模具设计研究现状和未来趋势论文

第一章绪论 第一章绪论 1.1选题依据 模具在产品制造过程中占据重要地位。模具设计水平的高低，在很大程度上 决定了生产率的高低。有效的模具设计可以降低资源调整次数和调整时间，为生 产计划与调度提供更大的优化空间，以达到提高生产效率的目的[1]。模具设计是工 装系统的重要组成部分，它影响着产品生产的效率和质量。对模具设计进行深入 的研究有着重要意义。 模具行业是工业的基础行业，工业的各个领域都广泛地使用模具[2l。在电子、 汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通讯等产品中，60%一8%0的零部件都要依 靠模具成形。用模具生产零件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高 生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”， 用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。模具生 产技术水平的高低，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力， 并且己成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志[3]。模具作为工业生产的基 础工艺装备，在国民经济中占有重要的地位。近10年来，模具CAD技术发展很快， 应用范围日益扩大。模具CAD技术给模具的设计和制造提供了一个高效、经济而 且快速的方法，大幅度地提高了模具的质量，缩短了模具的设计和制造周期，降 低了模具成本[’]。 目前国内外己经有许多模具CAD系统，这些系统虽然具有较强的分析计算能力 与图形处理能力，可以提供交互式设计5]l。但是在这些系统中，模具设计过程主要采 用人机交互方式进行，大多数的设计是依靠操作者的设计经验，计算机只是进行一 些规则匹配以及计算工作，而对于前人成功设计的模具不能有效的利用，造成模具 设计周期很长，成本较高，开发效率很低。 基于实例推理技术(Case一basdeReasoning，CBR)的模具设计可以使设计者利 用以往的设计经验，通过组合、修改以往的设计方案来构造新的设计方案;同时在 现实生产中，己积累有许多模具零件的类型以及装配关系完全相同的模具族，可 以成为新设计的基础6]I。cRB技术抛弃了以往对抽象的知识规则的构建和演算操作， 直接借助己有实例来解决问题，通过对旧实例的证实和修正来达到对新模具的设 计[7]。在基于实例推理系统中，以前的经验是以实例的形式按照某种组织结构保存 于实例库中8]t，当要解决一个新问题时，通过相关属性采用适当的算法检索实例库， 找出与新问题最相似的一个或几个实例，再修改实例来达到对新问题的解决[9l。 在模具设计中应用CRB方法，利用计算机模具人脑在设计中的思维活动，完 成了以往由设计师完成的任务，不仅充分利用了模具专家的设计经验，适合工程 中的实际情况，也符合人类的思维习惯。同时，用这种方法得到的模具基于以前 已经设计成功的实例，因此减少了新模具不能正常工作的可能性，并且缩短了开 发周期。 1.2模具CAD发展现状和趋势 1.2.1模具CA。系统国内外发展概况 模具CAD系统是随着以D技术以及现代设计理论与方法的发展而不断发展的， 从最初的以二维图形技术为基础的系统发展到了目前以三维图形技术及特征构型 为主要特点的阶段110，川。 国外于20世纪60年代末开始模具以D研究，70年代初已投入生产中使用。 如美国Diecomp公司于1973年研制成功计算机辅助设计级进模的PDDc系统[’21。 该系统中已经包括产品图形与材料特性的输入:在输入的基础上，再进行模具结 构类型选择，凹模排样、凸模和其他嵌件设计;最后绘制模具总装图和零件图以 及NC编程。 1978年，日本机械工程实验室研制成冲裁级进模CAD系统，该系统由产品图 输入、模具类型选择、毛坯排样、条料排样、凹模布置、工艺计算、绘图等10个 模块组成。 进入20世纪80年代随着计算机技术的发展，使用模具CAD技术的厂家大大 增加。在弯曲成型级进模和汽车覆盖件模具CAD系统中，应用了塑性成形模拟技 术。代表是日本日立公司于1982年研制成弯曲级进模以D/以M系统，采用人工与 计算机设计相结合的批处理方式。 