（机械电子工程专业论文）数值模拟、快速成形及模具制造集成化的研究——结合连杆成形.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 数值模拟、快速成形及模具制造的集成化研究 结合连杆成形 摘要 模具工业作为制造业的重要组成部分，具有生产效率高、产品质 量好、节约能源和原材料以及成本低等一系列优点，集中体现了现代 先进制造技术实现优质、高效、低耗、清洁生产的思想。然而模具的 设计与制造是一个多环节、多反复的复杂过程。模具结构随着产品的 不同而变化。模具型面的几何形状复杂，模具的生产方式为单件的或 小批量的，大量生产模具的情况极为少见。由于在实际制造和检测前， 很难保证产品在成型过程中每一个阶段的性能，所以长期以来模具设 计大都是凭经验或使用传统的c a d 进行的。要设计和制造出- - n 适用 的模具往往需要经过由设计、制造到试模、修模的多次反复，致使模 具制作的周期长、成本高，甚至可能造成模具的报废，难以适应快速 增长的市场需要。为了适应现代市场的要求，模具工业正广泛应用现 代先进制造技术来加速模具工业的技术进步，满足各行各业对模具这 一基础工艺装备的迫切需求。 本论文旨在将逆向工程( r e ) ，c a d c a m ，c a e 及快速成形( r p ) 等先进制造技术集成应用于模具制造中。由于目前的r e 、c a d c a m 、c a e 及r p 系统各自为营，不能很好的实现各系统之间的信息集成，故较难 在模具制造中实现多个系统的综合应用。因此本论文着重研究了 c a d c a m 系统和r e 系统的集成、c a d c a m 系统和c a e 系统的集 成及c a d c a m 系统和r p 系统的集成。通过中间数据转换方式实现 不同系统之间的集成，从而建立一个完整的用于模具制造的集成系统。 集成系统在模具制造中应用的主要步骤为：工件逆向数据扫描，点云 数据处理，工件三维模型生成，工件模具设计，工件在模具中成形过 程的数值模拟，根据模拟结果优化模具，优化后的模具分层切片处理， 模具快速成形，模具n c 工步代码生成。模具数控加工。论文通过汽 车连杆为实例验证该集成系统的实用性。在连杆模具设计的时候，根 据宋玉泉教授专利“汽车连杆辊压塑性精成形工艺及装置”的思想， 设计四道辊压模具。经数值模拟所得，这四道辊压模具能较好的实现 汽车连杆的辊压塑性精成形，并用快速成形加工出四道辊压模具的样 件。连杆模具设计的集成化方法与连杆模具设计的传统工艺方法比较 得出，采用该集成系统进行连杆模具设计开发，能有效的缩短模具开 发周期，降低成本，改善连杆的成形精度和使用寿命。 杆 i i 关键词：逆向工程，c a d c a m ，c a e ，快速成形，模具制造，连 t h ei n t e g r a t i o n a lr e s e a r c ho f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，r a p i d p r o t o t y p i n ga n dm o u l dm a n u f a c t u r i n g as s o c i a t ew i t ht h ec o n n e c t i n g r o d a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tp a r to fm a n u f a c t u r i n g ，m o u l dt e c h n o l o g yh a sm a n yv i r t u e s ：h i g h e f f i c i e n c yo f p r o d u c t i o n ，g o o dq u a l i t yo f p r o d u c t , e c o n o m yo f e n e r g ya n dm a t e r i a l ，l o w c o s ta n ds oo n i tr e p r e s e n t st h ei d e ao fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s t h e d e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h em o u l di sac o m p l e xp r o c e s s t h es t r u c t u r eo fm o u l di s c h a n g e db yt h ed i f f e r e n tp r o d u c t t h es h a p eo f t h em o u l d i n gs u r f a c ei sa l w a y sc o m p l e x t h ea m o u n to fm o u l dp r o d u c t i o ni so f t e ns m a l l ，s o m e t i m e sj u s ts i n g l e i ti sr a r et os e e v o l u m e p r o d u c eo fm o u l d t h ed e s i g no fm o u l di s r e s o r tt ot h ee x p e r i e n c eo rt h e t r a d i t i o n a lf o rl o n g i ti sd i f f i c u l tt oe n s u r et h eq u a l i t yo f m o l d i n ga te a c hp r o c e s sb e f o r e e x a m i n a t i o na n dp r o d u c t i o n 。