罗百辉：模具行业CAD/CAM技术应用与发展趋势

文/深圳市模具技术学会专家委员罗百辉

　　编者按:近二十年来，模具CAD/CAM/CAE技术飞速发展，成为缩短模具设计与制造周期、降低生产成本和提高产品质量、改造传统模具生产方式的系统工程。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产品性能、模具结构、成形工艺、数控加工及生产管理进行设计和优化。

　一、CAD/CAM/CAE在模具加工中的应用

由于模具属于单件小批量生产，产品质量要求高，加工时间长等特点，使得模具制造行业成为最早使用三维软件的行业之一。同时，模具加工领域也离不开CAM软件。CAD/CAM技术能使工程师借助于计算机对产品结构、成型工艺、数控加工及成本等进行设计和优化，无疑可以有效提高模具设计和制造的水平和质量，缩短模具的开发和设计周期。与模具行业的快速增长相对应的是，模具行业CAD/CAM/CAE市场竞争也日益激烈。目前，CAM软件的竞争主要在加工效率与加工质量方面，随着加工手段的多样化和数控设备的快速发展，对CAM软件的应用范畴也提出了新的要求。CAD/CAM/CAE与模具加工形成了相互促进的局面。

　1、CAD/CAM/CAE在铸造模领域的应用

铸造成形过程模拟的探索性工作始于求解铸件的温度场分布。1962年丹麦的Fursund用有限差分法首次对二维形状的铸件进行了凝固过程的传热计算，1965年美国通用汽车公司Henzel等对汽轮机铸件成功进行了温度场模拟，从此铸件在模具型腔内的传热过程数值分析技术在全世界范围内迅速开展。从上世纪70年代到80年代，美国、英国、法国、日本、丹麦等相继在铸件凝固模拟研究和应用上取得了显著成果，并陆续推出一批商品化模拟软件。进入90年代后，我国的高等院校，如清华大学和华中科技大学在该领域也取得了瞩目的成就。

单纯的传热过程模拟并不能准确计算出铸件的温度变化和预测铸造中可能产生的缺陷，充模过程对铸件初始温度场分布的影响以及凝固过程中液态金属的流动对铸件缺陷形成的影响都是不可忽视的。铸件充模过程的模拟技术始于上世纪80年代，它以计算流体力学的理论和方法为基础，经历十余载，从二维简单形状开始，逐步深化和扩展，现已成功实现了三维复杂形状铸件的充模过程模拟，并能将流动和传热过程相耦合。目前国外已有一批商品化的三维铸造过程模拟软件，如日本的SOLIDIA、英国的SOLSTAR、法国的SIMULOR、瑞典的NOVACAST、德国的MAGMA和美国的AFSOLID、PROCAST等。国内也有清华大学的铸造之星、华中科技大学的华铸CAE等。这些铸造模CAE软件已覆盖铸钢、铸铁、铸铝和铸铜等各类铸件，大到数百吨，小至几千克，无论是在消除缩孔和缩松，还是在优化浇冒口设计，改进浮渣夹渣等方面都发挥了显著的作用。

伴随着CAE技术在铸造领域的成功应用，铸造工艺及模具结构CAD的研究和应用也在不断深入，国外已陆续推出了一些应用软件，如美国铸造协会的AFS-SOFTWARE，可用于铸钢和铸铁件的浇冒口设计，英国FOSECO公司的FEEDERCALK软件，可以计算铸钢件的浇冒口尺寸和选择保温冒口套的类型。我国华中科技大学和清华大学在铸造工艺及模具结构CAD方面也做了许多工作，如清华大学开发的THFSCAD软件，主要由图形扫描及矢量化和铸造工艺CAD两部分组成。前一部分对扫描输入的图形进行消蓝去污和矢量化，后一部分用来建立参数化图形、计算铸件的加工余量、绘制工艺卡等。THFSCAD是在二维图形学的基础上开发的，采用了AUTOCAD软件为开发平台。随着CAD技术的快速进步，三维CAD系统在铸造生产领域会逐步取代二维CAD系统而成为主流设计系统。

2、CAD/CAE/CAMD在锻模领域的应用

自上世纪70年代以来，国内外许多学术机构和公司对锻模CAD/CAE/CAM技术进行了广泛的研究，在锻造工艺过程设计、锻模结构设计和金属流动模拟等方面均取得了显著的成绩。轴对称锻件约占锻件总数的30%左右，加上轴对称锻件几何形状简单，易于描述和定义，所以开发锻模CAD/ CAM系统时国内外大多数机构和人都是从轴对称锻模入手。轴对称锻模CAD/ CAM系统的主要组成部分包括锻件设计、模锻工艺设计、锻模结构设计和NC编程。锻件设计指的是设计冷锻件图和热锻件图，包括选择分模面、补充机加工余量、添加圆角和拔模斜度等。模锻工艺设计决定是否采用预成形工序、怎样采用预成形工序以及如何选择锻压设备的吨位。另一类广泛应用的锻件是长轴类锻件，其成形工序设计和模具结构设计远比轴对称锻模复杂，因此开发长轴类锻模的CAD/CAM系统的难度更大、通用性也低，目前在许多通用商品化CAD/CAM软件上二次开发的长轴类锻模的CAD/CAM系统仅限于特定产品和特定场合的应用。

锻模CAD/ CAM系统的发展方向是成组技术和模具标准化技术的进一步贯彻执行以及CAE技术和人工智能技术的深入应用。

在CAE技术方面，有限元法一直是分析和研究金属锻造成形的主要数值分析方法，多年来已取得不少阶段性的成果。1973年Lee和Kobayashi以矩阵分析法导出了刚塑性有限元的Lagrange算法，成功分析了锻造成形过程。1974年Zienkiewicz提出了刚粘塑性有限元的罚函数法，分析了轧制、挤压和拉拔等成形工艺。1982年Mori和Osakada提出了刚塑性有限元中的材料可压缩法并用于轧制和挤压中。上世纪80年代初，Oh和Altan用大型刚塑性有限元分析软件ALPID对各类塑性变形问题进行了深入研究。90年代以后，国外一些商品化的专业有限元分析软件，如法国的FORGE2、美国的DEFORM、ABAQUS、MSC/AutoForge等，都已成功地应用于锻造领域。这些软件不仅可以预测锻件成形的全过程，而且可以定量地给出与变形有关的各种物理量，如位移、速度、应力、应变和载荷等，为获得最优的模具设计、最合理的工艺方案和最少的试模时间提供了技术保证。

　3、CAD/CAE/CAM在级进冲模领域的应用

国外级进模CAD/CAE/CAM的研究始于上世纪60年代末，70年代便有初步应用，但仅限于二维图形的简单冲裁级进模，其主要功能如条料排样、凹模布置、工艺计算和NC编程等。弯曲级进模CAD/CAM系统出现在80年代，如日本日立公司和富士通公司的弯曲级进模系统等。为了能够适应复杂模具的设计，富士通系统采用了自动设计和交互设计相结合的方法，在该系统中除毛坯展开、弯曲回弹计算和工步排序为自动处理外，其余均需要设计人员的参与。应用三维几何造型技术的级进模系统始于80年代末，如美国Auto-trol公司的Die-Design系统，该系统采用三维几何模型来描述钣金零件，并将三维图形技术应用于模具结构设计，显示出三维图形软件在模具设计中的重要作用。进入90年代，国际著名商品化三维CAD/CAM系统，如美国的Pro/E、UG-II、 CADD5、Solidworks、MDT等均陆续在模具界得到应用。美国PTC公司基于Pro/E系统开发了钣金零件造型模块Pro/Sheet Metal。UG Solution公司在UG-II的基础上开发了同类型的模块UG/Sheet Metal。以上两个系统都缺乏面向级进成形工艺及模具结构设计的专用模块，但这方面的工作进展很快，有的已经初见成效。

