基于数字化冲压件快速设计的模具设计制造

文/金吉光·苏州网禾科技服务有限公司

数字化制造技术自产生至今，已经从技术上的“单点工具”走向了集工艺技术和项目管理于一身的全面解决方案。近几年，随着相关软件的发展，数字化、虚拟化、可视化已经融入了模具设计制造的应用领域。零部件参数化设计、工艺规划、数字化加工、模具实体的虚拟预装配、人机交互控制工程分析等领域，在系统性数字化的支持下，实现了冲压件设计与全模具开发设计制造团队的数据和信息资源的实时共享，极大提高了协同设计开发的效率，促进了模具设计制造技术的发展，实现了企业知识库的创建和重用，减少了技术管理造成低级错误的数量，引入了转换过程的防呆、防漏、防错的措施。

模具数字化开发流程管理

市场上客户的要求向低价格、短开发周期、短生命周期、小中大批量波动、多品种相似品工艺交叉的方向发展。因此，需要在技术上实现通用的柔性和相容性相结合；在运营管理上满足控制成本、保证时间计划、工厂产线布局柔性化、保证管理管控流程和生产产品的质量、产品包装运输等合理化要求。

下文以第四类的机箱机架配电箱类、太阳能充电电池配电箱为例，来说明冲压件设计与快速生产体系。冲压件整体尺寸为220cm×150cm×80cm。冲压件单件60种、240个冲压模具、50种外购零件数量共385个，直接生产线作业人员涵盖冲压生产、螺母螺钉装配、焊接装配、铆接装配、涂装、防水检验、包装等工序共45人。

随着CAD/CAM技术的发展，现代冷冲压模具的设计方法是设计者直接运用计算机进行产品的三维建模，根据冲压件的产品模型，再进行模具结构的设计和优化，之后进行NC的编程刀路解算。冲压件通过逆向展开工步，实现三维CAD模具设计，采用面向对象的统一数据库和参数化造型。现在许多三维设计软件本身就具有很好的开放性，具备冲压件的设计、模具设计、冲压模拟和模具加工刀路生成等功能，可以让处于不同地点分公司的工程师能够在同一时间对同一制品的模具进行设计开发工作，即实现所谓的并行工程。设计工程师借助模具设计（例如LogoPress）专业软件。冲压件设计者在三维造型设计时，就考虑到材料变形特性、模具NC加工、机切工艺和冲压设备等要素，对应每个冲压件的产品特征输出必要的属性信息。这些特性通过PDM或者WEB等工具，及时将前期冲压件的模具要求、注意事项等信息传递到模具设计过程中，保证技术管理的及时性和准确性，实时的可视化查看和共享。图1展示了冲压件模具设计、轴类零件的数控加工流程图。

图1 冲压件模具设计、轴类零件的数控加工流程图

三维设计驱动模具CAD设计

三维冲压件设计以及对应三维模具设计，内部需要采用参数化技术建立有标准系列的模板，累积验证经过大量的赋值和设计经验值，符合冲压件结构对模具的设计要求，即满足各种类型的模具设计示意图（图2），能够让设计人员从繁琐复杂的重复设计建模、查表试验参数等体力与脑力劳动工作中解脱出来。冲压件结构的元素化、子特征化，并与模具并行设计的理念一致。两者的设计计划基本同步，包括工艺过程设计、零配件加工直至完成后入库，模具进程计划在外围总体统筹之下，模具设计工程师把精力更多地放在关注模具的总体结构设计和各零部件装配的合理性上，这样实现冲压件设计和模具设计效率的双提高，从方式方法上提前了模具设计的开工时间，直接缩短了冲压件的交付周期，从而缩短了商品市场的上市时间，抢得先机。

图2 模具设计示意图

良好的冲压件三维设计理念和设计手段是实现目的的软件工具。相应的软件协调机制，结合先进的模具设计理念，将模具设计、分析、制造以及产品数据管理融为一体。高效的冲压件开发过程，是建立在大量的基础标准化工作之上的。纵观全球模具行业，CAD应用从二维平台转向三维全相关参数化并为相关的环境提供必要的信息，以满足各个层次的应用需要，三维模具设计及其自动化已经开始处于主导地位。

CAM制造过程的模具数字化加工

设计人员在进行模具零部件以元素化特征分工推进的同时，相应的CAM责任人员在第一时间获取到流程通知后，便开始进行零部件的加工工艺及程序的编制。工艺人员、数控NC编程人员、治具（工装、夹具）设计、加工人员、包括模具任务计划人员和现场生产管理人员共享着以物料清单（EBOM）形式呈现的产品设计数据和制造工程数据，在各个环节执行对应任务的同时，可以在正确的时间访问正确的零部件制造数据，实现模具设计制造整个过程的协同作业。

实体造型设计完成后，进入到CAM加工程序编制过程，实现加工条件设置、刀路智能化编制，而不介入赘余的人为操作干涉，出错几率低，大大提高加工过程的生产效率，实现冲压件标准孔转换为模具孔类加工的自动编程及数控NC设备刀具库的共同管理。

工艺技术人员借助该CAM内嵌模块平台连同PDM提供的网页信息，可方便快速地获得模具设计人员提供的各种信息：图纸文档、技术条件、精度要求、客户纳期、零部件清单、加工流程、当前工序等等。对模具制造的整体要求有全面了解之后，在配置有相应安全权限的前提下，进入PDM文档库中直接由工艺编制人员进行检出CAD模型数据，获得NC编制程序的依据，从而生成数控机床的结构形式、驱动轴、行程、刀夹具库、并进行后置处理，这些文件在完成审批后，第一时间传输发布至加工现场，为设备操作人员和进度计划安排人员提供必要的数据。

可预知的仿真分析和模拟装配

模具设计时零部件运动过程中的干涉检查，可以在冲压设备及模具安装两者间找到最佳的工位排布；加工过程中，对刀路的优化和试切验证起到完善和纠错的作用。根据刀具的位置检测出是否跟模具工件间存在干涉或者过切以及同设备、夹具发生碰撞、干涉的情况。对于拉深型腔较为复杂、加工周期很长的汽车类模具零部件而言，自动加工和预先的仿真计算是必不可少的。

借助于模具现场制造数据获取系统（MDC）及冲压制造现场数据采集系统（POP）对模具加工过程及使用过程中的实时数据进行全生命周期的信息状态跟踪。这样配合仿真和数据获取系统的结合，就可以清晰地得到过程中的物理变化情况，如刀具和模具材料的温度变化、切削力能力强弱等，这样就有助于反馈给加工技术人员进行冷却条件、转速、进给参数等的合理优化。

结束语

本文笔者单纯站在冲压件快速设计与制造角度，说明了冲压件的三维设计是快速制作模具的必要条件。从长远发展的层面考虑，建立一个信息化驱动的集成系统，推动创新和转型智能制造的基础，通过CAD/CAE/CAM/ERP/MES等管理、技术综合平台的支撑，打造全新概念的数字化制造企业，将给企业创新增添新的活力，面对市场上激烈的竞争，实现“快、好、省”，才可以不被时代淘汰。