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CAD／CAM 在冲模设计与制造的应用
CAD/CAM in die design and manufacture of applications
班级：
08营
学号: 08060403
姓名：
陈军
【摘要】
本文论述了模具行业的概况及其近年来所取得的成绩，对国内外模具CAD/CAM技术的发展历程和现状作了简单概述，针对冲模设计制造和加工技术等方面的应用, 阐述了CAD/CAM系统的构成、主要工作内容和其效果，即模具CAD／CAM 系统由产品及模具设计制造的数值计算和数据处理程序包、图形信息交换（输入、输出）和处理的交互式图形显示程序包、存储和管理设计制造信息的工程数据库等三大部分构成，主要功能包括雕塑曲面造型功能、实体造型功能物体质量特性计算功能、三维运动机构的分析和仿真功能、二、三维图形的转换功能、三维几何模型的显示处理功能、有限元法网格自动生成的功能、优化设计功能、数控加工的功能、信息处理和信息管理功能。系统效果包括缩短了冲模设计和制造周期、提高了模具精度和设计质量、可以积累检索冲模设计和制造经验、降低了成本。
阐述了冲模CAD/CAM系统在冲模设计、制造的各个步骤的应用，即在产品图形的输入，三维(3D)主模型的制作，模具设计，模具的NC加工等步骤的应用，分析了冲模设计与制造未来发展的趋势，模具市场的国际化，竞争将愈演愈烈，短周期、高质量、长寿命的模具是模具行业和用户的追求，这必将使模具CAD/CAM技术全面深入地应用于模具行业中，同时与并行工程、精益生产、敏捷制造等多种生产模式的结合日益密切，最终使模具行业发生重大变革。关键词：冲模
CAD/CAM系统
效果
功能内容
顺序 英文摘要
This paper discues the mold industry overview of and their recent achievements of die &mould CAD/CAM technology development history and actuality simple overview, stamping design for manufacturing and proceing techniques, etc., this paper expounds the application of CAD/CAM system structure, main content and its effect, namely mould CAD/CAM system consists of products and tool design and manufacture of numerical computation and data proceing program packages, graphical information exchange(input, output)and proceing of interactive graphic display packets, storage and management of design and manufacture information engineering database etc three most constitute, the main features include sculpture surface modeling function, the solid model function object quality properties calculation function, 3d movement mechanism analysis and simulation function, two, 3d graphics function of the conversion, 3d geometric model display management function, fem mesh auto-generated function, optimization design functions, nc machining function, information proceing and information management functions.System including shortened effect stamping design and manufacturing cycle, improving the precision and quality of design, mold design and can be accumulated retrieval punching