模具CAD/CAE/CAM一體化教學實驗研究

俞彥勤, 劉 輝, 鄒佳鵬

(華中科技大學 材料科學與工程學院, 湖北 武漢 430074)

模具CAD/CAE/CAM即模具計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助分析(CAE)、計算機輔助制造(CAM),是一項應用現代數字技術改造模具傳統技術的重要關鍵技術[1],是計算機技術與傳統模具制造業高度融合的產物[2],也是材料成形智能化的重要內容[3]。該技術的應用實現了模具或材料成形制件的高效、精確、優質,極大地推動了模具工業的發展。在“中國制造2025”計劃背景下,我國制造業急需掌握模具CAD/CAE/CAM技術的人才。高校的實驗教學環節應順應這一發展趨勢,著力培養具有學習能力、實踐能力、創新能力的相關技術人才,以滿足制造業對這類人才的需求[4]。

1 模具CAD/CAE/CAM一體化實驗課程體系的構建

1.1 課程特點

模具CAD/CAE/CAM一體化實驗課程是為材料卓越計劃實驗班和材料成形及控制工程專業本科班設置的。該課程具有以下特點：

(1) 它是材料成型基本理論與模具設計及制造實踐的結合；

(2) 它是傳統材料加工工藝與現代數字化技術的結合；

(3) 它是材料加工基礎專業知識與前沿智能制造技術的結合；

(4) 一體化[5]即CAD、CAE、CAM一體化；

(5) 教學內容綜合性強、知識密集,涉及包括機械工程、材料加工工程、計算機科學與技術、自動控制工程、測試技術、快速成型技術、模擬仿真技術等多領域及多學科交叉知識。

鑒于以上特點,模具CAD/CAE/CAM一體化實驗課程,時間可安排在學生進行專業及專業基礎課理論學習、專業基本實踐及基礎實驗課之后、畢業設計之前進行,比如安排在大學四年級的上學期。實驗課程類可定位于綜合性、設計性、創新性的“三性”高層次。表1為模具CAD/CAE/CAM一體化實驗課程計劃表。

表1 模具CAD/CAE/CAM一體化實驗課程計劃

1.2 教學現狀

由于模具CAD/CAE/CAM一體化實驗課程是一門跨學科、綜合性強、知識密集的應用型課程,在課程體系、教學方式、教學內容、教學手段、教學環境等諸方面面臨很大挑戰。目前國內許多高校對該課程的教學進行了大量的探索及研究[6-14]。原先開設的模具CAD實驗、成形工藝模擬實驗(CAE)、模具CAM實驗等,受實驗平臺之間的壁壘限制,各實驗教學內容彼此孤立,關聯性不強,致使一些實驗“碎片”化、“孤島”化,或實驗內容“冗余”化,很難符合綜合性、研究性、創新性的要求,極大地影響了學生實驗課的積極性和創造性。因此,針對現有模具CAD/CAE/CAM實驗課程,從體系、內容、手段等諸方面進行改革與創新尤為重要和迫切。

1.3 實驗教學體系的構建

針對現有模具CAD/CAE/CAM實驗課程運行中存在的突出問題,對模具CAD/CAE/CAM綜合實驗課程的實驗體系、實驗內容、實驗方法進行深入研究,通過科學合理的規劃,探索研究出體系完備、內容充實、實驗手段多樣化的模具CAD/CAE/CAM一體化教學實驗,其體系構建流程如圖1所示。

圖1 模具CAD/CAM/CAE一體化實驗體系構建

實驗體系構建的基本思路是：以典型沖壓件為紐帶,運用三維計算機設計軟件,設計出沖壓模具(涵蓋復合模、級進模),即“模具計算機輔助設計(CAD)實驗”； 在進行模具計算機輔助設計的基礎上,對材料成形工藝進行計算機模擬仿真,檢驗成形工藝及模具設計的合理性,即“成形工藝計算機數值模擬(CAE)實驗”；對模具主要工作零件進行數控編程(減材制造)以及零件的快速成型(增材制造),即“模具計算機輔助制造(CAM)實驗”；最后,利用制造的范例模具,在數控沖床上加工出所選定的沖壓件,即進行“成形工藝物理模擬實驗”。

2 模具CAD/CAE/CAM一體化實驗的內容

2.1 三維建模實驗

2.1.1直接建模

向學生提出實驗任務的沖壓零件二維工程圖,如圖2所示,要求運用CAD三維軟件進行直接建模。

圖2 沖壓零件二維工程圖

2.1.2 間接建模

直接提供實物零件,要求利用反求設備及逆向工程技術進行零件反求建模。

通過以上直接建模或逆向間接建模2種方式,得到沖壓件的三維數字模型,如圖3所示。

圖3 沖壓件三維模型圖

2.2 模具計算機輔助設計(CAD)實驗

根據上述沖壓件三維模型,利用NX設計PDW模塊,進行模具計算機輔助設計,學生可以自行選擇成形工藝方案或不同的工序組合來進行模具設計,例如采用先落料后拉伸,或先拉伸后落料等不同工藝方案,也可以采用不同模具如復合模(見圖4(a))、級進模(見圖4(b))等來完成零件的成形。

圖4 模具三維造型圖

2.3 成形工藝計算機數值模擬(CAE)實驗

經過不同的工藝方案及不同工序組合的模具設計后,運用板料成形模擬軟件對已確定的工藝進行計算機輔助分析,例如分析成形時的應力應變、成形極限圖、成形載荷等,還可預測分析零件成形過程可能出現的缺陷,如拉裂、變薄、彎曲回彈等,從而對工藝及其設計的模具進行校驗及修改。圖5為零件彎曲變形模擬分析圖。

圖5 彎曲工藝模擬分析圖

2.4 模具計算機輔助制造(CAM)實驗

減材制造。將所設計模具的主要工作零件,運用NX制造模塊生成的加工程序,在數控雕銑機上進行減材制造,如圖6(a)所示。

圖6 模具零件的制造

增材制造。從所設計模具的主要工作零件模型,導出為.STL格式的數據文件,在擁有自主知識產權的HTS系列[15]FDM快速成型機上完成模具零件的增材制造,如圖6(b)所示。

將數控加工(減材制造)與快速成型(增材制造)進行對比,使學生掌握兩種加工方法各自的特點、原理、運用場合等,有利于學生對現代模具制造專業知識的融會貫通。

2.5 成形工藝物理模擬實驗

利用制造的范例模具,在數控沖床上加工出指定的沖壓件(圖7),即進行成形工藝物理模擬實驗,并結合計算機數值模擬(CAE)部分的預測,分析沖壓件產生缺陷的原因。

圖7 沖壓件成形

3 結語

通過模具CAD/CAM/CAE實驗教學體系的構建與創新,實現從沖壓件的數字模型到成形零件實物全過程(PLM)的實驗教學環節,讓學生“所見即所得”,培養學生良好的科技創新意識。整個實驗教學環節以學生為中心,提高了學生實驗的主觀能動性。實驗內容編排方面,以零件數據流“瀑布”式逐層推進,層次分明,時空排列有序,提高了學生的學習效率。

按照本實驗體系構架,學生可自行選擇不同的沖壓制件、不同的沖壓成形工藝組合來進行實驗,讓學生“主動實驗”, 激發學生實驗課的積極性和創造性。該實驗已應用于我校2014級材料成型及控制工程專業本科約200名學生中,教學效果良好。本實驗除應用于模具CAD/CAE/CAM大型一體化實驗之外,也可用于學生課程設計、畢業設計等教學環節的實驗。