i tn e e d sm a n yr e p e a t so ft h ep r o c e s so fd e s i g n 、 m a n u f a c t u r e 、e x a m i n a t i o na n dm o d i f i c a t i o nd u r i n gt h et r a d i t i o n a lm o u l dp r o d u c t i o n t h e r e f o r , i th a st h el o n gc y c l e 、t h eh i g hc o s ta n de v e nt h ew r o n gp r o d u c t i to b v i o u s l y c a nn o tf i tt ot h eg r o w i n gm a r k e t t of i tt ot h em a r k e ta n dt h en e e do fo t h e ri n d u s t r y , m o u l dt e c h n o l o g yi sg e e i n ga h e a d b yu s i n gt h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s i nt h i sp a p e r , it r yt oi n t e g r a t er e 、c a d c a m 、c a ea n dr pi n t ot h em o u l d m a n u f a c t u r i n g d u et or e 、c a d c a m 、c a ea n dr pd ot l l i n g si nt h e i ro w nw a y s ，i ti s d i f f i c u l tt oi n t e g r a t et h ei n f o r m a t i o no f e a c hs y s t e m i ti sa l s od i f f i c u l tt oc o m p o s i t i v e l y a p p l yt ot h em o u l dm a n u f a c t u r i n g t h ep o i n to f t h i sp a p e ri st h er e s e a r c ht h ei n t e g r a t i o n o fc a d c a m r e 、c a d c a m c a ea n dc a d c a m r pa n di n t e g r a t et h ed i f f e r e n t s y s t e m sb yt h ew a y o fd a t at r a n s f o r m a t i o n t h e ne s t a b l i s hai n t e g r a t i o ns y s t e mf o rt h e m o u l dm a n u f a c t u r i n g t h ef l o wp r o c e s so ft h ei n t e g r a t i o ns y s t e mi s ：s c a no ft h ep a r t ， t r e a t i n gt h ep o i n t sd a t a , m a k i n gt h ec a dm o d e lo ft h ep a r t ，d e s i g nt h em o u l d so ft h e p a r t , n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm o l d i n g ，m e n dt h em o u l d sb yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 1 a b s t r a c t r e s u l t s ，s l i c i n gt h em o u l d s ，r a p i dp r o t o t y p i n go ft h em o u l d s ，g e n e r a t i o nt h en c c o d eo f t h em o u l d s ，m a c h i n i n gt h em o u l d s t h ei n t e g r a t i o ns y s t e mi sv a l i d a t e db yt h ee x a m p l e o fa u t o m o t i v ee o r m e c t i n g - r o d a c c o r d i n gt ot h ep a t e n ti d e ao f a u t o m o t i v e c o n n e c t i n g - r o dp r e c i s ep l a s t i c r o l l i n gp r o c e s s ，d e s i g nf o u r s u i t so f m o u l d s t h er e s u l to f t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ef o u rs u i t so fm o u l d sc a ns a t i s f yt h ep r e c i s e p l a s t i cr o l l i n gp r o c e s s t h e np r o d u c tt h ef o u rs u i t so fm o u l d sb yr a p i dp m t o t y p i n g b y c o m p a r e t h ei n t e g r a t i o nw a yo f m o u l dd e s i g no f c o n n e c t i n g r o dt ot h et r a d i t i o n a lw a yo f m o u l dd e s i g no fc o n n e c t i n g - r o dw ec a r ls e et h a tt h ei n t e g r a t i o nw a yc a no b v i o u s l y s h o r t e nt h ec y c l eo fm o u l dd e s i g n ，r e d u c et h ec o s to fm o u l dd e s i g na n di m p r o v et h e p r e c i s i o no f t h em o l d i n g a n dt h el i f eo f c o n n e c t i n g r o d k e yw o r k s ：r e ，c a d c a m ，c a e ，r p ，m o u l dm a n u f a c t u r i n g ，c o n n e c t i n g - r o d i v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：式珥西日期：九难厂月；。日 导师签名：李刁、。孛二，日期一年6 月v b 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 目前，我国制造业的水平仍然很低，总体水平大体上相当于工业发达国家2 0 世纪6 0 年代水平，部分达到2 0 世纪7 0 年代未8 0 年代初水平，少数达到2 0 世纪 9 0 年代以后国际先进水平，总体上存在2 0 年左右的差距。根据机械科学研究院“投 入产出系统动力学宏观经济模型”的预测，到2 0 2 0 年我国人均制造业增加值 将达到1 3 8 4 美元从，这仅仅相当于1 9 5 0 年美国的水平( 1 5 3 0 美元从) ，略高于 日本1 9 6 5 年的水平( 1 0 8 0 美元从) ，因此，我国的制造技术与国际先进水平相比 还存在着阶段性差距【i 】。在我国加入世界贸易组织( w t o ) 之后，国内企业将直 接面对国际竞争。作为我国重要基础产业之一的制造业，如何在激烈的竞争中保 持优势，缩小或消除与工业发达国家的差距，不仅关系到企业的生死存亡，而且 事关国家的长远发展与综合国力提高。因此，必须大力发展作为制造业主体技术 的先进制造技术，实现我国制造业的改造升级。 先进制造技术a m t ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 是传统制造业不断 吸收机械、信息、材料及现代管理技术等方面最新成果，并将其综合应用于产品 开发与设计、制造、检测、管理及售后服务的制造全过程，实现优质、高效、低 耗、清洁、敏捷制造，并取得理想的技术效果和经济效果的前沿制造技术的总称。 从本质上可以说，先进制造技术是传统制造技术、信息技术、自动化技术和现代 管理技术等的有机融合【2 】 先进制造技术不是一项具体的技术，而是一项综合性技术，是利用系统工程 思想和方法将各种相关技术集合成一个整体，它特别强调计算机技术、信息技术 和现代管理技术在整个制造过程中的综合应用，特别强调人的主体作用，强调人、 技术、管理的有机结合美国联邦政府科学、工程和技术协调委员会( f c c s e t ) 于1 9 9 4 年指出，先进制造技术主要包含主体技术、支撑技术和制造技术基础设旌。 