模具CAD/CAE/CAM的现状与发展趋势

摘要：本文论述了我国模具行业的概况及其近年来所取得的成绩，对国内外模具CAD/CAE/CAM技术的发展历程和现状作了简单概述，最后总结出模具CAD/CAE/CAM的专业化、标准化、集成化、智能化、虚拟化、网络化的发展趋势。

模具是工业生产中的基础工艺装备，也是发展和实现少无切削技术不可缺少的工具。在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通讯行业中，有60%-80%的零部件都需要模具加工，轻工制品的生产中应用模具更多，因此模具行业有“百业之母”的美誉。

模具生产的工艺水平及科技含量的高低，直接影响到工业产品的发展，它在很大程度上决定着产品的质量、企业的效益、新产品的开发能力，决定着一个国家制造业的国际竞争力，因此模具生产的工艺水平及科技含量的高低已经成为衡量一个国家工艺水平和产品制造水平的重要标志。随着模具CAD/CAE/CAM技术的广泛使用，模具生产的工艺水平和科技含量将有质的飞跃。

1 我国模具工业概况

我国虽然很早就开始制造和使用模具，但长期未形成高技术含量的产业。直到20世纪80年代后期，随着科技的进步，国务院和国家有关部门对发展模具工业的给与了高度重视和支持，模具工业才驶入快速发展轨道。

近年来，我国模具工业发生了巨大的变化，不仅国有模具企业取得了很大发展，三资企业、乡镇(个体)模具企业的发展也相当迅速，已经形成珠三角、长三角、安徽等具有一定规模的模具生产基地。模具工业的技术水平也有了很大的提高，冲压模具中具有代表性的是为汽车配套的汽车覆盖件模具，以及为农用车、工程机械和农机配套的覆盖件模具;覆盖件模具的技术要求高，大都是结构复杂的大中型模具，代表了冲压模具的水平，一汽模具公司、东风模具公司、天津模具厂等已能够生产出部分中档新型轿车的覆盖件模具。多工位级进模是一种高精度、高效率、长寿命的模具，是技术密集型模具的重要代表，美国UGS公司与我国华中科技大学合作在UG-NX软件平台上开发出基于三维几何模型的级进模CAD/CAM软件NX-PDW。此外，华中科技大学、上海交通大学、西安交通大学和北京机电研究院等相继开展了级进模CAD/CAM系统的研究和开发。在塑料模具方面，大型塑料模具已能生产单套重量达50顿以上的注塑模，精密塑料模的精度已可达到3μm，多腔塑料模已能生产一模2560腔的塑封模，高速模具方面已能生和4m/min以上挤出速度的高速塑料异型材挤出模及主型材双腔共挤模具。其他类型的模具，也都达到了较高的水平。

目前，在我国模具生产企业中，数字化设备比较齐全，模具CAD/CAE/CAM技术已经被广泛的应用，采用高速加工及RP(Rapid Prototyping)/RT(Rapid Tooling)等先进技术的企业也逐渐增多。模具标准件使用覆盖率及模具商品化率都已有较大幅度的提高，热流道技术在塑料模具行业中应用比例越来越高。

2 模具CAD/CAE/CAM技术的发展历程与现状

模具CAD/CAE/CAM技术具体就是模具设计人员和组织模具产品制造的工艺设计人员在CAD/CAE/CAM系统的辅助下，根据模具的设计和制造程序进行设计和制造的一项新技术。目前，模具CAD/CAE/CAM技术发展很快，广泛的应用于模具生产企业。采用模具CAD/CAE/CAM技术是模具生产革命化的措施，也是模具技术发展的一个显著特点。

2.1国外模具CAD/CAE/CAM技术的发展历程与现状

国外模具CAD/CAM技术的研究始于上世纪60年代，到70年代已经研制出了模具CAD/CAM的专门系统，推出了面向中小型企业的CAD/CAM的商业软件，可应用于各种类型的模具设计和制造。

1973年，美国的DIE COMP公司率先研制成功PDDC连续模系统。1977年，捷克斯洛伐克金属加工工业研究所研制成功AKT冲模CAD系统。1978年，日本机械工程实验室建立ME1连续模设计系统。1979年，日本旭光学工业公司研究成功的冲空模和弯曲模PENTAX的CAD系统。1985年，日本NISSIN精密机器公司采用了冷冲模CAD/CAM系统。到80年代末，美国、日本等工业发达国家的模具生产已有近50%采用了CAD/CAM技术。 近二十多年来，随着计算机硬件的不断提升，工业发达国家的CAD/CAM技术不断创新、完善、逐步发展，已经形成一个从研究开发、生产制造到推广应用和销售服务的完整的高技术产业。

国外在上世纪60年代开始开发有限元进行软件，1976年发行了第一套流动分析软件。利用CAE技术可以在模具加工前，在计算机上对整个成型过程进行模拟分析，减少甚至避免模具返修报废、提高模具质量和降低成本等。目前国外的模具CAE技术已经相当成熟，完全走向实用化阶段，并取得了显著效果。国外著名的CAE软件有NASTRAN、ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS等。

