第一章现代模具技术概论20110831

1、第一章 现代模具技术概论模具计算机辅助设计，简称模具CAD（Computer Aided Design）；模具计算机辅助工程，简称模具CAE（Computer Aided Engineering）；模具计算机辅助制造，简称模具CAM（Computer Aided Manufacturing）。纵观国内外模具工业的发展，模具CAD/CAE/CAM技术是现代模具技术最重要的组成部分，同时也是改造传统模具技术的关键。模具CAD/CAE/CAM的一体化及软件的宜人化、集成化、智能化、网络化是现代模具技术发展的必然趋势。本章重点介绍现代模具技术的概念和CAD/CAE/CAM系统集成的相关知识。1.1 现

2、代模具技术发展概述在现代机械制造业中，模具行业为许多行业起着强有力的支撑作用。随着DMC2010（第十三届中国国际模具技术和设备展览会）的召开，许多现代模具的新产品和新技术得以宣传并得到广泛的应用。特别是在汽车、家电行业、航天航空领域，甚至IT、医疗器械、轨道交通等电子专用装备及新兴产业配套领域，现代模具技术更是起着举足轻重的作用。模具制造能力的强弱和水平的高低是衡量一个国家机械制造水平的重要标志之一。国内模具工业发展概述1. 中国模具工业的发展现状20世纪80年代以来，中国模具工业迅速发展，国家也投入数千万元的研发经费，形成近百项技术成果。目前，中国国内共有模具生产企业（厂、点）约3万多个，

3、从业人员近100万人，全球模具产量达1000亿元人民币。中国模具工业在国民GDP的比重也呈逐年增加的趋势，具体情况见表1.1。表1.1 中国模具工业进出口情况年 份生产厂家产 值（亿元）进口模具（亿美元）出口模具（亿美元）2000170002809.771.7420011700031011.121.8820021700036012.722.5220032000045013.693.3720042000053018.134.9120053000061020.687.3820063000071020.4710.4120073000072020.5314.1320083000095020.419.2

4、220093000098019.618.432010（4月底）3000010002019在现代模具工业总产值中，冲压模约占37%，塑料模约占43%，铸造模（包含压铸模）约为10%，锻模、轮胎模、玻璃模等其他类模具约占10%，如图1.1所示。与工业发达国家的模具类别比例基本一致。塑料模 43%铸造模 10%其他模具 10%冲压模 37%图1.1我国模具比例分配模具具体生产状况如下。1） 冲模（Stamping Die）使金属或非金属板材或型材分离、成形或接合而得到制件的工艺装备称为冲模。在整个机电产品制造中冲压工艺应用非常广泛，而冲模是实现冲压工艺最主要工艺装备。因此，冲模在机械制造业中占有重要

5、的地位。近年来多工位级进模和多功能模具发展十分迅速，特别是精冲技术及精冲模具CAD系统的研究成为冲压技术一个新的发展领域。冲模的生产过程包括从原材料通过铸造、锻造、切削加工和特种加工等加工成设计图样所要求的冲模零件，再按设计、工艺规程的技术要求，将冲模零件装配成模具的过程。其中精冲具有优质、高效及低消耗的特点，在钟表、仪器仪表、精密机械、摩托车和汽车等现代工业中得到了广泛的应用。图1.2为通过冲模得到的典型的冲模产品实体零件。图1.2 典型的冲模产品提高冲模技术水平可从两个方面入手，一方面是提高所体现的冲压工艺水平，开发冲压新工艺；另一方面是通过采用计算机技术（冲模CAD、CAE、CAM技术）

6、和先进制造技术（数控多轴联动加工中心、CNC高精度电火花和线切割加工、CNC点位坐标镗、坐标磨和连续轨迹坐标磨等）提高冲模设计和制造的水平。目前，基于变异模板的三维冷冲模CAD系统的研制成功，在全面系统地总结汽车配件冷冲模设计中各个组成部分的设计特征与变化特点的基础上，以参数化、变量化的零部件设计为先导，以模板的可变异组装逻辑为手段，解决冷冲压模具中落料、冲孔、弯曲、拉深、切断、压形、翻边、压印八种工艺和落料冲孔、落料拉深、冲孔拉深三种复合模的计算机辅助设计，包括输入制件处理、模具零件三维造型、平面图输出、模板修改、模板复合五个模块。软件独创了一套具有丰富语法结构的TDL模板设计语言，将模板技

7、术灵活地运用于模具CAD系统中，通过统一性的模板修改丰富了模板变异的内涵，使系统具有良好的可扩展性。在处理三维制件时，从逻辑块分离出物理块，进而得到制件信息的分离算法。冷冲模CAD专家系统，采用专家系统技术、CAD技术、面向对象技术、图形识别技术、数据库技术、优化方法等，在Windows98/NT平台上以AutoCADR14.0为支撑软件，以C+ +ObjectARX、Au-toLISP、VFP为开发工具，实现了冲裁模、拉深模、挤压模工艺设计和模具结构设计，可明显降低生产成本，提高生产效率，延长模具寿命。2） 汽车大型覆盖件模具（Automotive Large Cover Die）汽车大型覆