美国Computer Design公司开发的级进模软件Striker Systems是销售量较大的商业化CAD/CAM系统，包括钣金零件造型（SS-DESIGN）、毛坯展开（SS-UNFOLD）、毛坯排样（SS-STRIP DESIGN），模具设计（SS-DIE DESIGN）和数控加工（SS-WIRE、SS-PROFILE）等模块。该系统支持钣金零件的特徵造型，虽已具有某些自动化设计的功能，但其设计过程仍以交互操作为主，目前只适用于弯曲冲裁级进模的设计。

本世纪之初，美国UGS公司与我国华中科技大学合作在UG-II（现为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。该软件包括工程初始化、工艺预定义、毛坯展开、毛坯排样、废料设计、条料排样、压力计算和模具结构设计等模块。具有特徵识别与重构、全三维结构关联等显著特色，已在2003年作为商品化产品投入巿场。我国从上世纪90年代开始，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。如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徵的级进模CAD/CAM系统HMJC，包括钣金零件特徵造型、基于特徵的冲压工艺设计、模具结构设计、标准件及典型结构建库工具和线切割自动编程五个模块。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。近年来，国内一些软件公司也竞相加入了级进模CAD/CAM系统的开发行列，如深圳雅明软件制作室开发的级进模系统CmCAD、富士康公司开发的用于单冲模与复合模的CAD系统Fox-cad等。

4、CAD/CAE/CAM在汽车覆盖件模具领域的应用

国际上最早开展汽车覆盖件模CAD/CAM系统研究与开发的是各个大汽车制造公司。早在1965年日本丰田汽车公司已将数控技术用于汽车覆盖件的模具加工，取得了很好的经济效果。上世纪80年代丰田汽车公司所采用的汽车覆盖件CAD/CAM系统包括了NTDFB和CADETT两个设计软件及加工凸、凹模的TINCA软件，可完成车身外形设计、车身结构设计、冲模CAD、主模型与冲模加工和夹具加工等任务。据报道，该系统投入使用后可使丰田公司的汽车覆盖件成形模设计与制造时间减少50%，本世纪之初丰田汽车公司又采用了美国PDC公司基于Pro/E软件平台开发的面向拉延模设计的专业化软件Pro/Dieface。美国通用汽车公司依托美国UGS公司在UG-II软件平台上也开发了用于汽车覆盖件模具设计的专用模块，如钣金件设计、车身设计、复盖件冲压工艺设计（包括冲压方向选择、工艺余量补充、压边面形状设计和修边线确定）和模具结构设计等，目前该系统正处于试运行阶段。与此同时，美国福特汽车公司、英国PSF公司、日本获原铁工所、富士铁工所等国外生产汽车覆盖件模具的公司也开发了各自的专用的汽车覆盖件模 CAD/CAM系统。  

国内如湖南大学、吉林大学和华中科技大学等单位近几年来对汽车覆盖件模CAD/CAE/CAM技术进行了系统而深入的研究，取得了许多可喜的成果。湖南大学以先进冲压CAE技术为突破口，开发出一套包括冲压工艺设计和汽车覆盖件模具设计和制造的系列化软件。其冲压仿真CAE自动建模系统CADEM- I能够利用模具表面数控轨迹数据作为网格生成的几何数据源，使建模效率成倍的提高，对于汽车覆盖件成形，在同样精度下可使仿真模型网格单元减少近20% ~40%。冲压仿真CAE系统CADEM-II采用先进的理论和算法，在保证冲压件大变形计算精度的前提下显著地提高了分析速度。冲压工艺分析与设计系统 CADEM-III采用壳体失稳理论预测覆盖件成形中的起皱趋势，采用基于仿真的毛坯反算技术，实现了复杂零件的毛坯形状和尺寸的迭代反求。华中科技大学模具技术国家重点实验室最新推出的汽车覆盖件冲压成形快速分析软件FASTAMP，基于改进的有限元逆算法和板壳单元，综合考虑了摩擦、压边力和拉深筋等工艺条件，将产品设计、材料选择和工艺设计紧密联系起来，能够快速模拟汽车覆盖件成形后的起皱、破裂和成形不足等缺陷，优化压边力、拉深筋和摩擦等工艺参数、校核压料面和工艺补充面的合理性、提供最优的毛坯形状，从而可以为汽车覆盖件工艺设计和模具设计提供全面的解决方案。  

