1、 毕-5脚踏板冷冲模模具设计摘要：随着我国制造业的快速发展，模具工业得到了很好的发展，已成为基础工业。模具可保证冲压产品的尺寸精度，使产品的质量稳定，而且在加工中不破坏产品表面。而且随着中国制造“2025”的提出，CAD/CAE/CAM 技术在模具设计上有了更好的运用与发展。利用 Pro/E /UG/CATLA 等技术高效，快速的设计制造模具已经成为模具发展趋势。关键字：模具、冷冲模、CAD/CAE/CAM、中国制造“2025”前言 ：近几年来，随着我国制造业的快速发展，制造技术的进步，制造的主要工艺装备的进步。模具工业已成为国民经济的基础工业。模具可保证冲压产品的尺寸精度，使产品的质量稳定，
2、而且在加工中不破坏产品表面。用模具生产零部件可以采用冶金厂大量生产的廉价的扎制钢板或钢带为坏料，且在生产中不需要加热。具有生产效率高、质量好、重量轻、成本低且节约能源和原材料等系列优点，是其他加工方法不能比拟的。使用模具已成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。现代制造工业的发展和技术水平的提高，很大程度上取决于模具工业的发展。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。因为模具在很大程度上决定这产品的质量、效益和新产品的开发能力。一、模具技术现状1.1 冲模以大型覆盖件冲模为代表，我国已能生产部分轿车覆盖件模毕-5具。轿车覆盖件模具设计和制造难度大，质量和精度要求
3、高，代表覆盖件模具的水平。在设计制造方法、手段上已基本达到了国际水平，模具结构功能方面也接近国际水平，在轿车模具国产化进程中前进了一大步。但在制造质量、精度、制造周期和成本方面，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，在制造精度、使用寿命、模具结构和功能上，与国外多工位级进模和多功能模具相比，仍存在一定差距。1.2 压铸模汽车和摩托车工业的快速发展，推动了压铸模技术的发展。汽车发动机缸罩、盖板、变速器壳体和摩托车发动机缸机、齿轮箱壳体、制动器、轮毂等铝合金铸件模具以及自动扶梯级压铸模等，我国均已能生产。技术水平有所提高，使汽车、
4、摩托车上配套的铝合金压铸模大部分实现了国产化。在模具设计时，注意解决热平衡问题，合理确定浇注系统和冷却系统，并根据制造要求，采用了液压抽芯和二次增压等结构。总体水平有了较大提高。压铸模制造精度可达 0.020.05mm（国外 0.01-0.03mm），型腔表面粗糙度值为 Ra0.4-0.2um（国外为 Ra0.02-0.01um），模具制造周期为中小型模具为 3-4 个月，中等复杂模具为 4-8 个月，大型模具为 8-12 个月，约为国外的 2 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。二、中国制造 2025根据国务院 2015 年
5、 5 月 8 号发布的中国制造 2025，中国制造“2025 ”已经成为我国制造业未来十年发展的重要纲领，中国制造“2025 ”源于德国的“工业 4.0”，德国的“工业 4.0”毕-5是为了在新一轮工业革命中占领先机，在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下，于2013 年 4 月在德国的汉诺威工业博览会上正式推出“工业 4.0”项目。该项目认为将物联网和服务网应用到制造业正在引发第四次工业革命。未来的企业将利用全球网络把它们的机器、存储系统和生产设施构建成一个集成系统（CPS），即提出的虚拟网络实体物理系统（CPS）1 。并且，给出了“工业 4.0”的定义：
6、“在一个智能、网络化的世界里，物联网和服务网将渗透到所有的关键领域。在制造领域中，贯穿整个智能产品和系统的价值链网络的垂直网络、端到端的工程和横向集成将成为工业化第四阶段的引领者即“工业 4.0”。从“工业 4.0”的定义和背景可以看出：“工业 4.0”的核心就是将互联网与物联网技术应用于制造业，使制造业由出售产品向出售服务转变，同时也将导致制造业的价值创造、商业模式、服务和生产组织以及工作模式等发生根本性地改变。智能化是工业 4.0 的重点特征。制造业的智能化主要体现在2 个方面，即生产过程的智能化和产品的智能化。生产过程的智能化是指智能工厂，而产品的智能化是指制造业工厂所制造出来的产品具有
7、智能化。显然，创造出高智能化的产品是智能化的关键，也是能否真正实现工业 4.0 的关键。在一个智能工厂里，当某一个零部件需要加工时，该零部件的信息会在网上发布，则智能工厂会根据该零部件的信息通过互联网和物联网自动组织相关设备，组成一个(或多个)临时加工生产线，对该零部件展开制造和加工。当该零部件加工完成时，该临时生产线自动解体。需要强调的是这个临时生产线已经不再局限于该企业的设备，而是互联网上适合的设备（特别是多零件组合的部件制造）。因此，设备物联网、智能物流和智能系统网络将使智能工厂成为未来的智能制造中的关键组成部分。这将导致传统制造业的生产方式、（生产）价值链以及商业模式发生根本的转变。毕
8、-5模具智能化随着信息与数字技术的发展，模具智能化也崭露头角。可以控制温度和压力的注射模和压铸模正在普及，新型的模具结构纷纷出现，精密成形控制和技术也受到了越来越多模具企业的关注，显现出了许多模具智能化的初期特征。未来的智能模具由模具、传感器、网络及控制系统、成形工艺智能控制软件等组成，模具在成形零件的过程中，将传感器获取的实时信息传送给模具成形控制系统，由控制系统中的成形工艺（网络）智能控制软件对其进行分析和决策，并发出控制指令，实现模具成形工艺全过程的智能控制。智能化与网络化是未来模具的发展方向，智能模具与网络化将彻底改变模具的结构、形式、设计与工作模式，因此，模具智能化将在以下一些方面给
9、模具行业带来改变。智能化与网络化是未来模具的发展方向，智能模具与网络化将彻底改变模具的结构、形式、设计与工作模式，因此，模具智能化将在以下一些方面给模具行业带来改变。三、模具的发展趋势 CAD/CAE/CAM 技术模具正向集成化、三维化、智能化和网络化方向发展。模具CAD/CAE/CAM 技术是改造传统模具生产方式的关键技术，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。它使技术人员能借助于计算机对产品、模具结构、成形（型）工艺、数控加工及成本等进行设计和优化。以生产家用电器的企业为代表，陆续引进了相当数量的 CAD/CAM 系统，实现了 CAD/CAM 的集成，并采用 CAE 技
10、术对成形（型）过程进行计算机模拟等，数控加工的使用率也越来越高，取得了一定的经济效益，促进和推动了我国模具 CAD/CAE/CAM 技术的发展。近年来，我国自开发的有上海交大的冲裁模 CAD/CAE/CAM系统；北京北航海尔软件有限公司的 CAD/CAE/CAM 系列软件；吉林金网格模具工程研究中心的冲压 CAD/CAE/CAM 系统等，为毕-5进一步普及模具 CAD/CAE/CAM 技术创造了良好条件。目前我国计算机辅助技术的软件开发，尚处于较低水平，需要知识和经验的积累。A.模具软件功能集成化。 模具软件功能的集成化要求软件的功能模块比较齐全，同时各功能模块采用同一数据模型，以实现信息的综
11、合管理与共享，从而支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全过程，达到实现最佳效益的目的。如英国 Deleam 公司的系列化软件就包括了曲面.实体几何造型、复杂形体工程制图、工业设计高级渲染、塑料模设计专家系统、复杂形体 CAM 艺术造型及雕刻自动编程系统、逆向工程系统及复杂形体在线测量系统等。集成化程度较高的软件还包括：Pro/E、UG 和 CATLA 等。B.模具设计、分析及制造的三维化传统的二维模具结构设计已越来越不适应现代化生产和集成化技术要求。模具设计、分析、制造的三维化、无纸化要求新一代模具软件以立体的、直观的感觉来设计模具，所采用的三维数字化模型能方便地用于产品结构的+,
