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【摘要】：在日激烈的市场竞争中，各企业为了生存和发展，对提高产品质量、缩短产品开发周期的要求也越来越高。而模具设计和制造的水平是决定产品质量高低和开发周期长短的重要因素，提高产品质量，降低生产成本，缩短开发周期，增强企业的竞争力，因此企业追求并行的集成的CAD/CAE/CAM系统，特别是模具CAD/CAE/CAM系统乃大势所趋。
【关键词】：并行工程、集成系统、产品开发
1.引言
随着科学技术的发展，特别是计算机软、硬件技术的迅速发展，CAD/CAM技术也日趋成熟，伴随着信息、技术、经济一体化时代的到来，当今世界各国制造业都面临着市场全球化、制造国际化、产品需求多样化的挑战，在日益激烈的市场竞争中，各企业为了生存和发展，对提高产品质量、缩短产品开发周期的要求也越来越高。由于模具的精度要求高、结构复杂、材质要求高，模具设计和制造是一个十分复杂的过程，并且是一个不断反复的过程，其中包括根据试模情况进行返修，因此有必要利用并行工程思想，结合先进的集成CAD/CAE/CAM系统，提高模具制造的产品质量和生产效率。
2.模具设计的CAD过程
2.1企业CAD/CAE/CAM集成系统
目前流行的 CAD 软件有：UGII 、PRO/E 、I-DEAS 、SOLIDWORK CIMATRON 、AUTOCAD等等，选用何种软件较好，应根据企业的实际需求和所运行的硬件及操作平台而定，这里就不去讨论了。产品零件主要有钣金件，注塑件，标准外购件等，因此相应的有五金冲压模和塑料注射模，在这里笔者以熟料注射模为例，说明磨具结构设计的CAD过程，其流程见图2，对于五金冲压模也有类似的设计过程。
反馈修改
2.2塑料制件的三维实体模型的创建
一搬来说，塑件的三维实体模型是由产品设计部门根据客户的要求和原始数据创建的，但在进行磨具设计时要对原模型进行一定的处理，首先要分析和确定塑料件的成型方法、成型设备、模具结构等等，还有确定分型面、收缩率、型腔数目及分布等。
（1）对于分型面难以确定的塑件，可以采用由CAD软件自动确定分型
面和按注塑工艺人工确定分型面相结合的办法来逐步确定复杂曲面的分型面。
（2）塑件的收缩率最好以塑件的3D模型为基础，然后调用CAD/CAM软件的SCALE（比例缩放）功能进行缩放，尤其当X、Y、Z 放向的收缩率不同时，更应该如此，这样既可以节省大量的尺寸换算时间加快建模速度，还可以防止因尺寸换算而造成的错误。
（3）确定分型面后，根据出模方向，利用CAD软件可以很容易地创建拔模型斜度特征，对于复杂曲面的造型特征，在产品3D模型时就要考虑到拔模斜度特征的创建。
（4）给出相应的面与面之间的过渡圆角特征，特别是塑件的外观表面更要小心处理。
（5）考虑塑件成型中型腔数目及合理分布，各型腔处均拷贝一个相同的3D塑件模型。
经过上述处理后，就将产品的3D模式转换成了模具设计所需要的3D模型。
2.3模具结构的设计
A.根据所得到的模具3D模型，结合模具结构和成型工艺，确定模具的模架类型（粗水口或细水口）及模架的大小，再确定相应的各模板尺寸，将他们组装起来得到初步的模具装配模型，然后在此模型上进行后续相关零件的设计和相关特征的创建。
B.根据确定的分型面，利用CAD软件依次提取、延生而得到各型芯和型腔的特征（PRO/E的PARTING SURF、MOID VOLUME、MOLD COMP等模块就具有上述功能），然后结合模块尺寸，进一步完善各动模型芯、镶块及动、定模型腔的设计。
C.设计浇注系统，在相关零件上设计浇道、分浇道及口的形状、位置和大小，并创建相因的特征，如有必要还要进行排气系统的方式、大小和位置的设计。
D.确定塑件的顶出方式，设计推杆、推管、推板或它们的组合，在相关模板和零件上创建相应的特征。
E.设计回程杆、导套、导柱、斜导柱、锁紧装置或其它抽芯置相关的特征。
F.设计模具的冷却系统，创建其相关的特征。
G.设计其它的标准零件，象螺钉等等。
进行上述设计后，就得到了模具设计的3D装配模型。为了提高设计质量和加快设计过程，这里要特别注意以下几点：
