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1、第第1章模具章模具CAD/CAM的概述的概述1.1 模具模具CAD/CAM的基本概念的基本概念 1.2 模具模具CAD/CAM技术的优越性技术的优越性 1.3 模具模具CAD/CAM系统组成系统组成 1.4 模具模具CAD/CAM常用软件简介常用软件简介 1.5 模具模具CAD/CAM的发展及应用的发展及应用 1.6 模具模具CAD/CAM的发展趋势的发展趋势 复习思考题复习思考题 1.1 模具模具CAD/CAM的基本概念的基本概念CAD/CAM即计算机辅助设计(Computer Aided Design)和计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing)。CAD指工

2、程技术人员以计算机为辅助工具来完成产品设计过程中的各项工作，如草图绘制、零件设计、装配设计、工程分析等，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的。CAM有广义和狭义两种定义。广义CAM是指借助计算机来完成从生产准备到产品制造出来过程中的各项活动，包括工艺过程设计(Computer Aided Process Plan，简称CAPP)、工装设计、计算机辅助数控加工编程、生产作业计划、制造过程控制、质量检测与分析等。狭义CAM通常是指数控(Numerical Control，简称NC)程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成等。模具CAD/CAM是一

3、种基于计算机技术而发展起来的、与模具设计和制造技术相互渗透相互结合的、多学科综合性的技术。现代的模具设计与制造已将模具CAD/CAM技术融入生产中，利用各种数字和图形信息，对产品的设计及制造进行全方位的控制。1.2 模具模具CAD/CAM技术的优越性技术的优越性模具CAD/CAM技术的优越性是传统的模具设计制造方法所无法比拟的，具体表现如下：(1)可以提高模具的设计和制造水平，从而提高模具的质量；(2)可以节省时间，提高效率；(3)可以较大幅度地降低成本；(4)将技术人员从繁杂的计算、绘图和手工NC编程中解放出来，使其可以从事更多的创造性劳动。1.3 模具模具CAD/CAM系统组成系统组成1.

4、硬件系统硬件系统模具CAD/CAM技术的硬件系统主要由以下部分构成：(1)计算机主机。(2)外部存储器。常用的外部存储器有磁盘、移动硬盘、光盘等。(3)输入设备。模具CAD/CAM技术使用的输入设备主要包括键盘、鼠标、扫描仪、激光扫描仪等。(4)输出设备。模具CAD/CAM技术使用的输出设备主要包括图形显示器、绘图设备、快速成型机、数控生产设备等。2.软件系统软件系统模具CAD/CAM技术的软件系统可分为系统软件、支撑软件和应用软件三个层面。1)系统软件系统软件(System Software)是用户和计算机之间的接口，指的是在计算机运行状态下，保证用户正确而方便工作的那一部分软件。系统软件为

5、用户构造了一个有效管理计算机资源的良好环境，包括操作系统、汇编系统、编译系统及网络管理软件，如DOS、UNIX、LINUX、Windows等。2)支撑软件 模具CAD/CAM技术的支撑软件不针对具体的应用对象，而是为某一应用领域提供的通用软件。它主要包括图形处理软件、几何造型软件、数据库管理软件、优化设计软件、计算机仿真分析应用软件、数控加工软件、检测与质量控制软件等，如Pro/ENGINEER、SolidWorks、AutoCAD、CAXA等。3)应用软件应用软件就是为了解决用户某个领域内实际问题的程序系统。1.4 模具模具CAD/CAM常用软件简介常用软件简介CAD/CAM技术经过几年的发

6、展，先后经历了大型机、小型机、工作站和微机时代，每个时代都有当时主流的CADCAM软件。现在工作站和微机平台CAD/CAM软件已经占据主导地位，并且涌现出了一批优秀的商品化软件，成为CAD/CAM技术中的一个重要组成部分。下面将分别介绍国内外一些主流的大型CAD软件。1.4.1 国外优秀国外优秀CAD软件介绍软件介绍1.Pro/ENGINEERPro/ENGINEER(简称Pro/E)是一个面向机械工程的CAD系统，该软件提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念，改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念，在CAD/CAM领域属于领先技术并取得成功。Wildfire 2.0(也称野火版