20世纪90年代出现了许多商品化CAD/CAM系统如Pro/E，SolidWorks等。 由于我国计算机技术发展较晚，20世纪80年代才开始模具CAD研究。华中科技大 学、机电研究院、上海交通大学等单位相继展开冲裁模系统的研究。20世纪90年 代中期，华中科技大学的基于特征的设计的级进模CAD系统是这个时期的代表产 口 口口。 1.2.2模具CAO的发展趋势 近年来，全球制造业正向亚太地区转移，我国正成为世界制造业的重要基地 [3]l。制造业模式的变化，必将产生对新技术的需求，也必将推动CAD技术的发展; 网络技术应用的普及将在更大程度上改变我们的生活，改变制造业的模式。随着 我国加入WTO，要求我们的产品要有创新性，并且具有更高的质量、更低的成本， 并在更快的时间内提供给用户[4l1。作为产品制造的重要工艺装备，国民经济的基 础工业之一的模具工业将直面竞争的第一线。模具工业除需要“高技艺”的从业 人员外，还需要更多的“高技术”来保证。 (1)协同创新设计将成为模具设计的主要方向 制造业垂直整合的模式使得世界范围内产品销售、产品设计、产品生产和模 具制造分工更明确。为了缩短产品上市周期，使模具设计充分理解产品设计的意 图，在产品的设计阶段，模具设计也同时开始，产品设计工程师和模具设计工程 师需尽早进入协同设计状态。另外，模具制造商需要的模具标准件一般都由模具 标准件厂提供，最好在模具设计阶段就参照各类标准，充分利用模具标准件厂提 供的数据进行设计。由于在制造流程中各个环节所采用的CAD系统不一定相同， 这就要求以D系统要具备协同的能力，能够随时交换上下游的数据，能够处理彼 此的数据，数据产生及处理标准化。 目前，模具制造商己经较广泛地采用数控加工技术。为了保证加工质量、提 高加工效率、改进制造流程，相当一部分的模具制造商开始使用多坐标数控加工、 高速铣削加工以及基于快速原型的模具制造等方法。因为制造设备的丰富，制造 信息的增加，今后的制造信息将不仅仅是数控编程加工的代码，更重要的是，从 设计开始就考虑制造过程，即提供模具制造的工艺流程，其中不仅包含工艺表格、 加工参数，还包括模具加工的夹具设计、加工的装夹过程及各工序的代码。各工 序过程均进行仿真，并利用网络实现共享。 (2)模具CAD技术的ASP模式将成为发展方向 今天的模具行业己经成为高技术密集的行业。任何一个企业，要掌握全部先 进的技术，成本都将非常高昂，要培养并且留住掌握这些技术的人才也会非常困 难。于是，模具CAD的APS模式就应运而生了，即由拥有各种专门技术的应用服 务单位为模具企业提供技术服务。这样整个社会就形成了一个大的模具制造企业， 按照价值链和制造流程分工，将制造资源最优发挥。应用服务包括如、快速原型 制造、数控加工外包、模具设计、模具成型过程分析等。 近20年来，由于不断采用新技术，制造模具已经远不是人们印象中的“手工 作坊”了。 2.3模具CAO系统的特点和优越性 (1)模具设计的特点 与传统的单个零件的设计不同，模具是多个零件的装配体，模具设计是一个 极为复杂的过程，包括产品建模、工艺性分析、制定模具方案、选择模架、模具 总装图设计、工作部件设计、辅助装置设计和零件详细设计等部分，要求最终能 够生成总装图、部装图及模具零件图.模具造型的特殊性有以下几点: a.大多数模具是进行复杂零件加工的，模具造型较复杂。 b，一般模具加工零件的工序比较少，大部分是一次成型，所以模具的外形必 须要有加工零件的所有细节描述。 C.模具设计的反复机率高，所以模具CAD几何模型应能反复更新并能及时修 复。 (2)模具cAD的造型特点[4] 模具CAD造型技术是精确造型技术，可分为实体造型和曲面造型: a.实体造型技术对于结构简单的模具来说己经能够满足设计要求，但对于结构 复杂、细节描述精度要求高的零件来说就显得不够，如在拔模面、面圆角过渡、 型腔设计上受到了一定的限制。 b.曲面造型技术是由不同的曲面构造特征，产生光顺的曲面模型。主要包括多 曲面的等变圆角过渡处理技术、曲面自动修剪技术、曲面编辑、曲面分析技术和 光顺处理等核心技术，它能辅助实体造型技术完成模具设计中所有细节描述的设 计。曲面造型技术适合于外形复杂和细节描述精度要求高的产品的模具设计。 (3)模具CAD的优越性[’“} 模具CAD的优越性赋予了它无限的生命力，使其得以迅速发展和广泛应用。 