模具制造工艺设计及CAPP系统的研究

作者：熊建武周进

1、模具制造工艺设计概述

1.1 工艺设计工艺设计是优化配置工艺资源，合理编排工艺过程的一门艺术，是生产中的关键性工作。工艺设计的主要任务是为被加工零件选择合理的加工方法和加工顺序，以便能按设计要求生产出合格的成品零件。工艺设计的主要内容有：(1)选择加工方法及采用的机床、刀具、夹具和其他工装设备等；(2)安排合理的加工顺序；(3)选择基准，确定加工余量和毛坯，计算工序尺寸和公差；(4)选用合理的切削用量；(5)计算时间定额和加工成本；(6)编制包含上述所有资料的工艺文件。

工艺设计包含的内容和基本流程为：设计部门(设计图纸)工艺部门(工艺审查记录单)，设计部门(设计修改)、工艺部门(工艺总方案)一设备、工装、物资准备*试制、产品设计图纸、工艺文件定型。

1.2 模具制造工艺设计特点由于模具零件形状的复杂性及特殊性，在实践中，很难将其制造工艺按某种固定的模式进行编制。各厂家因其设备状况、技术水平不同，对相同的模具零件，所编制的工艺也可能完全不同。同一个模具零件可以有多种不同的加工工艺，制定制造工艺时需要考虑的因素多，很难确定一个通用的工艺方案。跟一般机械制造相比，模具制造工艺的明显特点是：(1)模具是一种典型的面向订单的单件产品，几乎每一次生产都带有试制性，需要经过设计、制造、试模、修模的多次反复，而且经验依赖性强。(2)相关的模具零件间经常需要配做，加工工序相互关联。(3)模具零件材料硬度高，制造质量要求高。

常用的模具的加工方法主要有机械加工和特种加工两种。常用的机械加工有车削、铣削、刨削、磨削。常用的特种加工有电火花成形加工与电火花线切割加工。

模具制造工艺设计需要考虑的因素较多，一般包括：(1)模具的类型、结构。模具按其工作方式可以分为刃口类和成形类两种，其中刃口类主要包括冲裁模，成形类包括成形冲模、锻模、压铸模和注塑模等。刃口类模具的工作零件通常需要采用电火花线切割加工，而成形类模具的工作零件通常需要采用电火花成形加工。(2)零件的结构形状、尺寸大小、零件表面加工精度和表面粗糙度的要求。由于获得同一表面的加工方法往往有若干种，实际选择时还要结合模具的类型、零件的结构形状、尺寸大小以及材料和热处理的要求全面考虑。例如对于IT7级精度的孔，采用镬削、铰削、拉削和磨削均可达到要求，但型腔体上的孔，一般不宜选择拉削和磨削，常选择镇孔或铰孔，孔径大时选择镬孔，孔小时选择铰孔。(3)零件材料的性质。材料的性质对加工工艺的选择也有影响。例如淬火钢应采用磨削加工，有色金属零件，为避免磨削时堵塞砂轮，一般采用高速铣或高速精密车削进行精加工。(4)生产效率和经济性的要求。大批量生产时，应尽量采用高效率的先进的工艺方法，如内孔和平面可采用拉削取代普通的铣、刨和锤孔方法。此外，任何一种加工方法，可以获得的加工精度和表面质量均有一个范围。但只有在一定的精度范围内才是经济的，这种一定范围的加工精度，即为该种加工方法的经济精度。选择加工方法时，应以零件的精度要求选择与经济精度相适咸的加工方法。例如IT7级精度、表面粗糙度Ra值为0.4的外圆，通过精车虽可到达要求。但在经济上就不如磨削合理。(5)企业的设备情况和技术条件。模具加工工艺既要满足模具零件的技术要求还要与现场制模条件、技术水平相适应。

因此，模具制造中，同一个模具零件可选择的工艺路线很多，不存在普遍通用的工艺路线。

2.模具CAPP系统的功能分析

模具CAPP系统中的大量工艺数据是安排和组织生产的依据，同时也是设备、劳资、生产、财务等部门管理的依据，CAPP系统中工艺数据至关重要的。作为企业信息化建设中的一部分，CAPP应从设计、管理、集成等多方面来解决企业的工艺设计问题。

为了适应极其错综复杂的制造环境，模具企业工艺设计对CAPP系统提出以下功能要求：

(1)模具产品结构的描述。基于产品结构进行工艺设计，可以直观、方便、快捷地查找和管理工艺文件。模具CAPP系统应能完整地描述模具各组成零件及其相互关系，为模具工艺规划提供必要的模具零件几何特征和结构描述信息。