8、盖件是指汽车车身或驾驶室，覆盖发动机和盘底的薄金属板料制成的异形体零件。随着汽车行业的发展壮大，汽车大型覆盖件模具也越来越受到人们的关注。近年来，无论是新建的企业还是经过技术改造的老企业，在汽车大型覆盖件的生产上，大量采用了先进的数控技术。包括三轴至五轴的高速加工机床、大型龙门式加工中心和数控铣床、大型的测量和调试设备及多轴数控激光切割机等。生产汽车覆盖件模具的水平和能力已经大大提高。企业使用三维CAD的已越来越多，有的企业已经达到百分之百的应用。与此同时，CAE技术也得到广泛应用。数字化制造、逆向工程、并行工程、灵敏制造、精益生产等先进技术也已在汽车覆盖件模具生产中得到了应用，并产生了良好效

9、果。在模具厂普遍采用CAPP虽然有很大难度，但也不乏成功的例子，如图1.3为汽车覆盖件的模型图。图1.3 汽车模具覆盖件的模型一批留学美国和加拿大并在美国汽车模具行业从业多年的技术人员在重庆组建了DSI数码模系统（重庆）有限公司，创建和应用了数码模技术。这项技术依靠先进模具与冲压工艺的设计和模拟技术相结合的模具专家系统，将推进国内传统的制模方式向计算机技术为支撑的模具工程方向转变的进程，对缩短模具生产周期及降低成本，将起到很好的作用。一些企业已实现了CAD/CAE/CAPP/CAM一体化，提升了企业的综合水平。其生产流程如图1.4所示。其它如测量技术、表面涂镀技术、综合检具工装、标准化应用以及

10、快速成型技术与快速经济模具成功结合，取得了不小的进步。2010预计汽车覆盖件模具行业增速将达20，汽车覆盖件模具的市场容量将达95105亿元。覆盖件模具CAD/CAECAM模具原型制造工艺检测及评价模具数据重构覆盖件样件覆盖件钢模具喷漆刷镀制模工具车身覆盖件模具数控加工产品实物1.4 覆盖件模具生产流程图3）塑料模（Plastic Mould）塑料模是指用塑料(一般为环氧树脂)制成的模样。或以其他材料为基体表面覆盖一层塑料的复合材料模。我国塑料模具发展迅速，目前塑料模具在整个模具行业中所占比重约为30，在模具进出口中的比重高达5070。随着中国机械、汽车、家电、电子信息和建筑建材等国民经济支柱

11、产业的快速发展，这一比例还将持续提高。制造一款普通轿车约需200多副内饰件模具，制造保险杠、仪表盘、油箱、方向盘等所需的大中型塑料模具仅约50能够满足。塑料建材大量替代传统材料也成为趋势，预计2010年全国塑料门窗和塑管普及率将达到3050，塑料排水管市场占有率将超过50，这些都会大大增加对模具的需求，生活中典型的塑料模具制品如图1.5所示。图1.5 典型的塑料模具制品模具市场的总体趋势是平稳向上的，在未来的模具市场中，塑料模具的发展速度将高于其它模具。在模具行业中的比例将逐步提高。目前我国塑料模具在高技术驱动和支柱产业需求的推动下，形成了一个巨大的产业链，从上游的原辅材料工业和加工、检测设备

12、到下游的机械、汽车、摩托车、家电、电子通信、建筑建材等几大应用产业，塑料模具发展一片生机。目前塑料制品的应用日渐广泛，为塑料模具提供了一个广阔的市场，同时对模具也提出了更高的要求，大型化、高精度、多功能复合型的模具将受到青睐。与此同时，建筑、家电、汽车等行业对塑料模具的需求量都很大。据估计，仅汽车、摩托车行业每年就需要100多亿元的模具，彩电模具每年也有约28亿元的市场。4）压铸模（Die Casting Mould）压铸模是指将熔融合金在高压、高速条件下充型，并在高压下冷却凝固成形的精密铸造方法。压铸模具比例也呈现逐年增大的趋势。很据中国模具工业协会经营管理委员会编制的全国模具专业厂今本情况

13、统计，压铸模具约占各类模具总产值的5%，年增长速度高达25%。2006年全国压铸件的总产量就已经突破100万吨，年产值达480亿。压铸模生产发展趋势向着精密、复杂、大型模具方向发展，缩短模具的制造周期，提高模具的加工质量。现代产品更新换代加速、竞争激烈、缩短模具制造周期、提高压铸模质量是一项紧迫的任务，需要应用先进的制造技术作为保障。随着对铸件性能要求的不断提高，压铸工艺也向新的方向拓展，主要有以下几种：(1)真空压铸(2)充氧压铸(3)定向抽气充氧压铸(4)气流负压压铸(5)双压射冲头压铸(6)黑色金属压铸(7)半固态金属压铸等计算机辅助工程在压铸中的应用成为提高压铸技术水平的重要途径，目前

