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三维实体设计推动模具生产方式变革 |
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作者：北汽福田潍坊模具厂 王存第 |
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当前，模具的三维实体设计已得到模具企业的普遍认可和推崇，其带来的生产方式变革已经为企业带来了显著的经济效益。经过近10年的探索，特别是近5年的应用，我厂逐步通过模具三维实体设计、集成CAM技术的创新发展，在模具铸造泡沫实型制造、模具数控加工应用方面都取得了显著的成果。基于三维实体设计的CAM技术给企业带来了生产方式的变革，为编程的模板化、智能化、自动化，为数控加工的自动化、无图化、无人化，为生产效率的提高和质量控制，为更完善的生产工艺流程管理都搭建了良好的平台。
三维与二维的困扰
回顾过去的10年，我们在三维实体设计上也走过了一些弯路。
我厂从1998年开始尝试用三维实体进行设计，然后由三维实体输出二维图纸的设计方法。由于当时三维实体标准件库、设计模板都没有建立起来，设计效率比较低，同时受当时技术条件、硬件资源以及CAD/CAM 应用水平和认识的约束，设计工程师对最初从二维到三维的认识与比较只是停留在CAD设计本身，如基于特征的设计、设计的参数化、设计干涉检查和修改方便等方面，而后序的制造还是按原来的加工模式，在原生产方式基本不变的情况下，车间的生产还需要依靠图纸。三维实体设计要转变成二维图纸，这本身又增加了CAD人员的工作量。以上这些原因就造成了当时技术人员普遍认为三维实体设计效率低而对生产无实用价值的局面，三维实体设计也就没有坚持下去。
2003年，我厂开始实施PDM、CAPP系统，并准备实施ERP系统。这些管理系统的本质是对数据的收集、分析和管理。数据是系统最基本、最重要的处理对象，因而对数据的高度需求和依赖，是系统的显著特点。而产品的设计数据又是其他信息数据的源头，PDM中没有设计数据的输入，其他都无从谈起。我厂的PDM系统是基于Teamcenter(当时为UG_IMAN)环境下的产品开发和管理系统，零部件被按照装配关系组织起来，用户可以将各产品定义数据与零部件关联起来，最终形成对产品结构的完整描述，BOM可以利用PDM自动生成。系统对零部件的装配关系及属性的描述的需求，使得“三维实体设计”作为有效解决方案被重新提了出来，并得到快速推进。
经过方法研究、试验论证、总结改进、标准规范及推广应用等阶段，到2004年上半年，模具三维实体设计已成为我厂的成熟技术。我们的模具设计全部采用三维实体设计，同时形成了三维实体设计规范、种子部件、作业模板及标准件库等，大大提高了设计效率和质量。
模具的三维实体设计保证并推动了我厂PDM、CAPP、ERP等系统的顺利实施。但在三维实体设计开展的第一年里，设计的三维实体除了满足这些管理系统的需求外，其三维实体的资源并没有得到充分利用，比如为了满足生产制造的需要，仍要出二维图纸，这使三维设计作用和价值大打折扣，与花费的时间、精力极不相称，三维设计的优势反而成了负担。
三维实体设计取得实效
从2004年下半年至今，我厂不断深入学习和研究基于三维实体设计的CAD/CAM一体化技术，取得了一些显著的成果，例如从铸造泡沫实型（FMC）的整体数控加工到构造面的一次数控加工，都是直接对三维实体进行操作，再利用实体表达的数据和属性进行编程，彻底改变了原有的生产制造模式。
1. 模具铸造泡沫实型（FMC）的整体数控加工
在没有开展三维实体设计以前，我们的模具铸造泡沫实型的生产流程如图1所示。整个制作流程中，其主体环节是实型工通过二维图纸完成铸造泡沫实型的制作，这就对实型制作人员提出了较高的要求，而且人为失误几率增加，生产效率很低，通常1套模具的FMC制作周期是2人4天，FMC制作已成为我厂模具开发的瓶颈环节。
图1 原二维设计下的FMC生产流程
2004年下半年，我们开始探讨和应用FMC的整体数控加工技术，充分利用设计完成的实体资源，对FMC进行整体数控加工，对实体进行膨胀、加工面贴余量，实体模型剖切分层、正反两面翻转编程加工，通过一块整体泡沫实现对FMC的整体数控加工，然后人工进行简单的粘贴和修整后就完成了FMC的制作。改进后的FMC制作流程见图2。
图2 三维实体设计下的FMC整体数控加工生产流程
以图3所示的某修冲模下模座的铸造泡沫制作为例，CAM将其剖分为4层，分别进行反转两面数控编程和加工，数控加工完后由实型工对各层泡沫进行粘贴，就基本完成了下模座的泡沫制作，剩下的倒角、修整等手工工作量就很少了，整套模具的实型制作1人１天就可完成。图4和图5分别为FMC数控加工现场及各层加工后粘贴的成品。
