沖壓工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造技術(shù)是汽車模具生產(chǎn)技術(shù)的集中體現(xiàn),這些技術(shù)的進(jìn)步主要取決于CAD/CAM/CAE技術(shù)的提高。在汽車模具制造行業(yè),計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)正越來越顯示出其核心技術(shù)的作用。
當(dāng)前,國內(nèi)的汽車模具產(chǎn)業(yè)面臨著前所未有的巨大生機(jī)和超速發(fā)展。這種發(fā)展突出表現(xiàn)在以下幾個方面:首先是多元化的巨額投資。日資、臺資、歐美資等汽車模具企業(yè)大量涌現(xiàn);民營、上市、國營改制汽車模具企業(yè)正在加緊擴(kuò)建和追加投資,而且每一個企業(yè)的投資額都高達(dá)幾千萬到幾個億;其次是汽車模具制造的關(guān)鍵加工設(shè)備——大型龍門數(shù)控加工中心成幾何級數(shù)增長,一個企業(yè)擁有10臺、20臺或30臺這樣的設(shè)備已不足為怪;再次是高素質(zhì)人才迅速向模具行業(yè)匯集;最后是汽車模具市場繁榮,許多模具企業(yè)都出現(xiàn)供不應(yīng)求的大好局面。 投資、設(shè)備、人才和市場幾個因素最終要依靠生產(chǎn)技術(shù)才能轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)力。面對當(dāng)前的新形勢,技術(shù)特別是關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展,對汽車模具行業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。
CAE技術(shù) 汽車模具設(shè)計制造的核心技術(shù)是沖壓工藝技術(shù)。沖壓工藝技術(shù)包括工序設(shè)計、成型型面設(shè)計、修沖刃口設(shè)計等等所有涉及產(chǎn)品成型部分的技術(shù)。因此,沖壓技術(shù)水平?jīng)Q定了模具的設(shè)計制造水平。 目前國內(nèi)模具制造水平同國際先進(jìn)水平的最大差距就體現(xiàn)在沖壓工藝水平的差距上。以往我們的沖壓工藝技術(shù)主要靠人的經(jīng)驗(yàn),隨著國內(nèi)高品質(zhì)的車身生產(chǎn)周期變短,靠過去的經(jīng)驗(yàn)來完成沖壓工藝已不可能。 一、CAE軟件的成熟與應(yīng)用 以有限元模擬分析軟件為代表的CAE技術(shù)在國際上的應(yīng)用已有近30年的歷史。近10年來,塑性變形理論在板料成型技術(shù)中的應(yīng)用取得了很大的進(jìn)步,使CAE技術(shù)在汽車模具制造中的應(yīng)用變得非常成熟,將CAE應(yīng)用于沖壓工藝設(shè)計,可使試模時間減少50%以上。目前,CAE技術(shù)已成為國外大型汽車和模具企業(yè)必不可少的工具。CAE的廣泛應(yīng)用,應(yīng)歸功于 CAE商業(yè)軟件的大力發(fā)展,其中代表性的軟件有: ● 美國Lawrence Livemore國家材料實(shí)驗(yàn)室的LS-DYNA3D軟件; ● 法國ESI公司的PAM-STAMP軟件; ● 法國DYNAMIC SOFTWARE公司的OPTRIS軟件; ● 美國ETA公司的Dynaform軟件; ● 瑞士Autoform公司的Autoform軟件。 這些軟件各有所長,對板料成型分析都非常專業(yè)和實(shí)用。目前,國內(nèi)一流的汽車模具公司都應(yīng)用了CAE軟件,并以 Autoform軟件的應(yīng)用居多。天津汽車模具有限公司通過2年的努力,CAE應(yīng)用率已經(jīng)達(dá)到了100%,明顯地縮短了模具調(diào)試周期。 如果說,前幾年模具制造的尖端技術(shù)是CAD,那么現(xiàn)在就是CAE。