14、计算机在压铸领域研究的重点是半固态过程、低压铸造过程、压铸充型过程的数值模拟。5）模具标准件（Mold standard Parts）模具标准化程度和应用水平是衡量模具工业水平的重要标志。模具的标准化程度决定着产品的质量、效率和效益。工业较为发达的国家，对标准化工作都十分重视，我国也在逐步加强模具的标准化程度。但我国模具的标准化程度和应用水平还比较低，乐观地估计不足30%，目前我国共发布了90多项标准，其中冲模标准22项、塑料模具标准20余项，与国外工业发达国家7080%相比，尚有较大的差距。现在生产销售厂家虽然逐年增加，但大多数是规模小、设备陈旧、工艺落后、成本高、效益低。只有普通中小型标准

15、冲模模架和塑料模模架、导柱、导套、推杆、模具弹簧、气动元件等产品，商品化程度较高，可基本满足国内市场的需求，并有部分出口。据有关资料统计，采用专业化生产的标准件比自制标准件其配合精度和位置精度将至少提高一个数量级，并可保证互换性，提高模具的使用寿命，进而促进行业内部经济体制、经营机制以及产业结构和生产治理方面的改革，实现专业化和规模化生产，并带动模具标准件商品市场的形成与发展。广泛应用标准件可缩短设计制造周期达2540%；可节约由于使用者自制标准件所造成的社会工时，减少原材料及能源的浪费；可为模具CAD/CAM等现代技术的应用奠定基础；可显著提高模具的制造精度和使用性能。2. 中国模具技术的发

16、展方向 现代模具与传统模具不同，它不仅形状与结构十分复杂，而且技术要求更高，是传统的模具制造方法无法实现的，必须借助于现代化科学技术的发展，采用先进制造技术，才能达到技术要求。根据国家“十二五”发展规划提供的资料，未来十年，中国模具工业和模具技术的主要发展方向将包括：1）超大型、超精密、长寿命、高效模具。2）多种材质、多种颜色、多层多腔、多种成型方法一体化。3）为各种快速经济模具，特别是与快速成型技术相结合的RP/RT技术。4）模具设计、加工及各种管理将向数字化、信息化、CAD/CAE/CAM/CAPP以PDM/PLM/ERP等智能化、集成化和网络化。5）更高性能及满足特殊用途的模具新材料及先

17、进的加工方法。6）各种模具型腔表面处理技术，如涂覆、修补、研磨和抛光等新工艺。7）逆向工程、并行工程、复合加工及虚拟技术。8）热流道技术、气辅和其它注射成型工艺及模具技术。9）模具标准化。10）“绿色模具”即模具从结构设计、原材料选用、制造工艺、模具修复和报废，以及在模具的回收利用等方面考虑其节约资源、重复使用、利于环保等可持续发展这一趋势。3. 我国与国外模具行业的差距我国的模具行业与国外的差距见表1.2。表1.2我国模具行业与国外模具行业的差距国际国内生产加工型腔加工基本上采用数控加工，高速铣削应用普遍基本上采用数控加工，高速铣削应用普遍CAD/CAE/CAM技术基本普及基本普及三坐标测量

18、已普及应用已普及应用制造精度（m）塑料模0.0050.010.020.05压铸模0.010.030.020.05冷冲模0.0020.0050.0050.01锻模0.0020.0030.0050.01级进模0.000230.00050.00030.001生产周期汽车覆盖件模具半年左右半年左右大型塑料模具34个月45个月高精度多工位级进模24个月24个月模具寿命同类同档次模具与外基本持平，部分还需逐步提高标准化程度70%以上，标准件品种规格多、质量高、交货块10%以下，标准件品种规格少、质量低、交货期长专业化水平专业厂生产的商品模具占行业总产值的70%以上专业厂生产的商品模具占行业总产值的60%8

19、0%经济效益工业先进国家2030万美元/年人市场份额1200亿元4. 我国模具行业发展的制约因素近年来我国模具行业虽然一直在不断发展壮大，但是在发展中也存在着许多不容忽略的潜在问题。例如：国内产品大多只能列入科技含量比较低的中低端产品，而我国现在广泛需要的汽车及零部件生产、航天航空等领域的高端模具则大多需要从美国、德国、日本等国外企业购买。我们的行业发展还需要加强进一步的完善，使国内的企业逐步具有生产高端模具的能力。我国模具行业的制约因素主要体现在企业结构不合理、缺乏战略联盟和服务平台不完善。国外模具工业发展概述根据亚洲模具协会联盟的综合统计，国外主要模具生产国包括亚洲地区的日本、欧洲地区的德

20、国、美洲地区的美国、意大利、葡萄牙等。国外的主要模具生产国家和地区如下：1.日本20世纪末日本的模具产值一度位居世界第一位，约占全球的40，但由于近几年亚洲其他国家和地区模具工业大规模发展，成本的增加和技术竞争力的增强，日本模具产业产值逐年减少，到2007年日本模具的年需求降到4100亿日元左右，价格也下降了近20。但日本模具产业仍然代表了世界级的技术水平，并在高精密加工技术方面下足了功夫，以与一般模具区别，把创造高附加值的加工产品作为日本模具业的努力方向。日本模具日本共有模具消费厂约10000家，其中20人以下的占91%以上。日本塑料模具、粉末冶金模具、压铸模具增长分明，冲压模具和锻造模具则

