来源：南京农业大学工学院 作者：陈光明 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
摘 要：分析了我国压铸模设计与制造的现状及存在问题，介绍了国内外压铸模CAD/CAE/CAM技术的研究进展，根据我国压铸模CAD/CAE/CAM技术研究与开发存在的问题提出了加快发展我国压铸模CAD/CAE/CAM技术对策。 关键词：压铸模；CAD；CAE；CAM 1 我国压铸模设计与制造的现状 模具工业是国民经济的基础产业，模具工业的发展水平标志着一个国家工业水平及产品开发能力。随着工业发展，工业产品的品种、数量越来越多，对产品质量和外观的要求，更是日趋精美，华气。所以改革开放20多年以来，我国已成为使用各类模具的大国。其中，汽车、摩托车与家电产品生产用的各类模具的年需求量已占全国模具需求总量的60％以上，但是，我国模具生产能力和水平，与国外相比则差距颇大，造成上世纪90年代模具进口量占全国模具销售总额的1/3以上，达6~10亿美元。 由于压铸多用于生产复杂精密铸件，故压铸模设计与制造的特点：单件，复杂，精度要求高，工作量大，周期长。 目前我国压铸模设计已经具有一定的水平，基本能满足汽车、摩托车、电机、家电、仪表、灯具、电子等行业的需要。压铸模制造精度可达~，型腔表面粗糙度~μm。模具制造周期为：中小型的3~4个月，中等复杂的4~8个月，大型的8~12个月，约为国外的1倍。模具寿命：铝合金铸件模具一般为4~8万次，个别可超过10万次，国外可达8-15万次以上。模具价格：国内约为引进价格的1/4~1/3。随着我国汽车和摩托车工业的持续发展，所需压铸模国产化的程度亦不断提高，汽车齿轮箱、离合器等有关零件的压铸模以及摩托车零件的压铸模，国内完全可以自制，替代进口。例如汽车发动机缸罩、盖板、变速器壳体和摩托车发动机缸体、齿轮箱壳体、制动器、轮毂等铝合金铸件压铸模等，我国均已能生产。例如宁波北仑地区的模具厂，在压铸模的制作和水平方面，进步较快，并以其交货快，价格竞争力强而占有市场的一定份额，已成为我国目前较大的压铸模生产基地。 在压铸模制造中，目前已较普遍采用电火花加工机床，并且在一些大的工厂中开始应用CNC数控机床制造压铸模的主要部件，数控铣结合电加工已成为加工型腔、型芯的主要手段，从而提高了压铸模的制造精度与生产效率。 但同时，我国压铸模生产仍然存在诸多问题，模具设计大多依靠设计人员长期以来积累的经验进行，缺乏与先进科学技术的结合，近年来开始尝试把计算机技术应用于设计中，但计算机辅助设计的应用仅限于绘图和简单的计算等，以至一套模具须经多次试模才能投入正常生产，新产品不但开发周期长，而且产品质量不易保证，废品率高，缺乏市场竞争力。 我国压铸模生产状况与国外比较如表1。 表1我国压铸模生产状况与国外比较
我国压铸模的设计、制造与国外相比，仍有较大差距，反映在以下几个方面： （1）压铸模使用寿命短。目前我国设计的压铸模具普遍存在模具寿命偏低的问题，以大、中型铝合金压铸模为例，国产模具的使用寿命一般在3~8万次之间，平均6万次，有的甚至3万次都不到，而国外生产的同类模具的使用寿命可以达到10~15万次。模具使用寿命偏低，直接导致了生产效率的下降和产品成本的提高。随着车辆和电机等产品向轻量化发展，压铸模的比例将不断提高，同时对压铸模的寿命和复杂程度将提出越来越高的要求。 （2）外观质量不理想。国产压铸件往往线条不清晰，水流纹不理想，表面粗糙度差。与进口压铸件对比，差距明显； （3）模具可靠性较差。传统的压铸模设计方法设计的模具可靠性较差，一般需经反复调试才能正式投入使用。 （4）生产率低。由于国产模具使用可靠性不稳定，生产中故障多，返修量大，班产量不如进口模具高。 （5）一些大型、精密压铸模具及压铸设备还需要依赖进口，例如大型汽车零件压铸模，国内基本上还不能自行制造，主要依靠进口。铜合金、镁合金压铸模亦是薄弱环节。 （6）压铸模标准化程度低。模具标准化是现代模具设计与制造的基础。推行模具标准化是实现模具合理化生产必备条件。模具标准化和专业化对缩短模具制造周期、提高产品质量以及降低生产成本都有重要的作用。我国模具标准化和专业化程度近年来虽然有一定的提高，但与国际水平相比仍相差甚远。日本、美国模具的平均生产周期已缩短到~个月，而我国模具的平均生产周期在4~5个月以上，其主要原因之一是模具标准化程度和水平不高！据统计，目前国内模具的标准化程度只有30％左右，专业化生产才刚刚起步，生产供应的标准件品种、规格不齐，质量不高，不能满足互换性要求，从而造成我国模具生产水平，仍基本上处于极不合理的单件生产状态。而美国模具产业的标准化程度为70％，专业化程度为99％。在这方面，我国的设计人员对塑料模、冲压模的研究还比较多，对于压铸模的专业化、标准化的研究则相对较少。 2 模具CAD/CAE/CAM概述 CAD/CAE/CAM（简称3C）是一种新兴的综合性计算机应用技术。它以计算机作为主要技术手段，处理各种数字信息与图形信息，辅助完成产品设计、分析模拟、评价与制造中的各项活动。 当今用户对模具制造的要求是“交货期短”、“精度高”、“质量好”、“价格低”。如何在最短的时间内、以最低的成本生产出优质压铸件，提高产品竞争力，已成为企业的迫切任务。利用以计算机为代表的高新技术，促进压铸业的技术改造与进步，使压铸生产正在从主要依靠经验走向科学理论指导生产的阶段，已成为必然的发展趋势。 模具CAD/CAE/CAM技术，在国外的模具企业中使用已很普及。实践证明，模具CAD/CAE/CAM技术是当代最合理的模具生产方式，是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程，是模具技术发展的一个重要里程碑。 3 压铸模CAD/CAE/CAM研究现状、存在的问题及发展对策 研究概况 由于每副模具是特定产品零件生产用的专用工装。因此，模具设计是随着工业产品零件的形状尺寸与尺寸精度，表面质量要求，以及其成型工艺条件的变化而变化的。所以，每副模具都必须进行创造性的设计。可见，模具设计是具有相当技术含量的脑力劳动。同时，设计工作量也相当大，若采用传统设计方法，也是繁重的体力劳动。如一辆新型轿车投产需配套2000副以上各类专用模具；一个型号的摩托车共需要模具近1000副，一台冰箱投产需配套350副以上各类专用模具；一台洗衣机投产需配套200副以上各类专用模具。所以，采用传统设计方法，采用经验设计和人工设计图样，实践证明，不仅达不到精确、优化设计要求，而且设计周期很长；同时，由于模具和制造之间的关系密切，可以说，模具制造是模具设计的延续，是验证设计正确性的过程。而采用人工设计方法不可能实现模具设计与制造一体化，必将造成设计与制造脱节，使设计质量不高，不精确、不可达到优化设计的要求。 随着近无余量铸造技术的发展，压铸件的应用范围日益扩大，压铸模的设计和制造任务也日益繁重。由于压铸模设计的复杂性，使其不仅设计周期长，而且对设计人员的要求高，因而设计人员的培养时间也长。这些都有碍于产品的更新换代，有碍于企业竞争力的提高。压铸模CAD/CAE/CAM技术就是为适应这种形势而发展起来的。 压铸模CAD/CAE/CAM技术的使用，不仅缩短了压铸模设计与制造周期，优化了设计，提高压铸模质量、延长压铸模使用寿命、降低生产成本、提高产品竞争力，而且促进了设计标准化、数据库化。因此，最近无余量铸造的发展方向之一，它在现代压铸生产中愈来愈受到压铸工作者的重现。 国外模具CAD/CAE/CAM系统的发展已有20多年历史，且发展速度极快。相对而言，压铸模CAD/CAE/CAM系统起步较晚，只有10多年的历史，但由于可以借鉴其它模具CAD/CAE/CAM的经验，发展速度也相当快——经历了由低级到高级、由研究到应用的过程。不过，建成的系统不多，迄今为止，还没有建成一个完善的系统。 我国近几年已有一大批模具企业推广应用计算机技术，特别是以生产家用电器的企业为代表，陆续引进了相当数量的CAD/CAE/CAM系统。如美国EDS公司的UG；美国PTC公司的Pro/Engineer；美国CNC公司的Master CAM；英国Deltacam公司的DUCT5；以列的Cimatron；以及美国AC-Tech公司的C-Mold；法国Matra Data Vision公司用于汽车及覆盖件模具的Euclid-IS等专用软件；德国MAGMA公司的MAGMA SOFT用于压铸模的专用软件。这些系统与软件的引进，虽花费了大量资金，但在我国模具行业中，实现了CAD/CAE/CAM的集成，从模具图的生成到模具加工的自动编程，并能运用CAE技术对成型进行计算机模拟等，取得了一定的技术经济效益，促进与推动了我国模具CAD/CAE/CAM技术的发展。 （1）压铸模CAD技术 压铸模CAD，使用计算机可进行辅助设计师完成产品的全部设计过程，最后输出满意的设计结果和产品图样。采用计算机进行辅助设计，可以改变传统的经验设计方法，由静态设计分析向动态设计分析过渡，由可行性设计向优化设计过渡。利用计算机辅助人们完成设计任务，可以发挥人和计算机各自的优势，有效地提高工作效率和质量。 近年来，国内外对压铸模CAD开展了大量工作，并和CAM结合以代替传统的手工设计和制造，同时配合CAE辅助工程，既可大大缩短压铸模生产周期，又可减轻劳动者的工作强度，提高压铸模的设计质量，降低成本，最终提高企业的竞争力。 初期的压铸模CAD，只对压铸工艺参数 进行选择，仅利用了计算机的计算功能，减轻了设计人员的劳动强度。 随着计算机软硬件技术的高速发展，压铸模CAD技术也跨上了新的台阶。国外较高级的压铸模CAD系统，除了对压铸模设计参数进行计算、选择外，还可以自动生成图形、输出图形，并能进行压铸过程模拟与分析及输出数控加工纸带，形成CAD/CAM系统。 国内压铸模CAD研究工作起步较晚，但很多单位开展了研究。国外研究的几类软件，国内也已开展工作，但尚无综合性软件投入生产使用，多数着重于在开发花费较小的压铸模具专用中小系统。1986年，我国通过机械工业部设立的共性技术基金项目，开始了对压铸基础工艺的计算机辅助设计研究。首先对在生产上有指导意义且可为以后的深入研究奠定基础的项目——压铸机选型、压铸件报价、压铸模基本构件、浇道系统及基础工艺参数选择等项目进行了探索。20世纪90年代，在压铸模计算机辅助设计方面的工作有了新的进展。其中，太原机械学院的系统软件由四部分组成：操作系统、图形软件、数据库和应用程序，具有一定的实用性；华南理工大学和东南大学联合开发的“压铸工艺参数及缺陷判断的专家系统”，具有一定的综合优化作用；哈尔滨科学技术大学提出的“压铸模CAD系统”，有人认为是一种较为理想的压铸模CAD系统模式；华中科技大学从1993年开始的压铸模CAD/CAM系统的研究，取得了较好的效果；东风汽车公司也同期开展了这方面的工作，取得了一定进展。 不同的软件性能不完全相同，但多采用二次开发的手段，在PC机上运行，辅助设计的内容一般为：在输入铸件具体形状、尺寸、合金种类后，可估算出铸件体积与质量，选择压铸机，设计浇注系统、型腔、抽芯机构、模板、推出机构、定位装置，并选择材质，最后绘制出模具图纸。这些软件已分别应用在一些压铸模的设计中。 （2）压铸模CAE技术 压铸模CAE和CAD是紧密相联的，CAE要利用CAD阶段得到的型腔数据和模具结构，结合压铸机参数、压铸工艺参数、压铸材料和模具材料的性能指标等进行分析计算，得到分析结果又反过来指导设计人员修改设计方案直至合理。 目前专门针对压铸模的CAE软件还比较少，压铸模CAE目前主要以压铸件充 型的流场数值模拟、压铸模/压铸件温度场模拟、压铸模/压铸件应力场数值模拟为主。模具设计水平除了决定压铸件的质量，还直接影响到模具本身的热交换过程，而模具的热平衡将直接影响到模具的使用寿命。