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罗百辉,金模网(gmold.info)CEO、深圳市金模整合营销顾问有限公司董事长、模力时代会议展览(深圳)有限公司总经理、美国格理专家团资深投资顾问、国际模具及五金塑胶产业供应商协会常务副会长兼秘书长、深圳市模具技术学会专家委员、深圳市管理咨询行业协会会员、华通咨询公司特聘培训专家、《国际模具机械产业》杂志社长,多家工业媒体专家顾问/编委、价值中国最具影响力百强专家、中国谋士联盟实战派谋士,国内“段位式”新概念管理创导者,清华大学盛景商学院MBA,制造业资深职业经理人。

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CAD/CAE/CAM技术在模具工业中的应用  

2011-05-03 17:31:13|  分类: 高峰论坛 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 李德群,男,华中科技大学教授、博士生导师,国务院学位委员会材料学科评议组成员,中国模具工业协会技术委员会副主任。李德群教授多年从事塑料注射过程计算机模拟和模具CAD/CAE/CAM的教学和科研工作。1986年至1987年在美国康乃尔大学从事塑料注射模CAE研究。国际模协秘书长罗百辉就模具CAD/CAE/CAM技术在模具工业中的应用情况及发展趋势采访了李德群教授。

  罗百辉:李教授,我国模具工业近10年来连续保持着每年15%以上的增速,中国模具大国的地位己得到了世界公认。请您谈谈模具CAD/CAE/CAM技术在模具工业快速发展中所起的作用。

  李德群教授:模具CAD/CAM的重点在于制品的几何造型、模具结构的三维设计、绘图和数控加工数据及指令的生成,而CAE则将工程试验、分析、文件生成乃至制造贯穿于制品研制过程的每一个环节之中,用于指导和预测制品在构思、设计和制造阶段的行为。模具CAD/CAE/CAM的集成化技术从根本上改变了传统的模具设计与制造方式,它采用几何造型技术,制品一般不必进行原型试验,其形状就能逼真地显示出来,并借助有限元分析软件对制品的力学性能进行预测。当必需实际样品时,可采用快速原型制造技术直接由保存在计算机中的制品几何模型自动而迅速地将样品制造出来。当需由样品设计模具时,可采用反求工程技术,由三坐标测量仪获得制品表面测量点的数据,再据此生成所测制品的几何模型。借助于模具CAD软件的自动检索、交互绘图和快速计算的能力,设计者能从繁冗的手工绘图和计算中解放出来,集中精力从事诸如方案构思和结构优化等创造性的工作。在模具制造前,CAE软件可预测成形工艺及模具结构等有关方案和参数的正确与否,从而有效地保证模具设计的可靠性和制品的成形质量。借助于CAM软件,能高质量、高效率地采用数控机床加工模具复杂的型芯和型腔。在实际加工之前还可采用数控加工仿真软件对刀具切削过程进行检验,以避免误切。由此可见,模具CAD/CAE/CAM是改造传统模具生产方式的关键技术,是一项高科技、高效益的系统工程。它以计算机软件的形式,为企业提供一种有效的辅助工具,使工程技术人员借助于计算机对制品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化。模具CAD/CAE/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期, 降低生产成本和提高制品质量已成为模具界的共识。

  罗百辉:李教授,您长期致力于塑料注射过程计算机模拟和模具CAD/CAE/CAM技术的教学和科研工作,请您展望一下模具CAD/CAE/CAM技术的发展趋势。

  李德群教授:21世纪的科学技术正处于日新月异的创新与发展之中,通过与计算机技术的紧密结合,人工智能技术、并行工程、面向装配、参数化特征建模以及关联设计等一系列与模具工业相关的技术发展之快、学科交叉之广前所未见。今后10年新一代模具CAD/CAE/CAM系统必然是当今最好的设计理念、最新的成形理论和最高水平的制造方法相结合的产物,其特点将反映在专业化、网络化、集成化和智能化4个方面。随着模具工业的快速发展,近几年来世界各国的软件开发商投入了巨大的人力和物力,针对各类模具的特点,将通用的CAD/CAM系统改造为模具行业专用的系统,取得了较大成效。目前,国外一些软件开发商已能按实际生产过程中的功能划分产品系列,在网络系统下实现CAD/CAE/CAM的集成化,解决传统混合型CAD/CAM系统无法满足实际生产过程分工协作的要求。如英国DELCAM公司在原有软件DUCT5的基础上,为适应最新软件发展及工业生产实际推出了CAD/CAM集成化系统Delcam's Power Solution,该系统覆盖了几何建模、逆向工程、工业设计、工程制图、仿真分析、快速原型、数据编程、测量分析等各个领域。系统的每个功能模块既可独立运行,又可通过数据接口与其他系统相兼容,并能按使用要求进行组合,以便形成专业化的CAD/CAE/CAM系统,做到开放性、兼容性和专业化的统一。可预计,模具CAD/CAE/CAM系统在今后几年内将会逐步发展为支持从设计、分析、管理和加工全过程的产品信息管理集成化系统。在现阶段,模具设计和制造在很大程度上仍然依靠着模具工作者的经验,仅凭计算机的数值计算功能去完成诸如模具设计方案的选择、工艺参数与模具结构的优化、成形缺陷的诊断及模具成形性能的评价是不现实的。新一代模具CAD/CAE/CAM系统正在利用KBE(基于知识的工程)技术进行脱胎换骨的改造。如UG-NX中所提供的人工智能模块可将设计知识融入系统之中,以便进行图形的识别与推理。数值计算和人工智能技术的结合将是今后相当长时间内一件十分艰巨而重要的工作。传统的模拟软件基本上都是被动式计算工具,分析前需用户事先设计成形方案和确定工艺参数,分析结果常常难以直接用来指导生产,这在很大程度上影响了模拟软件的推广和普及, 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室在国产注塑成形模拟软件HSCAE7.0中成功地引入了人工智能技术。对于注射时间、注射温度等具有连续取值空间的参数,采用人工神经网络进行优化,对分析结果的解释和评价则采用基于规则推理的方法来处理。HSCAE7.0的专家系统规则库以专家知识为基础,涵盖了有关短射、流动平衡、熔体降解、温差控制、保压时间、许可剪切应力、剪切速率和锁模力等方面的知识,在对分析结果进行综合和提炼的基础上驱动专家系统进行推理,对成形方案进行评价并在分析报告中输出具体的改进建议,其目标是将模拟软件由传统的"被动式"计算工具提升为新一代的"主动式"优化系统。目前,和CAM和CAD相比,CAE还不够普及,但CAE的发展速度很快。美国进行产品生命周期管理(PLM)未来趋势分析的资讯公司Daratech发表的CAD、CAE发展比较曲线图表明,CAD全球的销售量以往远远高于CAE,估计在2008-2010年会有一个交叉。交叉以后,CAE会蓬勃发展,CAD则不再会给软件供应商带来更多的商业回报,这是因为几乎所有的CAD软件今后都会具有同样的功能,没有什么太多的价值差异,而CAE的发展空间则非常巨大。