21、绝对呈增加趋向。模具的技巧开发重要向高精度、高速率、短命命、复杂、大型、一体化和高功能诸方面开展。2. 德国德国拥有世界先进的汽车、船舶等制造技巧，是世界上重要的制造大国之一。受下游行业需求影响，德国模具在世界上具有较为紧要的位置。由于德国预将技术含量较高的制造业作为其立国之本，估计未来德国将增强技术含量较高的模具的研究和开发。 3.美国近年来，受全球经济危机的影响，美国制造业陷入困境，制造业开始向全球转移。但是美国模具制造业在数控机床方面实力比较雄厚，它首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大批量自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上一直处于领先地位。2006年全美专用工具，模具和

22、装卡具总收入约82.9亿美元，总利润24.88%，计20.6亿美元。进出口总值14.3亿美元。主要贸易国为：日本、加拿大、德国、墨西哥中国等。4. 意大利塑料橡胶加工机械和模具制造行业是意大利机械制造联盟十个专用机械制造行业之一，拥有500余项欧洲专利，专业化程度高，技术领先，产品多样。其产值占到机械制造联盟十个行业总产值的16.5%，国内市场销售额占20%，出口进口分别占13.8%、15%，贸易余额占13.4%。根据意大利塑料橡胶加工机械和模具制造行业协会数据显示，2006年意大利塑料橡胶加工机械和模具制造业实现产值38亿欧元。5.葡萄牙葡萄牙模具工业发展始于1943年，在注塑模具行业处于领

23、先地位。在1980年的时候，葡萄牙的模具产品就已经远销50多个国家。目前葡萄牙模具拥有企业300家，以中小型企业为主，大部分集中在马里尼亚格兰特和奥利维拉德阿泽麦伊斯两个城市。总从业人口7500人。葡萄模具工业整体水平的提高主要依赖于技术发展、合理生产和质量控制计划、不断更新设备和加强专业技术投资等因素。随着技术的发展和日益完善，葡萄牙模具企业专业化程度不断提高，不少企业已经逐步实现向模胚、抛光、大型模具和高精度模具等特定专业领域发展。现代模具技术发展趋势为了适应信息社会和经济全球化不断发展的进程，模具行业发展趋势主要是模具产品向着更大型、更精密、更复杂及更经济快速方面发展。伴随着产品技术含量

24、的不断提高，模具生产向着信息化、数字化、无图化、精细化、自动化方面发展；模具企业向着技术集成化、设备精良化、产品品牌化、管理信息化、经营国际化方向发展，具体的发展趋势如下：1. 模具日趋大型化一方面是由于用模具成型的零件日渐大型化，另一方面是由于生产效率要求发展一模多腔。2. 模具标准件的应用将日渐广泛推进模具标准件大批量规模化生产，搞好模具标准件的产需衔接，促进模具标准件使用覆盖率的不断提高和行业的不断发展。扩大模具标准件的品种，提高其精度，提高生产集中度，实现大规模生产。3. 推广应用高速、高精加工技术并研制相应设备高速高精加工包括高速高精切削加工和高速高精电加工及复合加工等。在未来15年

25、左右的时间里，我国机床行业应向模具行业逐步提供适合于模具高速高精加工的相应设备，如有可能，建议开发拥有自主知识产权、精度能达到0.0001mm的高精度模具制造设备。4. 大力发展和推广信息化、数字化技术例如逆向工程、并行工程、敏捷制造技术的研发及推广应用；包括大型级进模及高精密和高复杂性的高技术含量的先进模具三维设计和制造技术的研发；包括冲压工艺设计系统、模具型面设计系统、成形分析系统、模具结构设计系统、模具CAM系统和冲压专家咨询系统的车身模具数字化设计制造系统的研发；模具的集成、柔性及自动加工技术和网络虚拟技术等。5. 模具制造新工艺、新技术模具制造的节能、节材技术，模具热处理、表面光整加

26、工和表面处理新技术等。6. 加强产学研合作，推进模具行业科技攻关工作建议政府有关部门建立模具发展基金，用以模具行业共性技术的开发、研究和创新项目，并对“龙头企业”作重点支持。要在国家有关部门大力支持下，加强产学研合作，推进模具行业科技开发和技术攻关工作，组织行业内产学研重点单位，分工合作，联合工作，争取早出成果，多出成果，共同享受成果，并使成果产业化，以迅速提高行业的技术水平。7. 建立国际性模具检测中心随着模具工业的不断发展，模具质量检测工作已越来越迫切，但至今我国只有一个国家级检测中心，建议建立更多国际性的检测中心。1.2 模具CAD/CAE/CAM概述模具CAD/CAE/CAM是改造传统