(2)资源的利用。所谓资源就是工艺设计需要支配工艺资源数据(设备、工装物料和人力等)，需要应用工艺技术支撑数据(工艺规范、国家/企业技术标准)，需要参考工艺技术基础数据(工艺样板、工艺档案)。CAPP系统应广泛而灵活地提供资源内容和资源使用方式。

(3)工艺设计及管理。模具工艺设计过程包括工艺管理、工艺设计、工艺汇总、工艺设计管理、工艺设计流程、工艺设计的后处理、工艺标准化、客户化加工工艺信息的描述等。由于不同的用户可能采用不同的工艺信息描述格式，模具CAPP系统应能完整地描述模具组成零件的加工工艺，以便根据需要，转换成不同的工艺文件格式如工艺过程综合卡、机械加工工艺卡和机械加工工序卡等。

(4)设备资源信息的描述。工艺人员对模具零件进行工艺规划时，需根据设备资源信息确定相应的工艺路线。模具CAPP系统应能完备地描述设备的信息，包括静态信息和动态信息(静态信息主要包括设备的加工能力描述和设备的管理信息描述，动态信息主要是对设备负载情况的描述)。

(5)工艺规划的协同性和并行性。一副模具通常由数十个甚至上百个零件组成，若所有的工艺设计(包括工艺路线的制定、作业指导书设计、工序图绘制、工装设计、数控程序设计、工时额定、热加工等辅助工艺设计等)由一个人单独完成，则需花费较长的时间。模具CAPP系统应提供支持多用户同时操作的功能，允许不同的设计人员同时对不同的模具零件进行工艺设计，或同时对多副模具的零件进行工艺设计，即协同模具工艺规划。

(6)工艺规划的实时性。模具生产中，零件间的制造工艺联系密切，当调整某个零件的工艺设计方案时，应允许工艺人员随时修改相关零件的加工工艺，以便快速响应模具生产现场的变化或设计变动所造成的工艺修改要求。

(7)支持异地多任务、多角色协同设计。现阶段很多模具企业并不具有加工模具零件所需的全部加工设备，企业之间的协作关系普遍存在。通过模具CAPP系统，不同地区的设计人员可以同时对同一副模具的零件进行工艺设计与制造，或对某个复杂零件的制造工艺进行探讨。

作为一个实用的CAPP系统除了需要具备上述基本功能外，还要包括一些更智能的功能，如实现工艺设计所需信息的描述和代码化，将工艺设计所需信息的数据结构型式的合理制定等等。

3.模具CAPP系统开发原则

目前，国内计算机辅助工艺设计的应用还处于推广阶段。由于计算机在模具企业生产工程中的应用还刚刚起步，很多企业还是空白，因此，开发模具CAPP系统应注意以下几个开发原则：

(1)企业需要安装简便、人机界面友好的CAPP系统。操作复杂，数据准备和系统调试时间长，需要大量培训才能使用的CAPP系统很难让用户接受。

(2)实用性强的CAPP系统。操作使用应符合工艺设计人员的工艺设计习惯，使之能迅速掌握。这样CAPP系统才在企业中能得以推广。

(3)开放性好的CAPP系统。模具CAPP系统应采用独立的工艺设计知识库，不同的模具企业可通过修改工艺设计知识库，使CAPP系统实现工艺决策客用户化。随着模具加工设备的更新，新加工工艺的采用，将产生新的工艺方案。因此，CAPP系统应能较快的实现系统升级和功能扩展。由于制造环境的多样和复杂，应当提供用户一个可以构造适合于本企业模具制造环境的CAPP平台系统，当用户实际的经验与系统的解答不一致时，系统的推理和决策方法能方便地被用户修改。

(4)具有较好柔性的CAPP系统。能适应企业不同的产品和生产要求，能满足不同的经营目标和生产计划方案。

(5)能满足模具集成制造的要求。集成化发展是现代制造业的发展趋势，也是CAPP系统的发展趋势，开发模具CAPP系统时应确保系统的底层数据结构符合集成要求。

(6)模具CAPP系统要考虑国内企业的管理模式。

4.模具CAPP系统的系统框架

模具零件工艺设计是一个复杂的工程问题，建立基于知识的模具CAPP系统时，一方面要采用合适的模型来描述和表达实际工程问题，另一方面还应考虑具体的制造资源、工艺设计人员的经验和技巧、系统的实用性以及系统与其他CAPP子系统的接口、交互等各种因素。基于知识的模具CAPP系统既包含基于实例库、工艺设计知识库的工艺生成，又包含基于人机交互式的工艺生成，可用性强，搜盖面比较广，既有针对性，又有一定的通用性刚。

