数字技术和汽车模具制造的革命

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冲压工艺、结构设计和制造技术是汽车模具生产技术的集中体现，这些技术的进步主要取决于CAD/CAM/CAE技术的提高。在汽车模具制造行业，计算机应用技术和数控加工技术正越来越显示出其核心技术的作用。
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当前，国内的汽车模具产业面临着前所未有的巨大生机和超速发展。这种发展突出表现在以下几个方面：首先是多元化的巨额投资。日资、台资、欧美资等汽车模具企业大量涌现；民营、上市、国营改制汽车模具企业正在加紧扩建和追加投资，而且每一个企业的投资额都高达几千万到几个亿；其次是汽车模具制造的关键加工设备——大型龙门数控加工中心成几何级数增长，一个企业拥有10台、20台或30台这样的设备已不足为怪；再次是高素质人才迅速向模具行业汇集；最后是汽车模具市场繁荣，许多模具企业都出现供不应求的大好局面。
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投资、设备、人才和市场几个因素最终要依靠生产技术才能转变成生产力。面对当前的新形势，技术特别是关键技术的发展，对汽车模具行业的发展具有深远的意义。
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: k; e/ @* F7 t! w  cCAE技术
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# |. u4 M( M( S2 o汽车模具设计制造的核心技术是冲压工艺技术。冲压工艺技术包括工序设计、成型型面设计、修冲刃口设计等等所有涉及产品成型部分的技术。因此，冲压技术水平决定了模具的设计制造水平。
目前国内模具制造水平同国际先进水平的最大差距就体现在冲压工艺水平的差距上。以往我们的冲压工艺技术主要靠人的经验，随着国内高品质的车身生产周期变短，靠过去的经验来完成冲压工艺已不可能。

一、CAE软件的成熟与应用
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以有限元模拟分析软件为代表的CAE技术在国际上的应用已有近30年的历史。近10年来,塑性变形理论在板料成型技术中的应用取得了很大的进步，使CAE技术在汽车模具制造中的应用变得非常成熟，将CAE应用于冲压工艺设计，可使试模时间减少50%以上。目前，CAE技术已成为国外大型汽车和模具企业必不可少的工具。CAE的广泛应用，应归功于 CAE商业软件的大力发展,其中代表性的软件有：

● 美国Lawrence Livemore国家材料实验室的LS-DYNA3D软件；
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' r3 P1 x9 E$ v1 i● 法国ESI公司的PAM-STAMP软件；

● 法国DYNAMIC SOFTWARE公司的OPTRIS软件；

" H3 P, @7 f* f9 e6 w# _$ P: Y● 美国ETA公司的Dynaform软件；

+ D, Y- p2 w/ G3 I6 D; M● 瑞士Autoform公司的Autoform软件。

这些软件各有所长，对板料成型分析都非常专业和实用。目前，国内一流的汽车模具公司都应用了CAE软件，并以 Autoform软件的应用居多。天津汽车模具有限公司通过2年的努力，CAE应用率已经达到了100%，明显地缩短了模具调试周期。
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如果说，前几年模具制造的尖端技术是CAD，那么现在就是CAE。可以预测，今后几年CAE技术在国内汽车模具厂中的应用，就象今天的CAD技术一样普及。

3 P' |: f! s% z二、辅助冲压工艺设计
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; U, C: ~4 V! ?+ Y9 O5 g9 e" S9 [传统CAE软件只能做成型性分析，且需要专业人员做大量的前处理，如果对分析结果不满意，还需从头再来。由于传统的CAE软件只是一种验证的手段，主要用于方案的比较，不能用于工艺的辅助，从而造成CAE技术长期游离于生产过程以外。如今CAE软件已发展成不仅能做单纯的成型分析，且能参与冲压工艺的全过程。我们称之为计算机辅助冲压工艺。
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3 g; h) u' C$ L* {" {5 C: A在工艺设计方面，CAE具备了冲压方向的自动或辅助确定、快速生成拉延面、坯料尺寸的确定、修边线的展开等非常实用的功能，并且精度远远高于凭人的经验或其他CAD方法所得到的结果。在分析方面，针对冲压成型，使得确定冲裁角度、棱线偏移、拉延冲击滑痕、面成型品质、压边力、成型力等各种分析得到完善，分析内容的广泛性和实用性都早已超出了原来的CAE内容。
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目前，CAE软件已成为模具设计流程中必不可少的一部分。它高度面向最终用户，操作者既不需要很深的CAE知识，也不需要过多的实际调试经验就可方便地使用它。