12、/分析、模具可制造性评价和数控加工、成形过程模拟及信息的管理与共享。如 Pro/E、UG和 CATLA 等软件具备参数化、基于特征、全相关等特点，从而使模具并行工程成为可能。另外,Cimatran 公司的Moldexpert、Delcam 公司的 Ps-mold 及日立造船的 Space-E/mold均是 3D 专业注射模设计软件，可进行交互式 3D 型腔、型芯设计、模架配置及典型结构设计。澳大利亚 Moldflow 公司的三维真实感流动模拟软件 MoldflowAdvisers 已经受到用户广泛的好评和应用。面向制造、基于知识的智能化功能是衡量模具软件先进性和实用性的重要标志之一。如 Cim
13、atran 公司的注射模专家软件能根据脱模方向自动产生分型线和分型面，生成与制品相对应的毕-5型芯和型腔，实现模架零件的全相关，自动产生材料明细表和供NC 加工的钻孔表格，并能进行智能化加工参数设定、加工结果校验等。 C.模具软件应用的网络化趋势随着模具在企业竞争、合作、生产和管理等方面的全球化、国际化，以及计算机软硬件技术的迅速发展，模具软件应用的网络化的发展趋势是使 CAD/CAE/CAM 技术跨地区、跨企业、跨院所在整个行业中推广，实现技术资源的重新整合，使虚拟设计、敏捷制造技术成为可能。四、冷冲模设计及 CAD/CAE/CAM 运用因冷冲模设计需进行大量的模具刃口尺寸、模具其它部分尺寸
14、和材料利用率等计算,又要查阅大量表格,并有很多的结构工艺示意图。设计人员每设计一套模具需大量计算工时, 往往计算工时多于绘图工时。因而,选择一款合适的软件进行冷冲模辅助设计是比较重要的。模具设计和制造中引人 CAD/CAM 技术,其作用不只限于简化设计中的计算手续、加快设计速度和促进自动化加工. 而且由于运用电子计算机后实现了生产功能的多样化,可以获得较佳的生产可靠性。在冷冲模模具设计、制造和加工技术等应用方面已经积累许多技巧, 在采用模具 CAD/CAM 系统进行模具设计和制造时 ,这些技巧应该成为设计人员、技术人员、现场操作人员随时可取用的必要信息。同时,把企业积累的经验、模具设计和制造的
15、顺序、标准图样等也都存储在工程数据库中,随时可以取出使用 ,这是最重要的。冷冲模具 CAD/CAM 技术在运用中有很多优越性，主要表现毕-5为以下几点：1.提高模具质量在模具 CAD/CAM 系统内存中有各种数据和资料,甚至带有专家系统,为模具的设计提供了科学的依据。CAD 技术使模具设计更加准确、快速。CAM 技术使零件尺寸精度高、表面粗糙度好。与传统的“试凑法”设计和仿型法加工相比,大大提高了模具质量。2.缩短模具设计制造周期利用模具 CAD/CAM 系统中存储的模具标准件库、常用设计计算的程序库及各种设计参数的数据库,可极大地缩短设计时间。高效的数控加工, 又可缩短制造时间。而计算机辅助
16、分析技术和虚拟制造技术的应用，亦可减少传统设计制造中反复试模修模的时间。3.降低成本，增强市场竞争力计算机的高速运算和自动化节省了大量的人力和物力。利用计算机模拟成型技术可以避免试模修模的反复，从而使成本大幅降低。加之,模具 CAD/CAM 技术的运用,缩短了新产品的开发时间,加速了产品的更新换代，增强了产品在市场上的竞争力。4.提高企业的管理水平模具 CAD/CAM 将传统的相对独立的设计和制造作为一个整体考虑，实现信息处理的高度一体化，使企业的产品开发、模具设计和制造建立在科学、定量分析的基础上，减少了盲目性。同时，可使整个模具生产过程中的人力、财力、物力等资源的管理和分配更加科学合理。模
