模具CAD/CAM/CAE的现状与发展趋势

    模具工业是国民经济的基础工业，被称为“工业之母”。模具是一种高附加值和技术密集型产品，其生产技术水平的高低，己成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志。随着工业的发展，特别是CAD/CAM/CAE技术的飞速发展，极大地推动了模具的发展。目前，CAD/CAM/CAE技术以计算机及周边设备和系统软件为基础，它包括二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析(FEA)及优化设计、数控加工编程(NCP)、仿真模拟及产品数据管理(PDM)等内容。其特点是将人的创造能力和计算机的高速运算能力、巨大存储能力有机地结合起来。CAD/CAM/CAE技术成为设计人员的得力助手。CAD/CAM/CAE技术随着Internet网络和并行高性能计算机的普及，使协同、虚拟设计及实时仿真技术在CAD/CAM/CAE中得到广泛应用。墓于CAD/CAM/CAE的重要性，有必要对其现状加以综述，并对其发展趋势加以展望。

    1 模具CAD/CAM/CAE的发展概况

    模具CAD/CAM/CAE是CAD/CAM/CAE技术的一个重要分支和组成部分。模具CAD/CAM技术发展很快，应用范围日益广泛。在冲压模、锻造模、挤压模、注塑模和压铸模等方面都有比较成功的CAD/CAM/CAE系统，并且涌现了大量的文献资料。采用CAD/CAM/CAE技术是模具生产革命化的措施，也是模具技术发展的一个显著特点。

    1.1 模具国外CAD/CAM/CAE技术的发展

    国外模具CAD/CAM技术的研究始于上世纪60年代末，当时美国、日本、德国、加拿大等发达国家开始对冲模CAD进行研究。进入70年代，出现了面向中小企业的CAD/CAM的商品软件，如日本机械工程实验室成功研制的冲裁级进模CAD系统，美国DIECDMP公司成功地研制出计算机辅助设计级进模的PDDC系统。但仅限于二维图形的简单冲裁级进模，其主要功能如条料排样、凹模布置、工艺计算和NC编程等。80年代，弯曲级进模CAD/CAM系统开始出现，美国、日本等工业发达国家的模具生产绝大多数采用了CAD/ CAM技术。为了能够适应复杂模具的设计，富士通系统采用了自动设计和交互设计相结合的方法，在该系统中除毛坯展开、弯曲回弹计算和工步排序为自动处理外，其余均需要设计人员的参与。这些系统均具备实体造型和曲面造型的强大功能，能够设计制造汽车零部件的模具。进入90年代后，国外CAD/CAM技术向着更高的阶梯迈进。在80年代的基础上，从软件结构，产品数据管理，面向目标的开发技术，产品建模和智能设计，质量检测等方面都有所突破，为实现并行工程提供了更完善的环境。印度学者YK.D.V.Prassad,S.Som Sundoram等开发了普通冲裁模CAD/CAM系统(CADDS)，美国Striker-System:公司开发了冷冲模设计软件系统SS-Die Professional等。另外UG. PROE.CAXA等软件的成功开发，使得模具CAD/ CAM的功能更加完善，应用也更加广泛。

    模具CAE技术经过短暂的时间，己用在压铸模、注塑模、锻模、挤压模、冲压模等模具的优化，并在实际中指导生产。压铸模CAE目前主要以压铸件充型的流场数值模拟、压铸模/压铸件温度场模拟、压铸模/压铸件应力场数值模拟为主。注塑模CAE主要包括模具结构分析、运动分析、装配及干涉检查、成型过程分析等。挤压模CAE主要对生产过程中模具的变形过程应力场和温度场分布及变化、摩擦与润滑等问题进行了大量的分析和实验，实现模具的优化设计。塑料注射成型CAE商品化软件中应用最广泛的当数美国moldflow公司的模拟软件MF，该软件主要包括流动模拟(MF/FLOW)、冷却分析(MF/COOL),翘曲分析(MF/ WARP)、气辅分析(MF/ GAS)和应力分析(MN STRESS)等。该公司于1998年推出准三维的双面流软件《PartAdviser), 2002年推出真三维的实体流软件模块，目前该公司在世界上拥有较大的客户群。

    1.2 国内模具CAD/CAM/CAE技术的发展

    我国的计算机技术起步较晚，模具CAD/CAM的开发始于20世纪70年代末，但发展也相当迅速。到目前为止，通过国家有关部门鉴定的有精冲模、普通冲裁模、辊锻模、锤模和注塑模等CAD/CAM系统，它们在生产中发挥着重要的示范作用并产生巨大的经济效益。80年代中、后期，我国的冲模CAD研制工作进入了全面发展阶段，不少企业、科研院所大专院校都开发了面向中国制造的CAD软件，强调软件产品的专业化和本地化。如天津大学的TD系统和一汽、二汽企业用的模具CAD/CAM系统。从上世纪90年代开始，华中科技大学、西安交通大学和北京机电研究院等相继开展了级进模CAD/CAM系统的研究和开发。如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HMIC,包括饭金零件特征造型、基于特征的冲压工艺设计、模具结构设计、标准件及典型结构建库工具和线切割自动编程5个模块。西安交通大学开发出多工位弯曲级进模CAD系统等。近年来，国内一些软件公司也竞相加入了模具CAD/CAM系统的开发行列，如深圳雅明软件制作室开发的级进模系统CMCAD、富士康公司开发的用于单冲模与复合模的CAD系统Fox-CAD、北航研发的CAXA等。
   
    最近几年国内CAE技术有了很大的进展，如湖南大学以先进冲压CAE技术为突破口，开发出一套包括冲压工艺设计和汽车覆盖件模具设计与制造的系列化软件。冲压仿真CAE系统LADEM-Ⅱ采用了先进的理论和算法，在保证冲压件变形计算精度的前提下显著地提高了分析速度。冲压工艺分析与设计系统LADEM-II采用壳体失稳理论预测覆盖件成形中的起皱趋势，同时采用基于仿真的毛坯反算技术，实现了复杂零件的毛坏形状和尺寸迭代反求。

    2 模具CAD/CAM/CAE技术发展的趋势

    随着现代化技术的迅速发展，模具在国民经济发展过程中将处于越来越重要的地位。针对模具CAD/CAM/CAE存在的问题，总结其发展趋势主要有以下几个方面: