模具的自动化设计

　　前言

　　欧盟（通过其所属各国政府的 EUREKE 计划）在 1998 和 2000 年间支持了"无纸模具设计和制造"这一研究和开发项目。本文介绍了此项目所进行的工作以及结果。此领域的进一步研究 － 进一步扩大本项目的讲究成果，特别是在模具设计和制造中大量应用 Internet-based（基于互联网的）工具和方法 ，现正由另一欧洲项目 － e_mould 进行。

　　项目

　　项目目的：

　　· 研究模具设计和制造的整个生命周期，找到模具设计和制造过程的瓶颈并提出减缓瓶颈的方法。

　　· 通过主 CAD 模型直接半自动化制造模具。

　　· 增加模具制造所需信息到 CAD 模型。

　　· 通过主 CAD 模型自动产生所需纸头文件（如设置清单等）。

　　· 使所有项目相关人员能共享主 CAD 模型信息。

　　换句话说，本项目旨在以主 CAD 模型为全部工作的中心参考源，消除（或是尽可能地消除）描述模型状态的纸头文件，丰富模型内容，优化及简化模型建构和维护以及自模型开始的下游过程。

　　项目协作单位

　　项目协作单位有：

　　· CADCAM 软件开发单位 Delcam。

　　· 三个模具制造厂家（包括一个小型高精度模具如手机模具制造厂家，两个大型模具如汽车仪表盘和翼子板生产厂家）。

　　· 以英国模具行业协会（GTMA）和英国塑料联盟（BPF）组成的专家顾问组。

　　· 西班牙模具制造厂家所组成的专家顾问组。

　　模具设计和制造的生命周期

　　模具设计和制造的生命周期可分成以下几个阶段：

　　第一阶段：估价和报价

　　新产品快速交货的要求，意味着模具生产厂家需要进行更多的报价，且要求更快地给出报价。很少有用户现在会选用一个连报价都不能及时给出的厂家进行加工。然而，报价时间的紧迫很容易导致错误的产生，从而使厂家付出沉重代价。

　　报价太高，合同会被能给出更精确报价的竞争厂家夺走。更糟的是，若报价太低，则可能做赔本生意，或是扯进讨厌、无休止的讨价还价中，以将价格提到实际水平。

　　估价和报价过程中对模具制造厂家最严峻考验是客户提供的数据为 CAD 模型。通常很难通过 CAD模型提供的信息快速判断出加工此模型的模具所需的工作量。还有一个问题在估价和报价过程中必须考虑到，即如果提供的数据不完整，如模型中没有圆倒角或拔模面等，则需要对该模型进行大量的加工准备工作，以将这些细节添加到模型中。除非报价中包括了足够的进行这些准备工作的工时和费用，否则一个看起来有一定利润的项目，会变成一亏本买卖。

　　研究发现，模具设计和制造生命周期的这个阶段，模具制造厂家主要希望能有一个面向他们的查看和估价工具。

　　· 有些模具制造厂家使用的 CAD 查看器通常是面片查看器。这种查看器可用来查看模型和截面模型，但不能测量模型中的半径、直径等，因为在模型面片化过程中，实际的原始几何数据已被软件进行了近似处理。

　　· 希望此工具具备一些简单的绘图功能，如可增加一些主要长度尺寸以及可产生全尺寸绘图等。

　　· 尽管没必要使用完整的 CAD 系统，但他们常常需要在一定程度上对整个模型进行操作，这包括对模型进行偏置处理，以通过外部曲面产生内部曲面；复制、镜向和旋转操作，以帮助多型腔模具和具有对称设计的模型报价等。

　　· 除需查看器具有普通 CAD 模型查看器所具有的基本功能外，他们更需要一些针对模具制造的特殊工具，如能够找出并显示倒勾型面的工具；能够测量拔模角和壁厚的工具等。

　　· 为满足这些要求，Delcam 引入了一特别版 PowerSHAPE 软件 -- PS-Estimator。 该软件提供了大量的 CAD 模型分析和识别方法，可测量模型尺寸，同样可帮助确保给出精确报价。这些分析和识别功能还可帮助及早发现模型中存在的问题，以尽早、尽快、尽可能经济地对问题进行处理。

　　第二阶段：输入产品模型，生成高质量实体模型研究表明：

　　· 模具制造厂家需要读取包括一些不太流行软件在内的多种软件产生的原始模型数据。让他们同时配备客户拥有的每一套 CADCAM 软件系统是不现实的。尽管购买转换器是一个相对经济的解决方法，但花钱购买那些仅偶尔使用一次的系统的转换器，实在不值得。为克服这些困难，有些公司现在提供在线转换服务。在线转换服务是一种按次付费的服务，转换一次，付一次费，可不用花大量经费购买转换软件。

　　· 多数常用 CADCAM 系统的数据交换能力很差，输入不同软件产生的模型常常会丢失曲面数据和出现坏裁剪曲面，需要进行大量的工作来重新生成高品质实体模型。这项工作通常需要许多天才能完成。