在模具设计中，应注意热平衡问题，合理确定冷却系统，并采用温控技术。我国压铸模设计应用CAE软件在浇注系统和温度场分析等方面已得到应用，但面还不广，这些都是压铸模技术发展值得注意的动向。 （3）压铸模CAM技术 压铸模CAM技术比CAE兴起得早，它是随着CAD发展而发展的。压铸模CAM技术主要是指利用CAD阶段得到的三维图形，生成数控加工指令的过程。将加工数据通过数据传输装置传输到加工中心，进行模具加工制造。与传统模具制造方法相比，它具有时间短、成本低、综合经济效益好等特点。 （4）压铸模CAD/CAE/CAM集成技术 压铸模CAD/CAE/CAM集成技术是一项先进的制造技术，它以单一数据库为基础，以三维设计为特征，把CAD、CAE、CAM三者有机地结合起来，形成一个真正的一体化的计算机辅助系统。 压铸模CAD/CAE/CAM及其一体化是先进的生产方式，它系统科学地将压铸模的设计（绘图）、工程分析模拟与加工连为一体，进行全方位的计算机控制，不仅缩短了设计、制造周期，而且优化了设计，从整个生产组织上大大降低了人为因素对模具质量的影响，是保证模具生产质量和生产周期的很有效的手段，也是降低成本、提高竞争力的重要手段。 压铸模CAD/CAE/CAM集成制造系统的工作流程如图1所示。
试模 修配析 质检 CAM编程 设计型腔、型芯 数控加工 绘制二维零件图 绘制模具装配图 选用标准零件 流动分析和温度场分析 压铸模结构分析 压铸件工艺分析 设计三维产品图 优化模具结构设计 图1 压铸模CAD/CAE/CAM集成制造系统工作流程图 我国压铸模CAD/CAE/CAM研究与开发存在的问题 与工业发达国家相比，我国压铸模CAD/CAE/CAM技术在应用或开发的广度和深度上还存在很大的差距，我国压铸模CAD/CAE/CAM技术应用与开发存在的问题主要表现在： （1）我国自主版权软件的商品化程度低，可靠性较差、功能单一、集成化程度低，难以进入市场； （2）国内压铸模CAD/CAE/CAM技术的推广应用还很不普遍，在制造业领域真正使用CAD/CAE/CAM技术进行产品设计的企业为数不多；虽然模具CAD/CAE/CAM技术在塑料模、汽车覆盖模、冲压模主要生产厂家得到了应用，但在全行业还存在较大空白，在全国模具生产企业中的使用普及率尚不到6％，一些国有企业的模具生产部门因缺乏资金，许多作坊式的模具生产小厂缺乏必要的技术人才，至今仍然采用传统的手工绘图方式，数控加工的使用率很低。 （3）虽然引进了不少CAD/CAE/CAM软件，但在引进技术工作上也存在不少问题，缺少规划，引进混乱，偏爱高档，消化不良，使用效率低下，功能都没有充分利用，二次开发不够，以及没有实现根据我国模具行业的实际情况，以微机级软件引进为主的方针等。而且CAD/CAE/CAM软件的引用和应用在行业之间、地区之间的发展也很不平衡。 由此可见，进一步发展压铸模CAD/CAE/CAM技术的研究、开发和在企业中推广应用，仍是从事CAD/CAE/CAM技术工作的人员的一项繁重而十分迫切的任务。 我国压铸模CAD/CAE/CAM技术发展对策 （1）加快推进我国压铸模的标准化工作，压铸模的标准化是开发通用压铸模CAD/CAE/CAM系统重要前提，因此应尽早形成统一的国家压铸模标准，建立压铸模的标准零件库、模架库和标准零件加工工艺库等压铸模的信息数据库。 （2）一个完善的压铸模CAD/CAE/CAM系统其内涵十分丰富，一般包括系统软件、数据库软件、图形支撑软件和数值计算程序包等。独家开发不免在人、财、物方面难以支持，因此要避免一切自己从头开始，最好是厂、科研院所相结合，发挥体优势，走联合开发的道路。 （3）尽可能选用国外先进的支撑软件，并可以考虑引进国外较成熟的压铸模CAD/CAE/CAM系统，不仅可以利用其实用性来加快我国传统压铸模技术的改造，更可以弥补我们在这方面起步较晚的不足，使我们在更高的起点上进行二次开发，从而缩短开发周期并提高压铸模CAD/CAE/CAM系统的质量和可靠性。