可以預(yù)測,今后幾年CAE技術(shù)在國內(nèi)汽車模具廠中的應(yīng)用,就象今天的CAD技術(shù)一樣普及。 二、輔助沖壓工藝設(shè)計 傳統(tǒng)CAE軟件只能做成型性分析,且需要專業(yè)人員做大量的前處理,如果對分析結(jié)果不滿意,還需從頭再來。由于傳統(tǒng)的CAE軟件只是一種驗(yàn)證的手段,主要用于方案的比較,不能用于工藝的輔助,從而造成CAE技術(shù)長期游離于生產(chǎn)過程以外。如今CAE軟件已發(fā)展成不僅能做單純的成型分析,且能參與沖壓工藝的全過程。我們稱之為計算機(jī)輔助沖壓工藝。 在工藝設(shè)計方面,CAE具備了沖壓方向的自動或輔助確定、快速生成拉延面、坯料尺寸的確定、修邊線的展開等非常實(shí)用的功能,并且精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于憑人的經(jīng)驗(yàn)或其他CAD方法所得到的結(jié)果。在分析方面,針對沖壓成型,使得確定沖裁角度、棱線偏移、拉延沖擊滑痕、面成型品質(zhì)、壓邊力、成型力等各種分析得到完善,分析內(nèi)容的廣泛性和實(shí)用性都早已超出了原來的CAE內(nèi)容。 目前,CAE軟件已成為模具設(shè)計流程中必不可少的一部分。它高度面向最終用戶,操作者既不需要很深的CAE知識,也不需要過多的實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)就可方便地使用它。 在發(fā)達(dá)國家,CAE軟件分析結(jié)果的模擬符合性大于95%,即使是最初應(yīng)用,也可達(dá)到60~80%的準(zhǔn)確率。特別是在方案對比、成型裕度分析、不可展翻邊展開等方面,CAE的結(jié)果非常精確。 當(dāng)前,CAE技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)是回彈分析和工藝參數(shù)的自動優(yōu)化,如果解決了這兩個難題,將再次帶來革命性的進(jìn)步。
實(shí)體設(shè)計應(yīng)用 當(dāng)前國內(nèi)汽車模具企業(yè)已將二維CAD廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計中,部分企業(yè)將三維實(shí)體設(shè)計應(yīng)用于部分模具的設(shè)計中,只有極少數(shù)企業(yè)能夠做到100%的實(shí)體設(shè)計。應(yīng)該說實(shí)體設(shè)計取代二維CAD是發(fā)展的必然趨勢。 實(shí)體設(shè)計最大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計過程非常直觀,能對結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)真實(shí)的描述,確保設(shè)計的合理性,在模具靜態(tài)和動態(tài)干涉檢查、模具強(qiáng)度分析等方面具有明顯的優(yōu)勢。特別是在當(dāng)前經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計人員大量短缺的情況下,新從事模具設(shè)計的人員從實(shí)體設(shè)計入門,可經(jīng)過短期培訓(xùn),3、 4個月以后就可以在別人的指點(diǎn)下較好地完成模具實(shí)體設(shè)計。過去一個生手達(dá)到同樣水平,至少要1~2年的時間。 一、實(shí)體設(shè)計對生產(chǎn)全流程的影響 實(shí)體設(shè)計不但使設(shè)計方法發(fā)生了改變,而且使生產(chǎn)全流程也發(fā)生巨大變化。 1、無圖化生產(chǎn) 實(shí)體設(shè)計使企業(yè)走向無圖化生產(chǎn)。企業(yè)完全拋棄2D圖紙,可以節(jié)省2D圖出圖時間,由此可減少大約25~40%的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時間。從這個意義上講,實(shí)體設(shè)計優(yōu)于2D設(shè)計。無圖化生產(chǎn)是建立在生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化的基礎(chǔ)之上的,實(shí)體設(shè)計和數(shù)字化制造是互為必要條件但并不是互為充分條件。實(shí)體設(shè)計可以催生無圖化生產(chǎn),無圖化生產(chǎn)反過來才能充分體現(xiàn)實(shí)體設(shè)計的優(yōu)勢。無圖化生產(chǎn)能全面提高汽車模具的制造水平和生產(chǎn)效率,是今后一段時間通過CAD/CAM兩種技術(shù)互動,取得技術(shù)新突破的關(guān)鍵。 2、實(shí)型數(shù)控加工 實(shí)體設(shè)計可直接支持泡沫型的數(shù)控加工,取消傳統(tǒng)泡沫實(shí)型的手工制作,能大大縮短制造周期和提高制造精度。 3、全數(shù)控化加工 實(shí)體設(shè)計直接支持模具構(gòu)造面的NC 程序化加工。盡管大多數(shù)企業(yè)采用數(shù)控機(jī)床加工模具構(gòu)造面,但仍然沒有脫離人工識圖和手動操作,現(xiàn)場識圖所浪費(fèi)的時間以及人工操作的不連續(xù)性等,致使加工效率大大下降、人為失誤大大增加。一般由人工操作加工模具構(gòu)造面時,出粉率很難超過40%,而采用NC程序化加工模具的構(gòu)造面,可以將機(jī)床的出粉率提高20%~50%(出粉率=機(jī)床實(shí)際切削加工時間/機(jī)床總工時)。可見,提高出粉率的潛力是非常大的。 總之,把實(shí)體設(shè)計的結(jié)果直接向后續(xù)工序傳遞,能使各個工序的效率都得到提高。反之,如果實(shí)體設(shè)計僅面向設(shè)計,最終還是以出2D圖為設(shè)計目的,實(shí)體設(shè)計的優(yōu)勢就將大打折扣。 二、提高實(shí)體設(shè)計效率 實(shí)體設(shè)計存在的最大問題是,在最初應(yīng)用時設(shè)計效率不高。要解決這個問題,可采取以下措施: 1、強(qiáng)化人員培訓(xùn)。人員培訓(xùn)的內(nèi)容包括軟件應(yīng)用、設(shè)計流程和方法等方面的培訓(xùn)。 2、搞好基礎(chǔ)開發(fā)。實(shí)體設(shè)計需要積累,需要開發(fā)一系列的實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)件和實(shí)體樣板模具,以便能自動生成局部構(gòu)造的小工具等。 3、改變觀念。實(shí)體設(shè)計不單純是設(shè)計方式的變化,更重要的是它實(shí)現(xiàn)了后序加工和制造的數(shù)字化,也就是無圖化生產(chǎn)。即使實(shí)體設(shè)計為設(shè)計本身帶來了麻煩,但卻使制造更加容易。我們應(yīng)以提高效率為出發(fā)點(diǎn),將實(shí)體設(shè)計看作是非常必要和必須堅(jiān)持的事情。
模具加工技術(shù)的發(fā)展 模具加工技術(shù)的發(fā)展就是數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展。數(shù)控加工由單純型面加工發(fā)展到全面數(shù)控加工;由模具加工發(fā)展到實(shí)型數(shù)控加工;由低速加工發(fā)展到高速高精度加工;由以人工操作按圖加工發(fā)展到無圖、少人或無人化加工。當(dāng)前重點(diǎn)發(fā)展的加工技術(shù)主要包括: ● 實(shí)型數(shù)控加工; ● 高速高精度加工; ● 鑲塊鑄件化與高效加工; ● 全數(shù)控化加工; ● 少人無人化加工; ● 鉗工制造的只裝不配少修。 