die manufacturing experience, reduce the cost Expounds dies CAD/CAM system in die design and manufacture of every steps of application, namely in product graphics input, three-dimensional(3D)main model manufacture, mould design, mould of NC machining etc steps of application, then analyzes the die design and manufacture of future development trends, mould market internationalization, the competition will be increasingly fierce, short cycle, high quality, long service life of die is mold industry and user pursue, this will make mould CAD/CAM technology comprehensive thorough application in mold industry, at the same time and the concurrent engineering, lean production, agile manufacturing etc.Various production mode is increasingly close, the combination of finally make mold industry important changes occurred.Keywords： punch die CAD/CAM system
effect
function content
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一、引言 模具是工业生产中的基础工艺装备，也是发展和实现少无切削技术不可缺少的工具。冲模设计与制造的工艺水平及科技含量的高低，直接影响到工业产品的发展，它在很大程度上决定着产品的质量、企业的效益、新产品的开发能力，决定着一个国家制造业的国际竞争力，因此冲模设计与制造的工艺水平及科技含量的高低已经成为衡量一个国家工艺水平和产品制造水平的重要标志。随着模具CAD/CAM技术的广泛使用，冲模设计与制造的工艺水平和科技含量将有质的飞跃。
二、概述
计算机辅助设计和计算机辅助制造的基本意思是指产品设计和制造技术人员在计算机系统的支持下，根据产品设计和制造流程进行设计和制造的一项技术，也是人类智慧与系统中的硬件和软件功能巧妙的结合。然而，如果用途不同，则CAD/CAM系统中的硬件和软件的配置与组织也是不一样的，这才能有效地用于某类工程或产品的设计与制造的全过程，即包括方案设计、总体设计与零件设计以及加工和装配。由于CAD/CAM技术还在不断发展，而且，不同领域对CAD/CAM技术的应用程度也有不同，所以，目前对CAD/CAM技术的含义的理解也略有差异。可以预料，随着计算机技术的发展，CAD/CAM技术帮助技术人员完成查品设计和制造的范围将不断扩大和完善，对其含义的理解将会逐渐接近一致。
CAD/CAM技术本身是一项综合性的、技术复杂的系统工程，涉及许多学科领域，如计算机科学和工程，计算数学，几何造型、计算机图形显示、数据结构和数据库、仿真、数控、机器人和人工智能学科和技术以及与产品设计和制造有关的专业知识等。CAD/CAM技术具有自己的特点和发展规律，而且，随着电子科学技术的发展和不断地向前发展，需要人们不断地去探索和研究，使其更加完善。
计算机辅助设计与制造在冲压生产中应用较早。国外从20 世纪50 年代末期就开始了对冲模CAD 的研究。20 世纪70 年代初陆续推出了一批模具CAD／CAM 系统，如美国D—C 公司于1971 年推出的PDDc级进模CAD／CAM 系统，福特汽车公司开发的汽车拉深模CAD／CAM 系统。1979 年日本推出冲孔及弯曲模PENTAX 系统及JAPT 自动编程系统。同时，英国、前苏联、意大利、捷克等国也进行了冲模CAD／CAM 技术的开发和应用。取得了良好效果。一般都能提高设计功效几倍至几十倍，缩短模具制造周期60％以上，降低模具制造成本约30％～50％。
近年来，国内各种冲模CAD／CAM 系统不断涌现，如上海交大模具研究所开发的冲模CAD／CAM系统，华中理工大学开发的精冲模CAD／CAM 系统（HJC）、山东某厂开发的拉深模CAD 系统、西安交大开发的“冲模设计师”CPD—PD 等系统。这些模具CAI／CAM 的开发，积极促进了模具标准化、典型化进程。而模具设计制造技术的每一个进步也促进模具CAD／CAM 技术的日渐成熟。CAD／CAM 在冲模设计与制造的应用，主要可归纳为以下几个方面：
1）利用几何造型技术完成复杂模具的几何设计。2）完成工艺分析计算，辅助成型工艺设计。
3）建立标准模具零件和结构的图形库，提高模具结构和模具零件设计效率。4）辅助完成绘图工作，输出模具零件图与装配图。
5）利用计算机完成有限元分析和优化设计等数值计算工作。6）辅助完成模具加工工艺设计和NC 编程。
三、冲模CAD／CAM 系统的功能内容
1973 年CAD／CAM 技术尚处于初期实用阶段时，国际信息处理联合会IFIP（InternationalFederation of Information Proceing）曾给CAD 下了一个广义的、并未得到公认的定义：“CAD 是将人和计算机混编在专业解题组中的一种技术，从而将人和计算机的最优特点结合起来。”人具有逻辑推理、判断、图形识别、学习、联想、思维、表达和自适应的特点和能力，计算机则以运算速度快、存储量大、精度高、不疲劳、不忘记、不易出错以及能迅速显示数据、曲线和图形见长。所谓最优特点“结合”，即通过人机交互技术，让人和计算机进行信息交流和分析，取长补短．使人和计算机的最优特性都得到充分发挥，而获得最佳的综合效果。一个比较完善的模具CAD／CAM 系统，是由产品及模具设计制造的数值计算和数据处理程序包、图形信息交换（输入、输出）和处理的交互式图形显示程序包、存储和管理设计制造信息的工程数据库等三大部分构成。这种系统的主要功能包括：
1）雕塑曲面造型（Surface Modeling）功能：系统应具有根据给定的离散数据和工程问题的边界条件，来定义、生成、控制和处理过渡曲面与非矩形域曲面的拼合能力，提供汽车、飞机、船舶以及其他复杂形状产品的模具设计和制造所需要的曲面造型技术。
2）实体造型功能（Solid Modeling）：系统应具有定义和生成体素（PrimIIive）的能力以及用几何体素构造法CSG（（20ntructive Solid Geometry）或边界表示法B—rep（Boundaryrepresentation）构造实体模型的能力，并且能提供用规则几何形体构造模具总装图、零件图所需的实体造型技术。
3）物体质量特性计算功能。
4）三维运动机构的分析和仿真功能。5）
二、三维图形的转换功能。
设计过程是一个反复修改、逐步逼近的过程。总体设计需要三维图形，而结构设计主要用二维图形。因此，从图形系统角度分析，设计过程也是一个三维图形变二维图形，二维图形变三维图形的变换过程。所以，模具CAD／CAM 系统应具有二、三维图形的转换功能。
6）三维几何模型的显示处理功能：系统应具有动态显示图形、消除隐藏线（面），彩色浓淡处理（Shading）的能力，以便使设计人员通过观察、构思和检验，解决三维几何模型设计的复杂空间布局问题。
7）有限元法（FEM Finite Element Method）网格自动生成的功能。系统应具有用有限元法对产品及模具结构的静、动态特性、强度、振动、热变形、磁场强度、流场等进行分析的能力，以及自动生成有限元网格的能力，以便为用户精确研究产品结构受力、成形过程及用深浅不同的颜色描述应力、磁力、温度分布等提供分析技术。有限元网格，特别是复杂三维模型有限元网格的自动划分能力是十分重要的。
8）优化设计功能。系统最低限度应具有用参数优化法进行方案优选的功能。这是因为优化设计是保证模具具有高速度、高品质和低成本的主要技术手段之一。
9）数控加工的功能。系统应具有三坐标、四坐标、五坐标机床加工模具零件的能力，并能在图形显示终端上识别、校核刀具轨迹和刀具干涉，以及对加工过程的模态进行仿真。
10）信息处理和信息管理功能：系统应具有统一处理和管理设计、制造以及生产计划等全部信息（包括相应软件）的能力。或者说，应该建立一个与系统规模匹配的统一数据库，以实现设计、制造、管理的信息共享，并达到自动检索、快速存取和不同系统间交换和传输的目的。
四、冲模设计、制造的顺序
1、产品图形的输入 首先用CATIA或CADAM 将CAD/CAM系统中的产品形状、产品图样写人数据库中, 一般这种输入是指产品图形的输人和由数字化仪读人胶片图的数据, 随着发展将来会采用由磁带输人点列数据的方法, 因此要求CAD/CAM系统具有处理多种输人数据的功能。
2、三维(3D)主模型的制作
利用所输人的数据, 以会话方式在图形显示器上, 一边显示已定义的图形, 一边定义三维形状。为了检验CAD/CAM 系统所定义的三维模型的正确性和精度, 用NC加工实际尺寸的石膏模型是一个重要步骤, 因为这时所做的三维模型数据在下一道工序中要用8可以说是下一道工序的基础: , 因此必须十分准确定义。.3、模具设计