7、)是Pro/E的最新版本，强化了设计功能的同时，改善了用户界面，使其更加友好、人性化和智能化，且提供了全面的计算机辅助模具设计与制造的解决方案，是我国模具CAD/CAM应用工程的主流产品之一。2.UnigraphicsUnigraphics(简称UG)是Unigraphics Solutions公司的拳头产品。该软件的特点是将优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面模型相结合。UG系统源于美国麦道飞机公司，历经多年的发展，汇集了美国航空航天与汽车工业的专业经验，形成了一个从低端到高端、兼有UNIX工作站版和Windows NT微机版的较完善的企业级CAD/CAE/CAM/PDM(Pro

8、duct Data Management)集成系统。3.I-DEASI-DEAS是美国SDRC公司开发的CADCAM软件，是高度集成化的CAD/CAE/CAM软件系统。它帮助工程师以极高的效率，完成产品设计、仿真分析、测试以及数控加工等产品研发全过程。I-DEAS在CADCAE一体化技术方面一直位居世界前列，软件内含诸如结构分析、热力分析、塑料模具仿真分析、优化设计以及耐久性分析等真正提高产品性能的高级分析功能。4.Solid Edge Solid Edge是真正的Windows软件，它充分利用了Windows基于组件对象模型(COM)的先进技术来重写代码，并与Microsoft Office

9、以及OLE技术兼容，因此在使用该软件时还可以进行Windows下的文字处理、电子报表、数据库等操作，并且设计界面非常友好。Solid Edge是基于参数和特征造型的新一代实体造型系统。5.AutoCADAutoCAD是Autodesk公司的主导产品，是当今最流行的二维绘图软件之一，它在二维绘图领域中拥有广泛的用户群。AutoCAD有强大的二维功能，如绘图、编辑、截面线绘制和图案绘制、尺寸标注等，同时也有部分三维功能。此外，AutoCAD提供了AutoLISP、ADS、二次开发功能，可方便地实现软件的二次开发。6.MDTMDT是Autodesk公司在PC平台上开发的三维CAD系统，它以三维设计为

10、基础，集设计、分析、制造以及文档管理等多种功能于一体。该软件具有基于特征的参数化实体造型和基于NURBS的曲面造型以及大型装配功能。7.Solid WorksSolid Works是生信国际有限公司推出的基于Windows的CAD软件，是微机版参数化特征造型软件中的新秀。它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图，常用于以规则几何形体为主的机械产品设计及加工应用中。MoldBase是Solid Works的模具设计插件，它能够在用Solid Works进行模具设计的同时提供标准的模架，并快速完成模具设计。8.Cimatron CAD/CAM系统系统Cimatron CAD

11、CAM系统是以色列Cimatron公司的CADCAMPDM产品，是较早在微机平台上实现三维CADCAM的系统。该系统提供了比较灵活的用户界面和优良的三维造型、创建工程图以及全面的数控加工功能，同时该软件具有各种通用、专用数据接口以及集成化的产品数据管理功能。Cimatron CAD/CAM系统自从20世纪80年代进入市场以来，在国际模具制造业中倍受欢迎。1.4.2 国内优秀国内优秀CAD软件介绍软件介绍1.高华高华CAD高华CAD是由北京高华计算机有限公司推出的CAD产品。高华CAD系列产品包括计算机辅助绘图系统GHDrafing、机械设计及绘图系统GHMDS、工艺设计系统GHCAPP、三维几

