引言

模具cad/cae/cam是改造傳統(tǒng)模具生產(chǎn)方式的關(guān)鍵技術(shù)，是一項高科技、高效益的系統(tǒng)工程。它以計算機(jī)軟件的形式，為企業(yè)提供一種有效的輔助工具，使工程技術(shù)人員借助于計算機(jī)對產(chǎn)品性能、模具結(jié)構(gòu)、成形工藝、數(shù)控加工及生產(chǎn)管理進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化。模具cad/cae/cam技術(shù)能顯著縮短模具設(shè)計與制造周期、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量已成為模具界的共識。

與任何新生事物一樣，模具cad/cae/cam在近二十年中經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜，從試點(diǎn)到普及的過程。進(jìn)入本世紀(jì)以來，模具 cad/cae/cam技術(shù)發(fā)展速度更快、應(yīng)用范圍更廣，為了使廣大模具工作者能進(jìn)一步加深對該技術(shù)的認(rèn)識，更好發(fā)揮模具cad/cae/cam的作用，本文針對模具中應(yīng)用最廣泛、最具有代表性的鑄造模、鍛模、級進(jìn)模、汽車覆蓋件模和塑料注射模cad/cae/cam的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢作概括性的介紹和分析。

鑄造模cad/cae/cam的發(fā)展概況

鑄造成形過程模擬的探索性工作始于求解鑄件的溫度場分布。 1962年丹麥的fursund用有限差分法首次對二維形狀的鑄件進(jìn)行了凝固過程的傳熱計算，1965年美國通用汽車公司henzel等對汽輪機(jī)鑄件成功進(jìn)行了溫度場模擬，從此鑄件在模具型腔內(nèi)的傳熱過程數(shù)值分析技術(shù)在全世界范圍內(nèi)迅速開展。從上世紀(jì)70年代到80年代，美國、英國、法國、日本、丹麥等相繼在鑄件凝固模擬研究和應(yīng)用上取得了顯著成果，并陸續(xù)推出一批商品化模擬軟件。進(jìn)入90年代后，我國的高等院校，如清華大學(xué)和華中科技大學(xué)在該領(lǐng)域也取得了矚目的成就。

單純的傳熱過程模擬并不能準(zhǔn)確計算出鑄件的溫度變化和預(yù)測鑄造中可能產(chǎn)生的缺陷，充模過程對鑄件初始溫度場分布的影響以及凝固過程中液態(tài)金屬的流動對鑄件缺陷形成的影響都是不可忽視的。鑄件充模過程的模擬技術(shù)始于上世紀(jì)80年代，它以計算流體力學(xué)的理論和方法為基礎(chǔ)，經(jīng)歷十余載，從二維簡單形狀開始，逐步深化和擴(kuò)展，現(xiàn)已成功實(shí)現(xiàn)了三維復(fù)雜形狀鑄件的充模過程模擬，并能將流動和傳熱過程相耦合。目前國外已有一批商品化的三維鑄造過程模擬軟件，如日本的solidia、英國的solstar、法國的simulor、瑞典的novacast、德國的magma和美國的 afsolid、procast等。國內(nèi)也有清華大學(xué)的鑄造之星、華中科技大學(xué)的華鑄cae等。這些鑄造模cae軟件已覆蓋鑄鋼、鑄鐵、鑄鋁和鑄銅等各類鑄件，大到數(shù)百噸，小至幾千克，無論是在消除縮孔和縮松，還是在優(yōu)化澆冒口設(shè)計，改進(jìn)浮渣夾渣等方面都發(fā)揮了顯著的作用。

伴隨著 cae技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的成功應(yīng)用，鑄造工藝及模具結(jié)構(gòu)cad的研究和應(yīng)用也在不斷深入，國外已陸續(xù)推出了一些應(yīng)用軟件，如美國鑄造協(xié)會的afs- software，可用于鑄鋼和鑄鐵件的澆冒口設(shè)計，英國foseco公司的feedercalk軟件，可以計算鑄鋼件的澆冒口尺寸和選擇保溫冒口套的類型。我國華中科技大學(xué)和清華大學(xué)在鑄造工藝及模具結(jié)構(gòu)cad方面也做了許多工作，如清華大學(xué)開發(fā)的thfscad軟件，主要由圖形掃描及矢量化和鑄造工藝 cad兩部分組成。前一部分對掃描輸入的圖形進(jìn)行消藍(lán)去污和矢量化，后一部分用來建立參數(shù)化圖形、計算鑄件的加工余量、繪制工藝卡等。thfscad是在二維圖形學(xué)的基礎(chǔ)上開發(fā)的，采用了autocad軟件為開發(fā)平臺。隨著cad技術(shù)的快速進(jìn)步，三維cad系統(tǒng)在鑄造生產(chǎn)領(lǐng)域會逐步取代二維cad系統(tǒng)而成為主流設(shè)計系統(tǒng)。