　　5、CAD/CAE/CAM在塑胶模具领域的应用

从上世纪60年代基于线框模型的CAD系统开始, 到70年代以曲面造型为核心的CAD/CAM系统，80年代实体造型技术的成功应用，90年代基于特徵的参数化实体/曲面造型技术的完善，为塑胶模采用 CAD/CAE/CAM技术提供了可靠的保证。目前在国内外巿场已涌现出一批成功应用于塑胶模的CAD/CAE/CAM系统。国外一些著名的商品化三维造型软件都带有独立的塑胶模设计模块，如美国PTC公司的Pro/E、UGS公司的UG-II、SDRC公司的I-DEAS系统。这三个CAD/CAM系统目前在塑胶模具工业中的应用最为广泛。此外还有美国CV公司的CADDS系统、法国MATRA公司的EUCLID系统、法国 DASSAULT公司的CATIA系统、英国DELCAM公司的DUCT系统、日本造船信息系统株式会社的Space-E系统和日本UNISYS株式会社的CADCEUS系统等都各具特色，拥有各自的用户群。  

塑胶模CAE技术的发展也十分迅速，从上世纪60年代的一维流动和冷却分析到70年代的二维流动和冷却分析再到90年代的准三维流动和冷却分析，其应用范围已扩展到保压分析、纤维分子取向和翘曲预测等领域并且成效卓着。塑胶模CAE商品化软件中应用最广泛的当数美国Moldflow公司的模拟软件MF，该软件主要包括流动模拟（MF/FLOW）、冷却分析（MF/COOL）、翘曲分析（MF/WARP）、气辅分析(MF/GAS)和应力分析（MF/STRESS）等。  

近十余年来，我国对塑胶模CAE技术也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。如华中科技大学模具技术国家重点实验室在最近推出的商品化塑料注射成型集成化仿真系统HSCAE6.10，经历了从二维分析到三维分析，从实用化到商品化，从局部试点到大面积推广应用的进程，已成为塑胶制品设计、模具结构优化和工程师培训的有力工具，HSCAE仿真系统目前已在国内80多家工厂和学校推广应用。

　　二、模具行业解决方案解读

分析国内主流CAD/CAM软件厂商以及PLM供应商，能看到许多模具行业解决方案。2008年，多个软件的新版本中针对模具行业新增了很多功能。

法国Missler软件公司的TopSolid软件是一款高度集成的CAD/CAM/ERP软件，包含了产品设计、二维工程图、加工、工艺、管理等一系列模块，并且这些模块之间能够实现完全无缝的集成。TopSolid有注塑模具模块TopSolid'Mold和冲压模具模块TopSolid'Progress。TopSolid'Mold 2008版本细化了分模及分模检查功能，并可直接将模具产品导入到MoldFlow进行模流分析，充分保障用户模具设计的可行性与合理性。深圳市模具技术学会专家委员罗百辉评价TopSolid'Progress 2008为级进模具的协同设计提供了全新的设计手段。用户可以通过新的"调入模具"命令，调入另一个模具文件中需要的部分，并在此基础上进行接下来的设计工作。同时，TopSolid'Progress 2008进一步加深与AutoForm的集成，并在专业功能有很多改进。

以色列SolidCAM公司发布SolidCAM2008 R12中文版，其中车铣复合与铣车复合功能的应用细分、车/铣复合机床仿真、HSS高速曲面加工、叶轮五轴加工专项模块、三坐标检测自动编程软件CMM，所有这些功能的增加都将极大提高使用者的行业竞争力。巩固了该软件在产品加工和模具制造领域的领先地位。

