隨著模具行業的迅速發展，用戶要求不斷提高，傳統的二維設計方式已經不能滿足企業對模具的生產周期、質量管理和成本控制的要求。使用三維設計技術，可方便地設計出符合要求的三維實體模型，并進行模型裝配和干涉檢查，避免存在結構性錯誤；同時，還可以采用CAE軟件對重要零部件進行有限元分析和優化設計，例如進行拉延成型模擬分析、壓彎回彈模擬分析、修邊展開尺寸模擬分析、斜楔機構運動模擬分析等；可以采用CAM軟件進行數控加工；可以進行產品數據共享與CAD/CAE/CAPP/CAM系統集成等。

三維實體設計技術在模具開發、生產周期、質量管理等方面具有特殊的優勢。目前，該技術在國外已經得到了廣泛的應用，基本實現了無圖生產。要提高我國的模具制造水平，必須有先進的設計方法，因此，可以說模具三維設計技術是提高模具企業競爭能力的主要手段之一。

模具三維設計系統的主要技術與功能

以我公司在UG軟件環境下的沖壓模具設計為例，主要的技術點及系統功能包括以下幾方面：

1、參數化模塊技術

模塊是結構標準化的具體體現，模具中的每一個結構都可以看作是一個模塊。各個模塊建模后，利用UG的裝配功能把模塊拼裝，便形成了模具。

通過分析模具的結構特征，參數化模塊技術將模具劃分為端頭、工作部件和基礎件等，并建立常用模具模塊參數化設計數據庫，如模具的端頭（圖1）、氣缸頂料合件、托料裝置等，其中端頭可以在一定形狀尺寸范圍內通用，同時針對模具中使用的標準件，設計開發一套完整的三維參數化標準件庫（圖2），與UG的集成環境有機結合，采用界面簡捷、直觀的圖形化菜單，操作方便，具有良好的人機交互性、可擴充性和可移植性。在標準件的建立過程中，通過知識驅動表達式，不但能改變標準件的規格，而且可改變其特征類型、增加或減少某些特征。在標準件中通過建立用于布爾操作的實體，從而實現了在裝配中與其他非標零件進行加減的操作，加快了模具結構實體設計的速度。

圖1 模具端頭結構

圖2  標準件庫

2、基于裝配的模具設計框架及BOM表的自動生成

模具是一種技術密集型產品，具有復雜的結構。模塊造型完畢后，如何方便、有效地進行數字模型的裝配設計、裝配分析（干涉及間隙）、保持裝配的關聯性和實際裝配的一次成功是模具開發者所追求的目標。參數化模板要求模塊之間的裝配應當采用約束定位，而且應盡可能地使用UG WAVE技術的相關拷貝功能。UG的裝配為虛擬裝配，應用統一的數據庫，將零件與裝配總成統一為整體，這與實際裝配更為相符。在模具裝配建模過程中，由于同時調入的部件數目較多，為了能夠提高建模效率，通常采用以下方法：

（1）調入引用集裝載部件（圖3）。在模具裝配調用時，只調入所需的引用集，從而提高裝載速度。

圖3  在裝配時引用集的使用方法
 

（2）顯示部件簡化。在裝配中常常有許多部件只需用一個簡單的幾何體表示即可，這樣可以大大簡化整個裝配模型的顯示，提高對裝配體的操作速度。

物料清單（BOM）生成模塊是模具設計系統和生產管理系統集成的一個關鍵模塊，用于為生產管理系統和工藝設計模塊提供BOM表，其功能是通過友好的人機界面以獲取模具零部件及其裝配關系，并轉換為相應的結構編碼，以便進行工藝規劃和生產管理。

BOM表以零件明細表為基礎，以交互的方式輸入工藝信息，能自動確定零部件結構編碼和工藝分類碼。#p#分頁標題#e#

3、知識融接技術的廣泛應用

UG的知識融接技術為設計者獲得和把握工程規則、設計意圖提供了一套強有力的工具。知識融接技術可以讓用戶基于設計準則，進行三維模型的快速檢查；基于定制的規則集，檢查模具是否完全符合工廠的質量標準，同時把設計意圖融于參數化模型中。

4、模具CAD/CAE/CAM一體化技術

圖4所示為模具CAD/CAM/CAE一體化技術流程。由該流程圖可以看出，整個CAD/CAM/CAE過程以3D模型為中心，模具設計、有限元模擬分析、模具CNC加工以及模具CMM（三坐標）檢測都完全基于這些3D模型的傳遞，從而避免了二維圖紙傳遞幾何信息的不準確性，使最終生產的零件和設計者的意圖保持高度一致。

沖壓模具三維設計系統的關鍵點

1、CAE技術的廣泛應用

利用CAE技術確定合理的沖壓工藝方案是提高模具企業市場競爭力的關鍵技術之一。該技術可對拉延件成形進行精確分析以及試沖板料尺寸的確定，同時對產品設計與工藝分析、提高模具特別是拉延模的成功率、縮短模具制造周期、提高模具質量都有顯著作用。

2、三維模具程序化結構設計

利用現有軟件功能可以實現三維模具結構設計，但設計周期較長。通過編程控制模具結構的設計，不僅要求技術人員具有模具設計知識，而且還必須具有計算機編程知識，關鍵在于要將模具設計知識融于計算機實現的可用數學模型中。

依托豐富的拉延模設計經驗和設計工程師、制造工程師的建議，我公司完成的典型拉延模結構設計建立了模具結構間的相互關系，如：單動拉延模根據壓料圈導向形式分為外導向和內導向，凸模分為整體凸模和分體凸模，凹模分為整體凹模和分體凹模等。這樣的排列組合基本能覆蓋單動拉延模的大部分結構。

3、基于關系表達式的標準化技術

我們還提出了大型模具端頭、大型非標斜楔實行標準化結構的技術方案。標準端頭的建立解決了模具部件的重復設計，如模具的導向部分、模具鑄件基準、加工基準、模具安裝壓板槽、起重部件、安全區等，用戶僅需更改其主要參數即可完成對模具端頭的設計。

在模具結構設計中，模具結構間普遍采用關系表達式，通過“表達式”的數學方程，“參數化”被傳遞到整個模具結構模型中，模具結構完全數字化。這些“表達式”由特征使用存儲實際值及關系，完全開放的環境使得用戶即使退出了該系統，依然可以對模具的尺寸參數進行修改。

4、基于知識的特征造型技術

在模具結構設計的實體造型過程中，往往存在著多達幾千個特征體和成百上千個參數需要用戶輸入。該系統在歸納、總結模具結構特征并進行分類的基礎上，以模具設計、制造的知識和經驗為依據，將結構特征參數劃分為主參數和輔助參數兩大類，并可建立主參數和輔助參數之間的約束關系。用戶只需調整少量的特征參數，系統就可以做出相應的響應，變更拓撲結構，完成所有結構特征的造型，并產生新的設計結果。

結語

圖5、圖6為我公司各種類型的模具三維設計成果。

圖5  日產左右側圍外板開卷落料模

圖6  神龍頂蓋拉延模

近三年來，我公司逐步推廣采用三維設計后，利用計算機的優勢，配合軟件工具、標準件庫等，使設計效率提高了40%以上，同時，模具設計的準確性、模具質量等都有了很大程度的提高，模具制造周期明顯縮短。