實(shí)型數(shù)控加工和全數(shù)控化加工技術(shù)已在前文中論述過,這里就其他技術(shù)進(jìn)行簡述。 一、高速高精度加工 目前高速高精度加工已被國際先進(jìn)企業(yè)普遍采用,國內(nèi)也正在逐步普及并走向成熟。高速加工的目的,不單純是為了提高加工效率,更重要的是通過高速實(shí)現(xiàn)小步距、低殘留的高精度加工。 1、高速加工的現(xiàn)狀 目前大家普遍認(rèn)為:機(jī)床轉(zhuǎn)速達(dá)6000r/min為準(zhǔn)高速加工,達(dá)8000~10000r/min以上為高速加工。實(shí)際上,只有選用高剛度的卡頭和刀體、高精度高耐磨的刀具,并保持轉(zhuǎn)速與走刀速度相適應(yīng),才可能實(shí)現(xiàn)真正的高速加工。汽車模具型面的加工屬于高度復(fù)雜的自由曲面加工,能不能實(shí)現(xiàn)高速加工,更重要的是取決于數(shù)控機(jī)床曲面加工的動態(tài)精度,而不是取決于一般機(jī)床產(chǎn)品樣本中所說的靜態(tài)精度。但遺憾的是,機(jī)床復(fù)雜曲面加工的動態(tài)精度還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可供參考。一臺適用于汽車模具的高速數(shù)控銑,必須同時具備高剛度、高精度、高轉(zhuǎn)速、優(yōu)良的動態(tài)性能、高速下的連續(xù)工作時間等綜合性能。而這些性能則取決于機(jī)床的結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的性能、所選用的特殊軟件程序、床身是鑄件還是焊接鋼板?主軸是滑枕還是圓套桶?是線形導(dǎo)軌還是滑動導(dǎo)軌?主軸是否有冷卻?半閉環(huán)還是全閉環(huán)控制?是否采用光柵尺等因素。如果只憑廠家介紹的機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速高或是平面直線進(jìn)給速度高,是不可能實(shí)現(xiàn)模具型面高速加工的。 目前,歐美的部分汽車模具企業(yè)采用了真正的轉(zhuǎn)速高于15000r/min和實(shí)際進(jìn)給速度達(dá)到10m/min的高速加工,而日本企業(yè)基本上還是停留在準(zhǔn)高速加工階段,不管轉(zhuǎn)速如何,實(shí)際曲面加工進(jìn)給速度很難突破6m/min。從實(shí)際使用情況來看,如果達(dá)到了真正的高速,刀具的費(fèi)用、機(jī)床的價格和機(jī)床的維護(hù)費(fèi)用等都是目前我們國內(nèi)模具成本難以接受的。像30000r/min、60m/min這樣的高速加工中心,都屬于中小型機(jī)床,只適用于注塑模的型腔加工。 2、高速高精度加工編程 曲面的實(shí)際加工速度和精度的高低,除了由機(jī)床的性能決定以外,在一定條件下,更取決于加工工藝和數(shù)控編程技術(shù)。我們應(yīng)重視并研究數(shù)控編程技術(shù)對加工精度和效率的影響。例如:刀具即時進(jìn)給速度和刀具軌跡的曲率半徑直接相關(guān),當(dāng)曲面變化非常大時,不管設(shè)定的F值多大,實(shí)際平均走刀速度都會非常低。而且如果F值設(shè)置過大,會出現(xiàn)過切和抹角現(xiàn)象,嚴(yán)重降低型面精度。 傳統(tǒng)的仿型加工為了保證楞線清晰,一般采用垂直楞線加工。用這種方法,編程簡單但實(shí)際加工速度變化極大,嚴(yán)重影響了加工效率。現(xiàn)在大部分編程方法是對整個型面作45°加工,優(yōu)點(diǎn)是編程簡單,可以保證大部分楞線清晰,但加工效率仍然不高。 高速高精度加工編程的方法和應(yīng)注意的問題很多,簡單列舉如下: ● 根據(jù)曲面幾何特點(diǎn)來分塊編程和加工; ● 加工方向選用順楞線,大曲率方向走刀,減少拐彎引起的減速; ● 加工線速度與進(jìn)給速度相配合,盡量保持實(shí)際切削量不變; ● 大斜率曲面加工,行間距在曲面切線方向上保持等距; ● 根據(jù)曲面的部位改變行間距,如:凸圓角行距加密、凹圓角清虧等; ● 合理安排加工分塊的順序,避免因刀具磨損造成的型面斷差。 