CAD技术在材料加工中的应用

材料加工ＣＡＤ技术是传统材料加工技术与计算机技术、控制技术、信息处理技术等相结合的产物,是材料加工和技术进步的标志。材料加工ＣＡＤ又可分为铸造成形ＣＡＤ、塑性成形ＣＡＤ、焊接成形ＣＡＤ、注射成型ＣＡＤ以及模具ＣＡＤ等几个方面。

    造成形ＣＡＤ

    包括铸造工艺ＣＡＤ以及铸造工装(模具/模板)ＣＡＤ。前者的主要功能有铸造浇注系统设计,冒口补缩系统设计,冷铁的设计,砂芯的设计,铸造分型面的确定,加工余量的确定,起模斜度的确定,开放浇注系统库、冒口库、冷铁库、芯头库的建立,工艺图的标注与打印等,可以实现铸造工艺的快速准确设计。另外,基于有限分析的优化技术在ＣＡＤ系统配套使用,例如充型过程模拟、凝固过程模拟、应力应变分析、微观组织模拟等,为制定合理的铸造工艺起到了有力的指导作用。

    铸件成型流动与凝固过程数值模拟在短短十余年的发展过程中,由二维到三维,由简单到复杂,由工作站到微机,由实用化到商品化,为铸造生产提供越来越重要的指导作用。华中科技大学推出的商品化三维模拟软件华铸ＣＡＤ。这些铸造模ＣＡＤ软件在铸造生产中取得了显著的效益。已覆盖了铸钢、球墨铸铁、灰铸铁、铸铝和铸铜等各类铸件,大到一二百吨,小到几千克,无论是解决缩孔和缩松,还是优化浇冒口结构,提高生产效率,改进浮渣等方面,都发挥了明显的作用。

    塑性成形ＣＡＤ

    包括冷冲模、冲裁模、弯曲模、拉伸模以及锻造模设计ＣＡＤ。随着工业技术的发展,产品对模具的需求愈来愈多。传统的模具设计与制造方法不能适应工业产品及时更新换代和提高质量的要求。因此,国外先进工业国家对模具ＣＡＤ/ＣＡＭ技术的开发非常重视。早在20世纪60代的初期,国外一些飞机和汽车制造公司就开始了ＣＡＤ/ＣＡＭ的研究工作,投入了大量人力和物力。各大公司都先后建立了自己的ＣＡＤ/ＣＡＭ系统,并将其应用于模具的设计与制造。目前,应用ＣＡＤ/ＣＡＭ技术较普遍的为美、日、德等国。日本丰田汽车公司于1965年将数控用于模具加工。20世纪80年代初期开始用覆盖件冲模ＣＡＤ/ＣＡＭ系统。该系统包活设计覆盖件的ＮＴＤＦＢ和ＣＡＤＥＴ软件和加工凸、凹模的ＴＩＮＣＡ软件。利用坐标测量仪测量粘土模型,并将数据送入计算机。将所得图形经平滑处理后,再把这些数据用于覆盖件设计、冲模的设计与制造。该系统有较强的三维图形功能,可在屏幕上反复修改曲面形状,使工件在冲压成形时不致产生工艺缺陷,从而保证了模具和工件的质量。模具型面的模型保存在数据库中,ＴＩＮＣＡ软件可利用这些数据,进行模具型面的数控加工。美国的Ｄｉｅｃｏｍｐ公司开发的计算机辅助级进模设计系统ＰＤＤＣ,可以完成冷冲模设计的全过程,包括从输入产品和技术条件开始设计出最佳样图,确定操作顺序、步距、空位、总工位数,绘制带料排样图,输入模具装配图和零件图等,比传统设计提高功效8倍以上。在优化设计方面,利用有限元技术的应力应变分析在塑性成形ＣＡＤ中已获得较为普遍应用。

    我国模具ＣＡＤ/ＣＡＭ的研究与开发始于20世纪270年代末,发展也很迅速。到目前为止,先后通过国家有关部门鉴定的有精冲模、普遍冲裁模、级进模、汽车覆盖楼、辊锻模、锤锻模和注塑模等ＣＡＤ/ＣＡＭ系统。但直到现在有些系统仍处于试用阶段,尚未在生产中推广应用。为迅速改变我国模具生产的落后面貌,今后应继续加速模具ＣＡＤ/ＣＡＭ的研究开发和推广应用工作。

    焊接成形ＣＡＤ

    目前,在焊接结构生产的各个环节中计算得到广泛应用。20世纪90年代初,国际焊接学会将这类应用概括为“计算机辅助焊接技术”(ＣＡＷ)。现在ＣＡＷ已不限于焊接结构和接头的计算机辅助设计、焊接工装计算机辅助设计、焊接工艺计算机辅助计划、焊接工艺过程计算机辅助管理等以计算机软件为主的许多方面,而且还涵盖了焊接过程模拟、焊接工艺过程控制、传感器以及生产过程自动化等与计算机应用有关的方面。

    20世纪80年代提出了计算机集成制造系统的概念。可以认为,ＣＩＭＳ是从订货到加工、直至发货的全部过程的各个步骤都可以从计算机中及时得必需的信息集成系统。焊接ＣＩＭ ＳＡ系统,自20世纪90年代以来在造船、桥梁、建筑、汽车等行业得到了一些应用。以船舶生产为例,设计人员首先要根据设计标准和用户要求进行初步设计,然后在对结构强度、刚度分析的基础上,还要考虑制造能力,再进行分段的详细设计。这些工作可运用ＣＡＤ、ＣＡＥ等软件来实现。焊接生产的计划管理与装配焊接过程设计,则通过计算机的ＣＡＰＭ和ＣＡＰＰ系统来实现。

    注射成型ＣＡＤ

    包括产品图、模具型腔图的尺寸转换、标准模架与典型结构的生成、模具零件图和培育图的生成、模具刚度与强度校核、设计进程管理、模具成本分析与计算等。注射模工艺分析已是成熟的商品化软件,可以预测注射成型流动和保压阶段的压力场、温度场、应力应变场和疑固层的生成,从而有效地指导实际生产。

    在西方先进工业国家,注射模ＣＡＤ/ＣＡＥ/ＣＡＭ技术的应用已非常普遍。公司之间模具订货所需的塑料制品资料已广泛使用电子文档,能否具有接受电子文档的模具ＣＡＤ/ＣＡＭ系统已成为模具企业生存的必要条件。当前代表国际先进水平的注射模ＣＡＤ/ＣＡＥ/ＣＡＭ的工程应用具体表现在如下方面:

    基于网络的模具ＣＡＤ/ＣＡＥ/ＣＡＭ集成化系统开始使用。英国Ｄｅｌｃａｍ公司在原软件ＤＵＣＴ5的基础上,为适应最新软件发展及实际需求,向模具行业推出了可用于注射模ＣＡＤ/ＣＡＭ的集成化系统。该系统覆盖了几何建模、注射模结构设计、快速原型、数控编程及测量分析等领域。系统的每一个功能既可独立运行,又可通过数据接口做集成分析。

    微机软件在模具行业中发挥着越来越重要的作用。20世纪在90年代初,能用于注射制品几何造型和数控加工的模具ＣＡＤ/ＣＡＭ系统主要是在工作站上采用ＵＮＩＸ操作系统开发和应用,如在模具行业中应用较广的美国Ｐｒｏ/Ｅ、ＵＧＩＩ、ＣＡＤＤＳ5,法国ＣＡＴＩ-Ａ、ＥＵ ＣＬＩＤ和英国的ＤＵＣＴ5等。随着微机技术的飞速进步,在90年代后期,基于Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统的新一代微机软件,如Ｓｏｌｉｄ-Ｗｏｒｋｓ、ＳｏｌｉｄＥｄｇｅ、ＭＤＴ等崭露头角。这些软件不仅在采用ＮＵＲＳＢ曲面三维参数化特征造型等先进技术方面继承了工作站级ＣＡＤ/ＣＡＭ软件的优点,并且在Ｗｉｎｄｏｗ风格、动态导航、特征树、面向对象等方面具有工作站级软件所不能比拟的优点,深得使用者的好评。

    模具ＣＡＤ/ＣＡＥ/ＣＡＭ系统的智能化程度正逐步提高。当前,面向制造、知识的智能化功能现已成为衡量模具软件先进性和实用性的重要标志之一。许多软件都在智能化方面做了大量的工作。如以色列Ｃｉｍａｔｒｏｎ公司的注射模专家系统,能根据脱模方向优化成分模面,其设计过程实现了加工参数的优化等,这些具有智能化的功能可显著提高注射模的生产率和质量。

    三维设计与三维分析的应用和结合是当前注射模技术发展的必然趋势。在注射模结构设计中,传统的方法是采用二维设计,即先将三维的制品几何模型投影为若干二维视图后,再按二视图进行模具结构设计。这种沿袭手工设计的方式已不能适应现代化生产的集成化技术的要求,在国外已有越来越多的公司采用基于实体模型的三维模具结构设计。与此相适应在注射过程模拟软件方面,也开始由基于中性层面的二维分析方式向基于实体模型的三维分析方式过渡,使三维设计与三维分析的集成得以实现。