其中主体技术包括计算机辅助设计( c a d ) ，计算机辅助工程分析( c a e ) ，计算 机辅助制造( c a m ) ，计算机辅助工艺过程设计( c a p p ) ，逆向工程技术( r e ) ， 快速成形技术( r p ) ，并行工程( c e ) ，计算机集成制造系统( c i m s ) ，虚拟制造 第一章绪论 技术( v m ) ，材料生产工艺，加工工艺，连接与装配，测试与检验，维修技术等； 支撑技术包括信息技术，标准和框架，机床和工具技术，传感与控制技术等；制 造技术基础设施包括质量管理，技术获取和利用，基准评测等1 3 1 。 先进制造技术对国民经济发展和增强国防实力具有极为重要的影响，无论是 工业发达国家、新兴工业化国家还是发展中国家，都十分重视先进制造技术的发 展，积极制订有关的发展策略、规划和计划，投入大量经费，并配合相关的政策， 促进和引导先进制造技术的发展和应用【4 】。 1 9 9 7 年美国制定了“下一代制造计划”，提出了人、技术与管理为未来制造业 成功的三要素。面对日益激烈的全球化经济竞争形式，世界各国迅速调整其科技 政策，纷纷制定各自的先进制造技术战略计划，将先进制造技术视为提高产业竞 争力和增强综合国力的根本保证。一场在制造领域围绕产品创新，以提高产品的 知识含量和制造系统敏捷响应、重组能力的高科技竞争正在世界范围内展开，其 中具有代表性的是美国的先进制造技术计划( a m t ) 、关键技术( 制造) 计划、敏 捷制造使能技术计划( t e a m ) 、下一代制造计划( n g m ) ；日本的智能制造技术 国际合作计划( i m s ) ；德国的制造2 0 0 0 计划；韩国的高级先进制造技术计划( g - - 7 ) 等。综观各国的先进制造发展规划，无一例外地将先进制造技术基础研究作 为其规划的重要组成部分【5 1 。 模具工业作为制造业的重要组成部分，具有生产效率高、产品质量好、节约 能源和原材料以及成本低等一系列优点，集中体现了现代先进制造技术实现优质、 高效、低耗、清洁生产的思想。然而模具的设计与制造是一个多环节、多反复的 复杂过程。模具结构随着产品的不同而变化，模具型面的几何形状复杂，模具的 生产方式为单件或小批量，大量生产模具的情况极为少见由于在实际制造和检 测前，很难保证产品在成型过程中每一个阶段的性能，所以长期以来模具设计大 都是凭经验或使用传统的c a d 进行的。要设计和制造出一副适用的模具往往需要 经过由设计、制造到试模、修模的多次反复，致使模具制作的周期长、成本高， 甚至可能造成模具的报废，难以适应快速增长的市场需要嘲 为了适应现代市场的要求，模具工业正广泛应用现代先进制造技术来加速模 具工业的技术进步，满足各行各业对模具这一基础工艺装备的迫切需求目前模 具制造领域中已经采用和正在发展的先进制造技术包括：逆向工程技术( i 也) ，计 算机辅助设计计算机辅助制造，计算机辅助工程c a d c a m c a e ，以及快速成形技 2 浙江工业大学硕士学位论文 术( i 心) 。 1 2 模具制造集成化相关技术 现代模具集成化制造技术是伴随计算机技术、自动化技术和网络通讯技术的 发展而提出并得到了实质性应用。现代模具集成化制造能够利用c a d c a e c a m 技术、r p 技术和数控加工技术有效地对整个设计制造过程进行预测评估，迅速获 得样品，有利于争取定单、赢得客户，同时节省大量的模具试制材料费用，减少 模具返修率，缩短生产周期，大大降低了模具成本。 先进制造技术在现代模具集成化制造中的应用主要包括以下几个方面： 1 2 1 逆向工程技术 在现代产品无纸开发方式中，只有建立正确的产品c a d 模型，才有可能进行 产品分析、虚拟装配( 、，a ) ，虚拟制造( v m ) ，直至完成产品的实际制造任务。离 开了产品c a d 模型，一切分析与制造工作将无从谈起。对于复杂外形产品而言， 其c a d 建模任务尤其艰巨和重要【7 j 。在复杂外形产品c a d 建模工作中，逆向工 程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，简称r e ) 技术非常重要。所谓逆向工程技术，是指对实 物或模型进行一定的测量，根据所测得的数据通过三维几何建模方法再转化为新 的实物c a d 模型的过程它在保证模型精度和质量的同时，大大缩短产品c a d 建模时间。r e 作为一项先进的模具制造技术，在实施时必须具备硬件和软件2 个 基本条件【8 l = ( 1 ) 硬件条件目前，国内较多厂家使用的是由美国、英国、意大利、德国、 日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪，利用这类检测设备从设计对象中 提取三维数据信息，为逆向工程的设计提供硬件条件 ( 2 ) 软件条件 目前，常用的通用逆向工程软件有i m a g e w a r e ，g e o m a g i c 等， 具体应用的逆向工程系统有u g 等。 逆向工程的实现过程如图1 1 所示唧， 其实施一般分为5 个步骤f l o l ，即三坐标测量、点云处理、曲线处理、曲面处 理和误差分析： 三坐标测量：利用三维坐标测量仪等设备从实物中提取三维数据信息，产生 第一章绪论 点云数据。 