  罗百辉:李教授,您主持开发的CAE软件多次获国家科学技术进步奖等殊荣,为我国模具工业的发展起到了积极的促进作用。那么,具有自主知识产权的华塑CAE软件有哪些技术特点,其应用前景如何呢?

  李德群教授:10余年来,我国对塑料注射成形CAE技术开展了系统而深入的研究,华中科技大学、上海交通大学、郑州大学和南昌大学等都相继取得了可喜的成果。

  华塑CAE7.0(HSCAE7.0)是华中科技大学华塑软件研究中心最新推出的注射成形模拟系统,该系统的主要功能和特色包括:①对充模、保压、冷却、应力、翘曲过程进行全三维模拟;②支持开放式材料数据库、注塑机数据库和模具数据库;③基于人工智能技术对工艺参数进行优化;④支持DC、Pro/E、CATIA等CAD系统的三维模型;⑤自动生成分析报告,支持打包IE及word浏览;⑥对注塑机及模具运动过程进行动作仿真;⑦自动修复CAD模型和优化网格。

  具体而言,HSCAE7.0的各个模块功能包括:

  (1)充模模块:优化充模、平衡设计;自动预测熔接缝位置、气穴位置和各种充模缺陷;支持国内外数千种塑料材料库和用户材料库;基于人工智能技术优化注射工艺参数;精确分析各种大型、复杂、精密零件;浇注系统(流道)可视化、参数化设计。

  (2)保压模块:优化保压压力和保压时间;节点曲线图;预测制品收缩程度和密度分布。

  (3)冷却模块:优化冷却结柏设计和冷却工艺条件,均匀冷却;支持复杂的冷却系统设计,流行的交互式设计;各种结构:冷却管、外接管、隔板、喷流管和螺旋管等;稳态温度场、热流密度场、型腔型芯温差、瞬态温度场等。

  (4)应力模块:指导用户改进充模设计和冷却设计;精确计算平面应力和厚向应力;显示任意节点平面应力变化曲线。

  (5)翘由模块:指导用户改进制品结构设计和模具结构设计;预测制品自由变形和装配变形;无级放大显示翘曲变形量。

  (6)动作仿真模块:基于虚拟现实的课堂教学和技术培训;注射成形全过程中注塑机、模架、模具协同运动;完备、开放的模架库;支持各种抽芯结构的设计与仿真。

  (7)网格管理模块:支持UG、Pro/E、CATIA等的三维CAD模型导入;自动检测与修复CAD模型的常见错误;自动修复为主,手工修复为辅,方便实用;智能优化网格,提高模拟结果的精度。

  (8)分析报告模块:支持中文简体、中文繁体和英文等各种语言版本;分析报告自动生成,支持软件窗口、通用浏览器(IE等)及word查看方式;支持打包,与软件分离,跨平台浏览;包含制品信息、材料信息、工艺条件、充模结果、冷却结果、应力翘曲结果、方案改进建议和相关技术支持。

  (9)材料测试建库模块:高性能流变测试仪;专家测试;接受国内外各种材料;分析材料的全部流变数据;自动转换为注塑成形模拟软件的材料数据库格式。

  从1989年推出HSCAE1.0版到如今的HSCAE7.0版,华塑CAE软件经历了从二维分析到三维分析,从实用化到商品化,从局部试点到推广使用的过程。目前,华塑CAE软件已成为塑料制品设计、模具结构优化和工程技术人员培训的有力工具,已有100多家用户中使用,装机数达400余套。通过推广应用,华塑C A E软件在企业中己产生了显著的经济效益和社会效益。

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