總之,高速高精度加工的NC編程比普通加工麻煩得多,只有投入大量的編程工時和編程人員才有可能完成編程工作,但這種投入會因?yàn)榧庸ば屎途鹊奶岣叨玫匠杀兜幕貓蟆?BR> 3、高精度加工的目標(biāo) 高精度加工的目標(biāo)就是最大程度地減少鉗修。比如:上下模刃口間隙直接加工到位;沖孔凸凹模直接安裝無需調(diào)試;拉延模曲面很高的光順性、無接刀痕跡;凸楞的較高光潔度和凹角無干涉等等。 4、粗加工高速化 傳統(tǒng)的粗加工一般通過深切削、低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給而一次加工完成。隨著機(jī)床加工速度的提高,機(jī)床的加工性能已經(jīng)發(fā)生了改變。數(shù)控機(jī)床在低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給條件下的加工扭力很大,而總的功率卻很低,機(jī)床效率發(fā)揮不出來。為提高加工效率,現(xiàn)在粗加工的發(fā)展趨勢是中轉(zhuǎn)速、中吃深、高進(jìn)給、多層加工完成。雖然加工的層數(shù)增加了,但由于機(jī)床功率實(shí)現(xiàn)了最大化,一般可使加工效率提高30%以上。粗加工高速化的工藝方法,特別適應(yīng)了粗精一體化加工機(jī)床的特點(diǎn),不失為一種值得推廣借鑒的新技術(shù)。 二、鑲塊鑄件化與高效加工 鑲塊的加工在模具總的加工量中占很大比重,有效降低這部分工時意義很大。最好的加工辦法是少切削和無切削,目前發(fā)展的重點(diǎn)就是鑲塊的鑄件化和通過合理設(shè)計來最大程度地減少加工面。 三、少人無人化加工 隨著模具加工的程序化、機(jī)床加工的中心化,少人和無人化加工是一種必然的發(fā)展趨勢。無人化加工可以最大程度地降低人工成本和人為錯誤,并能實(shí)現(xiàn)24小時的連續(xù)生產(chǎn)。在目前勞動保護(hù)條件越來越高、節(jié)假日越來越多的情況下,少人和無人化加工技術(shù)成為一種天然的選擇。 無人化可以從少人化、從精加工、或從拉大兩班之間的時間等等最容易實(shí)現(xiàn)的方面開始實(shí)行。無人化應(yīng)緊緊圍繞提高機(jī)床利用率、降低失誤率來發(fā)展。 四、鉗工制造的只裝不配少修 提高機(jī)械加工水平的一個主要目的和重要表現(xiàn)就是做到鉗工制造的只裝不配少修。消滅鉗工是國外一些模具企業(yè)提出的理想和口號,它集中地代表了模具制造技術(shù)的發(fā)展方向:通過CAD技術(shù)的提高而實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化制造和少人無人化加工;通過CAM技術(shù)的提高而實(shí)現(xiàn)裝配、研合、推磨等鉗工作業(yè)的高效;通過CAE技術(shù)的提高而實(shí)現(xiàn)模具調(diào)試一發(fā)成功。汽車模具制造技術(shù)依靠計算機(jī)等高新技術(shù)的應(yīng)用已發(fā)展到一個新階段。 當(dāng)前應(yīng)該重視和發(fā)展的技術(shù)因企業(yè)不同而不同,但總結(jié)起來無外乎是沖壓工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造技術(shù)等三個方面,其所對應(yīng)的就是CAD/CAM/CAE技術(shù)的提高。在汽車模具制造行業(yè),計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)正越來越顯示出其核心技術(shù)的作用。
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