; x/ [$ p3 s! n在发达国家，CAE软件分析结果的模拟符合性大于95%，即使是最初应用，也可达到60～80%的准确率。特别是在方案对比、成型裕度分析、不可展翻边展开等方面，CAE的结果非常精确。
8 T+ t. e) ?$ v+ P8 p. ~' u6 v当前，CAE技术发展的重点是回弹分析和工艺参数的自动优化，如果解决了这两个难题，将再次带来革命性的进步。
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5 a% a& d& |2 p# ]实体设计应用
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当前国内汽车模具企业已将二维CAD广泛应用于结构设计中，部分企业将三维实体设计应用于部分模具的设计中，只有极少数企业能够做到100%的实体设计。应该说实体设计取代二维CAD是发展的必然趋势。

) }3 P% J4 S1 e实体设计最大的优点是设计过程非常直观，能对结构进行详细真实的描述，确保设计的合理性，在模具静态和动态干涉检查、模具强度分析等方面具有明显的优势。特别是在当前经验丰富的设计人员大量短缺的情况下，新从事模具设计的人员从实体设计入门，可经过短期培训，3、 4个月以后就可以在别人的指点下较好地完成模具实体设计。过去一个生手达到同样水平，至少要1～2年的时间。

, L& o* M+ C  U4 y: h" O6 d一、实体设计对生产全流程的影响
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实体设计不但使设计方法发生了改变，而且使生产全流程也发生巨大变化。

6 v* Q( i! m& f& u7 u1、无图化生产

$ {& b6 j0 l  Q  Y& D实体设计使企业走向无图化生产。企业完全抛弃2D图纸，可以节省2D图出图时间，由此可减少大约25～40%的模具结构设计时间。从这个意义上讲，实体设计优于2D设计。无图化生产是建立在生产过程实现了全数字化的基础之上的，实体设计和数字化制造是互为必要条件但并不是互为充分条件。实体设计可以催生无图化生产，无图化生产反过来才能充分体现实体设计的优势。无图化生产能全面提高汽车模具的制造水平和生产效率，是今后一段时间通过CAD/CAM两种技术互动，取得技术新突破的关键。

2、实型数控加工

实体设计可直接支持泡沫型的数控加工，取消传统泡沫实型的手工制作，能大大缩短制造周期和提高制造精度。

3、全数控化加工

实体设计直接支持模具构造面的NC 程序化加工。尽管大多数企业采用数控机床加工模具构造面，但仍然没有脱离人工识图和手动操作，现场识图所浪费的时间以及人工操作的不连续性等，致使加工效率大大下降、人为失误大大增加。一般由人工操作加工模具构造面时，出粉率很难超过40%，而采用NC程序化加工模具的构造面，可以将机床的出粉率提高20%～50%（出粉率=机床实际切削加工时间/机床总工时）。可见，提高出粉率的潜力是非常大的。
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- C* W1 b. ]" j- k" K  F1 i$ c0 h1 t总之，把实体设计的结果直接向后续工序传递，能使各个工序的效率都得到提高。反之，如果实体设计仅面向设计，最终还是以出2D图为设计目的，实体设计的优势就将大打折扣。
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二、提高实体设计效率