1.在设计过程中应重视各零件间的相互关系，如动模与定模、动模与动模座板、定模与定模座板、各型芯镶块及相应的固定板间的关系等等，应尽量在装配模型中并行地对它进行设计。
2.创建标准件、通用件库，象螺钉、推杆、回程杆垫块、模架座板等，在设计中可以直接调用这些零件的3D模型库，然后修正参数满足当前模具设计的需求。
2.4装配干涉的检查
利用CAD软件的干涉检查功能检查模具设计是否存在干涉现象，并根据反馈信息修改模具设计，直到没有干涉现象为止。
3.模具设计的CAE分型
3.1.CAE的定义
注塑模具的CAE分析就是利用计算机软件虚拟塑件的注射成型过程并加以分析，以此来模拟模过程从而得到最佳的模具结构呵呵工艺参数，并保证塑件的几何尺寸和最终性能。
3.2.CAE在注射成型模具设计中作用
目前国内企业在进行塑料模具设计和注塑工艺处理主要依靠设计者的经验，模具加工出来后试模，然后根据试模进行修模，但既使是非常有经验的设计人员也不可能把各种因素事先非常精确的考虑进去，这样有可能要经过试模---修改---再试模----再修改的多次反复，才能最终满足客户的要求，因此造成模具设计的周期延长，模具费用和成本增加，产品的质量也不高。而利用CAE技术可以使工程技术人员通过在计算机上对塑料熔料在型腔内的流动、保压及冷却进行全面的虚拟分析，根据分析结果来改进模具CAD设计，从而确定理想的浇口位置和尺寸，改进浇道系统和冷却系统，调整成型工艺参数，最终获得最佳的模具结构和最佳工艺参数，尽量减少试模和修模的次数，缩短模具设计周期，降低生产成本，提高塑件质量。 3.3.推荐使用的CAE软件
目前，澳大利亚Moldflow公司开发的Moldflow CAE注塑成型分析软件是世界公认的注塑CAE工业标准，它对热塑性塑料熔体在进入模具型腔后的流动流动过程的虚拟分析非常成功，它能精确的模拟注塑流动的全过程，从而实现短周期、低成本、高质量的目标。
4.模具零件的CAM过程
4.1.CAM（Computer aided manufacture）的概念及作用
模具经过CAD设计和CAE分析修正后得到所有模具结构零件的3D模型，然后经过CAPP工艺编排产生工艺流程，最终进行CAM过程，即在计算机上利用CAM软件进行加工刀轨文件的产生与仿真，生成数控加工代码，从而控制数控机床加工。我们可以看出CAM系统功能的强弱直接决定了整个CAD过程的成败，CAD的效果最终也是通过CAM体现出来的，因此要重视CAM系统的应用。目前较成熟和流行的CAM软件有：UGII、I-DEAS、MASTERCAM和PRO/E等。模具零件的CAM流程如图3所示。
图3模具零件的CAM流程
4.2模具零件的CAM流程简介
我们可以直接调用经CAD设计和CAE分析修正后的模型作为CAM加工所用的3D模型，利用CAM软件，结合工艺要求，选择加工刀具，依次按下列步骤生成零件不同加工面的刀轨文件。
a.粗加工粗加工通常采用大的硬质合金刀，转速较低，进刀量大，加工精度低，它主要是快速去除材料并生成留有加工余量的零件，一般采用等高逐层切削加工的办法。
b.半精加工对于有曲面形状的工件，通常需要进行半精加工。为了提高功效，一般采用合金刀具，刀具直径相对粗加工要小，但比精加工要大一号，通常采用等高加工方法。由于不是精加工，加工精度可以较低，剩余加工余量在保证精加工能够去除半精加工刀痕前提下应尽量减少。
c.精加工精加工刀具主要根据工件加工面形状来决定，通常采用比半加工刀具直径要小的球刀。当加工面为平面时应尽量采用平底刀，以提高功效和避免过切。对于局部圆角部分可采用较小直径刀具再加工一次。一般而言，精加工刀具直径较小，转速较高，进刀量少，加工精度的高低根据工件要求而定。
d.清根精加工后，工件形状和尺寸基本到位，但由于精加工多采用球刀，因此在型腔的根部会留有较大的圆角，必须对圆角部分进行清根处理。
e.表面处理有时为了在塑件表面得到桔文面或较高的表面粗糙度时，有必要用紫铜电极进行电火花加工，电极一般分为粗及和精及，电极的加工方法与上述过程非常相似，这里就不再重复了。有时可能还有进行抛光处理或进行喷丸处理等等。
