型芯設計三維造型→數控加工指令編程→數控加工的串行工藝路線改為由不同的工程師同時進行設計、工藝準備的并行路線，不但提高了模具的制造精度，而且能縮短設計、數控編程時間達40%以上。

1.6模具高速測量及其逆向工程技術

隨著三坐標測量機、掃描儀、便攜式掃描儀、激光跟蹤儀的技術不斷發展與進步，檢測技術向高速度、高精度、高適應性、數字化、自動化方向發展，使得現代測量技術不斷融入模具產品逆向工程設計中，進一步推動模具制造產品快速制造的響應能力。

逆向工程（Reverse Engineering，RE）也稱反向工程或反求工程，是相對于傳統的產品設計流程即所謂的正向工程（Forward Engineering，FE）而提出的。

2 現代模具加工技術

2.1高速銑削技術

早在20世紀30年代，德國切削物理學家Carl Salomon根據一些實驗曲線，即現在被稱為“Salomon曲線”，提出了高速切削（High Speed Cutting，HSC）的概念[5]。銑削加工是型腔模具加工的重要手段。而高速銑削具有工件溫升低、切削力小，加工平穩、加工質量良好、加工效率高（為普通銑削加工的5～10倍）及可加工硬材料（<60HRC）等諸多優點。因而在模具的加工中日益受到重視。具體展開，高速銑削具有以下一些特點。

（1）高效、高速銑削的主軸轉速一般為15000～40000r/min，最高可達100000r/min。在切削鋼時，其切削速度約為400m/min，比傳統的銑削加工高5～10倍；在加工型腔模時與傳統的加工方法相比（傳統銑削、電火花成形加工、拋光）其效率提高4～5倍；與完全采用EDM加工相比，其加工速度提高4～8倍。例如，加工一個插座外殼的壓鑄模，若采用傳統銑削、電火花成形加工、拋光等工藝，約需50～60h，而采用高速銑削加工約需14h，效率提高近4倍。

（2）高精度。一般加工精度為10μｍ，有的精度還要高。

（3）高表面質量。由于高速銑削的工件溫升小（約3℃），故表面沒有變質層及微裂紋，熱變形也小。最好的表面粗糙度Ra小于１μｍ。

（4）可加工高硬材料。可銑削HRC 50～54的鋼材，銑削的最高硬度可達HRC60。以上這些特點都優于EDM加工，由此可見，高速銑削加工工藝及裝備無疑是模具制造技術重要的發展方向[5]。

瑞士克朗公司UCP 710型五軸聯動加工中心，其機床定位精度可達8μｍ，自制的具有矢量閉環控制電主軸，最大轉速為42000ｒ/ｍｉｎ。意大利RAMBAUDR公司的高速銑床，其加工范圍達2500ｍｍ×5000ｍｍ×1800ｍｍ，轉速達20500ｒ/ｍｉｎ，切削進給速度達20ｍ/ｍｉｎ。HSM一般主要用于大、中型模具加工，如汽車覆蓋件模具、壓鑄模、大型塑料等曲面加工，其曲面加工精度可達0.01ｍｍ。

2.2 電火花加工技術和“綠色”產品技術

電火花加工是在一定的液體介質中，利用脈沖放電對導電材料的電蝕現象來蝕除材料，從而使零件的尺寸、形狀和表面質量達到預定技術要求的一種加工方法。在特種加工中，電火花加工的應用最為廣泛。

從國外的電加工機床來看，不論從性能、工藝指標、智能化、自動化程度都已達到了相當高的水平，目前國外的新動向是進行電火花銑削加工技術（電火花創成加工技術）的研究開發，這是一種替代傳統的用成型電極加工型腔的新技術，它是用高速旋轉的簡單的管狀電極作三維或二維輪廓加工（像數控銑一樣），因此不再需要制造復雜的成型電極，這顯然是電火花成形加工領域的重大發展。

在電火花加工技術進步的同時，電火花加工的安全和防護技術越來越受到人們的重視，許多電加工機床都考慮了安全防護技術。目前歐共體已規定沒有“ＣＥ”標志的機床不能進入歐共體市場，

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