2.2国内模具CAD/CAE/CAM技术的发展历程与现状

我国模具CAD/CAM技术开始于20世纪70年代末，与国外相比尚有一段距离，但目前也趋于成熟，并在模具生产企业得到广泛应用。特别是20世纪80年代后期，我国进入了CAD/CAM技术迅猛发展的时期，各大院校和科研单位不仅自主研发适合国情、专业化极强的CAD/CAM实用系统，也引进国外先进CAD/CAM，同时在国外的CAD/CAM系统之上进行二次开发。如吉林大学依托一汽对汽车覆盖件CAD/CAM系统的研究已经取得显著成效，华中科技大学模具技术国家重点实验室在AutoCAD软件平台上开发出基于特征的级进模CAD/CAM系统HMJC，上海交通大学为瑞士法因托(Finetool)精冲公司开发成功精密冲裁级进模CAD/CAM系统，西安交通大学开发出多工位弯曲级进模CAD系统等，这些CAD/CAM系统的研发促进了国内模具行业快速发展。

经过这十几年的发展，我国模具CAD/CAM软件的开发水平也逐渐接近国外先进水平。在政府的大力支持下先后出现了一批先进的模具CAD/CAM示范企业，高校和企业也培养了一大批模具CAD/CAM软件开发及应用人才。但总的来说，我国目前模具CAD/CAM软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家有不小的差距。

随着有限元技术的快速发展，早在上世纪80年代，国内就有一批科研单位和高校投入有限元技术的研究、开发和应用中。在此背景下，国内相继取得了可喜的成绩，如：大连理工大学的JIFEX，郑州机械研究所的紫瑞，北京农机学院的有限元分析系统。在模具CAE方面：如湖南大学的冲压CAE系统，华中科技大学冲压成型快速分析软件FASTAMP，清华的铸造CAE分析软件FTStar，华北工学院的铸造分析软件CASTsoft等，但是与CAD/CAM系统的集成度相对较弱。#p#分页标题#e#

3 模具CAD/CAE/CAM技术的发展趋势

21世纪市场要求高质量、低成本的产品，并且要求对各种不同的市场需求作出快速的反应。模具制造技术的发展趋于专业化、标准化、集成化、智能化、虚拟化、网络化，这将使模具行业发生巨大变革。

3.1模具CAD/CAE/CAM技术的专业化程度显著提高

任何一种模具软件不可能包罗万象，完全能适应不同的模具产品、不同生产企业的需求。这就要求有针对性的开发专用模具CAD/CAE/CAM系统软件，或者根据模具生产企业自身的特点对软件系统进行二次开发。这样才有可能一切从实际出发，最大的发挥出软件的潜能，充分利用好企业自身的设备，制造出高质量的模具产品。

随着模具工业的快速发展，各大主要软件开发商和有独立科研实力的企业已经开始有针对性地开发专用模具CAD/CAM实用软件系统，并取得了巨大的经济效益。如：专用的进级模系统NX-PDW，专用的塑料注射模系统MoldWizard，专用的锻压模系统AutoMolder，此外还有法国Misslelsoftware公司的注射模专用软件TopMold和级进模专用软件TopProgress、日本UNISYS株式会社的塑料模设计和制造系统CADCEUS等。这些专用模具软件的产生，大大的提高了模具设计人员的工作效率，让模具设计人员从繁琐的劳动中解放出来，进行创造性的设计活动。

3.2模具CAD/CAE/CAM技术的标准化势在必行

标准化模具 CAD/CAM系统可建立标准零件数据库、非标准零件数据库和模具参数数据库。标准零件库中的零件在模具CAD设计中可以随时调用，并采用GT(Group Technology，成组技术)生产。非标准零件库中存放的零件，虽然与设计所需结构不尽相同，但利用系统自身的建模技术可以方便地进行修改，从而加快设计过程，使典型模具结构库在参数化设计的基础上实现。

数据的传递、转化成为企业之间、企业与客户之间、软件之间、软件与设备之间进行信息传递的最大障碍。在模具CAD/CAE/CAM软件系统中也存在这样的问题，为保障数据在传递、转化的过程中不丢失，建立数据转换的标准显得非常重要，这样可以模具CAD/CAE/ CAM软件系统内部的信息交流成为整体，从而真正意义上实现了模具制造信息传递的畅通。

3.3模具CAD/CAE/CAM技术的集成化是必然趋势

国内模具制造企业虽然也采用了CAD/CAM/CAE技术，但模具的设计尚未形成成熟的理论指导和设计体系，各类设计工具更多的表现为单一学科的软件化，其相互集成也是以软件接口实现的数据集成。模具CAD/CAE/CAM技术与GT、CE(Concurrent Engineering)、CAE、CAPP(Computer Aided Process Planning)、PDM(Product Data Management)等技术密切相连，组成一个有机的整体，建立一个统一的全局模具产品数据模型，在模具开发、模具设计中，提供全部的信息，使信息共享、交换处理和反馈，它综合了计算机技术，系统集成技术，并行技术和管理技术，最终将发展成为 CIMS(Computer Integrated Manufacture System，计算机集成制造系统)。