因此，在选择购买国外压铸模CAD/CAE/CAM系统时，既要重视其实用的一面，更要重视该系统的可扩充能力和提供的二次开发能力，例如目前国内部分高校正以基于AutoCAD、Solidworks、UG（全称Unigraphics）、Pro/Engineer作为三维实体造型和二次开发平台且运用KBE（Knowledge Based Engineering，基于知识工程）技术采用VC、VB作为开发工具开发适用于压铸模设计的计算机辅助设计系统的研究和开发。 （4）由于以前CAD，CAE，CAM等技术都是各自独立发展的，各部分的软件分别研制和开发，缺乏统一的数据模型及通讯约定。为了最大限度地发挥各环节的经济效益，需要实现CAD/CAE/CAM的集成化，为用户提供整套的解决方案，并最终向计算机集成制造系统CIMS方向发展。 （5）软件结构模式应以“开放式”为宜。它主要应提供一种模具CAD/CAE/CAM环境，包括或多或少的功能模块和数据库。操作者仍是设计的主体。可以交互式“自由发挥”，计算机只起辅助作用，这样柔性好，可适应多变的要求。 （6）应建立完善的压铸模知识库，发展计算机模拟技术，从而确保设计质量可靠性。大力发展CAE技术，进行充型与凝固分析，预测压铸件气孔、缩孔等铸造缺陷和残余应力、变形情况以及模具寿命，确保设计质量的可靠性，以获得优质铸件和高生产率。 （7）为了使设计者集中精力进行创造性工作，压铸模CAD/CAE/CAM系统开发应利用计算机延伸以创造性思维为核心的人类专家的设计能力，尽可能地实现设计过程的自动化。运用KBE（Knowledge Based Engineering基于知识工程）技术是解决这一问题最有前途的方案。KBE系统将重复的设计和工程任务自动化，缩短了产品开发时间，将设计、分析、制造集成起来实现并行工作。使用KBE建立模型可以将几何造型与分析等结合起来，实现多学科优化，并确切地进行可行性评估，应用标准和实践经验来提高产品的质量，对设计实践、过程经验等知识信息进行数字化获取和重用，从而提高自动化过程的效率。 4 结论 （1）压铸模是直接影响所生产的压铸件质量的不可缺少的压铸工艺装备，只有采用设计正确的压铸模并选择适当的压铸工艺参数，才可以得到优质压铸件。但是从总体上说，我国在压铸模的设计和制造方面，进展较为缓慢。 （2）科技攻关项目，既要针对压铸行业生产和改造中的关键技术，也要重视基础研究。特别要研究要研究解决大型精密复杂压铸件的质量，以及相应的工艺技术和装备。加速计算机技术在压铸领域中的应用，提高压铸生产自动化程度以及铸件质量的监控水平。 （3）模具CAD/CAE/CAM技术是模具技术发展的一个重要里程碑。实践证明，模具CAD/CAE/CAM技术是模具设计制造的发展方向。现在全面普及CAD/CAE/CAM技术的条件已基本成熟。在普及推广模具CAD/CAE/CAM技术的过程中，应抓住机遇，重点扶持国产模具软件的开发和应用。用于模具设计制造的计算机软件，将向智能化、集成化方向发展。 参考文献： [1] 李仁杰主编.压力铸造技术.北京：国防工业出版社，1996 [2] 于彦东主编.压铸模具设计及CAD.北京：电子工业出版社，2002 [3] 潘宪曾主编.压铸模设计手册（第2版）.北京：机械工业出版社，1998 [4] 邝允烈.近期50年我国压力铸造发展的回顾与展望.铸造，2002（3） [5] 骆灼旋.压铸技术的现状及展望.特种铸造及有合金，1998（4） [6] 许发樾主编.实用模具设计与制造手册.北京：机械工业出版社，2000 [7] 黄胜伟主编.计算机辅助设计（CAD）.北京：科学出版社，2002 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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