f.刀轨文件的校验
刀轨文件生成以后，可以利用VERICUT等CAE软件进行加工仿真，虚拟整个加工过程，检查有无干涉、过切、欠切现象，并根据虚拟反馈的信息修改刀轨文件。
g.后置处理
经仿真验证过的刀轨文件，结合机床的参数，生成与数控机床相匹配的数控加工代码。
h.NC 代码反读
将NC代码读入计算机CAM软件中，在显示器上显示相应的刀位轨迹，看是否符合模具零件的要求，从而检验数控加工程序的正确性。
i.数控机床加工
NC代码经反读检验正确后，将装有CAM软件的计算机通过通讯口RS232C与数控机床相连，通过通讯协议将CAM系统中产生的NC代码直接传至数控机床，控制机床加工。
5.模具CAD/CAE/CAM相互间的关系
从上面分析可以看出，模具CAD是模具CAE和CAM的基础，CAE分析和CAM加工所需要的几何模型均由CAD设计来提供。CAE是为了更好发挥CAD和CAM的功能，通过虚拟分析和加工仿真，使CAD和CAM的设计更加完善，更加优化合理。CAM是CAD设计和CA分析效果的最终体现形式，它最终决定了整个CAD设计的成败。因此我们在模具审计和制造时要充分发挥和利用集成的CAD/CAE/CAM系统。
6.结语
通过应用集成的模具CAD/CAE/CAM系统，可以大大的提高模具设计和制造的水平，它可以提高企业的设计效率，优化设计方案，降低人为误差和系统误差，使工程技术人员和钳工的工作量及劳动强度成本减少，大大缩短模具设计和加工的时间，加快了模具制造速度，提高模具制造的精度，从而缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品质量，最终达到增强企业竞争力的目的。但愿国内的所有企业能及早意识到这一点，并积极推广模具CAD/CAE/CAM系统的应用。
【参考文献】：
[1] 张钟.实施并行工程缩短模具制造周期[J].模具工业.1999（02）
[2] 黄晓燕.模具设计和制造中的并行工程[J].成都电子机械高等专科学校学报. 2004（02）
[3] 黄世国.并行工程在模具设计制造中的应用[J].四川兵工学报. 2002（03）
[4] 模具行业信息[J].模具制造.2002（04）
[5] 于华，肖波，赵洪，高国安.模具敏捷制造的探索[J].中国机械工程.1998（11）
【关键词】：并行工程、集成系统、产品开发
1.引言
随着科学技术的发展，特别是计算机软、硬件技术的迅速发展，CAD/CAM技术也日趋成熟，伴随着信息、技术、经济一体化时代的到来，当今世界各国制造业都面临着市场全球化、制造国际化、产品需求多样化的挑战，在日益激烈的市场竞争中，各企业为了生存和发展，对提高产品质量、缩短产品开发周期的要求也越来越高。由于模具的精度要求高、结构复杂、材质要求高，模具设计和制造是一个十分复杂的过程，并且是一个不断反复的过程，其中包括根据试模情况进行返修，因此有必要利用并行工程思想，结合先进的集成CAD/CAE/CAM系统，提高模具制造的产品质量和生产效率。
2.模具设计的CAD过程
2.1企业CAD/CAE/CAM集成系统
目前流行的 CAD 软件有：UGII 、PRO/E 、I-DEAS 、SOLIDWORK CIMATRON 、AUTOCAD等等，选用何种软件较好，应根据企业的实际需求和所运行的硬件及操作平台而定，这里就不去讨论了。产品零件主要有钣金件，注塑件，标准外购件等，因此相应的有五金冲压模和塑料注射模，在这里笔者以熟料注射模为例，说明磨具结构设计的CAD过程，其流程见图2，对于五金冲压模也有类似的设计过程。
反馈修改
2.2塑料制件的三维实体模型的创建
一搬来说，塑件的三维实体模型是由产品设计部门根据客户的要求和原始数据创建的，但在进行磨具设计时要对原模型进行一定的处理，首先要分析和确定塑料件的成型方法、成型设备、模具结构等等，还有确定分型面、收缩率、型腔数目及分布等。
（1）对于分型面难以确定的塑件，可以采用由CAD软件自动确定分型
面和按注塑工艺人工确定分型面相结合的办法来逐步确定复杂曲面的分型面。
