NX让模具制造更容易

HEATS

在CAD/CAE/CAM技术已经在模具设计和制造过程中普遍应用的背景下，优化工作流程和消除各种瓶颈成为缩短模具制造周期的主要措施，对于此，NX解决方案诞生了……

如果我们只是期望制造出好的产品，那么一切将会变得更容易。然而，汽车市场的全球化发展所带来的机遇和挑战，却让更多的汽车制造企业不得不在提高生产效率、节约成本和持续创新上努力工作。随着汽车开发速度的不断加快，汽车模具行业同样面临着挑战。

1.缩短模具制造周期

过去的5年中，随着CAD/CAE/CAM技术的普遍应用，模具制造周期在很大程度上已经得到了缩短。因此，如果要进一步缩短制造周期，只有通过对工作流程进行持续不断地改进，消除瓶颈才能够有效缩短模具开发时间。

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典型的汽车冲压模具设计和制造工作可以分为四个部分：模具计划、模具可行性分析、模具设计和校验以及模具制造。

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2.解决模具开发瓶颈问题

图1所示是一个典型的冲压模具开发流程，通过分析可以知道，当前开发流程中存在着以下瓶颈问题：

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图1  冲压模具开发流程与瓶颈分析

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（1）不同阶段的数据共享。

产品数据、工艺布局、模具面设计、可成形性CAE分析、回弹补偿分析以及NC编程，模具开发的每个阶段所采用的数据格式都不一致，例如在设计阶段，由于需要不断地反复更改数据，同时数据也在不同的应用间进行重复地转换，从而浪费了大量的时间。

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（2）不同阶段中，需要有大量的设计校验。

模具设计过程中存在着大量验证工作，如产品开发阶段的工艺可行性论证、模具面设计时可成形性分析、回弹补偿和冲压线仿真等分析。因此，模具的设计过程实际上就是不断试错、进行优化和验证的过程，直至最终满足产品要求。

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（3）回弹补偿面设计。

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目前，在回弹补偿面设计方面还没有有效的设计工具可以实现精确的回弹补偿计算。因此，国外很多用户通过采用试错法，在设计软件与CAE分析软件之间进行反复验证，从而确定回弹量。而国内企业则是根据经验重新生成新的曲面，但是由于这种新生成的曲面与原产品模型不相关，因此每一轮的设计更改周期相对较长。另外，还有些企业在早期设计的过程中干脆就不添加回弹补偿，后期通过试冲的结果根据经验进行修模。

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（4）CAM和设计平台不相关。

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由于在加工制造时的软件平台和设计平台不一致，导致模具设计和制造数据不同步，每次设计变更后NC代码都需要重新生成。

NX冲压模具解决方案

1.全面的解决方案

Siemens PLM软件公司的NX冲压模具解决方案，是在NX平台下，利用强大的CAD/CAE/CAM功能，以Teamcenter数据管理平台为依托，对模具产品开发周期的数据和流程进行管理，提供了模具工艺规划、可成形性分析、模具设计和校验以及模具制造全面的数字化解决方案，在很多大型的汽车制造企业和模具公司得到了成功的应用。

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如图2所示，NX平台下一体化的冲压模具解决方案，可以有效地解决冲压模具开发过程中存在的瓶颈问题：

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图2  NX平台下集成的冲压模具解决方案

（1）在同一平台下完成全部设计、验证和制造工作，所有的设计和制造人员采用同一数据源，从而解决了数据共享的问题。

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（2）通过不同设计阶段设计检验工具的应用，如拔模分析、截面可成形性分析、DFM专家向导、一步成形分析和模具校验等，实现了面向制造和面向装配的设计。

（3）利用NX强大建模功能，根据相应的规律自动生成回弹补偿面，再通过自带的可成形性分析工具或者与专业分析软件接口，不需要数据转换就可以对模具回弹补偿进行分析计算。

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（4）直接利用NX CAM对模具进行NC编程，实现CAM数据和产品设计全面关联。

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2.专家级的流程

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NX的冲模工程和冲模设计集成了行业内领先的模具设计和制造专家经验和流程，通过应用专家级的流程可以实现缩短周期、减少错误、捕捉和促进最佳实践的应用以及提高模具设计人员生产效率等目标。

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（1）冲模工程。

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冲模工程用于定义和创建冲压模型，通过提供专用工具（冲压零件定位、孔或裁剪区域等空白区域填充、成形、修边和翻边工艺规划工具）帮助制造工程师对冲压过程中每个冲压工序进行定义，模具冲压线（DOL）助手用于自动对冲压工艺线路进行规划，如图3所示。每个工位的最终模型以三维形式表示，并且可直接输出模具面和模具线用于模具结构设计。

图3  自动生成的模具冲压线（DOL）

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（2）冲模设计。

冲模设计提供了冲模结构设计专用功能，用于创建和编辑拉延、修边和翻边模结构模型，集成了业界专业的模具设计知识，向导式界面可以指导设计人员一步步的完成模具设计。3D模型更加易于生成铸造模型，如图4所示。新模具也可以通过编辑先前的模具来生成，有效减少了导入时间和生产成本，有利于捕捉和应用企业最佳实践。

图4  利用NX冲模设计工具生成的模具3D模型

3.全面的设计校验

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为了保证模具设计制造质量，技术人员需要进行大量设计验证工作，以往这些工作都是由专门分析软件进行。NX软件充分利用其作为
CAD/CAE/CAM一体化软件的优势，为模具设计和制造提供了全面的设计验证工具，提高了模具设计水平与质量，减少返工，缩短了开发时间。