3.4智能技术将使模具CAD/CAE/CAM技术如虎添翼

模具CAD/CAE/CAM技术中的智能化是指由模具CAD/CAE/CAM软件系统和人类专家共同组成的人机一体化系统，它能再模具生产过程中进行分析、推理、判断、构思和决策等智能活动，有效地实现了人与模具设计系统的有机融合及人的智能的充分发挥。近年来，人工智能在模具 CAD/CAE/CAM 系统中的应用主要集中在知识工程的引入和模具设计专家系统开发上。

目前，在模具的设计和制造过程中，在很多环节上仍然依靠模具设计人员的经验。如模具设计方案的选择、工艺流程和参数的选择、模具结构的优化等，模具CAD/CAE/CAM设计系统只是完成一些简单建模和数值计算，缺乏灵活性和可靠性。这就要求模具设计系统必须利用KBE(Knowledge-Based Engineering)技术进行深入的改造，从分发挥、利用知识库和专家系统设计出高质量的模具。在模具行业已有成功案例，如华中科技大学模具技术国家重点实验室在国产注射成型模拟软件HSCAE6.10中成功地引入了人工智能技术。

3.5虚拟技术将在模具CAD/CAE/CAM得到应用

虚拟制造(VM)是一种新的制造技术，它以仿真技术、信息技术、虚拟现实技术为支撑，对产品设计、工艺规划、加工制造等生产过程进行统一建模。虚拟制造技术应用于模具生产实际是模具CAD/CAE/CAM技术的集成和延伸，因此，模具工业今后推广应用虚拟制造技术，必须首先对当前应用于模具生产的各种先进设计与制造技术和方法进行全面、深入的消化吸收和推广应用。虚拟制造技术在国外模具工业中也有成功的应用。如美国的Foundry Service(FSC)公司采用虚拟制造技术对整个工艺生产过程进行仿真，并根据仿真结果更改设备参数后，成功地完成了生产系统的改造工程，节约了大量的资金。AUTODIE公司采用虚拟制造技术后，在8～10个月内完成一种车型的设计与制造，一年内可以接受5种车型的模具定货。

3.6网络化是模具CAD/CAE/CAM技术应用的重要手段

网络化敏捷制造与模具CAD/CAE/CAM技术的结合是当今模具制造业中的主流方向之一。随着信息技术、网络技术的发展，网络化制造的研究已经达到了前所未有的高度。网络化模具制造指的是：面对模具市场机遇，针对模具市场需要，利用以因特网为标志的信息高速公路，灵活而迅速地组织社会模具制造资源，快速地组合成一种超越空间概念的、靠电子手段联系的、统一指挥的经营实体网络联盟模具制造企业，以便快速推出高质量、低成本的模具产品。此类的研究已经相当多，如东莞地区模具行业敏捷化趋势的分析与研究。由此可知模具网络化制造研究的重点的是如何有效的实现不同模具企业之间的资源共享，多种高新技术的集成，因此能集成多方面的资源，具有多种功能的网络化模具制造平台将成为网络化模具制造的技术支持工具，将使模具企业快速的应对市场的变换。

4 总结

随着市场的国际化，竞争将愈演愈烈，短周期、高质量、长寿命的模具是模具行业和用户的追求，这必将使模具CAD/CAE/CAM技术全面深入地应用于模具行业中，同时与并行工程、精益生产、敏捷制造等多种生产模式的结合日益密切，最终使模具行业发生重大变革。

参考文献

        [1] 李德群，肖祥芷. 模具CAD/CAE/CAM的发展概况及趋势[J]. 模具工业，2005，7：9-12.#p#分页标题#e#

　　[2] 马颖. 模具CAD/CAM技术的发展概况[J]. 甘肃工业大学学报，1999，25(2)：28-32.

　　[3] 刘玲，周旭东. 模具CAD/CAE/CAM的发展和展望[J]. 机械研究与应用，2004，17(3)：5-8.

　　[4] 邱建新，李发根，李国禄. 模具工业发展趋势综述[J]. CAD/CAM与制造业信息化，2003：3-7.

　　[5] 朱征，郭志全. 模具CAD/CAM的现状和发展[J]. 机械研究与应用，2003，16(2)：1-2.

　　[6] 刘强，蒋玉明，杨屹等. 虚拟制造技术与模具CAD/CAE/CAM[J]. 锻压技术，2001，6：45-49.

　　[7] 李和平，肖根福. 模具技术现状与发展趋势综述[J]. 井冈山学院学报，2006，27(2)：46-49.

　　[8] 肖乾. 产品网络化制造服务平台的构建[J]. 管理技术，2006，5：87-89.

　　[9] 蔡长韬，许明恒，刘晨. 基于Web的数控磨床CAD/CAPP/CAM技术[J]. 机械设计，2004，21(11)：26-29.

　　[10] 杨宠，林汉同，刘瑞祥. 我国压铸模CAD/CAE/CAM及其一体化技术[J]. 特种铸造及有色金属，2001，2：20-21.

　　[11] 罗英等. 汽车制造业中的CAD/CAE/CAM集成应用[J]. 技术创新与生产实践，2005，22(3)：55-57.