12、何造型系统GHGEMS、产品数据管理系统GHPDMS以及自动数控编程系统GHCAM等。其中GHMDS是基于参数化设计的CAD/CAE/CAM集成系统，它具有全程导航、图形绘制、明细表处理、全约束参数化设计、参数化图素拼装、尺寸标注、标准件库和图像编辑等功能模块。2.CAXA电子图板和电子图板和CAXA-ME制造工程师制造工程师CAXA电子图板和CAXA-ME制造工程师软件由北京北航海尔软件有限公司开发。CAXA电子图板是一套高效、方便、智能化的通用中文设计绘图软件，可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表的设计。CAXA-ME是面向机械制造业自主开发的、全中文界面的三维CAD/CAM软件，是

13、我国CAD应用工程的主流产品之一。3.开目开目CAD开目CAD是华中科技大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的CAD和图纸管理软件。开目CAD支持多种几何约束种类及多视图同时驱动，具有局部参数化的功能，能够处理设计中过约束和欠约束的情况。开目CAD实现了CAD、CAPP、CAM的集成，适合我国设计人员的习惯，也是我国CAD应用工程的主流产品之一。1.5 模具模具CAD/CAM的发展及应用的发展及应用1.5.1 模具模具CAD/CAM的发展的发展CAD技术经历了二维平面图形设计、交互式图形设计、三维线框模型设计、三维实体造型设计、自由曲面造型设计、参数化设计、特征造型设计等发展过程。CA

14、D技术在模具的发展中经历了以下几个阶段。1.孕育形成时期孕育形成时期(20世纪世纪50年代年代)自1946年世界上第一台电子计算机在美国出现后，人们就不断地将计算机技术引入机械设计、制造领域中。20世纪60年代，由于交互式图形生成技术的出现，促使CAD技术的迅速发展。计算机图形学、交互技术及图形符号的存储采用分层的数据结构等思想，对CAD技术的应用起到了重要的推动作用。基于线框模型的CAD系统率先由飞机和汽车制造商开发并应用，如美国Lock Head飞机公司、McDonnell Douglas飞机公司、General Motor汽车公司的CAD系统等，均推动了模具CAD技术的发展。2.蓬勃发展

15、应用时期蓬勃发展应用时期(20世纪世纪6070年代年代)20世纪60年代末期到70年代中期，是CAD技术趋于成熟的阶段。这一时期计算机硬件的性价比不断提高，数据库管理系统等软件陆续开发，以小型和超小型计算机为主机的CAD系统进入市场并形成主流。20世纪60年代初期，国外一些汽车制造公司已开始了模具CAD的研究，这一研究始于汽车车身的设计，在此基础上复杂曲面的设计方法得到了发展，各大汽车公司都先后建立了自己的CAD/CAM系统，并将其应用于模具设计与制造。计算机软、硬件技术的迅猛发展，为模具CAD/CAM的开发应用向更高层次的拓展创造了条件。例如美国Ford汽车公司的CAD/CAM系统中所包括的

16、模具CAD/CAM部分，取代了人工设计与制造，设计方面采用人机交互方式进行三维图形处理、工艺分析与设计计算等工作，能够完成二维绘图，生成生产零件图、材料表以及工序、定额、成本等文件。3.广泛应用时期广泛应用时期(20世纪世纪80年代年代)20世纪80年代是CAD技术迅速发展的时期，超大规模集成电路的出现，使计算机的硬件成本大幅度下降。计算机外围设备，例如彩色高分辨率图形显示器、大型数字化仪、自动绘图机等品种齐全的输入输出装置已成系列产品，为推进CAD技术向高水平发展提供了必要的条件。曲面造型与实体造型技术发展迅速，新一代的CAD软件均是实体造型与曲面造型兼备的系统，能适用于复杂模具的设计和制造

17、，在模具界得到了广泛的应用。例如日本TOYOTA汽车公司研制的汽车覆盖件模具CAD/CAM系统，包括处理覆盖件模面的Die-Face软件和加工凸、凹模的TINCA软件等。由三坐标测量机将实物模型测量后所获得的数据送入计算机，经处理后再把这些数据用于汽车覆盖件设计、模具设计和制造。该系统的三维图形功能较强，能在屏幕上反复修改曲面形状，使工件在冲压成型时不至于产生各种工艺缺陷，从而保证工件质量。DIECOMP公司研制成功的模具CAD系统，使整个生产准备周期由18周缩短为6周。4.标准化、智能化、集成化时期标准化、智能化、集成化时期(20世纪世纪90年代年代)20世纪90年代，CAD技术已不停留在过