　　· 多数实体造型器的复杂曲面造型能力（如曲面拟合、缝合等）很差。

　　多数造型器不能很好地处理来自粗糙公差造型器产生的模型数据。这将导致诸如数据输入、修改由于不同公差产生的曲面间隙、形成完全闭合的模型供分析等很多问题。如果间隙大于所需公差，用户可使用愈合(healing)和公差处理模型(tolerant modelling)两个方法来解决。愈合涉及曲面裁剪边界的重新计算，如重新相交曲面，使它们更精确。这种方法在某些情况下可行，但并非对所有情况都有效。公差处理模型涉及按一定公差，如 0.1mm，匹配两个曲面的任一侧来限定一边缘。尽管从纯数学的角度来说，这种方法的精度不如前者，但在实际加工过程中这是一更为可行的方法。

　　使用公差处理模型方法处理过的模型在接受软件中应可正常工作，尽管在两个面片间存在一个很小的，不宜察觉的间隙。

　　第三阶段：完备产品模型

　　生命周期的下一步是完备产品模型。有时模型中的某些部分有意未完成，产品设计师仅设计出足以实现设计产品所需的花样和款式的那部分模型，而细节造型部分（如圆倒角）则留给模具制造厂家完成。在汽车零部件生产中，模具制造厂家常常得到仅有一个面 A 面（外部曲面）的模型，零件设计师希望模具制造厂家自己生成内部曲面（按壁厚偏置而成）。偶尔模具制造厂家确实能得到一完整的实体模型，即使这样，也需他们将模型分离成型芯和型腔两组曲面。即便得到的产品模型从理论上说绝对完备，模具制造厂家也常常需对模型进行一些必要的调整，如改变拔模角、壁厚等，以确保零件能顺利成型。尽管现在很多产品设计师在产品设计过程中更多地考虑加工要求，以保证所设计产品能满足加工需要，但他们中间还是有很多人在设计过程中我行我素，使设计的产品很难加工。 模具制造厂家在此阶段遇到的主要问题是：

　　· 许多 CADCAM 系统的复杂曲面偏置功能很差，因此通过 A 曲面产生B曲面可能存在问题。

　　· 多数 CADCAM 系统没有专门的型芯和型腔曲面分离功能。分离型芯和型腔曲面是一个劳动强度很大的工作。

　　· 多数系统没有专门的拔模角和壁厚测量工具。

　　· 多数系统没有专门的增加额外拔模角工具（帮助取出模型）。

　　同时考虑到数据交换和完备产品模型，模具制造厂家通常需要综合使用曲面造型技术和实体造型方法。很多混合建模 CAD 系统现在都具有这种综合能力。综合使用这两种技术的目的在于既能利用实体造型处理标准几何形状快速简便的优势，又能利用曲面造型的柔性来生成和修改形状更复杂的零件。例如，许多塑料模具具有复杂的外部曲面，而其内部几何形状，如加强筋或螺孔凸台相对简单。为此，可使用曲面造型来建构可见曲面，而使用实体造型来更快地产生简单的内部结构。同样，使用实体造型可更容易地通过外部曲面产生内部曲面。

　　第四阶段：产生模具

　　修整产品模型并确保它能进行流畅的加工造型后，下面即是模具产生阶段。模具的产生涉及到两个步骤，其一是产生模具镶块（组成型芯和型腔）；其二是产生模具的其它结构（模架及其它附件）。此阶段模具制造厂家遇到的主要问题是：

　　· 多数造型器需要一块块地生成零件曲面，然后填充间隙，最后进行交互裁剪。这是一项非常费时的工作。Delcam 对这个问题的解决方案是使用模具镶块向导程序"Die Wizard"。该程序可自动寻找产品模型的分模线并自动将模块分为合适尺寸的两部分， 自动产生高质量的分模面，自动分离型芯和型腔。

　　· 需要模具零件标准件库。有些自动设计系统现在已拥有这种标准件库。更高级的系统还同时允许用户设计需要的任何非标准零件，且可将设计完毕后的零件增加到用户自定义标准库中，供以后使用。

　　· 多数模具制造厂家希望通过实体建立模具结构设计，认为实体造型器是进行这项工作最好的CAD 工具。然而，模具的型芯、型腔和滑块这些部分需要使用曲面造型工具完成。多数模具制造厂家感到当前市场上还没有一种合适的，能较好地综合实体造型和曲面造型优点并令他们满意的工具。模具制造厂家使用实体造型器建构模具结构遇到的典型问题是以 IGES 格式输入的曲面数据产生实体。这个过程要么耗用时间太长；要么可能会完全阻止通过实体造型建构模具结构的进行。和模型设计的情况一样，现在越来越多的公司都转向使用混合建模系统，以便使用最有效的方式来完成设计。