27、模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程。它以计算机软件的形式，提供一种有效的辅助工具，使工程技术人员借助于计算机对产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化。 CAD/CAE/CAM定义CAD（Computer Aided Design）是计算机辅助设计。CAD是指技术人员以高速计算能力和显示图形的计算机为工具，用专业的知识和方法对产品进行绘图、分析计算和编写技术文件，将计算机的海量存储和高速数据处理与人的创造性思维有机结合起来等设计活动的统称。用于CAD的计算机软件及外部设备，总称为CAD系统。CAE(Computer Aided Engineering)

28、是用计算机辅助工程。CAE是指求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。CAM(computer Aided Manufacturing)是计算机辅助制造。利用计算机来进行生产设备管理控制和操作的过程。它输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹(刀位文件)和数控程序。核心是计算机数值控制(简称数控)，数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。模具CAD/CAE/CAM发展现状CAD/CAE/CAM是工程技术人员以计算机系统为工具，综合应用多学科专

29、业知识进行产品设计、分析、优化及生产过程问题求解的先进数字信息处理技术。1. 技术发展现状我国虽然很早就开始制造和使用模具，但是长期以来未形成高技术含量的产业。直到20世纪80年代后期，随着科技的进步，模具工业才驶入快速发展的轨道。如吉林大学依托一汽对汽车覆盖件CAD/CAM系统的研究已经取得显著成效，华中科技大学模具技术国家重点实验室在AutoCAD软件平台上开发出基于特征的级进模CAD/CAM系统HMJC，上海交通大学为瑞士法因托(Finetool)精冲公司开发成功精密冲裁级进模CAD/CAM系统，西安交通大学开发出多工位弯曲级进模CAD系统等，这些CAD/CAM系统的研发促进了国内模具行

30、业快速发展。国内也有一批科研单位和高校投入有限元技术的研究、开发和应用。如：大连理工大学的JIFEX，郑州机械研究所的紫瑞，北京农机学院的有限元分析系统。在模具CAE方面，如湖南大学的冲压CAE系统，华中科技大学冲压成型快速分析软件FASTAMP，清华的铸造CAE分析软件FTStar，华北工学院的铸造分析软件CASTsoft等，但是我国的CAD/CAE/CAM系统的集成度相对国外来说都比较弱。国外模具CAD/CAM技术的研究始于上世纪60年代，到70年代已经研制出了模具CAD/CAM的专门系统，推出了面向中小型企业的CAD/CAM的商业软件，可应用于各种类型的模具设计和制造。 

31、60; 1973年，美国的DIE COMP公司率先研制成功PDDC连续模系统。1977年，捷克斯洛伐克金属加工工业研究所研制成功AKT冲模CAD系统。1978年，日本机械工程实验室建立ME1连续模设计系统。1979年，日本旭光学工业公司研究成功的冲空模和弯曲模PENTAX的CAD系统。1985年，日本NISSIN精密机器公司采用了冷冲模CAD/CAM系统。到80年代末，美国、日本等工业发达国家的模具生产已有近50%采用了CAD/CAM技术。国外在上世纪60年代开始开发有限元进行软件，1976年发行了第一套流动分析软件。利用CAE技术可以在模具加工前，在计算机上对整个成型过程进行模拟分析，减少甚

32、至避免模具返修报废、提高模具质量和降低成本等。目前国外的模具CAE技术已经相当成熟，完全走向实用化阶段，并取得了显著效果。国外著名的CAE软件有NASTRAN、ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS等。2.技术主要内容模具CAD/CAE/CAM技术一体化工程系统主要包括以下研究内容。1） 设计制造一体化系统集成框架的开发研究。目标是开发一个先进的集成平台，支持各应用系统的开发运行。 2） 新一代三维几何设计系统的开发研究。使该系统具有强有力的几何造型和工程绘图功能，包括利用草图功能二维建模和三维造型中直接生成工程图纸，或接受其他CAD软件传来的标准格式文件， 以及能进行

33、基于参数化特征的精确实体造型。3）35轴的数控编程系统的开发研究。使其具有智能的图形交互式多坐标编程系统， 达到工程化、 实用化的水平； 开发针对制造工艺的计算机辅助模拟系统，在给定的工程参数情况下，该系统能分析其工艺过程，动态显示仿真效果。4）产品有限元分析前后置处理技术的研究。在CAD系统的基础上，按 STEP标准自动建立有限元模型，动态显示受力和变形情况。5） 数据库技术与数据交换技术和接口的开发研究。实现产品数据的描述、交换、共享、集成、存档等管理目标。6） 模具装配加工及有限元分析工程模拟。用数值分析的方法对模具的受力和变形进行计算，从而为优化模具结构、改善受力条件提供科学依据。3.