18、去单一模式、单一功能、单一领域的水平，而向着标准化、集成化、智能化的方向发展。一些工业先进国家和国际标准化组织都在从事标准接口的开发工作。CAD、CAM在各自领域所产生的巨大推动作用被认同，加之设计和制造自动化的需求，出现了集成化的CAD/CAM系统。计算机辅助模具设计已成为许多大型CAD/CAM/CAE软件追求的目标。1.5.2 冷冲模冷冲模CAD/CAM的应用的应用CAD/CAM在冷冲模具设计与制造中的应用，主要可归纳为以下几个方面：(1)利用实体造型技术完成复杂模具型腔设计；(2)完成工艺的分析计算，辅助成型工艺的设计；(3)建立标准模具零件和结构的图形库，提高模具结构和模具零件的设计效

19、率；(4)辅助完成绘图工作，输出模具零件图和装配工程图；(5)辅助完成模具零件加工工艺的设计和NC编程。冷冲模CAD/CAM正向更加专业化的方向发展。一些通用的软件由于其功能繁多、专业性较差，已不能满足专业模具厂在CAD/CAM方面的需要。专业模具厂越来越倾向于使用专用性很强的模具CAD/CAM软件，汽车覆盖件冲压成型模具和集成电路引线框架精密级进冷冲压模具是这方面两个非常典型的实例。1.5.3 塑料注射模塑料注射模CAD/CAM的应用的应用塑料注射模结构CAD/CAM，包括塑料产品的建模、模具总体结构方案和零部件的设计、数控仿真和数控程序的生成、模具的模拟装配、零件图和装配图的生成与绘制等。

20、塑料注射模CAD/CAM的主要工作内容如下：(1)塑料制品的几何造型；(2)模腔表面形状的生成；(3)模具结构的方案设计；(4)标准模架的选择；(5)辅助完成模具元件的加工工艺设计和NC编程。1.6 模具模具CAD/CAM的发展趋势的发展趋势1.集成化集成化集成通常是指以统一产品数据模型及工程数据库为基础，在系统之间及系统内部实现信息传递、响应、分析及反馈，从而达到系统及各模块之间的无缝组合。随着CAD及相关技术的不断深入，对集成的概念也不断深化，目前对集成的认识是以信息集成为基础的多集成的概念，实现多集成的目的，是在TQCSE(TTime，QQuality，CCost，SService，EE

21、nvironment)目标下，寻求全局最优决策，实现可持续发展的策略。CAD/CAM系统集成主要有以下几方面的工作：(1)产品造型技术：实现参数化特征造型和变量化特征造型，以便建立包含几何、工艺、制造、管理等完整信息的产品数据模型；(2)数据交换技术：积极向国际标准靠拢，实现异构环境下的信息集成；(3)计算机图形处理技术；(4)数据库管理技术。2.智能化智能化智能化制造系统就是将人工智能融合进CAD/CAM系统的各个环节中，通过模拟专家的智能活动来取代或延伸制造环境中应由专家完成的那部分活动。在智能制造系统中，系统具有部分人类专家的“智能”。例如系统能自动监视自身的运动状态，能够自动调整自身参

22、数来适应外部环境，使自己始终在最佳状态下运行。智能制造系统的研究和应用主要取决于人工智能技术的发展。将人工智能技术、知识工程和专家系统技术引入到CAD/CAM领域中，形成智能化的CAD/CAM系统。3.标准化标准化随着CAD/CAM技术的快速发展和广泛应用，技术标准化问题愈显重要。CAD/CAM标准体系是开发应用CAD/CAM软件的基础，也是促进CAD/CAM技术普及应用的手段。4.网络化网络化网络技术包括硬件与软件的实现、各种通信协议及制造自动化协议、信息通信接口、系统操作控制策略等，是实现各种制造系统自动化的基础。特别是在当前情况下，要实现基于Internet的Tele-Design和Te