实体设计存在的最大问题是，在最初应用时设计效率不高。要解决这个问题，可采取以下措施：

! O7 \6 c; q! Y+ c! j+ I8 {" o* w+ R1、强化人员培训。人员培训的内容包括软件应用、设计流程和方法等方面的培训。
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2、搞好基础开发。实体设计需要积累，需要开发一系列的实体标准件和实体样板模具，以便能自动生成局部构造的小工具等。

: H" \1 d" J8 B; {; Q0 l3、改变观念。实体设计不单纯是设计方式的变化，更重要的是它实现了后序加工和制造的数字化，也就是无图化生产。即使实体设计为设计本身带来了麻烦，但却使制造更加容易。我们应以提高效率为出发点，将实体设计看作是非常必要和必须坚持的事情。

模具加工技术的发展
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模具加工技术的发展就是数控加工技术的发展。数控加工由单纯型面加工发展到全面数控加工；由模具加工发展到实型数控加工；由低速加工发展到高速高精度加工；由以人工操作按图加工发展到无图、少人或无人化加工。当前重点发展的加工技术主要包括：

● 实型数控加工；
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; `' Y2 O: M3 H; i● 高速高精度加工；
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● 镶块铸件化与高效加工；
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" T/ `9 c, R3 w6 a* b' A6 _● 全数控化加工；
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● 少人无人化加工；

● 钳工制造的只装不配少修。

! |3 `$ e* a6 g+ a) R实型数控加工和全数控化加工技术已在前文中论述过，这里就其他技术进行简述。
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6 `; L4 R9 T( c: ~' L一、高速高精度加工
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目前高速高精度加工已被国际先进企业普遍采用，国内也正在逐步普及并走向成熟。高速加工的目的，不单纯是为了提高加工效率，更重要的是通过高速实现小步距、低残留的高精度加工。

1、高速加工的现状

; m4 y5 T$ r) ~/ a1 L目前大家普遍认为：机床转速达6000r/min为准高速加工，达8000～10000r/min以上为高速加工。实际上，只有选用高刚度的卡头和刀体、高精度高耐磨的刀具，并保持转速与走刀速度相适应，才可能实现真正的高速加工。汽车模具型面的加工属于高度复杂的自由曲面加工，能不能实现高速加工，更重要的是取决于数控机床曲面加工的动态精度，而不是取决于一般机床产品样本中所说的静态精度。但遗憾的是，机床复杂曲面加工的动态精度还没有一个统一的标准可供参考。一台适用于汽车模具的高速数控铣，必须同时具备高刚度、高精度、高转速、优良的动态性能、高速下的连续工作时间等综合性能。而这些性能则取决于机床的结构、控制系统的性能、所选用的特殊软件程序、床身是铸件还是焊接钢板？主轴是滑枕还是圆套桶？是线形导轨还是滑动导轨？主轴是否有冷却？半闭环还是全闭环控制？是否采用光栅尺等因素。如果只凭厂家介绍的机床主轴转速高或是平面直线进给速度高，是不可能实现模具型面高速加工的。

: p7 o+ D* v  j7 J7 K4 C# E目前，欧美的部分汽车模具企业采用了真正的转速高于15000r/min和实际进给速度达到10m/min的高速加工，而日本企业基本上还是停留在准高速加工阶段，不管转速如何，实际曲面加工进给速度很难突破6m/min。从实际使用情况来看，如果达到了真正的高速，刀具的费用、机床的价格和机床的维护费用等都是目前我们国内模具成本难以接受的。像30000r/min、60m/min这样的高速加工中心，都属于中小型机床，只适用于注塑模的型腔加工。
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2、高速高精度加工编程

曲面的实际加工速度和精度的高低，除了由机床的性能决定以外，在一定条件下，更取决于加工工艺和数控编程技术。我们应重视并研究数控编程技术对加工精度和效率的影响。例如：刀具即时进给速度和刀具轨迹的曲率半径直接相关，当曲面变化非常大时，不管设定的F值多大，实际平均走刀速度都会非常低。而且如果F值设置过大，会出现过切和抹角现象，严重降低型面精度。