34、技术发展特点1） 模具软件功能集成化。模具软件功能的集成化即软件的功能模块全面，同时各功能模块采用同一数据模型，具备信息的综合管理与共享，支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全过程。英国Delcam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；以色列Cimatron公司的Cimatron系统中包括几何造型、模具专家、逆向工程、模架库、NC加工及产品数据管理系统；澳大利亚Moldflow公司注塑成型系列分析软件MPA（塑件顾问）、MPX（注塑

35、专家）、MPI（流动、冷却、翘曲等）以及模具设计系统等。美国PTC公司CAD/CAE/CAM集成软件系统Pro/Engineer；美国EDS公司的UG；美国SDRC公司的I-DEAS集成化CAD/CAE/CAM软件，该软件在曲面设计、实体造型、仿真分析、制造、测试和并行工程等方面具有强大的功能，国际上有福特等许多汽车公司将它作为主流软件；美国Solidworks公司的Solidworks软件、C-mold公司的注塑模CAE分析软件C-mold；具备复杂曲面设计和数据仿真功能的法国Dassault公司的CATIA软件曲面造型功能较强；德国MAGMA公司的铸造过程流动与凝固分析软件MAGAMASO

36、FT及IKV研究所的CAD MOULD；国外使用较多的还有外型设计的Alias/ICEM、实物造型的Surface、板料冲压仿真的LS-DYNA、DYNAFORM、模具设计的VAMOS及制造系统仿真的SIMPLE+等。国内上海交通大学金属塑性成型有限元分析系统和冲裁模CAD/CAM系统；北京北航海尔软件有限公司的CAXA系列软件；吉林金网格模具工程研究中心的冲压模CAD/CAE/CAM系统，其主要功能有板料冲压过程模拟、预示成形缺陷、压机速度分析、坯料形状优化和各向异性、回弹预测等。2） 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

37、具设计、分析、制造的三维化、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CAE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 、 I-DEAS、CATIA等软件具备参数化、基于特征、全相关等特点。另外，Cimatron公司的Moldexpert，Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Space-E/mold均采用了3D专业注塑模设计软件，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公司三维真实感流动模拟软件MoldflowAdvisers受到用户广泛的应用和好评。美

38、国C-mold公司3DQuickfill也有类似功能。国内有华中理工大学研制的同类软件HSC3D4.5F及郑州工业大学Z-mold软件。上海交通大学开发了金属塑性成形三维有限元仿真系统。北航海尔软件公司的CAXA三维电子图板2000和制造工程师2000能进行3D零件设计和NC加工，其特点是基于3D、参数化特征设计，实现了实体、曲面和NC加工的协调统一。3） 模具软件的智能化趋势。新一代模具软件要求模具CAD不再是对传统设计与计算方法的模仿，而是在先进设计理论指导下，充分运用模具专家的丰富知识和成功经验，克服具体设计、工艺人员的经验局限，通过人工智能CAI等方法，实现设计的合理性和先进

39、性，逐步达到从设计、分析评估到制造过程的完全自动化。Cimatron公司的注塑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。而PTC公司推出的模具专家系统EMX则更为经典，它具有前面其他模具专家系统的共有特点外，还能实现模具装配体的2D装配图的自动出图，从而大大减轻了模具设计工程师的劳动量，提高效率，减少模具开发的时间，另外在它的EMX4.1里还强化了产品的成本计算，可以估算模具的总体成本，为模具的效率计算提供了有力依据，实现信息技术及现代管理技术。4）模

40、具软件应用的网络化趋势。随着模具在企业竞争、合作、生产和管理的全球化、国际化以及计算机软硬件技术的迅速发展，使得在模具行业应用虚拟设计、敏捷制造技术既有必要，又有可能。美国近年实现汽车工业敏捷生产/虚拟工程方案，使汽车开发周期从40个月缩短到4个月。Delcam公司最近推出的CAD/CAM集成化系统PowerSolution覆盖了几何建模、逆向工程、工业设计、工程制图、仿真分析、快速原型、数控编程、测量分析等方面。系统的每一个功能模块既可独立运行，又可通过数据接口与其它系统兼容，便于实现开放性、兼容性和专业化的统一。5）并行工程技术在模具中应用。模具是面向定单式的生产方式，属于单性生产，制造过

41、程复杂，要求交货时间短。利用CAD、CAM单元技术制造模具，制造精度低、周期长，为了解决上述难题，我们将并行工程技术引入到模具制造过程中。 所谓并行工程是设计工程师在进行产品三维零件设计时就考虑模具的成型工艺、影响模具寿命的因素，并进行校对、检查，预先发现设计过程的错误。在初步确立产品的三维模型后，设计、制造及辅助分析部门的多位工程师同时进行模具结构设计、工程详图设计、模具性能辅助分析及数控机床加工指令的编程，而且每一个工程师对产品所做的修改可自动反映到其他工程师那里，大大缩短设计、数控编程的时间。 应用Pro/ENGINEER、UG等CAD/CAE/CAM集成技术软件，将原来模具结构设计、模

42、具型腔、型芯设计及结构二维设计、工艺准备、模具型腔和型芯设计三维造型、数控加工指令编程、数控加工的串行工艺路线改为由不同的工程师同时进行设计、工艺准备的并行路线，不但提高了模具的制造精度，而且能缩短设计，数控编程时间达40%以上。6）模具高速测量及其逆向工程技术。随着三坐标测量机、扫描仪、便携式扫描仪、激光跟踪仪的技术不断发展与进步，检测技术向高速度、高精度、高适应性、数字化、自动化方向发展，使得现代测量技术不断融入模具产品逆向工程设计中，进一步推动模具制造产品快速制造的响应能力。逆向工程（Reverse Engineering，RE）也称反向工程或反求工程，是相对于传统的产品设计流程即所谓的