点云处理：包括多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。 曲线处理：决定所要创建的曲线类型。可以选择创建的曲线以精确为主或以 光滑为主，或两者居中；由己存在的点创建出曲线：检查修改曲线，检查曲线与 点或其它曲线的精确度、平滑度与连续的相关性。 曲面处理：决定所要创建的曲面类型，可以选择创建的曲面以精确为主或以 光滑为主，或两者居中；由点云或曲线创建曲面；检查，修改曲面，检查曲面与点 或其它曲面或特征的精确度、平滑度与连续的相关性。 误差分析：应该考虑被测物对机构引起的综合轨迹误差、逆向工程设计所依 据的数据值存在的测量误差、设计中的被测物存在的加工误差、设计中的曲线拟 合存在的拟合误差等方面。 图l - l 逆向工程沉程图 f i g1 1f l o wc h a r to f r e r e 技术自2 0 世纪8 0 年代分别由美国3 m 公司、日本名古屋工业研究所以及 美国u v p 公司提出并研制开发成功后，到2 0 世纪9 0 年代，该技术已被放到大幅 度缩短新产品开发周期和增强企业竞争能力的主要位置上。 1 9 9 8 年，全球逆向工程技术系统加工中心达到3 3 1 个，拥有快速成形机6 6 0 台套，同时有2 7 个快速成形设备制造公司，1 2 个大的材料供应商，1 5 个专业软 件公司，再加上从事该项目的5 1 个教育和研究机构以及2 2 7 个提供赞助的基金会 以及大量的激光设备应用者和真空铸造机制造者，形成了一个强大的集成体。在 经过了初期5 0 的高速增长后，世界快速制造业正步入稳定增长期，年增长率保 持在1 7 左右【1 l 】。 4 浙江工业大学硬士学位论文 迄今，在国际市场上，不仅有许多反求测量设备，也出现了许多个与逆向工 程相关的软件，主要有：美国u g 公司产品i m a g e w a r e 、美国r a i n d r o p 公司的 g e o m a g i c 、英国d e l c a m 公司产品c o p y c a d 、英国m d t v 公司的s t r i ma n d s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n 、英国r e n i s h a w 公司的t r a c e 、韩国i n u s 公司的 r a p i d f o r m ，在一些流行的c a d c a m 集成系统中也开始集成了类似模块，如 u n i g r a h i c s 中的p o i n t c l o u d 功能、p r o e n g i n e e r i n g 中的p r o s c a n 功能、c i m a t r o n 中的r e v e r s ee n g i n e e r i n g 功能模块等。 r e 技术已被先进工业国家有远见的企业所采用，以使其在市场竞争中立于不 败之地，已经在家电、汽车、玩具、轻工、建筑、医疗、航空、航天、兵器等行 业得到推广，并取得重大的经济效益。但是由于目前还没有非常完善的针对工业 设计的逆向工程系统，所以在各个环节都存在一定问题【。 与国外相比，国内r e 技术研究起步晚、经费投入少，限制了高水平研究的开 展，创新性的研究不多，在世界学术领域，还没有形成较大的影响力。已知的较 早从事逆向工程研究的单位多为高等院校，较有代表性的有西安交通大学c i m s 中心的面向c m m 的逆向工程测量方法和基于线结构光视觉传感器的光学坐标测 量机的研究、上海交通大学国家模具工程c a d 中心的集成系统和自动建模技术 f j 3 】、浙江大学生产工程研究所的三角面片建模1 4 1 、南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心的基于海量散乱点三角网格面重建和自动建模方法【1 5 1 、华中科技大 学的曲面测量与重建和西北工业大学的点数据处理及建模1 1 刀等。 在应用研究上，除一些实验室的小型软件外，自主开发的商用逆向软件仅有 浙江大学生产工程研究所的逆向工程c a d 软件r e s o f t 和西北工业大学的实物 测量造型系统n p u s r m s 由于缺乏自主的c a d c a m 软件的支撑，逆向工程的 上游测试设备和下游应用( c 雠a 阴a m ) 系统基本为国外产品，使得国产软 件产品在设备接口、数据转换和应用上一直滞后于相关产品，开发的软件显得势 单力薄，与国外软件相比处于竞争的劣势。 9 0 年代后期，逆向工程技术在我国迅速发展和推广，但至今还没有真正集开 发和产业于一体的经济实体因此，如何将逆向工程系统地应用于工业产品创新 设计，如何根据工业设计的需要来开发合适的逆向工程系统，还处于摸索阶段 5 第一章绪论 1 2 2 模具c a d c a m 系统 c a d c a m 指的是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， 辅助完成产品数据和制造中的各项活动。主要包括c a d 和c a m 两部分： c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计) 技术是在c a d 系统软、硬 件支持下辅助设计者完成产品的全部设计过程，最后输出符合设计者要求的设计 结果和产品图纸，是一种人和计算机相结合、各尽所长的设计方法。