锻模CAD/CAM技术应用探讨

（一）锻模CAD/CAM技术的发展概况

随着计算机技术的发展，计算机在锻造中的应用也不断增长。自20世纪70年代以来，国内外许多单位对锻模CAD/CAM进行了广泛研究。美国贝特尔—哥伦布实验室的T.Altan等首先开发了轴对称锻件锻模CAD系统，随后又研究了有限元、切块法、上限法等在塑性模拟中的应用。开发出挤压、轧制、制坯、终锻模CAD/CAM系统，用于叶片、弧齿锥齿轮、精锻、机翼轧制、铝型材挤压及预锻成形设计等。系统可模拟整个成形工序的金属流动，这样试验可以通过过程模拟在计算机上进行，其结果在图形终端上显示出来，以指导用户进行方案设计。

前苏联的捷捷林等专家用控制论手段和方法，以及应用数学理论（运筹学理论、数理统计等）对锻模过程进行研究和数学描述，不仅能建立设计的客观基础，而且能控制设计过程，以便寻求工艺过程的最优方案，利用计算机实现模锻工艺过程的最优化和自动化。

伯明翰大学的比斯瓦斯（Bisswas）和奈特（Knight）等针对无孔齿轮、曲轴等复杂锻件开发了包括锻件设计、毛边设计、坯料计算、载荷计算和预锻工步设计内容的程序，并应用专家系统进行了预成形设计，以及模锻型槽布置等。

为了解决三维几何造型问题，伯明翰大学的陈（Chan）于1978年研究成功了MODCON系统，此后又经过沃尔沙姆（Walsham）和史密斯（Smith）等人的改进，使之成为较适合锻模CAD/CAM几何造型的系统。此外，在计算机模拟锻造过程方面，日本小林四郎等人研究发展了刚塑性有限元法，开发了AL-PID有限元程序包，可以对模具进行描述，对边界条件自动进行处理和自动产生初始解。此外，还可以模拟锻件的二维流动，计算应变、应变速率和应力，并将计算结果以等值线形式显示于图形终端或在绘图机上输出，从而将锻模设计向前推进了一步。1987年美国贝特尔—哥伦布实验室、Shultz钢铁公司、加利福尼亚大学等联合开发的锻模CAD/CAM/CAE系统，包括工程分析、几何图形数据库、锻造材料数据库、工艺过程模拟、终锻模和预锻模设计、经济分析等功能，反映了当时锻模CAD/CAM研究的最高水平。

（二）锻模CAD/CAM的特点

1）三维造型展现了锻件和模具的真实形状，而且数据可以方便地在企业局域网内传输，实现资源共享，便于企业各部门在早期协同开发产品，符合并行工程的思想。

2）通过特征造型和参数化驱动技术可以动态建立模具标准件库；通过添加配合关系，可以快捷地实现复杂的模具设计、装配，还可以实现装配件的爆炸、剖切、干涉检查和运动仿真等功能。

3）强大的辅助设计手段可方便地添加过渡圆角、拔模斜度和形成模腔，还可以准确计算质量、体积、截面积等，进而设计出拔长、滚挤和预锻等模膛。

4）方便地模拟加工工艺进行有限元分析，甚至可以直接作模锻金属流动成形模拟演示，以尽早发现实际加工中存在的问题，优化工艺设计。还可以实现CAD/CAM集成，对模具型腔直接生成NC代码，进行数控加工。

5）锻模CAD/CAM与锻造工艺不可分割，锻模的型腔是由锻造工艺决定的，而模具被称为工艺设备，它保证锻造工艺的实施。因此，在构造锻模CAD/CAM系统时，应当考虑到锻造工艺的需要，给出工艺分析计算的工具。而这些分析计算工具，也是锻模CAD/CAM本身所需的。

（三）锻模CAD/CAM设计注意事项

1）设计模具时应充分利用CAD系统功能对产品进行二维和三维设计，保证产品原始信息的统一性和精确性，避免人为因素造成的错误，提高模具的设计质量。产品三维立体的造型过程可以在锻造前全面反映出产品的外部形状，及时发现原始设计中可能存在的问题，同时根据产品信息，用电脑设计出加工模具型腔的电极，为后续模具加工做好准备。

2）采用CAM技术可以将设计的电极精确地按指定方式生产。采用数控铣床（或加工中心）加工电极，可保证电极的加工精度，减小试模时间，减少模具的废品率和返修率，减少钳工劳动量。

3）对于外形复杂、精度要求高的锻件，可以靠模具钳工采用常规模具制造方法保证某些外形尺寸，而采用CAD/CAM技术可以对这些复杂的锻件进行精确的尺寸描述，确定合理的分模面，保证合模精度。

（四）锻模CAD/CAM软件的开发(www.xing528.com)

锻模软件的开发一般有三种方式：

1）在通用的商品化机械CAD/CAM软件上进行面向锻模的二次开发。此方式通用性强，易实现平台的统一和数据的兼容，较适合于除锻模外还有多种产品的综合性制造厂。

2）利用商用CAD平台开发专用于锻模的CAD/CAM系统。此方式可在充分考虑锻模特点的情况下，在技术成熟、开放性好的CAD平台上将先进的锻模设计制造技术融进软件中，形成以专用工程语言与用户对话的专业锻模CAD/CAM系统。这种系统可实现与不同CAD平台的连接，比较适合于专业锻模生产企业。

3）开发包括CAD平台在内的锻模CAD/CAM系统。此方式可制作出有自主版权的系统，但需要花大量精力开发目前已十分成熟的CAD平台。

（五）锻模CAD/CAM的发展前景

锻模CAD/CAM一体化虽逐渐成熟，但并没有到达完善的程度。新技术的产生和发展，将使锻模CAD/CAM技术的发展更加活跃。在今后一个时期内，锻模CAD/CAM技术将在以下几方面得到发展：

1.锻模CAD/CAM与CAE的一体化

锻造工艺过程的数值模拟是近年来金属塑性加工领域的研究热点之一。一些研究成果已开始得到应用，逐渐成为锻造工艺设计的工具。锻模CAD/CAM/CAE的一体化系统将成为锻造工艺师、工程师更加有力的助手。

2.锻模CAD/CAM与CAE在统一数据库下的集成

独立的锻压数据库系统目前已经研制成功。将锻压CAE与锻模CAD/CAM在此锻压数据库下集成，使之成为有机的整体，预计在不远的将来就会实现。

3.逆向工程

所谓逆向工程是通过构造特殊的模拟算法从终锻形状逆推出前一道或前若干道工序的形状，从而找到最佳的工艺路线，实现整个工艺过程的自动设计。这个研究课题目前国内刚刚起步。

4.锻模的虚拟设计制造

虚拟设计制造是在计算机上施行设计制造过程的新技术。应用这一技术可以在真实制造之前对设计制造过程进行全方位模拟，对设计和制造工艺可行性进行全面评价。在确认可行后，再投入现实的制造过程。对锻模而言，有以下几方面研究内容：①虚拟环境构造；②锻件及锻模的可视化；③锻造过程模拟；④加工过程模拟与可视化；⑤虚拟测量；⑥加工误差建模及虚拟精度控制等。