43、正向工程（Forward Engineering，FE）而提出的。4. 技术水平不足我国模具CAD/CAE/CAM技术近十年来取得了长足的进步。一汽模具、天汽模、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还存在一定的差距。1）CAD/CAE/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/CAE的发展跟不上CAD。在应用CAE进行模具方案设计和

44、分析计算方面，才刚刚起步，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/CAE/CAM应用水平低。目前较有规模的模具企业都已彩图，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。CAE在我国模具行业的应用还有待提高。1.3 模具CAD/CAE/CAM系统构成完整的模具CAD/CAM/CAE系统包括快速数字计算及图形处理功能、几何建模功能、处理数控加工信息的功能、大量数据和知识的存储及快速检索与操作功能、人机交互通信功能、输入和输出

45、信息及图形功能、工程分析功能等。模具CAD/CAM/CAE系统的运行环境由硬件、软件所构成。图1.6为模具CAD/CAE/CAM系统集成图。三维CAD系统优化信息三维实体造型优化信息工程图设计NNNCAE模块 CAE软件静力分析动力分析运动仿真工艺知识获取工艺规则数据库最终工艺设计方案CAM系统后处理设置NC仿真NC加工数 据 库 管 理 系 统数据库管理系统图1.6 CAD/CAE/CAM系统集成图 硬件条件模具CAD/CAE/CAM系统的硬件条件包括计算机主机、外存储器、输入设备、输出设备、网络设备和自动化生产装备等组成，如图1.7所示。绘图仪数字化仪显示器扫描仪CAD/CAE/CAM集成

46、系统硬件环境外部存储设备主机输出设备图1.7 模具CAD/CAE/CAM集成系统的硬件组成1主机 主机是模具CAD/CA/CAM系统硬件的核心，主要由中央处理器（CPU）及内存储器（也称内存）组成。CPU包括控制器和运算器，控制器按照从内存中取出的指令指挥和协调整个计算机的工作，运算器负责执行程序指令所要求的数值计算和逻辑运算。CPU的性能决定着计算机的数据处理能力、运算精度和速度。内存储器是CPU可以直接访问的存储单元，用来存放常驻的控制程序、用户指令、数据及运算结果。衡量主机性能的指标主要有CPU性能和内存容量。按照主机性能等级的不同，可将计算机分为大中型机、小型机、工作站和微型机等不同档

47、次。2. 外部存储器外存储器简称外存，用来存放暂时不用或等待调用的程序、数据等信息。当使用这些信息时，由操作系统根据命令调入内存。外存储器的特点是容量大，经常达到数百MB、数十GB或更多，但存取速度慢。常见的有磁带、磁盘（软盘、硬盘）和光盘等。随着存储技术的发展，移动硬盘、U盘等移动存储设备成为外存储器的重要组成部分3. 图形终端输入/输出设备输入设备是指通过人机交互作用将各种外部数据转换成计算机能识别的电子脉冲信号的装置，主要分为键盘输入类（如键盘）、指点输入类（如鼠标）、图形输入类（如数字化仪）、图像输入类（如扫描仪、数码相机）、语音输入类等。将计算机处理后的数据转换成用户所需的形式，实现

48、这一功能的装置称为输出设备。输出设备能将计算机运行的中间或最终结果、过程，通过文字、图形、影像、语音等形式表现出来，实现与外界的直接交流与沟通。常用的输出设备包括显示输出（如图形显示器）、打印输出（如打印机）、绘图输出（如自动绘图仪）及影像输出、语音输出等。4. 网络互联设备 包括网络适配器（也称网卡）、中继器、集线器、网桥、路由器、网关及调制解调器等装置，通过传输介质联接到网络上以实现资源共享。网络的连接方式即拓扑结构可分为星形、总线形、环形、树形以及星形和环形的组合等形式。先进的CAD/CAM系统都是以网络的形式出现的。 软件条件1. 系统软件系统软件主要包括操作系统、编程语言系统和网络通

49、信及其管理软件，如图1.8所示。操作系统语言加工系统工程数据库图形处理软件分析模拟软件专业模具软件CAD/CAE/CAM集成系统软件环境应用软件支撑软件系统软件图1.8 模具CAD/CAE/CAM集成系统的软件组成1） 操作系统操作系统是CAD/CAM/CAE系统的核心，它控制计算机的软件资源和硬件资源。其主要功能是硬件资源管理、任务管理、硬件驱动、基本数学计算、日常事务管理、错误诊断与纠正、用户界面管理和作业管理等。目前广泛应用的操作系统有Windows、UNIX、Linux等。 2） 编程语言系统编程语言系统主要是指源程序编辑、库函数及管理、语法检查、代码编译、程序连接与执行。按照程序设计