（1）面向制造的设计（DFM）专家顾问。

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DFM专家顾问在设计阶段就可以对产品可制造性进行分析，提供了对拉延、修边、冲孔和翻边工艺规范，可以根据客户的企业标准进行定制，检测结果和问题回馈都可以存储在部件文件中供下游用户进行查看，大大降低了下游用户的重复工作。

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（2）一步成形分析。

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一步成形分析工具，集成在NX冲模工程中，无需数据转换，分析结果和产品模型相关，可以在产品开发和模具设计阶段，根据给定的材料计算板金的变薄、应力和应变情况，可以精确预测回弹，并可以生成展开模型用于毛坯设计，同时还可以生成HTML格式的分析报告。

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（3）模具校验。

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模具校验功能提供了NX环境下冲压线仿真的功能（图5），通过对模具装配的仿真可以检查整个冲压线干涉情况。仿真包括了冲压、模具、工装和部件的运动，同时还支持横臂、三轴取料机构的运动，系统可以生成轨迹曲线，且整个仿真分析和模具设计完全相关。

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图5  集成在NX环境下的冲压线仿真

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4.一体化的解决方案

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在汽车冲压模具的开发过程中，通常企业要在模具设计过程中使用包括模具布局、模具面分析、模具面设计、回弹补偿、冲压线仿真以及CAM等多种应用软件。往往这些应用软件在各自专业领域都非常出色，但要提高整个产品的开发效率就要去缩短这些系统间协调的时间，而其中最大的问题往往是企业需要花费大量的时间进行数据转换并解决兼容性问题。

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另一个重要的问题就是设计变更对下游应用的影响，冲压模具设计是一个反复的过程，需要进行大量试错和可行性的研究，因此我们期望当一个针对产品的设计变更发生时，下游用户的数据可以自动地更新，例如模具布局等。

（1）案例一：模具面设计是由一系列工具组成的，用于帮助用户自动生成后期模具设计所需辅助几何模型（图6），如工艺补充面、压料面、压料筋和模具线输出等。

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图6  一步生成复杂的模具面

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压料面：用于创建代表压边圈闭合后板金片体的形状。

工艺补充截面：创建一个或多个截面定义工艺补充面，提供一系列可独立编辑的参数，用所有的截面线来约束补充面的形状。

工艺补充面：基于一个或多个截面线创建工艺补充面。

模具线输出：基于补充截面和截面线创建精确修边线，节省用户大量手工操作。

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（2）案例二：NX中的Global Shaping模块提供了多种曲面变形功能来修改曲面添加回弹补偿，如加冠、过弯和壁变形等（图7）。

图7   为多种曲面变形设计添加回弹补偿

加冠：在指定边界曲线定义的区域内建立变形、支持点、封闭或开放的曲线来定义规律，变形方向可以是自定义或正交于原曲面。

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壁变形：将侧壁根据指定的距离变形来补偿回弹，可以通过定义变形规律。

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过弯：翻边旋转，将曲面绕着基础曲线旋转指定的角度来生成回弹补偿，可以用于建立新的曲面或修改已有曲面。

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（3）案例三：Siemens PLM软件公司已经与可成形性分析领域的两个重要软件供应商建立了合作关系——ETA和AutoForm。其中，ETA公司的Dynaform软件是一个独立调用Ls-Dyna解算器的产品，该包允许NX部件直接在其中打开，并且NX中的BSE（Blank Shape Engineering）提供了直接在NX中进一步成形分析的功能；AutoForm公司提供的UG产品中的Autoform，也被完全集成在NX平台下，交互界面允许用户打开一个独立的窗口运行Autofrom的一步成形或增量分析功能，且系统可以自动完成在NX和Autoform之间的数据转换。

采用一体化的解决方案的好处是，更方便评估设计；不需要增加额外工作；不需要浪费时间在不同软件之间进行数据转换。

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通过前面的分析可以看到NX冲压模具解决方案，在同一平台下提供了产品设计、工艺布局、设计校验、模具结构设计、冲压线仿真、CAM的完整功能，任一设计变更都可以被自动传递到下游，极大地提高了产品开发效率。

5.单一的知识源

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图8所示为模具产品的开发流程，从中可以看出，各个领域设计人员的工作纵横交错，彼此之间缺乏合作，数据冗余，没有有效的应用企业标准实践，每个人都创建自己独立的数据。

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图8   现实企业中模具开发工作流程

因此，要提高模具开发效率，就必须建立一个集中的信息和工艺流程管理系统，在所有这些设计人员、制造人员、质量控制人员、管理人员之间建立一个平台，让大家从单一的知识源去获取数据，如图9所示。这样可以产生以下几点优势：减少了设计和制造阶段的错误；可以快速的访问产品和工艺数据；供应商和合作伙伴访问同样的数据。

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图9   集中的信息和工艺流程管理系统

Siemens PLM的Teamcenter产品生命周期数据管理软件，通过和NX冲压模具解决方案的结合，为企业提供了这样一个平台，帮助企业对模具产品周期中所有数据进行统一管理，确保所有信息的完整、准确与同步。
   
结束语

汽车工业的发展带动了汽车模具产业的进步。汽车模具工业正在面临着质量和周期的两大挑战。随着CAD/CAE/CAM技术的普遍应用，缩短模具制造周期必须优化现有的模具制造流程，消除各环节中所隐含的瓶颈问题。Siemens PLM公司的NX解决方案无疑是解决这一问题的有效途径。【MechNet】

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