鍛模cad/cae/cam的發(fā)展概況

自上世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外許多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和公司對鍛模cad/cae/cam技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，在鍛造工藝過程設(shè)計、鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計和金屬流動模擬等方面均取得了顯著的成績。

軸對稱鍛件約占鍛件總數(shù)的30%左右，加上軸對稱鍛件幾何形狀簡單，易于描述和定義，所以開發(fā)鍛模cad/ cam系統(tǒng)時國內(nèi)外大多數(shù)機(jī)構(gòu)和人都是從軸對稱鍛模入手。軸對稱鍛模cad/ cam系統(tǒng)的主要組成部分包括鍛件設(shè)計、模鍛工藝設(shè)計、鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計和nc編程。鍛件設(shè)計指的是設(shè)計冷鍛件圖和熱鍛件圖，包括選擇分模面、補(bǔ)充機(jī)加工余量、添加圓角和拔模斜度等。模鍛工藝設(shè)計決定是否采用預(yù)成形工序、怎樣采用預(yù)成形工序以及如何選擇鍛壓設(shè)備的噸位。

另一類廣泛應(yīng)用的鍛件是長軸類鍛件，其成形工序設(shè)計和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計遠(yuǎn)比軸對稱鍛模復(fù)雜，因此開發(fā)長軸類鍛模的cad/cam系統(tǒng)的難度更大、通用性也低，目前在許多通用商品化cad/cam軟件上二次開發(fā)的長軸類鍛模的cad/cam系統(tǒng)僅限于特定產(chǎn)品和特定場合的應(yīng)用，鍛模cad/ cam系統(tǒng)的發(fā)展方向是成組技術(shù)和模具標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的進(jìn)一步貫徹執(zhí)行以及cae技術(shù)和人工智能技術(shù)的深入應(yīng)用。

在cae 技術(shù)方面，有限元法一直是分析和研究金屬鍛造成形的主要數(shù)值分析方法，多年來已取得不少階段性的成果。1973年lee和kobayashi以矩陣分析法導(dǎo)出了剛塑性有限元的lagrange算法，成功分析了鍛造成形過程。1974年zienkiewicz提出了剛粘塑性有限元的罰函數(shù)法，分析了軋制、擠壓和拉拔等成形工藝。1982年mori和osakada提出了剛塑性有限元中的材料可壓縮法并用于軋制和擠壓中。上世紀(jì)80年代初，oh和altan用大型剛塑性有限元分析軟件alpid對各類塑性變形問題進(jìn)行了深入研究。90年代以后，國外一些商品化的專業(yè)有限元分析軟件，如法國的forge2、美國的deform、abaqus、msc/autoforge等，都已成功地應(yīng)用于鍛造領(lǐng)域。這些軟件不僅可以預(yù)測鍛件成形的全過程，而且可以定量地給出與變形有關(guān)的各種物理量，如位移、速度、應(yīng)力、應(yīng)變和載荷等，為獲得最優(yōu)的模具設(shè)計、最合理的工藝方案和最少的試模時間提供了技術(shù)保證。

級進(jìn)模cad/cae/cam的發(fā)展概況

國外級進(jìn)模cad/cae/cam的研究始于上世紀(jì)60年代末，70年代便有初步應(yīng)用，但僅限于二維圖形的簡單沖裁級進(jìn)模，其主要功能如條料排樣、凹模布置、工藝計算和nc編程等。彎曲級進(jìn)模cad/cam系統(tǒng)出現(xiàn)在80年代，如日本日立公司和富士通公司的彎曲級進(jìn)模系統(tǒng)等。為了能夠適應(yīng)復(fù)雜模具的設(shè)計，富士通系統(tǒng)采用了自動設(shè)計和交互設(shè)計相結(jié)合的方法，在該系統(tǒng)中除毛坯展開、彎曲回彈計算和工步排序?yàn)樽詣犹幚硗猓溆嗑枰O(shè)計人員的參與。

應(yīng)用三維幾何造型技術(shù)的級進(jìn)模系統(tǒng)始于80年代末，如美國auto-trol公司的die-design系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用三維幾何模型來描述鈑金零件，并將三維圖形技術(shù)應(yīng)用于模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，顯示出三維圖形軟件在模具設(shè)計中的重要作用。

進(jìn)入90年代，國際著名商品化三維cad/cam系統(tǒng)，如美國的pro/e、ug-ii、 cadd5、solidworks、mdt等均陸續(xù)在模具界得到應(yīng)用。美國ptc公司基于pro/e系統(tǒng)開發(fā)了鈑金零件造型模塊pro/sheet metal。ug solution公司在ug-ii的基礎(chǔ)上開發(fā)了同類型的模塊ug/sheet metal。以上兩個系統(tǒng)都缺乏面向級進(jìn)成形工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的專用模塊，但這方面的工作進(jìn)展很快，有的已經(jīng)初見成效。