西门子PLM发布的NX6中，加强模具设计与Teamcenter之间的集成。同时，在协同设计、概念设计、镶块设计、分析验证等方面均有不少改进。其中，镶块设计是NX 6提供的模具设计工具，可把镶块体迅速拆分为子镶块，并且自动添加镶块固定脚。需要说明的是，西门子PLM利用NX强大的CAD/CAE/CAM功能，以Teamcenter数据管理平台为依托，对模具产品开发周期的数据和流程进行管理，为企业提供了模具工艺规划、可成形性分析、模具设计和校验以及模具制造全面的数字化解决方案，这种一体化的解决方案有利于最大限度提高模具生产周期。

Cimatron公司的完整解决方案可实现从模具报价准备到模具设计与制造的整个制造过程。2008年4月，Cimatron正式推出CimatronE8.5版本。该版本解决了冲压模设计过程中最具挑战性的任务--创建过渡的展平平面，并在平面上进行展平操作。同时，CimatronE8.5把CADENAS目录部分加入到模架库，并增加了许多新的标准件，大大缩短模具设计周期。

Delcam PowerMILL9新增3D曲线加工功能使得加工冲压切边模更加便捷。支持的典型数据是3D曲线，而不再借助曲面或者实体。曲面投影精加工策略实现螺旋加工，5轴旋转轴运动光顺，可提高所有五轴加工策略的加工质量。此外，Delcam 的另一款产品--ArtCAM 软件产品系列则是专门针对复杂立体三维浮雕设计和模具造币设计与加工CAD/CAM软件解决方案，其应用面扩展到了传统制造业之外。

PTC针对模具行业推出"快速报价解决方案"，主要立足于模具行业，从整体解决方案的角度，帮助模具企业建立标准化、程序化、规范化的报价流程，在快速且准确地回应询价的基础上，保证其利润空间。

TD Tooling是模具CAD/CAM市场的新进入者。北京艾克斯特与think3公司合作推出TD系列产品，其第一个行业解决方案TD Tooling就是针对工模具行业的。TD Tooling独创的全局形状建模技术（GSM）以及区域建模技术，允许用户对复杂的模型进行实时的修改。TD Tooling还提供常用的3D组件库、广泛的数据转换接口、与TD PLM完全集成。

据悉，山大华天、中创软件于2008年5月引进日本UEL技术，三方将共同研发具有自主知识产权的三维CAD/CAM软件系统。在其即将推出的CAD/CAM软件系统中也将提供模具设计与制造的特有功能，相信该软件也会在2009年的模具行业大展拳脚。

另外，随着数控技术在我国迅猛发展，传统的试切工作流程已经不能适应现在数控技术要求，当模具企业除了采取CAD/CAM技术加快模具设计及制造周期外，数控代码验证、仿真与优化功能还将进一步缩短模具生产周期，CGTech公司的VERICUT软件就是一款不错的软件产品。

　　三、CAD/CAM的未来发展趋势 

　　1、集成化

　　集成化是CAD/CAM技术发展的一个最为显著的趋势。它是指把CAD、CAE、 CAPP、CAM以至PPC（生产计划与控制）等各种功能不同的软件有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，保证系统内部信息流的畅通并协调各个系统有效地运行。国内外大量的经验表明，CAD系统的效益往往不是从其本身，而是通过CAM和PPC系统体现出来；反过来，CAM系统如果没有CAD系统的支持，花巨资引进的设备往往很难得到有效地利用；PPC系统如果没有CAD和CAM的支持，既得不到完整、及时和准确的数据作为计划的依据，订出的计划也较难贯彻执行，所谓的生产计划和控制将得不到实际效益。因此，人们着手将CAD、CAE、CAPP、CAM和PPC等系统有机地、统一地集成在一起，从而消除"自动化孤岛"，取得最佳的效益。

　　2、网络化

　　21世纪网络将全球化，制造业也将全球化，从获取需求信息，到产品分析设计、选购原辅材料和零部件、进行加工制造，直至营销，整个生产过程也将全球化。 CAD/CAM系统的网络化能使设计人员对产品方案在费用、流动时间和功能上并行处理的并行化产品设计应用系统；能提供产品、进程和整个企业性能仿真、建模和分析技术的拟实制造系统；能开发自动化系统，产生和优化工作计划和车间级控制，支持敏捷制造的制造计划和控制应用系统；对生产过程中物流，能进行管理的物料管理应用系统等。