用三维主模型和产品图样来进行模具设计。这样设计如采用CADDAM效率是很高的。首先分析经NC加工的三维主模型，然后拟定型替加工的方案。取主模型截面，研究制作模具的几个过程：绘图、制表、冲孔、切边等，制成方案图。在将方案图中的三维数据改为二维数据，使用CADAM-CATIA接口输送到CADAM，由CADAM进行模具的详细设计，并制成零件明细表，但标准形状则可用宏几何功能以交互方式通过参量处理进行图形定义。
模具的详细设计、零件明细表的制作均离不开CADAM的快速响应及宏几何等功能，因此采用CADAM方法时效率提高。
据此，如能实现一定程序的标准化，赋予参量以变量，图形显示在CRT屏幕上，则能够大幅度地缩短设计周期。
4、模具的NC加工
在数控加工之前，首先按照设计信息(设计图样，零件表等)．确定外购件、自制件、外定货件等．并编制工艺方案．决定自制件的加工方法。NC加工的部分，因它们的模型数据已存储在数据库中．将数据取出后，通过CATN【三维NC加工／二维NC加工)和CADAM(二维NC加工)编制出NC的刀具轨迹。尤其对于三维形状的切削来讲．采用CA盯A编制NC的刀具轨迹效率更佳。编制出的刀具轨迹数据通过APR一AC制作成NC散据纸带。
5、模板
在需要制作模板时．要用CATIA数据库中三维模型，先绘出制作模板必用的断面圈，然后用CA11A一NC或CADAM—NC进行切削加工。此外，开发的冲模微机CAD／CAM系统(CPDS)。它以lBMpC／AT、XT及国产长城系列机CW052C—H、GW286CAD工作站为硬件基本支持环境，以目前国内外最流行的功能较强、交互性能较好的美国AU1DDESK公司出版的AutoCAD2．18版为基础开发的。此系统由独立的系坑菜单管理。它包括15个CAD／CA功能模块和一个冲模国标图库，一个冲模标准数据库．两个专用符号库和一个数字化菜单。其15个功能模块是：刃口计算；图形编辑；条料优化排样；压力中心计算；图形尽寸代真；
曲线定义与计算；曲面定义；曲面计算；曲面显示；刀具选择与后置文件处理；线切割机床B格式代码转换；后置处理l汉字f词)生成；文档报表；用AutouSP语言扩充的曲线命令文件等。该系统是一个面向用户开放式的系统。为满足不同设计制造要求，用户还可任意扩充CAD／CAM功能模块，统一在同一系统菜单下进行管理。这些功能模块是根据冲模设计制造要求设计的。例如，刃口计算是根据选择的工件精度、模具类型、材料种类、断面质量、磨损后的尺寸变化、模具问隙系投、标称尺寸类型以及输人的工件厚度、标称尺寸的上下偏差、算得的模具磨损系数，最小及最大阃隙，凸凹模杯称尽寸与偏差等．并输出全部结果。图形编辑功能包括对样件外轮廓图形元寨进行排序、对图形变切点的精确定位，对图形进行对称配置、做刀具轨迹图形等。冲件排样功能包括定角度排样、列表优化排样、自动优化排 样。排样方式有单排、双排、对头单排、对头双捧。输出内容有排样图形、捧样面积、步距、科宽、材料利用率等。尺寸代真功能可以自动检索尺寸数据库信息．用检索出的实际尺寸信息代真图形文件中的符号尺寸，并输出全部代真结果．就是经过尺寸代真并装配好样件的图形。玲冲模的CAM功能主要是完成冲模的线切割编程、成形模造型以及三坐标铣削等加工编程工作。对于其他模具及零件加工，这些功能都具有通用性。
五、冲模CAD／CAM系统效果
(I)缩短了冲模设计和制造周期。(2)提高了模具精度和设计质量。
(3)可以积累检索冲模设计和制造经验。
经过CAD／CAM系统后．每一种模具设计图样、NC数据、设计数据等均可自动存储起来。如果进行类似模具的设计和制造时．即可使用过去的数据．因而可大幅度地缩短设计、制造周期。对于冲压件的回弹，折皱及裂纹和变形等．可将过去所积累资料的分析结果进行反馈及修正，以提高其精度。
(4)降低了成本。引人冲模CAD／CAM的经济、技术效益是多方面的．除了上述四个基本方面外．还可引起其他综合效益。如增强企业的竞争能力和应变能力等。
六、总结
CAD/CAM技术还在发展之中，发展的主要趋势是集成化、智能化、并行化、网络化和标准化。随着市场的国际化，竞争将愈演愈烈，短周期、高质量、长寿命的模具是模具行业和用户的追求，这必将使模具CAD/CAM技术全面深入地应用于模具行业中，同时与并行工程、精益生产、敏捷制造等多种生产模式的结合日益密切，最终使模具行业发生重大变革。同时CAD/CAM技术的普及应用不仅对传统产业的改造、新兴产业的发展、劳动生 产率的提高、材料消耗的降低、国际竞争能力的增强均有巨大的带头作用，而且CAD/CAM技术及其应用水平正成为衡量一个国家科学技术现代化和工业现代化水平的重要标志之一。参考文献
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