冲压模具的三维实体设计

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模具的形状一般较为复杂，三维设计技术的推广实现了模具的模拟仿真设计与分析，极大地提高了模具设计的准确性，并缩短了设计与制造周期，并大大提高了模具质量。

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随着模具行业的迅速发展，用户要求不断提高，传统的二维设计方式已经不能满足企业对模具的生产周期、质量管理和成本控制的要求。使用三维设计技术，可方便地设计出符合要求的三维实体模型，并进行模型装配和干涉检查，避免存在结构性错误；同时，还可以采用CAE软件对重要零部件进行有限元分析和优化设计，例如进行拉延成型模拟分析、压弯回弹模拟分析、修边展开尺寸模拟分析、斜楔机构运动模拟分析等；可以采用CAM软件进行数控加工；可以进行产品数据共享与CAD/CAE/CAPP/CAM系统集成等。

三维实体设计技术在模具开发、生产周期、质量管理等方面具有特殊的优势。目前，该技术在国外已经得到了广泛的应用，基本实现了无图生产。要提高我国的模具制造水平，必须有先进的设计方法，因此，可以说模具三维设计技术是提高模具企业竞争能力的主要手段之一。

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模具三维设计系统的主要技术与功能

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以我公司在UG软件环境下的冲压模具设计为例，主要的技术点及系统功能包括以下几方面：

1、参数化模块技术

模块是结构标准化的具体体现，模具中的每一个结构都可以看作是一个模块。各个模块建模后，利用UG的装配功能把模块拼装，便形成了模具。

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通过分析模具的结构特征，参数化模块技术将模具划分为端头、工作部件和基础件等，并建立常用模具模块参数化设计数据库，如模具的端头（图1）、气缸顶料合件、托料装置等，其中端头可以在一定形状尺寸范围内通用，同时针对模具中使用的标准件，设计开发一套完整的三维参数化标准件库（图2），与UG的集成环境有机结合，采用界面简捷、直观的图形化菜单，操作方便，具有良好的人机交互性、可扩充性和可移植性。在标准件的建立过程中，通过知识驱动表达式，不但能改变标准件的规格，而且可改变其特征类型、增加或减少某些特征。在标准件中通过建立用于布尔操作的实体，从而实现了在装配中与其他非标零件进行加减的操作，加快了模具结构实体设计的速度。

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图1 模具端头结构

图2  标准件库

2、基于装配的模具设计框架及BOM表的自动生成

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模具是一种技术密集型产品，具有复杂的结构。模块造型完毕后，如何方便、有效地进行数字模型的装配设计、装配分析（干涉及间隙）、保持装配的关联性和实际装配的一次成功是模具开发者所追求的目标。参数化模板要求模块之间的装配应当采用约束定位，而且应尽可能地使用UG WAVE技术的相关拷贝功能。UG的装配为虚拟装配，应用统一的数据库，将零件与装配总成统一为整体，这与实际装配更为相符。在模具装配建模过程中，由于同时调入的部件数目较多，为了能够提高建模效率，通常采用以下方法：

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（1）调入引用集装载部件（图3）。在模具装配调用时，只调入所需的引用集，从而提高装载速度。

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图3  在装配时引用集的使用方法

（2）显示部件简化。在装配中常常有许多部件只需用一个简单的几何体表示即可，这样可以大大简化整个装配模型的显示，提高对装配体的操作速度。

物料清单（BOM）生成模块是模具设计系统和生产管理系统集成的一个关键模块，用于为生产管理系统和工艺设计模块提供BOM表，其功能是通过友好的人机界面以获取模具零部件及其装配关系，并转换为相应的结构编码，以便进行工艺规划和生产管理。

BOM表以零件明细表为基础，以交互的方式输入工艺信息，能自动确定零部件结构编码和工艺分类码。

3、知识融接技术的广泛应用

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UG的知识融接技术为设计者获得和把握工程规则、设计意图提供了一套强有力的工具。知识融接技术可以让用户基于设计准则，进行三维模型的快速检查；基于定制的规则集，检查模具是否完全符合工厂的质量标准，同时把设计意图融于参数化模型中。

4、模具CAD/CAE/CAM一体化技术

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图4所示为模具CAD/CAM/CAE一体化技术流程。由该流程图可以看出，整个CAD/CAM/CAE过程以3D模型为中心，模具设计、有限元模拟分析、模具CNC加工以及模具CMM（三坐标）检测都完全基于这些3D模型的传递，从而避免了二维图纸传递几何信息的不准确性，使最终生产的零件和设计者的意图保持高度一致。

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冲压模具三维设计系统的关键点

1、CAE技术的广泛应用

利用CAE技术确定合理的冲压工艺方案是提高模具企业市场竞争力的关键技术之一。该技术可对拉延件成形进行精确分析以及试冲板料尺寸的确定，同时对产品设计与工艺分析、提高模具特别是拉延模的成功率、缩短模具制造周期、提高模具质量都有显著作用。

2、三维模具程序化结构设计

利用现有软件功能可以实现三维模具结构设计，但设计周期较长。通过编程控制模具结构的设计，不仅要求技术人员具有模具设计知识，而且还必须具有计算机编程知识，关键在于要将模具设计知识融于计算机实现的可用数学模型中。

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依托丰富的拉延模设计经验和设计工程师、制造工程师的建议，我公司完成的典型拉延模结构设计建立了模具结构间的相互关系，如：单动拉延模根据压料圈导向形式分为外导向和内导向，凸模分为整体凸模和分体凸模，凹模分为整体凹模和分体凹模等。这样的排列组合基本能覆盖单动拉延模的大部分结构。

3、基于关系表达式的标准化技术

我们还提出了大型模具端头、大型非标斜楔实行标准化结构的技术方案。标准端头的建立解决了模具部件的重复设计，如模具的导向部分、模具铸件基准、加工基准、模具安装压板槽、起重部件、安全区等，用户仅需更改其主要参数即可完成对模具端头的设计。

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在模具结构设计中，模具结构间普遍采用关系表达式，通过“表达式”的数学方程，“参数化”被传递到整个模具结构模型中，模具结构完全数字化。这些“表达式”由特征使用存储实际值及关系，完全开放的环境使得用户即使退出了该系统，依然可以对模具的尺寸参数进行修改。

4、基于知识的特征造型技术

在模具结构设计的实体造型过程中，往往存在着多达几千个特征体和成百上千个参数需要用户输入。该系统在归纳、总结模具结构特征并进行分类的基础上，以模具设计、制造的知识和经验为依据，将结构特征参数划分为主参数和辅助参数两大类，并可建立主参数和辅助参数之间的约束关系。用户只需调整少量的特征参数，系统就可以做出相应的响应，变更拓扑结构，完成所有结构特征的造型，并产生新的设计结果。

结语

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图5、图6为我公司各种类型的模具三维设计成果。

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图5  日产左右侧围外板开卷落料模

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图6  神龙顶盖拉延模

利用计算机的优势，配合软件工具、标准件库等，使设计效率提高了40%以上，同时，模具设计的准确性、模具质量等都有了很大程度的提高，模具制造周期明显缩短。