模具CAD/CAE/CAM一体化教学实验研究

俞彦勤, 刘 辉, 邹佳鹏

(华中科技大学 材料科学与工程学院, 湖北 武汉 430074)

模具CAD/CAE/CAM即模具计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助分析(CAE)、计算机辅助制造(CAM),是一项应用现代数字技术改造模具传统技术的重要关键技术[1],是计算机技术与传统模具制造业高度融合的产物[2],也是材料成形智能化的重要内容[3]。该技术的应用实现了模具或材料成形制件的高效、精确、优质,极大地推动了模具工业的发展。在“中国制造2025”计划背景下,我国制造业急需掌握模具CAD/CAE/CAM技术的人才。高校的实验教学环节应顺应这一发展趋势,着力培养具有学习能力、实践能力、创新能力的相关技术人才,以满足制造业对这类人才的需求[4]。

1 模具CAD/CAE/CAM一体化实验课程体系的构建

1.1 课程特点

模具CAD/CAE/CAM一体化实验课程是为材料卓越计划实验班和材料成形及控制工程专业本科班设置的。该课程具有以下特点：

(1) 它是材料成型基本理论与模具设计及制造实践的结合；

(2) 它是传统材料加工工艺与现代数字化技术的结合；

(3) 它是材料加工基础专业知识与前沿智能制造技术的结合；

(4) 一体化[5]即CAD、CAE、CAM一体化；

(5) 教学内容综合性强、知识密集,涉及包括机械工程、材料加工工程、计算机科学与技术、自动控制工程、测试技术、快速成型技术、模拟仿真技术等多领域及多学科交叉知识。

鉴于以上特点,模具CAD/CAE/CAM一体化实验课程,时间可安排在学生进行专业及专业基础课理论学习、专业基本实践及基础实验课之后、毕业设计之前进行,比如安排在大学四年级的上学期。实验课程类可定位于综合性、设计性、创新性的“三性”高层次。表1为模具CAD/CAE/CAM一体化实验课程计划表。

表1 模具CAD/CAE/CAM一体化实验课程计划

1.2 教学现状

由于模具CAD/CAE/CAM一体化实验课程是一门跨学科、综合性强、知识密集的应用型课程,在课程体系、教学方式、教学内容、教学手段、教学环境等诸方面面临很大挑战。目前国内许多高校对该课程的教学进行了大量的探索及研究[6-14]。原先开设的模具CAD实验、成形工艺模拟实验(CAE)、模具CAM实验等,受实验平台之间的壁垒限制,各实验教学内容彼此孤立,关联性不强,致使一些实验“碎片”化、“孤岛”化,或实验内容“冗余”化,很难符合综合性、研究性、创新性的要求,极大地影响了学生实验课的积极性和创造性。因此,针对现有模具CAD/CAE/CAM实验课程,从体系、内容、手段等诸方面进行改革与创新尤为重要和迫切。

1.3 实验教学体系的构建

针对现有模具CAD/CAE/CAM实验课程运行中存在的突出问题,对模具CAD/CAE/CAM综合实验课程的实验体系、实验内容、实验方法进行深入研究,通过科学合理的规划,探索研究出体系完备、内容充实、实验手段多样化的模具CAD/CAE/CAM一体化教学实验,其体系构建流程如图1所示。

图1 模具CAD/CAM/CAE一体化实验体系构建

实验体系构建的基本思路是：以典型冲压件为纽带,运用三维计算机设计软件,设计出冲压模具(涵盖复合模、级进模),即“模具计算机辅助设计(CAD)实验”； 在进行模具计算机辅助设计的基础上,对材料成形工艺进行计算机模拟仿真,检验成形工艺及模具设计的合理性,即“成形工艺计算机数值模拟(CAE)实验”；对模具主要工作零件进行数控编程(减材制造)以及零件的快速成型(增材制造),即“模具计算机辅助制造(CAM)实验”；最后,利用制造的范例模具,在数控冲床上加工出所选定的冲压件,即进行“成形工艺物理模拟实验”。

2 模具CAD/CAE/CAM一体化实验的内容

2.1 三维建模实验

2.1.1直接建模

向学生提出实验任务的冲压零件二维工程图,如图2所示,要求运用CAD三维软件进行直接建模。

图2 冲压零件二维工程图

2.1.2 间接建模

直接提供实物零件,要求利用反求设备及逆向工程技术进行零件反求建模。

通过以上直接建模或逆向间接建模2种方式,得到冲压件的三维数字模型,如图3所示。

图3 冲压件三维模型图

2.2 模具计算机辅助设计(CAD)实验

根据上述冲压件三维模型,利用NX设计PDW模块,进行模具计算机辅助设计,学生可以自行选择成形工艺方案或不同的工序组合来进行模具设计,例如采用先落料后拉伸,或先拉伸后落料等不同工艺方案,也可以采用不同模具如复合模(见图4(a))、级进模(见图4(b))等来完成零件的成形。

图4 模具三维造型图

2.3 成形工艺计算机数值模拟(CAE)实验

经过不同的工艺方案及不同工序组合的模具设计后,运用板料成形模拟软件对已确定的工艺进行计算机辅助分析,例如分析成形时的应力应变、成形极限图、成形载荷等,还可预测分析零件成形过程可能出现的缺陷,如拉裂、变薄、弯曲回弹等,从而对工艺及其设计的模具进行校验及修改。图5为零件弯曲变形模拟分析图。

图5 弯曲工艺模拟分析图

2.4 模具计算机辅助制造(CAM)实验

减材制造。将所设计模具的主要工作零件,运用NX制造模块生成的加工程序,在数控雕铣机上进行减材制造,如图6(a)所示。

图6 模具零件的制造

增材制造。从所设计模具的主要工作零件模型,导出为.STL格式的数据文件,在拥有自主知识产权的HTS系列[15]FDM快速成型机上完成模具零件的增材制造,如图6(b)所示。

将数控加工(减材制造)与快速成型(增材制造)进行对比,使学生掌握两种加工方法各自的特点、原理、运用场合等,有利于学生对现代模具制造专业知识的融会贯通。

2.5 成形工艺物理模拟实验

利用制造的范例模具,在数控冲床上加工出指定的冲压件(图7),即进行成形工艺物理模拟实验,并结合计算机数值模拟(CAE)部分的预测,分析冲压件产生缺陷的原因。

图7 冲压件成形

3 结语

通过模具CAD/CAM/CAE实验教学体系的构建与创新,实现从冲压件的数字模型到成形零件实物全过程(PLM)的实验教学环节,让学生“所见即所得”,培养学生良好的科技创新意识。整个实验教学环节以学生为中心,提高了学生实验的主观能动性。实验内容编排方面,以零件数据流“瀑布”式逐层推进,层次分明,时空排列有序,提高了学生的学习效率。

按照本实验体系构架,学生可自行选择不同的冲压制件、不同的冲压成形工艺组合来进行实验,让学生“主动实验”, 激发学生实验课的积极性和创造性。该实验已应用于我校2014级材料成型及控制工程专业本科约200名学生中,教学效果良好。本实验除应用于模具CAD/CAE/CAM大型一体化实验之外,也可用于学生课程设计、毕业设计等教学环节的实验。