17、具 CAD/CAM 的软件系统是核心,其作用是有效地管理和使毕-5用硬件，实现人们所需的各种功能。软件的配置水平决定了整个CAD/CAM 系统的性能。我们可将 CAD/CAM 的软件系统分为三个层次：系统软件、支撑软件和应用软件。系统软件是管理、控制计算机运行的程序的集合,是用户与计算机硬件的连接纽带。它主要包括：操作系统、编译系统和网络管理软件。 支撑软件是 CAD/CAM 软件系统的重要组成部分,它不针对具体的应用对象，而是为某一应用领域提供工具或开发环境。通常，支撑软件可以从软件市场上购买，用户也可以自行开发。比较通用的有以下几类：图形处理软件可分为图形处理语言及交互式绘图软件两类。计算
18、机分析软件数据库管理系统模拟仿真软件文档管理软件。应用软件是用户为解决某领域内实际问题而开发的程序系统，如模具设计软件、机械零件设计软件、机床设计软件、电器设计软件及汽车、飞机、船舶设计制造专用软件等。应用软件中，技术开发是关键，所谓技术开发就是用户结合工作的需要对软件进行开发,也就是通常说的“二次开发”。现在，软件的技术开发工作已成为 CAD/CAM 从业人员的主要任务之一。随着 CAD/CAM 技术的迅猛发展,适用于模具行业的商品化应用软件也是品种繁多、功能各异,下面简要介绍几种目前应用较广泛的应用软件。Pro/ENGINEER 软件Pro/ENGINEER 简称 Pro/E,是美国 PT
19、C(Paramatric Technology Corporation)公司于 1988 年推出的一套由设计至制造的参数化CAD/CAM 软件。它集零件设计、产品装配、模具开发、NC 加工、饭金设计、机构仿真、应力分析和产品数据库管理于一体,以其毕-5强大的实体参数化建模功能而著称，广泛用于家电、机械、电子、汽车和航空航天等行业，具有下列特点：三维造型。参数化模型建构。基于特征的造型。相关联性。统一的数据库UG 软件UG 是 UNIGRAPHIC 的简称,是美国 EDS(Electronic Data System)公司(麦道公司)开发的 CAD/CAM 一体化软件，汇集了美国航空航天及汽车工
20、业丰富的设计经验，可以支持不同的硬件平台。它由CAD,CAE、仿真、质量保证、开发工具、软件接口、 CAM 及饭金加工等部分组成。近年来,该公司成功收购并推出了 Solidedge 系统 Solidedge 已成为 CAD/CAM 系统中端主导产品。CATIA 软件CATIA 是 Computer-Graphics Aided Three-Dimensional Interactive Applications 的简称,是法国达索飞机公司研究开发的CAD/CAM 一体化软件，具有工程绘图、数控加工编程、计算分析等功能,可方便地实现二维元素和三维元素间的转换 ,具有平面或空间机构运动学方面的模拟
21、和分析功能，曲线造型功能尤为突出。五、结论随着人们生活水平的提高，人们对外形的要求越来越来高，毕-5同时对高效，速度的追求，这就加剧了对模具设计要求的提高，推动了 CAD、CAE、CAM 技术的快速发展。生产周期短、高质量、长寿命的模具是模具行业的追求,这必将使模具 CAD/CA E/CA M技术全面深入地应用于模具行业中。近年来,我国模具CAD/CAE/CAM 技术的应用有了长足的进步,但与国际先进水平相比仍有较大的差距。主要体现在 CAD/CAE/CAM 系统集成程度不高,CAD/CAE/CAM 软件开发进度和水平低,缺乏懂模具设计与制造又懂计算机的复合型人才。通过大力研究并行工程、逆向工程、知识工程等在模具设计与制造中的应用,走联合开发的道路,才能有效推动我国模具工业的快速发展。参考文献1.陈立德.机械制造技术M.上:上交通大学版, 2000 2.张超英.冲压模具与制造.北京：化学工业出版社，20033.周永泰. 我国模具工业的现状和发展趋势 J . 电加工与模具, 2004, ( 增刊). 4.丁洁，姜超，陈林国内外模具钢生产现状及发展J山西 冶金，2006，(2)：7-10 5. 钟佩思, 沈友徽,马静敏, 等. 模具先进制造技术发展趋势综述 J . 模具制造, 20056.姜家吉.模具 CAD/CAMM.北京:机械工业版, 2008