（2）塑件的收缩率最好以塑件的3D模型为基础，然后调用CAD/CAM软件的SCALE（比例缩放）功能进行缩放，尤其当X、Y、Z 放向的收缩率不同时，更应该如此，这样既可以节省大量的尺寸换算时间加快建模速度，还可以防止因尺寸换算而造成的错误。
（3）确定分型面后，根据出模方向，利用CAD软件可以很容易地创建拔模型斜度特征，对于复杂曲面的造型特征，在产品3D模型时就要考虑到拔模斜度特征的创建。
（4）给出相应的面与面之间的过渡圆角特征，特别是塑件的外观表面更要小心处理。
（5）考虑塑件成型中型腔数目及合理分布，各型腔处均拷贝一个相同的3D塑件模型。
经过上述处理后，就将产品的3D模式转换成了模具设计所需要的3D模型。
2.3模具结构的设计
A.根据所得到的模具3D模型，结合模具结构和成型工艺，确定模具的模架类型（粗水口或细水口）及模架的大小，再确定相应的各模板尺寸，将他们组装起来得到初步的模具装配模型，然后在此模型上进行后续相关零件的设计和相关特征的创建。
B.根据确定的分型面，利用CAD软件依次提取、延生而得到各型芯和型腔的特征（PRO/E的PARTING SURF、MOID VOLUME、MOLD COMP等模块就具有上述功能），然后结合模块尺寸，进一步完善各动模型芯、镶块及动、定模型腔的设计。
C.设计浇注系统，在相关零件上设计浇道、分浇道及口的形状、位置和大小，并创建相因的特征，如有必要还要进行排气系统的方式、大小和位置的设计。
D.确定塑件的顶出方式，设计推杆、推管、推板或它们的组合，在相关模板和零件上创建相应的特征。
E.设计回程杆、导套、导柱、斜导柱、锁紧装置或其它抽芯置相关的特征。
F.设计模具的冷却系统，创建其相关的特征。
G.设计其它的标准零件，象螺钉等等。
进行上述设计后，就得到了模具设计的3D装配模型。为了提高设计质量和加快设计过程，这里要特别注意以下几点：
1.在设计过程中应重视各零件间的相互关系，如动模与定模、动模与动模座板、定模与定模座板、各型芯镶块及相应的固定板间的关系等等，应尽量在装配模型中并行地对它进行设计。
2.创建标准件、通用件库，象螺钉、推杆、回程杆垫块、模架座板等，在设计中可以直接调用这些零件的3D模型库，然后修正参数满足当前模具设计的需求。
2.4装配干涉的检查
利用CAD软件的干涉检查功能检查模具设计是否存在干涉现象，并根据反馈信息修改模具设计，直到没有干涉现象为止。
3.模具设计的CAE分型
3.1.CAE的定义
注塑模具的CAE分析就是利用计算机软件虚拟塑件的注射成型过程并加以分析，以此来模拟模过程从而得到最佳的模具结构呵呵工艺参数，并保证塑件的几何尺寸和最终性能。
3.2.CAE在注射成型模具设计中作用
目前国内企业在进行塑料模具设计和注塑工艺处理主要依靠设计者的经验，模具加工出来后试模，然后根据试模进行修模，但既使是非常有经验的设计人员也不可能把各种因素事先非常精确的考虑进去，这样有可能要经过试模---修改---再试模----再修改的多次反复，才能最终满足客户的要求，因此造成模具设计的周期延长，模具费用和成本增加，产品的质量也不高。而利用CAE技术可以使工程技术人员通过在计算机上对塑料熔料在型腔内的流动、保压及冷却进行全面的虚拟分析，根据分析结果来改进模具CAD设计，从而确定理想的浇口位置和尺寸，改进浇道系统和冷却系统，调整成型工艺参数，最终获得最佳的模具结构和最佳工艺参数，尽量减少试模和修模的次数，缩短模具设计周期，降低生产成本，提高塑件质量。 3.3.推荐使用的CAE软件
目前，澳大利亚Moldflow公司开发的Moldflow CAE注塑成型分析软件是世界公认的注塑CAE工业标准，它对热塑性塑料熔体在进入模具型腔后的流动流动过程的虚拟分析非常成功，它能精确的模拟注塑流动的全过程，从而实现短周期、低成本、高质量的目标。
4.模具零件的CAM过程
4.1.CAM（Computer aided manufacture）的概念及作用