50、方法的不同，可分为结构化编程语言和面向对象的编程语言。按照编程时对计算机硬件依赖程度的不同，可分为低级语言和高级语言。目前广泛使用面向对象的编程语言，如Visual C+、Visual Basic、Java等。 3） 网络通信及其管理软件网络通信及其管理软件主要包括网络协议、网络资源管理、网络任务管理、网络安全管理、通信浏览工具等内容。国际标准的网络协议方案为“开放系统互连参考模型”（OSI），它分为七层有应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。CAD/CAM/CAE系统中流行的主要网络协议包括TCP/IP协议、MAP协议、TOP协议等。2. 支撑软件支撑软件一般具有较好的

51、数据交换性能、软件集成性能和二次开发性能。功能单一型支撑软件只提供CAD/CAM/CAE系统中某些典型过程的功能，如交互式绘图软件、三维几何建模软件、工程计算与分析软件、数控编程软件、数据库管理系统等。功能集成型支撑软件提供了设计、分析、造型、数控编程以及加工控制等综合功能模块。1）交互式绘图软件 这类软件主要以交互方法完成二维工程图样的生成和绘制，具有图形的编辑、变换、存储、显示控制、尺寸标注等功能；具有尺寸驱动参数化绘图功能；有较完备的机械标准件参数化图库等。这类软件绘图功能很强、操作方便、价格便宜。在微机上采用的典型产品是AutoCAD以及国内自主开发的CAXA电子图板、PICAD、高华

52、CAD等。 2）三维几何建模软件 这类软件主要解决零部件的结构设计问题，为用户提供完整准确地描述和显示三维几何形状的方法和工具，具有消隐、着色、浓淡处理、实体参数计算、质量特性计算、参数化特征造型及装配和干涉检验等功能，具有简单曲面造型功能，价格适中，易于学习掌握。这类软件目前在国内的应用主要以MDT、SolidWorks和SolidEdge为主。 3）工程计算与分析软件 这类软件的功能主要包括基本物理量计算、基本力学参数计算、产品装配、公差分析、有限元分析、优化算法、机构运动学分析、动力学分析及仿真与模拟等，有限元分析是核心工具。目前比较著名的商品化有限元分析软件有SAP、ADINA、ANS

53、YS、NASTRAN等，仿真与模拟软件有ADAMS。 4）数控编程软件 这类软件一般具有刀具定义、工艺参数的设定、刀具轨迹的自动生成、后置处理及切削加工模拟等功能。应用较多的有MasterCAM、SurfCAM及CAXA制造工程师等。 5）数据库管理系统 工程数据库是CAD/CAM/CAE集成系统的重要组成部分，工程数据库管理系统能够有效地存储、管理和使用工程数据，支持各子系统间的数据传递与共享。工程数据库管理系统的开发可在通用数据库管理系统基础上，根据工程特点进行修改或补充。目前比较流行的数据库管理系统有ORACLE、SYBASE、FOXPRO、FOXBASE等。1.4 CAD/CAE/CA

54、M系统交换技术模具CAD/CAE/CAM系统是要求产品设计、工艺分析、加工模拟，到产品制造的过程中的数据具有高度的一致性。即保证原始的数据信息能够直接在各个系统间传递。目前所使用的CAD、CAE、CAM系统都是各自独立发展起来的，彼此的数据模型互不相容。CAD系统主要用于描述零件完整的几何信息，但是对于零件的精度、公差、表面粗糙度和热处理等信息都没有在计算机内部逻辑结构中得到充分体现。CAE系统主要用于计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。CAM核心是计算机数值控制（简称数控），是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。CAM加工所需要的上述非几何信息也无法自动从

55、零件的工艺方案中提取。所以实现数据在各部分之间自由交换、实现信息高度共享，是CAD/CAE/CAM系统集成的关键。国外对数据交换标准的研究制定比国内早。如美国的DXF、IGES、ESP、PDES；法国的SET；德国的VDAIS、VDAFS，ISO的STEP等。这些标准都为CAD、CAE及CAM技术在各国的推广应用起到了极大的推进作用。IGES标准1IGES标准的特点IGES（Initial Graphics Exchange Specification）是美国国家标准协会（ANSI）制定和公布的CAD/CAE/CAM系统之间图形信息交换的一种规范。目前广泛应用的UG、Pro/E、CATIA、P

56、roCAST等都含有IGES接口，已经成为国际标准。2IGES标准的组成IGES为CAD/CAE/CAM之间的传递定义了一套表示CAD/CAE/CAM系统中常用的几何和非几何数据格式，以及相应的文件结构，用这些格式表示的产品定义数据可以通过多种物理介质进行交换。 系统A系统B前处理器IGES格式文件数据转换系统数据后处理器系统数据IGES格式文件数据转换数据相互转换图1.9 IGES数据传递过程图1.9为IGES系统数据的传递过程。数据要从系统A传送到系统B，必须由系统A的IGES前处理器把这些传送的数据转换成IGES格式，而实体数据还得由系统B的IGES后处理器把其从IGES格式转换成该系统内部的数据格式。把系统B的数据传送给系统A也需相同的过程。标准的IGES文件包括固定长ASCII码、压缩的ASCII及二进制三种格式。固定长ASCII码格式的IGES文件每行为80个字符，整个文件分为5段。段标识符位于每行的第73列，第7480列指定为用于每行的段的序号。序