数字化技术在冲压模具设计与制造中的应用

王秀丽　魏永辉

摘 要：精度低、寿命短、生产周期长、使用稳定性与可靠性差，是我国冲压模具设计与制造过程中存在的主要问题，而出现这些问题的主要原因是数字化技术水平低。因此，有必要通过提高我国冲压模具设计与制造的数字化技术水平来提高冲压模具的生产效率和生产质量。重点从数字化冲压模具设计与制造所使用的关键技术和冲压模具生产企业数字化管理体系的构建两个方面入手，深入探讨了数字化技术在我国冲压模具设计与制造中的应用，以期为促进我国冲压模具行业的健康发展提供借鉴。

关键词：数字化技术；冲压模具；数控加工；参数程编

中图分类号：TG385.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.078

冲压模具是重要的冲压生产工艺设备，是典型的技术密集型、知识密集型产品，这也使得冲压模具的设计与制造成为世界各国竞相争夺的高新技术领地。随着我国汽车工业、航空制造业的快速化、规模化发展，冲压模具需求以20%的速度增长，而我国中高端模具市场中50%以上的模具需要进口，且集中于大型、复杂、精密冲压模具上，这也体现了我国冲压模具设计与制造过程中存在的问题，即冲压模具设计与制造的精度、寿命、生产周期、使用稳定性和可靠性等与国际水平有较大的差距。笔者认为，出现这种情况的主要原因是模具数字化设计与制造技术水平落后。因此，有必要深入探讨我国冲压模具设计与制造过程的数字化水技术水平提高问题，特别是从关键技术应用和企业数字化管理体系构建两个方面，着力提升我国冲压模具的设计与制造水平，进而提高冲压模具的生产效率和生产质量，推动我国冲压模具行业的健康发展。

1 使用的关键技术

随着计算机技术、网络技术和数字化技术的快速发展，其遍及社会生产各个领域，冲压模具的设计与制造也不例外。可以说，数字化技术已经应用到了模具设计与制造全过程，极大地提高了冲压模具的设计和制造水平，当然，它也成为了制约模具开发的重要因素之一。就冲压模具设计与制造中的数字化技术而言，主要是指借助于计算机辅助设计技术、计算机辅助制造技术在冲压模具设计与制造过程中的应用，来提高冲压模具设计与制造水平。总结当前国内外冲压模具设计与制造企业所使用的计算机辅助设计、制造技术成功经验，结合冲压模具设计与制造的基本流程，其使用的关键技术主要有以下4个。

1.1 冲压成形计算机辅助工程技术

所谓“同步开发”，是指冲压工艺贯穿于模具新产品设计与开发的全过程，从最初的了解产品工艺，到产品冲压工艺性分析，再到模具开发，整个过程都有冲压工艺人员的身影。由此可知，在工艺与产品同步形成的过程中，关键的技术之一就是冲压计算机辅助工程技术。冲压计算机辅助工程技术是在尊重冲压成形过程基本物理规律的前提下，借助计算机技术真实反映并模拟出模具与板料之间相互作用关系和板料变形的全过程。在非线性理论、有限元方法的完善和计算机硬件升级发展的支持下，板料冲压成形过程所使用的计算机辅助工程技术越来越成熟，已经开始在工业生产中崭露头角，形成了一批通用的、专业的设计软件，比如Auto Form/PAM-STAMP等。在这些通用、专业软件的支持下，计算机辅助工程技术在模具新产品设计阶段就能够对模具及其每个零件的成形、工艺等提出快速、准确的预见，从而大大提高冲压模具的设计效率。

1.2 模块化的快速设计系统

对于冲压模具设计来说，结构设计是所有设计工作中工作量最大的一部分。随着现代计算机技术的发展，CAD/CAE/CAM一体化技术被广泛应用。虽然冲压模具CAD技术在国内已有较多的探索式应用，但是，对模具设计人员经验的要求和依赖性比较高，软件设计水平基本停留在利用通用CAD系统交互绘图、造型的层次上，还不能借助软件来发现新型模具产品设计过程中存在的缺陷，导致冲压模具设计周期比较长，在一定程度上影响了冲压模具产品的设计质量。以UG/PROE等一系列计算机数字化造型软件的成功开发与应用为例，使冲压模具实现“模块化设计”成为可能。此过程的先进之处在于引入了“参数化模块”，以软件中的标准件库和模板为重要基础。应用“模块化设计”软件，可以将导柱、导板、冲头等一系列标准件提前统计入库，以便在设计产品时调用。它可以根据产品设计需求提前将冲压模具的相关结构参数输入到软件中制成模板，同样，也可以在设计过程中调用，大大提高了产品的设计效率和精度。

1.3 参数化程编

随着冲压模具制造与更换节奏的加快，数控加工已由传统单纯的型面加工向型面、结构面并重的全面加工转变，加工与制造速度由中低速向高速转变。高速加工与制造技术在冲压模具制造业中的优点主要有以下几点：①小切深、高进给；②有效改善工件表面加工质量，减少打磨操作；③大大提高了加工精度，试模工作量明显减少；④把握小刀具加工模具的细节，减少不同规格刀具的使用次数，进一步减少加工费用；⑤采用高精度、大进给的方式完成淬火钢精加工，模具表面质量高，成功避免了传统加工方式导致的冲压模具变形问题。