无论是在提高生产率、改善质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，以D 技术的优越性是传统的模具设计方法所不能比拟的。 a.ACD可提高模具设计质量。在计算机系统内存储了各有关专业的综合性的 技术知识，为模具的设计和工艺的制定提供了科学的依据。计算机与设计人员交 互作用，有利于发挥人一机各自的特长，使模具设计和制造工艺更加合理化。 b.CAD可以节省时间，提高生产率。设计计算和图样绘制的自动化大大缩短 了设计时间。质量提高，可靠性增强，装修时间明显减少，模具的交货时间大大 缩短。 c.CAD可以较大幅度地降低成本。计算机的高速运行和自动绘图大大节省了劳 动力。优化设计带来了原材料的节省。 d.CAD技术将技术人员从繁冗的计算绘图中解放出来，从事其他创造性的劳 动。 1.3论文的研究内容 系统地提出基于实例推理的模具设计的理论与方法，对CRB技术在模具设计 上的应用进行了深入的研究。在理论研究的基础上，开发了基于实例推理的模具 设计系统，有力地证实了应用CRB技术可以提高模具设计效率。本文研究内容主 要包括: 第一章绪论:概述了论文的研究意义，介绍了课题的来源与选题背景，简要 的描述了CRB技术在模具设计中的应用，研究了模具CAD的国内外概况和发展趋 势。 第二章模具CAD系统总体设计:主要包括对模具CAD的流程分析，系统需求 分析，以及体系结构的定制和功能模块的划分。 第三章基于实例推理的关键技术:描述了基于实例推理技术，详细介绍了实 例的表示，实例的检索策略以及实例的存储等一些关键技术。 第四章基于实例的模具设计:介绍了模具实例的表示内容以及方法，并对模 具实例的存储于检索提出了方案。 第五章原型系统开发:介绍了UG开发平台和开发工具，对系统业务流程进 行了描述。 第六章结论与展望。对本文的研究内容进行总结和展望

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我国考古发现，早在2000多年前，我国已有冲压模具被用于制造铜器，证明了中国古代冲压成型和冲压模具方面的成就就在世界领先。1953年，长春第一汽车制造厂在中国首次建立了冲模车间，该厂于1958年开始制造汽车覆盖件模具。我国于20世纪60年代开始生产精冲模具。在走过了温长的发展道路之后，目前我国已形成了300多亿元（未包括港、澳、台的统计数字，下同。）各类冲压模具的生产能力。 一、冲压模具市场情况 我国冲压模具无论在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都已有了很大发展，但与国发经济需求和世界先进水平相比，差距仍很大，一些大型、精度、复杂、长寿命的高档模具每年仍大量进口，特别是中高档轿车的覆盖件模具，目前仍主要依靠进口。一些低档次的简单冲模，已趋供过于求，市场竟争激烈。 现将2004年我国冲压模具市场情况简介如下： 据中国模具工业协会发布的统计材料，2004年我国冲压模具总产出约为220亿元，其中出口0.75亿美元,约合6.2亿元. 根据我国海关统计资料,2004年我国共进口冲压模具5.61亿美联社元,约合46.6亿元.从上述数字可以得出2004年我国冲压模具市场总规模约为266.6亿元.其中国内市场需求为260.4亿元,总供应约为213.8亿元,市场满足率为82%.在上述供求总体情况中,有几个具体情况必须说明:一是进口模具大部分是技术含量高的大型精密模具,而出口模具大部分是技术含量较低中的中低档模具,因此技术含量高的中高档模具市场满足率低于冲压模具总体满足率,这些模具的发展已滞后于冲压件生产,而技术含量低的中低档模具市场满足率要高于冲压模具市场总体满足率;二是由于我国的模具价格要比国际市场低格低许多,具有一定的竟争力,因此其在国际市场前景看好,2005年冲压模具出口达到1.46亿美元,比2004年增长94.7%就可说明这一点;三是近年来港资、台资、外资企业在我国发展迅速，这些企业中大量的自产自用的冲压模具无确切的统计资料，因此未能计入上述数字之中。 二、冲压模具水平状况 近年来，我国冲压模具水平已有很大提高。大型冲压模具已能生产单套重量达50多吨的模具。为中档轿车配套的覆盖件模具内也能生产了。精度达到1~2μm，寿命2亿次左右的多工位级进模国内已有多家企业能够生产。表面粗糙度达到Ra≤1.5μm的精冲模，大尺寸（φ≥300mm）精冲模及中厚板精冲模国内也已达到相当高的水平。 