铸造模具生产中CAD/CAM一体化技术的应用

在科学技术迅猛发展的今天，铸造仍是最经济而且便捷的金属成型工艺。铸造模具是实现这种工艺的硬件设施，直接关系到铸件的外在品质。但是传统的模具加工手段已远远不能满足铸造的需要，利用计算机技术提高模具的加工质量和加工效率已成为模具加工业的必由之路。CAD/CAM一体化技术，快速原型制造，并行工程，远程设计及制造等先进设计与制造手段，完全变革了传统制模方式，带来了铸造工装生产的彻底性革命。

1 CAD/CAM一体化技术概述

计算机辅助设计(Computer Aided Design)与计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing)，简称CAD/CAM。狭义上讲，它可以是计算机辅助某种类型模具的设计、计算、分析和绘图，以及数控加工自动编程的有机组成；广义上讲，它可以包括：成组技术(GT)、CAD、CAE、计算机辅助工艺过程设计(CAPP)、计算机辅助检测(CAT)、数控技术(NC、CNC、DNC)、柔性制造技术(FMS)、物料资源规划(MRP)、管理信息系统(MIS)、企业管理(MKT)、办公室自动化(OA)、自动化工厂(FA)等多种计算机技术在模具生产过程中的综合。图1是模具CAD/CAM系统组成的方框图。

图1 模具CAD/CAM系统组成

一个比较完善的CAD/CAM系统是由数值计算与处理、交互绘图与图形输入输出、存储和管理设计制造信息的工程数据库(EDBMS)三大模块组成，其主要功能有：(1)造型功能；(2)2D与3D图形的相互转换；(3)参数化设计；(4)三维几何模型的显示处理功能；(5)三维运动机构的分析和仿真功能；(6)物体质量特征计算功能；(7)有限元分析；(8)优化功能；(9)强大的图形处理功能；(10)先进的二次开发工具；(11)数控加工功能；(12)数据处理与数据交换功能。

根据传统做法，一个新产品的开发过程总是分为设计与制造两大部分。模具生产也不例外，模具属单件生产，设计和制造往往是一一对应的。模具制造过程基本上以切削加工为主，从模具下料、切削加工、修整到装配，是一个需要技术和技能的工艺过程，单靠手工设计方法，设计工作量大，周期长。随着CAD的普及，越来越多的机械产品直接进行三维立体设计，尤其是有着6次曲线、自由曲面、复杂曲面的产品，更是离不开CAD的帮助；借助CAD技术，模具设计既可完成传统手工设计中各个环节中的设计工作，并能自动绘制模具装配图和零件图。模具CAM应用于模具型腔等复杂形状自动加工的计算机辅助编程，随着制造技术的发展，又逐步扩展到工艺准备和生产准备过程中的许多功能，例如：计算机辅助模具制造工艺的设计，计算机辅助模具生产管理等各方面的应用。总之，模具CAD/CAM技术是在模具CAD和模具CAM分别发展的基础上出现的，它是计算机技术的综合应用，其主要特点就是设计与制造的紧密联系，也就是设计制造一体化。在这个系统中，产品的几何模型是关于产品的最基本核心数据，并作为整个设计计算分析加工的原始依据，以真实三维图形为基础的CAD/CAM一体化应用系统，是今后模具生产加工的主要手段。

2 我国CAD/CAM发展的差距

在我国，模具行业已广泛采用了CAD/CAM技术，在应用中取得了显著效益。其中最大的技术进步无疑是三维CAD方面的深入应用。合力模具，一汽模具、天汽模具、东风模具、福田潍坊模具等企业的的三维CAD普及率很高；其他骨干企业正在加快进行二维CAD到三维CAD的过渡。但与国外发达国家相比，我国模具CAD/CAM技术水平尚低，差距较大，主要表现在：

(1)CAD/CAM软件开发进度和水平低。目前三维CAD/CAM软件的核心技术仍掌握在欧美日等发达国家手中，中国的三维CAD/CAM市场几乎被国外产品垄断。每年中国制造企业采购三维CAD/CAM软件的金额高达几十亿元。

(2)CAM的发展跟不上CAD。CAM软件大多还处于试用阶段。在应用CAM技术制造模具方面，由于缺乏先进适用的制造装备，制造工艺水平不高，加工精度与国外先进水平相比还有很大的差距。

(3)整体CAD/CAM应用水平低。目前，我国三维设计的应用尚处在开始阶段，数控加工在模具制造中所占比例仍然较低，与国外先进水平相比，还有相当大的差距。

(4)CAD/CAM缺乏知识的集成。在目前的注射模设计行业，这些知识主要以经验的形式由资深设计工程师所掌握，随着他们的退休与流失必将造成企业核心技术的流失。在国外已广泛应用知识型CAD/CAM系统。

3 CAD/CAM技术在铸造模具生产中的应用

使用CAD/CAM技术、利用先进的模具加工设备(加工中心，仿形加工铣等)可以大大缩短加工周期，提高加工质量。

最初的模具CAD/CAM技术，尽管使用计算机代替了大量繁重手工劳动，取得很大成绩，但是从整个模具生产过程看，却没有什么本质的变化。因为模具CAD仍然是从接受模具设计任务书开始，以绘制模具图完成整个过程；而模具CAM从接受图样开始，以完成模具制造告终。整个模具生产过程与传统模具生产类似，设计与制造环节有着严格的分界，两个环节之间传递信息的重要手段只有靠图样。

采用CAD/CAM一体化系统，图样的作用大大减弱，模具设计从接受客户方送达的产品图纸开始，二维CAD模具结构设计和三维CAD零件几何造型同步进行，互有侧重，大大提高开发速度。三维造型在零件实体上做铸件设计，确定各种工艺参数(加工余量、拔模斜度等)，定义分型面及型芯，检验是否干涉(砂芯之间、砂芯外模配合间隙等)，检查壁厚情况，然后根据二维结构图形生成型板和芯盒实体(加放收缩率、涂料厚度)，铸件上任一部分修改后，与其相关的数据(如芯盒、模板等的设计)全部自动进行相应的修改。设计完成后以IGES格式送达摸具加工处进行计算机辅助制造处理(CAM)，生成加工指令，在数控机床上加速生成型腔。

这是目前CAD/CAM技术的主要应用方式，有条件的还可从建立的三维铸件实体抽取数据，进行浇注凝固模拟，根据模拟结果优化工艺，修改设计，这样大大缩短了模具制造周期，既提高了模样精度，又降低了模样生产成本。

另外，CAD/CAM技术的应用还包括系统软、硬件的正确选型，企业应根据自身条件及不同的要求选购CAD/CAM软硬件系统，本着先软件后硬件的原则，才能有针对性地进行软、硬件选择，取得最大效益。

4 结束语

CAD/CAM一体化系统可以实现模具设计和制造各技术功能模块之间韵信息传输和存储，并对各功能模块进行管理和组织运行。它是以数据库为统一接口，利用这个接口各工程应用系统包括CAD、CAE、CAM、CAPM，它们之间进行的数据通信、转换和交换，可以有效地辅助设计人员进行产品的构思、模型的构造(概念设计)以及工程分析和优化，在计算机上对设计的产品性能进行模拟仿真，计算机辅助绘制工程图样和文档编辑，辅助工艺人员和管理人员编制工艺规程，制定生产计划和作业调度计划，控制机械(机床、机器人)工作，并在加工过程中进行质量控制等。

虽然目前许多模具企业的CAD/CAM技术还不能直接传送给与其相关的其它系统，但随着生产技术的发展，不同功能的CAD和CAM模块的信息将能够相互传递，最终把CAD/CAM功能融合为一体。

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