传统的仿型加工为了保证楞线清晰，一般采用垂直楞线加工。用这种方法，编程简单但实际加工速度变化极大，严重影响了加工效率。现在大部分编程方法是对整个型面作45°加工，优点是编程简单，可以保证大部分楞线清晰，但加工效率仍然不高。
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* B3 u$ \( F+ }6 D7 v高速高精度加工编程的方法和应注意的问题很多，简单列举如下：

2 }# N( }, v* s% Q6 q" n, V● 根据曲面几何特点来分块编程和加工；

● 加工方向选用顺楞线，大曲率方向走刀，减少拐弯引起的减速；

● 加工线速度与进给速度相配合，尽量保持实际切削量不变；

● 大斜率曲面加工，行间距在曲面切线方向上保持等距；
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● 根据曲面的部位改变行间距，如：凸圆角行距加密、凹圆角清亏等；

● 合理安排加工分块的顺序，避免因刀具磨损造成的型面断差。

; `3 t) u# x1 u& [总之，高速高精度加工的NC编程比普通加工麻烦得多，只有投入大量的编程工时和编程人员才有可能完成编程工作，但这种投入会因为加工效率和精度的提高而得到成倍的回报。
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3、高精度加工的目标
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高精度加工的目标就是最大程度地减少钳修。比如：上下模刃口间隙直接加工到位；冲孔凸凹模直接安装无需调试；拉延模曲面很高的光顺性、无接刀痕迹；凸楞的较高光洁度和凹角无干涉等等。

+ V8 G5 ]: m6 v5 w4 t, o4、粗加工高速化

/ f/ `+ F& D" B8 C, m6 E  `传统的粗加工一般通过深切削、低转速、低进给而一次加工完成。随着机床加工速度的提高，机床的加工性能已经发生了改变。数控机床在低转速、低进给条件下的加工扭力很大，而总的功率却很低，机床效率发挥不出来。为提高加工效率，现在粗加工的发展趋势是中转速、中吃深、高进给、多层加工完成。虽然加工的层数增加了，但由于机床功率实现了最大化，一般可使加工效率提高30%以上。粗加工高速化的工艺方法，特别适应了粗精一体化加工机床的特点，不失为一种值得推广借鉴的新技术。

二、镶块铸件化与高效加工

镶块的加工在模具总的加工量中占很大比重，有效降低这部分工时意义很大。最好的加工办法是少切削和无切削，目前发展的重点就是镶块的铸件化和通过合理设计来最大程度地减少加工面。

三、少人无人化加工
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随着模具加工的程序化、机床加工的中心化，少人和无人化加工是一种必然的发展趋势。无人化加工可以最大程度地降低人工成本和人为错误，并能实现24小时的连续生产。在目前劳动保护条件越来越高、节假日越来越多的情况下，少人和无人化加工技术成为一种天然的选择。
无人化可以从少人化、从精加工、或从拉大两班之间的时间等等最容易实现的方面开始实行。无人化应紧紧围绕提高机床利用率、降低失误率来发展。

四、钳工制造的只装不配少修

3 o# Z+ {7 M$ N- K! i# }+ ~% ~提高机械加工水平的一个主要目的和重要表现就是做到钳工制造的只装不配少修。消灭钳工是国外一些模具企业提出的理想和口号，它集中地代表了模具制造技术的发展方向：通过CAD技术的提高而实现全数字化制造和少人无人化加工；通过CAM技术的提高而实现装配、研合、推磨等钳工作业的高效；通过CAE技术的提高而实现模具调试一发成功。汽车模具制造技术依靠计算机等高新技术的应用已发展到一个新阶段。

当前应该重视和发展的技术因企业不同而不同，但总结起来无外乎是冲压工艺、结构设计和制造技术等三个方面，其所对应的就是CAD/CAM/CAE技术的提高。在汽车模具制造行业，计算机应用技术和数控加工技术正越来越显示出其核心技术的作用