图3 三维实体剖切分层实现FMC整体数控加工
图4 FMC在数控加工中
图5 FMC各层粘贴后
对比二维设计下的流程，三维流程的主体已从实型工手工完成铸造泡沫实型的制作转为FMC的整体数控加工，泡沫实型生产的效率大大提高，在不增加人员的情况下，FMC生产由原来的４天一套变为１天一套。实型的数控化生产直接得利于实体设计，同时还提高了铸件的精度，为后序精加工带来了极大的优势。
2. 模具构造面的一次数控加工程序化、自动化
对于汽车冲压模具的数控加工，根据其制造特点和工艺要求，通常上、下模的数控加工分两次进行。第一次数控加工是对模具型面以外的结构构造面的数控加工，如模座的底面、安全平面、镶块安装面、镶块靠山面、螺钉孔、弹簧窝孔、导向面及各功能凸台面等的数控加工，在我厂称为“一次数控加工”。一次数控加工后，装配钳工在各镶块与模座安装后对模具的型面和轮廓进行数控加工，是面向曲面、面向局部的加工处理方式。在2006年以前，对模具加工的数控编程，我们基本都是针对模具型面和轮廓的数控加工，而一次数控加工是靠数控操作者根据二维图纸表达的信息进行加工。
数控编程和加工的智能化、自动化代表着世界模具制造的先进水平，是我国模具制造的发展方向。进入21世纪，我们就开始探讨模具的数字化、自动化制造，但在二维设计的CAD环境下，单靠CAM技术实现面对实物模型的编程控制加工，编程成本大、效率低，更与CAM的智能化、自动化发展背道而驰，其结果也就可想而知。
模具的三维实体设计的成功实施，尤其是在FMC程序化整体数控加工技术取得成功之后，为我们在早些时候就开始探索追求的模具制造的自动化、无图化的生产方式带来了新的启示，三维实体设计为模具的构造面编程数控加工带来了可能。
2006年，我们着手开展基于实体的构造面一次数控加工编程。经过不到2年的努力，我们在模具机械加工方面就取得了非常大的突破，对模具结构面的加工实现了用NC程序完全替代操作者看图纸加工。图6所示为利用三维实体模型编制NC程序，结构面一次加工用程序替代图纸自动加工。
图6 利用三维实体模型进行编程数控加工
当编程人员可以直接利用CAD实体模型进行操作的模具结构面数控加工编程时， CAD/CAM一体化的真正意义才得到了体现，三维实体设计也不再仅仅局限于设计本身。CAD模型除了向下传达功能特征、几何信息本身之外，还要向下序CAM传达编程加工信息，如加工工艺、加工精度要求等，这就要求CAD实体要按规范标准的约定附加满足编程和加工需求的其它信息。在实际过程中，我们充分利用CAD实体颜色标识，不但对实体上的毛坯非加工面和加工面的颜色进行了区分，而且根据加工面精度、毛坯材料、几何特征类型和制作要求，规定了实体上各部分不同的颜色标准（见图7），为数控编程和数控加工提供了必要的加工信息。
图7 三维实体设计下的颜色标准示例
构造面的程序化数控加工和铸造泡沫实型的整体数控加工一样，数控操作人员省去了“看图纸”这一环节，都是按照程序单的要求依靠NC程序进行加工，因此，除了NC加工程序本身，程序单（见图8）就显得非常重要，它以图表、文字说明等方式，把零件的装卡找正、对刀、加工内容、工序步骤、刀具及工艺说明等加工信息都进行了描述。通过NC加工程序和程序单提供加工数据和加工工艺信息，可实现“无图纸”、“无工艺（单）”加工。
图8 NC加工程序单
总之，铸造泡沫实型的整体数控加工和构造面加工的程序化，都充分发挥了三维实体设计的优势，使设计的实体资源在加工制造环节也得到充分利用，可以大大提高机加工效率和质量，减少现场的人为操作失误，提高加工的自动化程度。
结束语
通过三维实体设计，我厂在模具的开发中真正实现了在模具结构上的CAD/CAM一体化，使CAM走向“快捷、智能、自动化”，使数控机床实现了“无职守加工”，使模具生产制造向“无图化、自动化”方式转变。也只有这样，实体设计才真正地体现出了它的价值。
正所谓“水到渠成”，就在我们跟世界先进模具制造水平比差距，探讨学习世界先进模具制造公司先进的CAD/CAM技术、先进的制造模式、生产流程管理手段的方法和路径时，通过三维实体设计、CAD/CAM技术集成给模具制造技术带来的飞跃，我们豁然感到其带来的变革趋势正是我们所追求的发展方向。三维实体设计使CAM技术从侧重以曲面为目标的操作将向以整体模型(实体)、面向工艺特征的操作转变，为真正实现CAD/CAPP/CAM的集成化、一体化、自动化及智能化带来了光明的前景。(end)
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(7/25/2008) |
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