人和计算机 相结合，在设计工程中两者发挥各自的优势，有利于获得最优设计结果，缩短设 计周期1 1 8 】。 c a d 系统一般是由许多功能模块构成。各功能模块相互独立工作，又相互传 递信息，形成一个相互协调有序的系统，主要的功能模块一般有1 1 9 1 ： ( 1 ) 图形处理模块此模块专供用户进行零件的二维图形的设计、绘制、编 辑以及零部件装配图的绘制、编辑。 ( 2 ) 三维几何造型模块此模块为用户提供个完整、准确地描述和显示三 维几何形状的方法和工具，它只有消隐、着色、浓谈处理、实体参数计算、质量 特性计算等功能。 ( 3 ) 装配模块装配模块可以完成从零件到部件或产品总成的三维装配，并 可以建立产品结构的完整信息模型和产品的明细表，同时还可通过装配进行干涉 检查( 静态干涉检查) 。 ( 4 ) 数据库模块此模块执行对c a d 系统进行数据处理与管理的功能在 利用c a d 系统进行产品设计的过程中，会产生大量的数据，也需对这些数据进行 一些计算处理。这些数据中有静态的数据，如标准设计数据、标准图形文件等； 也有动态的数据，如设计过程中的数据。对这些数据如何描述，如何管理，就是 此模块的范畴。 ( 5 ) 用户编程模块它包括用户编程语言和图形库等。可以利用系统的此模 块对c a d 系统进行二次开发，提高c a d 系统的用户化程度，充分发挥系统的性 能和提高使用效率。 c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，计算机辅助制造) 技术是利用计算机 对制造过程进行设计、管理和控制。一般说来，主要包括工艺设计和数控编程等 内容工艺设计主要是确定零件的加工方法、加工顺序和所用设备；数控编程是 6 浙扛工业大学硕士学位论文 指采用n c ( 数控) 机床加工零件时，编制n c 机床的控制程序。 目前，国外开发的应用于模具c a d c a m 的著名软件主要有：美国p a r a m e t r i c t e e h n o l o g y 公司的p r o e 系统、c v 公司( 9 7 年底被p t c 公司兼并) 的c a d d s s 系统、由法国d a s s a u l t 公司开发，美国i b m 公司推销的c a t i a 系统、美国m v d o r m e l ld o u g l a s 飞机公司的u g 系统( 现属e d s 公司) 、s d r c 公司的i - d e a s 系 统、生信国际有限公司的s o l i d w o r k s 系统、法国m a t r a 公司的e u c l i d 系统、 c i s i g r a p h 公司的s t r i m l 0 0 系统( 现已并入m a t r a 公司) 、英国d e l c a m 公 司的d u c t 5 系统。在塑料注塑模和冷冲模专用软件方面有美国的a c - t e c h 公司的 塑料注塑模软件c - m o l d ，澳大利亚m o l d f l o w 公司的塑料注塑模软件m f ，爱尔兰 t e c h n o c a d 公司的c a m o l d 软件用于塑料模结构设计，意大利o l i v e t t i 公司m o u l d 3 d 软件和比利时c i m i n k o 研究中心开发的m o u l ds l i d e 软件，美国a u t o - t r o l 公司的冷 冲模d i e - d e s i g n 系统，以及法国m a t r a - d a t a v i s i o n 公司的e u c l i d i s 软件，该软 件是面向汽车及覆盖件模具的集成化系统1 2 钔。 我国在七十年代末，以上海交通大学为首开始了模具c a d c a m 方面的研究。 迄今为止，各类冲裁模、塑料模和挤压模系统已日趋完善，自主开发的比较成功 的软件主要有北京航空航天大学的c a x a ，能够生成复杂的塑料注塑模的型腔和 型芯，华中科技大学的塑料注塑模c a d c a m 系统h s c 2 0 ，上海交通大学的冷冲 模c a d 系统，广州中科联公司的用于弯曲模和普通冲裁模结构设计的c p d - p d 系 统等，但精锻模系统的研究比较少，到目前主要有轴对称锻件闭式c a d c a m 系 统【瑚，摇臂类锻件模c a d 系统等 2 6 1 ，在功能和结构上是对国外相近系统的继承和 发展【l s 】。 在应用方面，从1 9 9 3 年开始，一汽集团连续3 年投巨资引进工作站及其配套 的c a d c a m 系统，引进了美国的p r o ec a d 系统，法国m a t r a 公司的e u c l i d c a d 系统、有限元分析软件p a s t r a n 、f e n b 和有限元前后处理软件x l 。经过 几年推广应用，一汽集团的产品设计基本实现了c a d ，并能够进行装配干涉检查、 运动学动力学仿真和整车碰撞模拟等东风集团是汽车行业第一家推广应用c i m s 的企业，计算机辅助绘图得到了广泛应用，有限元分析成为产品开发的重要工具 东风集团自行开发的汽车车身外表表面造型系统实现了由三坐标测量仪测取模型 资料，计算机生成车身外表面数字模型，绘制车身线图和车身零件图，并用c a m 技术加工出车身主模型和车身零件模型【捌 7 第一章绪论 1 2 3c a e 系统 c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g 计算机辅助工程) 技术是借助计算机来实 现对设计方案的精确试验、分析和论证，并对正式施工的全过程进行严格的管理 和监测。c a e 是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造在内的 计算机辅助设计和生产的综合系统。有了产品模型以后，即可利用c a e 技术研究 产品在工作环境中的受力变形、振动及运动的情况，以便评定产品是否满足设计 要求。它能提前发现模具设计中的许多问题，从而预先排除模具设计中的隐患。 c a e 是保证设计质量、降低产品开发成本、缩短产品开发周期的必不可少的环节。 目前的c a e 系统的主要包括以下3 方面功能【2 8 】： ( 1 ) 有限元分析功能 具有有限元分析功能的c a e 系统可以进行构造分析、热传导分析、流体分析 和电磁场分析等。 这种系统是由几何造型程序确定的形状，分割成有限元分析的元素来处理， 即通常是执行网点分割的程序，这种程序就叫做有限元方法预处理程序。现有的 有限元方法预处理程序大多是采用对话方式进行网点分割的。 有限元分析的结果，通过称为有限元主程序的程序以图形方式显示出来。设 计者根据图形显示，便于理解分析结果，进行设计。 ( 2 ) 动特性分析功能 有限元分析法用于分析物体受冲击或变负荷时的运动状态不很理想，为此， 开发出了模态分析法。目前已开发了很多具有模态分析功能的c a e 系统。 具有模态分析功能的c a e 系统，通常是综合应用了有限元方法和模态分析法。 首先，采用有限元法或模态分析法，求出各零件助动特性，然后根据零件问配合 条件( 如配合零件的位移相等的条件) 将各零件的动特性组合起来，求出制品的 总体动特性 ( 3 ) 结构分析功能 具有结构分析功能的c a e 系统，可在设计时作机械结构方面的分析，设计者 利用由几何造型程序定义的部件，在计算机中即可构造出需要设计的机械，移动 画面上的模型，就可检查构造机械沿给定方向运动的情况对运动中部件是否发 生碰撞进行干涉检查，除变位( 位移) 外，可输出备部件的速度、加速度、力等 斯江工业大学硕士学位论文 多种参数。部件若是用立体模型表示时，则还可能进行直观的仿真和全干涉检查。 目前，西方发达国家已经达到了c a e 技术的工业实用化阶段。通过c a e 与 c a d 、c a m 等技术的结合，使企业能对现代市场产品的多样性、复杂性、可靠性 和经济性等做出迅速反应，增强了企业的市场竞争能力。在许多行业中，c a e 分 析已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施。 例如，以国外某些大汽车与航空公司为例，绝大多数的汽车与航空飞行器零部件 设计都必须经过多方面的计算机仿真分析，否则不能通过设计审查，更谈不上试 制和投入生产。计算机数值模拟现在已不仅仅作为科学研究的一种手段，在生产 实践中也已作为必备工具而普遍应用。 与国外相比，我国的工业界，特别是中小企业的c a e 技术还较为落后，缺乏 专门人才。如何利用飞速发展的互联网技术将我们的人才和技术资源充分发挥出 来为企业服务，是在c a e 技术发展中值得重视的问题。我国科技界、教育界和工 业界应该携起手来为c a e 技术的研究开发、人才培养和工业化应用而共同努力。 1 2 4 快速成形技术 快速成形( r a p i dp r o t o t y p i n g ，简称r p ) 技术是集计算机、n c 技术、激光成 型精密制造和材料科学最新发展的高科技技术，被誉为继n c 技术之后的一次技术 革命它能快速自动完成复杂的三维实体成型，且成本低，是综合经济效益比较 显著的一类技术，现已广泛应用于汽车、航空等行业【2 9 】。 目前各种r p 实现方法有几十种，但商品化比较好的主要有s l a 、l o m 、s l s 、 f d m 、t d p 等原理的快速成形系统。其中s l a ( 激光立体光刻) 技术是r p 技术 中最为成熟的技术之一，它通过计算机控制激光对光敏树脂为原料的表面进行逐 点扫描，被扫描的约十分之几毫米厚的树脂层产生光聚合反应，而固化成零件轮 廓状的一个薄层接着工作台再下移一个层厚的距离，以使固化好的树脂表面上 再敷一层新的液态树脂，进行下一层的扫描加工这样反复工作直到整个模具成 形。利用s l a 技术制造模具原型是为了满足样品试验与综合评价等需要，它是检 验和修改模具的重要依据。 r p 技术属于离散堆积成形其s l a 工艺的实现流程如图1 2 所示【3 0 j ： r p 的实施可分为以下6 个步骤： 9 第一章绪论 ( 1 ) 三维模型构造由于r p 系统只接受计算机构造的产品三维模型，然后 才能进行切片处理，因此首先应构造产品的三维模型。 ( 2 ) 三维模型的近似处理由于产品上往往有一些不规则的自由曲面，加工 前必须对其进行近似处理。