如美國computer design公司開發(fā)的級進(jìn)模軟件striker systems是銷售量較大的商業(yè)化cad/cam系統(tǒng)，包括鈑金零件造型（ss-design）、毛坯展開（ss-unfold）、毛坯排樣（ss- strip design），模具設(shè)計（ss- die design）和數(shù)控加工（ss-wire、ss-profile）等模塊。該系統(tǒng)支持鈑金零件的特徵造型，雖已具有某些自動化設(shè)計的功能，但其設(shè)計過程仍以交互操作為主，目前只適用于彎曲沖裁級進(jìn)模的設(shè)計。

本世紀(jì)之初，美國ugs公司與我國華中科技大學(xué)合作在ug-ii （現(xiàn)為nx）軟件平臺上開發(fā)出基于三維幾何模型的級進(jìn)模cad/cam軟件nx-pdw。該軟件包括工程初始化、工藝預(yù)定義、毛坯展開、毛坯排樣、廢料設(shè)計、條料排樣、壓力計算和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計等模塊。具有特徵識別與重構(gòu)、全三維結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)等顯著特色，已在2003年作為商品化產(chǎn)品投入巿場。我國從上世紀(jì)90 年代開始，華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)和北京機(jī)電研究院等相繼開展了級進(jìn)模cad/cam系統(tǒng)的研究和開發(fā)。如華中科技大學(xué)模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在autocad軟件平臺上開發(fā)出基于特徵的級進(jìn)模cad/cam系統(tǒng)hmjc，包括鈑金零件特徵造型、基于特徵的沖壓工藝設(shè)計、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)件及典型結(jié)構(gòu)建庫工具和線切割自動編程五個模塊。上海交通大學(xué)為瑞士法因托（finetool）精沖公司開發(fā)成功精密沖裁級進(jìn)模cad/cam系統(tǒng)。西安交通大學(xué)開發(fā)出多工位彎曲級進(jìn)模cad系統(tǒng)等。近年來，國內(nèi)一些軟件公司也競相加入了級進(jìn)模cad/cam系統(tǒng)的開發(fā)行列，如深圳雅明軟件制作室開發(fā)的級進(jìn)模系統(tǒng)cmcad、富士康公司開發(fā)的用于單沖模與復(fù)合模的cad系統(tǒng)fox-cad等。

汽車覆蓋件模cad/cae/cam的發(fā)展概況

國際上最早開展汽車覆蓋件模cad/cam系統(tǒng)研究與開發(fā)的是各個大汽車制造公司。早在1965年日本豐田汽車公司已將數(shù)控技術(shù)用于汽車覆蓋件的模具加工，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效果。上世紀(jì)80年代豐田汽車公司所采用的汽車覆蓋件cad/cam系統(tǒng)包括了ntdfb和cadett兩個設(shè)計軟件及加工凸、凹模的 tinca軟件，可完成車身外形設(shè)計、車身結(jié)構(gòu)設(shè)計、沖模cad、主模型與沖模加工和夾具加工等任務(wù)。據(jù)報道，該系統(tǒng)投入使用后可使豐田公司的汽車覆蓋件成形模設(shè)計與制造時間減少50%，本世紀(jì)之初豐田汽車公司又采用了美國pdc公司基于pro/e軟件平臺開發(fā)的面向拉延模設(shè)計的專業(yè)化軟件 pro/dieface。

美國通用汽車公司依托美國ugs公司在ug-ii軟件平臺上也開發(fā)了用于汽車覆蓋件模具設(shè)計的專用模塊，如鈑金件設(shè)計、車身設(shè)計、復(fù)蓋件沖壓工藝設(shè)計（包括沖壓方向選擇、工藝余量補(bǔ)充、壓邊面形狀設(shè)計和修邊線確定）和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計等，目前該系統(tǒng)正處于試運(yùn)行階段。與此同時，美國福特汽車公司、英國 psf公司、日本獲原鐵工所、富士鐵工所等國外生產(chǎn)汽車覆蓋件模具的公司也開發(fā)了各自公司專用的汽車覆蓋件模 cad/cam系統(tǒng)。目前這些系統(tǒng)尚不對外出售。

國內(nèi)如湖南大學(xué)、吉林大學(xué)和華中科技大學(xué)等單位近幾年來對汽車覆蓋件模cad/cae/cam技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究，取得了許多可喜的成果。

如湖南大學(xué)以先進(jìn)沖壓cae技術(shù)為突破口，開發(fā)出一套包括沖壓工藝設(shè)計和汽車覆蓋件模具設(shè)計和制造的系列化軟件。其沖壓仿真cae自動建模系統(tǒng) cadem- i能夠利用模具表面數(shù)控軌跡數(shù)據(jù)作為網(wǎng)格生成的幾何數(shù)據(jù)源，使建模效率<

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