1、 模具CAD/CAM技术状况 我国模具CAD/CAM技术的发展已有20多年历史。由原华中工学院和武汉733厂于1984年共同完成的精神模CAD/CAM系统是我国第一个自行开发的模具CAD/CAM系统。由华中工学院和北京模具厂等于1986年共同完成的冷冲模CAD/CAM系统是我国自行开发的第一个冲裁模CAD/CAM系统。上海交通大学开发的冷冲模CAD/CAM系统也于同年完成。20世纪90年代以来，国内汽车行业的模具设计制造中开始采用CAD/CAM技术。国家科委863计划将东风汽车公司作为CIMS应用示范工厂，由华中理工大学作为技术依托单位，开发的汽车车身与覆盖模具CAD/CAPP/CAM集成系统于1996年初通过鉴定。在此期间，一汽和成飞汽车模具中心引进了工作站和CAD/CAM软件系统，并在模具设计制造中实际应用，取得了显著效益。1997年一汽引进了板料成型过程计算机模拟CAE软件并开始用于生产。 21世纪开始CAD/CAM技术逐渐普及，现在具有一定生产能力的冲压模具企业基本都有了CAD/CAM技术。其中部分骨干重点企业还具备各CAE能力。 模具CAD/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本，提高产品质量，已成为人们的共识。在“八五”、九五“期间，已有一大批模具企业推广普及了计算机绘图技术，数控加工的使用率也越来越高，并陆续引进了相当数量CAD/CAM系统。如美国EDS的UG，美国Parametric Technology公司 Pro/Engineer，美国CV公司的CADSS，英国DELCAM公司的DOCT5，日本HZS公司的CRADE及space-E, 以色列公司的Cimatron 还引进了AutoCAD CATIA 等软件及法国Marta-Daravision公司用于汽车及覆盖件模具的Euclid-IS等专用软件。国内汽车覆盖件模具生产企业普遍采用了CAD/CAM技术/DL图的设计和模具结构图的设计均已实现二维CAD，多数企业已经向三维过渡，总图生产逐步代替零件图生产。且模具的参数化设计也开始走向少数模具厂家技术开发的领域。 在冲压成型CAE软件方面，除了引进的软件外，华中科技术大学、吉林大学、湖南大学等都已研发了较高水平的具有自主知识产权的软件，并已在生实践中得到成功应用，产生了良好的效益。 快速原型（RP）传统的快速经济模具相结合，快速制造大型汽车覆盖件模具，解决了原来低熔点合金模具靠样件浇铸模具，模具精度低、制件精度低，样样制作难等问题，实现了以三维CAD模型作为制模依据的快速模具制造，它标志着RPM应用于汽车身大型覆盖件试制模具已取得了成功。 围绕着汽车车身试制、大型覆盖件模具的快速制造，近年来也涌现出一些新的快速成型方法，例如目前已开始在生产中应用的无模多点成型及激光冲击和电磁成型等技术。它们都表现出了降低成本、提高效率等优点。 2、模具设计与制造能力状况 在国家产业政策的正确引导下，经过几十年努力，现在我国冲压模具的设计与制造能力已达到较高水平，包括信息工程和虚拟技术等许多现代设计制造技术已在很多模具企业得到应用。 虽然如此，我国的冲压模具设计制造能力与市场需要和国际先进水平相比仍有较大差距。这一些主要表现在高档轿车和大中型汽车覆盖件模具及高精度冲模方面，无论在设计还是加工工艺和能力方面，都有较大差距。轿车覆盖件模具，具有设计和制造难度大，质量和精度要求高的特点，可代表覆盖件模具的水平。虽然在设计制造方法和手段方面基本达到了国际水平，模具结构周期等方面，与国外相比还存在一定的差距。 标志冲模技术先进水平的多工位级进模和多功能模具，是我国重点发展的精密模具品种。有代表性的是集机电一体化的铁芯精密自动阀片多功能模具，已基本达到国际水平。 但总体上和国外多工位级进模相比，在制造精度、使用寿命、模具结构和功能上，仍存在一定差距。 汽车覆盖件模具制造技术正在不断地提高和完美，高精度、高效益加工设备的使用越来越广泛。高性能的五轴高速铣床和三轴的高速铣床的应用已越来越多。NC、DNC技术的应用越来越成熟，可以进行倾角加工超精加工。这些都提高了模具面加工精度，提高了模具的质量，缩短了模具的制造周期。 模具表面强化技术也得到广泛应用。工艺成熟、无污染、成本适中的离子渗氮技术越来越被认可，碳化物被覆处理（TD处理）及许多镀（涂）层技术在冲压模具上的应用日益增多。真空处理技术、实型铸造技术、刃口堆焊技术等日趋成熟。激光切割和激光焊技术也得到了应用。