系统采用B/S结构，通过局域网络，便于数据共享和管理，其中数据是以数据库的形式存放在后台服务器上，后台数据库和前台客户端应用软件以及连接前后台的网络共同构成模具CAPP系统。

4.1 工艺设计工艺设计工具主要功能是加载项目对应的模具信息，创建模具ROM树，通过工艺设计向导进行工艺设计。工艺设计向导提供了基于操作的设计导航功能。基于操作的设计导航是以“操作”作为设计活动的基本单元，以“数据”作为设计活动的对象和结果，通过建立数据与数据、数据与操作以及操作与操作之间的关联关系，以工艺数据的快速生成、快速定位、快速获取和合理重组为主要手段，对工艺设计进行动态导航和柔性导航，进而提高工艺设计的效率和水平。工艺设计向导包含基于典型零件的设计向导和基于知识库向导两部分。工艺设计工具中提供了工艺设计帮助资料在线查询功能，设计人员可以在线查询常用设计资料，并提供工艺表格填写功能。

4.2 报表输出模具CAPP系统的打印中心，可枪出打印各类文件，包括工艺卡、零件图、各种工艺管理文件以及其他文件。

4.3 查询统计提供对系统各类资源的查询与统计，包括基础库信息、工艺以及模具零件信息等。

4.4 知识库编辑为了方便系统升级、满足实际使用，需要对系统知识库进行更新，模具CAPP系统提供方便快捷的知识库编辑功能，主要包括工艺实例库和工艺设计知识库内容的删除、更新、增加等。

4.5 系统管理系统管理包含有以下功能：(1)数据安全管理功能，对在系统中使用的数据利用数据库进行合理组织，并按照数据安全规则进行管理。(2)用户权限管理，用户权限可分为超级用户、工艺设计、工艺审核、工艺查询和数据库维护。(3)基础库维护，对系统的基础资源如设备库、人员库等进行维护、升级。(4)工艺审核，模具CAPP系统可对工艺设计、校对、审核、会签、批准及更改流程进行控制和管理。(5)产品树管理，管理部门从产品开发部门获取相关零件清单，即零件产品结构树。由于产品数据的唯一性，模具开发部门须拷贝该产品结构树，形成其自身的产品结构树。在该结构树中，模具设计人员可在该结构树上擂人零部件、浏览零部件信息、修改零部件信息。以产品树作为零部件的组织方式，结构清晰，易于管理，且易于查找相似工艺。

4.6 帮助对系统使用人员进行各类帮助导航。基于知识的模具CAPP系统具有如下帮助功能：

(1)模具零件工艺规划的实时性及数据一致性。在模具的生产过程中，经常会遇到一些无法预侧的加工需求，如设计变更、制造缺陷、试修模反馈等，系统允许工艺人员随时修改相关零件的加工工艺，以便快速响应模具生产现场的变化或设计变动所造成的工艺修改要求，系统除了及时根据需要更改零件的加工工艺外，还能够保证这种修改与相关零件加工工艺的一致性。

(2)模具加工工艺规划的协同性和并行性。一幅模具通常由数十个甚至上百个零件组成，系统允许不同的设计人员同时对不同的模具零件进行工艺设计，或同时对多副模具的零件进行工艺设计，可极大地缩短模具零件的工艺编制周期。不同的设计人员可以查看零件的设计结果，并提出设计修改意见，在通过审核后，把工艺文件存放到模具工艺库中。

(3)用户终端界面统一。系统采用B-S体系结构，用户端使用单一的Browser软件，界面统一，维护工作简单，设计人员可以在不同的地理位置进行设计，进行实时交流。工艺审核人员以及模具加工人员能随时查看设计结果，提出反馈意见。

(4)系统结构开放。CAPP系统作为模具ERP系统的一个子系统，提供了与其它系统的接口，能够与其他系统很好地集成，实现信息共享。

(5)实用性强。系统工艺设计以交互式工艺设计为主，利用各种工艺知识库，借助于计算机及其他方法，简化了模具工艺卡的编制。

5.结语

从模具工艺设计、制造工艺的特点出发，分析模具CAPP系统的功能需求，结合系统开发原则，提出了基于Web的模具CAPP系统的框架。

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