　　第五阶段：加工准备

　　模具零件设计完毕后，正式加工前还需进行一些准备工作。对那些需进行切削加工的区域，加工工程师必须选取合适的加工刀具；对那些不能进行切削加工的区域（如尖锐内角，狭窄沟槽等），则需使用电极来对这些区域进行放电加工。通过对参加项目的模具加工厂家的调查发现，此阶段主要存在以下问题：

　　· 很难通过目测判断来为加工区域选取最合适的刀具。现在使用 CAD 系统中的最小半径阴影选项进行判断要快得多，也容易得多。

　　· 电极模型设计是工时延误的主要原因。典型电极模型是零件模型区域的求逆，它通过复制模型区域几何形状然后裁剪产生。电极设计完毕后，需填充上主模型上的电极加工区域，以保证切削加工时不会加工到放电区域。需将复制曲面（描绘电极）沿电极加工边缘做微量延伸，以保证具有一定的过放电区域，然后将它增加到挤出曲面上而形成电极体。在此主要存在以下问题：

　　· 独立电极几何形体需要非常好的曲面裁剪（通常需要逐个曲面地进行），这需花费很长时间。

　　· 产生过放电延伸面也是一件劳动强度很大的工作（通常得逐个面地进行）。

　　· 需产生 EDM 设置清单，以定位电极。这项工作十分枯燥且容易出错。

　　· Delcam 现在提供了一特殊的电极设计模块 PS-Electrode，它可自动进行电极设计。 模块可自动识别放电区域，用户仅需在向导程序中填写几个简单表格，即可完成全部电极设计。

　　第六阶段：产生加工刀具路径

　　在本项目进行期间，通过主 CAD 模型产生 3D 切削刀具路径的自动化程度已相当高，问题出在 2D加工。人们通常使用单独的 2D 加工软件包来产生 2D 加工的刀具路径（供钻孔等）。 最典型的是模具制造厂家将数据以 2D DXF 格式（这也是 2D 加工软件通常使用的一种输入格式）输出，然后重新手动输入诸如孔深等数据。显然，这种方法很容易出错，也很费时，可以说完全没有必要。

　　另一个问题是随后必须从模型中删除 2D 特征供 3D 切削（以免切削刀具切入孔中）。

　　现在，孔产生后，孔的加工信息（如是通孔还是盲孔，是钻孔还是攻螺纹等）可包含在模型中。这些信息可自动被加工软件转换并产生出所需的钻孔刀具路径。

　　并行工程

　　通常在产品设计完毕之前，模具制造厂家即已开始进行模具设计。在上述的这些阶段中，他们会不断地得到修改过的设计的 IGES 文件。一般来说，他们得到的是整个模型，而不仅仅是模型中修改过的部分。这就意味着他们总在担心会丢失模型的某些改变。在模具设计和加工的后期才发现忽视了模型的某个地方的变动，那是致命的。他们希望有一种方法能帮助识别出不同版本模型中模型设计的变化部分。现在有些 CAD 系统已具备这种可视识别功能。

　　结论

　　本项目建立了一完全针对模具制造的 CAD 软件系统，该系统采用了综合实体造型和曲面造型优势的混合建模方法。除提供普通 CAD 系统所具有的全部工具外，该系统还提供了大量针对模具设计和制造各个阶段的专门工具。通过该 CAD 系统建立的 3D 模型包含有丰富的加工知识，可作为模具加工厂家模具设计和制造过程的主 CAD 模型和主信息源，供整个公司共享。模型可使用toolmaking-oriented 查看器（该查看器为免费查看器）查看，可用来产生 3D 切削刀具路径和2D 钻孔刀具路径，产生 EDM 所使用的电极以及加工过程中所需要的所有设置清单。在那些还需要纸头文件的地方，纸头文件可通过主模型半自动产生，没必要输入其它处理器（如 2D 加工软件）。

　　生产实践结果

　　其中一个参加项目的模具制造厂家做了以下描述"使用项目所开发的系统进行模具设计和制造后，我们看到的最直接的效果是整个模具设计和制造 的质量、性能和控制明显改善。CAD 零件和模具精度也有很大提高。现在我们能快速有效地产生和分析来自不同客户的复杂模具曲面。此外，刀具路径生成能力及路径质量也有很大程度提高。我们的 CAD 系统的使用效率及工程技术人员的工作效率显著提高。" 参加项目的另一模具制造厂家做了以下描述"自使用项目开发的系统进行模具设计和制造后，我们可接受更复杂形状模型的模具设计和加工任务，可产生形状极其复杂的模具表面以及十分经济有效的刀具路径。不到8个星期时间，我们即可 设计和生产出形状十分复杂的模型的加工模具，而以前设计和加工类似模具需10到12个星期。现在我们能更容易地分模复杂 3D 模型，更有效地产生拔模角和分模线。三轴 3D 加工的使用也简单得多。系统所提供的多种新加工策略，极大提高了淬火钢、铜、和石墨的高速加工速度。另外，自动产生设置清单解决了我们过去感到最耗时，最头疼的问题。"

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