模具经过CAD设计和CAE分析修正后得到所有模具结构零件的3D模型，然后经过CAPP工艺编排产生工艺流程，最终进行CAM过程，即在计算机上利用CAM软件进行加工刀轨文件的产生与仿真，生成数控加工代码，从而控制数控机床加工。我们可以看出CAM系统功能的强弱直接决定了整个CAD过程的成败，CAD的效果最终也是通过CAM体现出来的，因此要重视CAM系统的应用。目前较成熟和流行的CAM软件有：UGII、I-DEAS、MASTERCAM和PRO/E等。模具零件的CAM流程如图3所示。
图3模具零件的CAM流程
4.2模具零件的CAM流程简介
我们可以直接调用经CAD设计和CAE分析修正后的模型作为CAM加工所用的3D模型，利用CAM软件，结合工艺要求，选择加工刀具，依次按下列步骤生成零件不同加工面的刀轨文件。
a.粗加工粗加工通常采用大的硬质合金刀，转速较低，进刀量大，加工精度低，它主要是快速去除材料并生成留有加工余量的零件，一般采用等高逐层切削加工的办法。
b.半精加工对于有曲面形状的工件，通常需要进行半精加工。为了提高功效，一般采用合金刀具，刀具直径相对粗加工要小，但比精加工要大一号，通常采用等高加工方法。由于不是精加工，加工精度可以较低，剩余加工余量在保证精加工能够去除半精加工刀痕前提下应尽量减少。
c.精加工精加工刀具主要根据工件加工面形状来决定，通常采用比半加工刀具直径要小的球刀。当加工面为平面时应尽量采用平底刀，以提高功效和避免过切。对于局部圆角部分可采用较小直径刀具再加工一次。一般而言，精加工刀具直径较小，转速较高，进刀量少，加工精度的高低根据工件要求而定。
d.清根精加工后，工件形状和尺寸基本到位，但由于精加工多采用球刀，因此在型腔的根部会留有较大的圆角，必须对圆角部分进行清根处理。
e.表面处理有时为了在塑件表面得到桔文面或较高的表面粗糙度时，有必要用紫铜电极进行电火花加工，电极一般分为粗及和精及，电极的加工方法与上述过程非常相似，这里就不再重复了。有时可能还有进行抛光处理或进行喷丸处理等等。
f.刀轨文件的校验
刀轨文件生成以后，可以利用VERICUT等CAE软件进行加工仿真，虚拟整个加工过程，检查有无干涉、过切、欠切现象，并根据虚拟反馈的信息修改刀轨文件。
g.后置处理
经仿真验证过的刀轨文件，结合机床的参数，生成与数控机床相匹配的数控加工代码。
h.NC 代码反读
将NC代码读入计算机CAM软件中，在显示器上显示相应的刀位轨迹，看是否符合模具零件的要求，从而检验数控加工程序的正确性。
i.数控机床加工
NC代码经反读检验正确后，将装有CAM软件的计算机通过通讯口RS232C与数控机床相连，通过通讯协议将CAM系统中产生的NC代码直接传至数控机床，控制机床加工。
5.模具CAD/CAE/CAM相互间的关系
从上面分析可以看出，模具CAD是模具CAE和CAM的基础，CAE分析和CAM加工所需要的几何模型均由CAD设计来提供。CAE是为了更好发挥CAD和CAM的功能，通过虚拟分析和加工仿真，使CAD和CAM的设计更加完善，更加优化合理。CAM是CAD设计和CA分析效果的最终体现形式，它最终决定了整个CAD设计的成败。因此我们在模具审计和制造时要充分发挥和利用集成的CAD/CAE/CAM系统。
6.结语
通过应用集成的模具CAD/CAE/CAM系统，可以大大的提高模具设计和制造的水平，它可以提高企业的设计效率，优化设计方案，降低人为误差和系统误差，使工程技术人员和钳工的工作量及劳动强度成本减少，大大缩短模具设计和加工的时间，加快了模具制造速度，提高模具制造的精度，从而缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品质量，最终达到增强企业竞争力的目的。但愿国内的所有企业能及早意识到这一点，并积极推广模具CAD/CAE/CAM系统的应用。
【参考文献】：
[1] 张钟.实施并行工程缩短模具制造周期[J].模具工业.1999（02）
[2] 黄晓燕.模具设计和制造中的并行工程[J].成都电子机械高等专科学校学报. 2004（02）
[3] 黄世国.并行工程在模具设计制造中的应用[J].四川兵工学报. 2002（03）
[4] 模具行业信息[J].模具制造.2002（04）
[5] 于华，肖波，赵洪，高国安.模具敏捷制造的探索[J].中国机械工程.1998（11）