　　 3、智能化

　　人工智能在CAD中的应用主要集中在知识工程的引入，发展专家CAD系统。专家系统具有逻辑推理和决策判断能力。它将许多实例和有关专业范围内的经验、准则结合在一起, 给设计者更全面，更可靠的指导。应用这些实例和启发准则，根据设计的目标不断缩小探索的范围，使问题得到解决。

　结语

综上所述，模具行业因设计、制造的特殊性，对信息化技术提出了个性化需求，CAD/CAM与模具加工己形成了相互促进的局面。模具行业的高增长和对信息技术的高需求似乎成为了CAD/CAM厂商和PLM厂商的必争之地。深圳市模具技术学会专家委员罗百辉预测，2009年模具行业CAD/CAM市场的争夺战将更加激烈。

作者简介

简介:罗百辉，70年代人，出生湖南衡阳，中华全国总工会成员，企博网优秀职业博客，价值中国最具影响力百强专家，模具专家论坛版主，中国专家网模具专家，深圳市模具技术协会专家委员，北京华通人力资源管理咨询公司、中国机械人才网、《东方模具》杂志社等多家工业媒体专家顾问/编委，清华大学盛景商学院MBA，制造业资深职业经理人。在多家制造型企业先后任工程师、工程技术部经理、制造副总、分公司经理等职。在工程技术、生产制造、人事行政、品质、财务、营销战略、工厂筹建等方面有多年的全盘实战管理经验。

 资源与优势:

①.1996年南下广东，先后跻身珠三角长三角等制造业发达的经济圈，早期曾自行开发PaulCAD设计软件提升业界设计效率，并入编中国网络名人世界、环球人物资料库、中国IT模具产业概念整合先锋，作为中国国际经济发展研究中心行业特邀研究员，对珠三角、长三角、京津环渤海及西部经济圈的制造业有一定的研究。

②.在多家制造型企业先后任工程师、工程技术部经理、制造副总、分公司经理等职。在工程技术、生产制造、人事行政、品质、财务、营销战略、工厂筹建等方面有多年的全盘实战管理经验。

③.美国Nitron专家组成员、中国精英网注册认证会员、中国谋士联盟专家、北京华通管理咨询公司培训顾问,同时也是步步为赢国际训练机构、湖南培训在线.com经理人俱乐部推荐职业经理人，培训领域涉及企业战略、团队管理、营销策划、人力资源、采购物流、沙盘模拟、资格认证、语言培训、专业技能、拓展训练、总裁研修、项目管理、个人技能等。

④.成功地利用博客优势建立了广泛的价值人脉和图书出版资源,是价值中国网及模具网、国际模具网、长三角模具网等工业媒体专栏作家,已经出版有《冲压模具技术问答》、《生产管理工具箱》，作品《企业管理九段位》入编《中国管理年鉴》创刊版。

⑤.在全国各制造和管理类核心期刊杂志自由撰稿，是《模具制造》、《中国模具》、《中国机械与金属》、《现代模具工业》、《现代金属加工》等多家行业杂志特约专栏作家。已发行的代表作品有：《行业综述：中国IT模具产业发展现状与趋势》、《专家视点：模具企业生产营销阶段成本控制》、《专家视点：模具企业库存与采购成本的控制分析》、《特别策划：全方位置的质量管理》、《外发冲模加工质量的控制》、《冲模维修存在的问题及其对策》、《模具企业如何实施成本控制》、《如何实施冲压模具的寿命管理》、《模具精度概论》、《金融危机下的中国制造企业营销转型策略》、《IT模具产业：品牌经营 可持续发展》、《模具精度决定企业竞争力》、《TopSolid 2009：中国制造业旗舰级解决方案》、《常用冲压材料的特点及应用指南》、《影响冲压运转率的因素及解决对策》、《六种领导风格，你属哪一类》、《现代企业管理的12个指南针》等文章。