最常用的方法是用一系列小三角形平面来逼近自由曲 面，生成r p 系统可以接受的s t l 格式文件。 ( 3 ) 三维模型的切片处理由于r p 工艺是按一层层截面轮廓来进行加工， 因此加工前必须从三维模型上沿成形高度方向每隔一定的间距进行切片处理，以 便提取截面的轮廓。 ( 4 ) 截面加工根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，r p 系统中的 激光扫描头( 这里以s l a 工艺设备为例) 在“x y ”平面内自动按截面轮廓进行 扫描，固化液态树脂，得到一层层截面。 ( 5 ) 截面叠加每层截面成形之后，下一层材料被送至已成形的层面上，然 后进行后一层截面的成形，并与前一层面相粘结，从而将一层层的截面逐步叠合 在一起，最终形成三维产品。 ( 6 ) 后处理从成形机中取出成形件，进行去支撑、打磨、涂挂等后续处理。 图1 - 2 快速成形流程图 f 培1 - 2f l o wc h a r to f r p 目前。世界各国政府非常重视快速成型技术的研究，有代表性的有：美国的 3 ds y s t e m s 公司，d a y t o n 大学，o h i o 州立大学国家实验室，t e x a s 大学，d t m 公 司等在r p 的开发与研究方面取得了令人瞩目的成绩；欧共体投入了数十亿欧洲货 币加紧了对快速成型技术和快速制模技术的研究，如c a r p ( c o m p u t e r a i d e dr a p i d p r o t o t y p i n g ) 是一个由欧洲尤里卡技术支持的合作项目，主要研究c a d 、c a e 、 r p 、接口技术、模具制造等技术的集成；英国的n o t t i n g h a m 和苏格兰的d u n d e e 等许多大学和研究机构纷纷开展了这方面的研究工作；德国、新加坡、以色列等 1 0 浙江i 业大学硕士学位论文 国家也在r p 方面投入力量进行了卓有成效的研究与开发；日本以东京为首，一批 学术、研究单位也积极开展了这方面的工作1 3 1 3 2 】。 在s l a 方面，主要的研究单位有美国的3 ds y s t e m s 公司、e o s 公司、c m e t 公司、d m e c 公司、t e i j i n s e i k i 公司、m i t s u iz o s e n 公司等。3 ds y s t e m s 公司于 1 9 9 9 年推出s l a 一7 0 0 0 机型，售价8 0 万美元，扫描速度可达9 5 2 m s ，层厚最小可 o 0 2 5 m m 。a u t o s t r a d e 公司( 日本) 使用6 8 0 n m 左右波长的半导体激光器作 为光源，并开发出针对该波长的可见光树脂，r p 系统报价1 0 0 0 万日元 3 3 1 。 我国在r p 技术方面研究开发始于二十世纪9 0 年代初。清华大学、华中科技 大学、西安交通大学、北京隆源自动成形系统有限公司等在r p 领域的研究开发起 步较早，研究和开发工作较深入。 清华大学着力于l o m ，s s m ，f d m 工艺技术研究和商品化设备的开发，近年 来在s l ai 艺设备及设备开发方面又取得重要进展。华中科技大学在l o m 技术 理论研究与设备开发( 包括原材料的开发) 比较深入，并推出了h r p 系列商品化 设备。西安交通大学致力于s l 工艺的研究开发，并在快速模具转换技术方面开展 了卓有成效的工作，已推出l p s 系列商品化设备。北京隆源自动成形系统有限公 司在s l s 工艺的设备开发与原材料开发方面取得了重要进展，已推出了a f s 系列 产品。目前国内涉足r p 技术研究的单位还有南京航空航天大学、天津大学、哈尔 滨工业大学、大连理工大学、山东大学、航空部6 2 5 研究所及华侨大学、河北工 业大学等单位。 目前，部分国产r p 设备已接近或达到美国公司同类产品的水平，价格却便宜 很多，材料的价格更加便宜，我国已初步形成了r p 设备和材料的制造体系。w o h l e r s r e p o r t2 0 0 2 ，2 0 0 3 的数据显示，就购买和安装的设备数量来说，在2 0 0 1 年美国占 了销售量的4 2 8 ，其次是日本为1 8 7 ，德国9 3 ，中国4 7 。而在2 0 0 2 年美 国为4 0 9 ，日本为1 4 9 ，中国首次超过了德国位居第三。这说明近几年来，快 速成形技术在中国的发展很快，就增长率来说超过了全球的平均水平m 在应用方面，国内的家电行业是对快速成形技术反应最为敏捷的行业，广东 的美的、华宝、科龙，江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成 形系统来开发新产品，取得了很好的效果。 第一章绪论 1 3 模具制造集成化的意义和方法 1 3 1集成化的意义 随着逆向工程、模具c a d c a m c a e 系统和快速成形等先进制造技术在模具 工业中的广泛应用，模具的制造技术得到了明显的提高，并取得了显著经济效益 网。但由于逆向工程、模具c a d c a m c a e 和快速成