参数化程编的作用在于大大提高了数控加工的自动化水平，进一步提高了冲压模具件的加工精度和冲压模具件的加工效率。总之，“参数化程编”数控加工技术使高速加工冲压模具成为可能，在大大提高冲压模具加工效率同时，保证了加工冲压模具质量的标准化。这对提高冲压模具的稳定性和可靠性有非常重要的意义。数控加工“参数化程编”应用流程如图1所示。

1.4 数字化装配技术

当前，冲压模具装配主要有分组装配法、互换装配法、修配装配法和调整装配法4种。对于早期冲压模具加工，在加工中心完成加工后，要在现场装配，多使用分组装配法。分组装配法的缺点是无法保证单件状态的导柱精度/导滑面位置度，导柱导板会有拉伤，最终损坏标准件。而在数字化环境下，可以在线测量精加工后的冲压模具单件，将相应的测量结果直接统计、记录到软件中，并与设计要求进行对比，发现问题马上更改，大大提高了冲压模具的加工精度，切实保证冲压模具的加工质量。目前，越来越多的西方国家开始采用数字化装配技术装配模具，最典型的方法是修配装配法。整个装配过程通过准确测量相关数据直接配磨导板或者其他零件，从而保证导向间隙，最终做到合模装配。数字化装配技术方法有效保证了冲压模具的合模进度，为后续冲压模具的调试赢得更多时间，从而完成数据测量和软件分析，有效保证冲压模具的加工质量。

2 数字化管理体系的构建

数字化技术在冲压模具行业的应用越来越广泛，它是集管理、设计、分析、制造和检测等冲压模具制造整个生命周期内各个环节一体化的综合应用技术。要想保证数字化技术在冲压模具设计与制造各个环节的成功应用，构建冲压模具设计与制造企业完善的数字化管理体系是关键。该体系的构建进一步优化了冲压模具产品的开发模式和流程，实现了冲压模具产品数据的统一管理与共享、设计知识和加工工艺知识的积累、重用。同时，要建立以冲压模具加工车间作业调度为核心，实时采集冲压模具生产制造过程中的进度、质量、物料信息等数据，将数字化的冲压模具设计与制造过程、工艺等固定下来，而不被其他企业所模仿，真正成为冲压模具设计与制造企业的核心技术。

2.1 以模具结构数据为中心的产品数据管理系统

采用PDM/CAPP等来管理与冲压模具相关的各类档案资料，在数字化系统中建立各类冲压模具的BOM结构数据库，实现冲压模具零部件相关文件、数据的关联，比如数模、设计任务书、三维模型、检具数据和更改单等。冲压模具设计人员可以通过输入零件图号、名称等手段来查询、使用所需的技术资料，同时，可以逐层展开产品结构来获取相关资料、数据；产品设计人员可以在无需了解文档具体位置的情况下，在最短时间内查找到所需的资料、数据信息。总之，就是利用数字化技术将所有的冲压模具设计资料统一管理到结构化数据库中，建立以冲压模具结构数据为中心的数据管理系统。系统具备数据自动保存和同步功能，在保证冲压模具数据唯一性、及时性的同时，产品设计及相关人员可以通过该数据管理系统获得最新的、同一份冲压模具设计资料，切实保证了产品数据的一致性。

2.2 以项目进度采集与控制为核心的项目管理平台

冲压模具企业车间管理是一个大难题，生产管理是典型的按照单一订单实现的项目，每套冲压模具从接单、设计到生产、调试各个过程都是相对独立的，需要专门人员采集、控制、管理项目。在实际操作过程中，每个冲压模具设计与制造项目可以包含几十甚至上百套冲压模具，而每套冲压模具的设计、制造可能都需要几个月的时间，需要对几十个设计、制造和交付节点进行监控实属一项烦琐、复杂的工作，最重要的是无法保证工作效果。在数字化技术环境下，应用ERP/MES系统成功实现了统一平台上完成订单管理、计划排产、物料跟踪和生产调度等工作，同时，可以通过ERP和MES系统的集成进一步实现冲压模具计划、设计、生产与控制的一体化操作，且可以同时监控多个环节，大大提高企业的生产管理效率。

2.3 基于冲压模具产品数据库的知识管理体系

冲压模具的设计与制造是一个严重依赖“经验”的行业，不论是国外，还是国内的各大冲压模具生产公司，都基本形成了自己独特的冲压模具设计、工艺流程和生产参数数据库。因此，搭建一个集冲压模具设计、制造和工艺控制各个环节的数字化管理平台，形成一个统一的冲压模具产品数据库，以此作为冲压模具企业知识管理的核心，将其应用到企业知识管理工作中，在形成冲压模具企业“自我特色”的同时，实现了企业产品知识的积累、传承和共享。

参考文献

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[5]李鑫.汽车热冲压模具的数字化铸造工艺研究[D].大连：大连理工大学，2015.

〔编辑：白洁〕