23、le-Manufacturing(异地设计与异地制造)技术。利用虚拟现实技术、多媒体技术及计算机仿真技术可实现产品设计制造过程中的几何仿真、物理仿真、制造过程仿真及使用过程仿真，它们采用多种介质来存储、表达、处理多种信息，融文字、语音、图像及动画于一体，给人一种真实感及临境感。复习思考题复习思考题1.模具CAD/CAM的定义是什么？2.模具CAD/CAM技术的优越性有哪些？3.简述模具CAD/CAM系统，并说明各自的作用。4.简述模具在冷冲模、注塑模中的应用。5.简述模具CAD/CAM的发展历程。第第2章模具章模具CAD/CAM新技术简介新技术简介2.1 快速成型技术快速成型技术 2.2 逆向

24、工程技术逆向工程技术 2.3 高速加工技术高速加工技术 2.4 虚拟制造技术虚拟制造技术 复习思考题复习思考题 2.1.1 RP技术的工作原理和应用技术的工作原理和应用 RP技术的工作原理是：根据零件的三维CAD实体模型，利用专业切片软件对其进行切片处理，得到模型每层截面的轮廓，在快速成型设备中用激光或其它方法将材料进行逐层成型，从而形成零件的原型。RP技术的工作原理可简单地概括为数据离散和材料堆积。由于RP技术是将复杂的三维实体通过切片转换为二维图层来加工的，因此通常又称为层加工(Layer Manufacturing)。RP技术改变了制造业的思维活动，突破了制造业的传统模式，为机械加工和模

25、具制造开辟了一条高效率、低成本的新途径。RP发展到今天，其发展重心已从快速原型制造向快速模具制造的方向转移，目前RP的快速制模主要是注塑模、冲压模和铸模。2.1 快速成型技术快速成型技术RP技术应用的步骤如下：(1)建立模型。利用CAD软件如UG、Pro/E、CATIA、I-DEAS，建立零件的三维实体模型。(2)前置处理。前置处理通常包括数据转换和工艺处理(如增加支撑、确定零件的摆放方式及切片操作等)。(3)后置处理。完成模型的制作后，通常需要对制件进行清理，去除制件表面多余的材料或辅助结构，有时也对制件进行喷涂、浸蜡、涂刷树脂等处理，以提高零件的有关性能。2.RP技术的特点技术的特点RP技

26、术具有下列特点：(1)由于采用分层成型、逐层叠加的成形原理，因此可以加工出结构非常复杂的零件。(2)成型过程不需要任何刀具、模具及工艺装备，大大缩短了产品生产周期。(3)产品的单价与批量无关，因此特别适合于新产品样件的制作和单件、小批量零件的生产。(4)与传统制造方法相结合，可实现快速制模和快速铸造。(5)成型过程为全自动控制，从而大大降低了操作人员的劳动工作量。2.1.2 模具快速原型制造技术模具快速原型制造技术1.基于基于RP直接制模方法直接制模方法直接制模技术是指应用不同的快速成型技术直接制造出模具原型，再经过必要的后期处理和机械加工以获得模具所需的性能、精度。该方法制造过程简单，制模速

27、度快，周期短，适用于批量小且形状复杂的模具。1)分层实体制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)制模将背面涂有热溶性粘合剂的箔材，根据分层几何信息，利用二氧化碳激光在计算机的控制下切出本层轮廓，再铺上一层箔材，用滚子碾压使新铺上的一层牢固粘结在已成型体上，再切割层轮廓，如此逐层叠加，裁切后形成所需的立体模腔。采用这种方法直接制成的模具，坚如硬石，可进行钻削等机械加工，也可进行刮腻子等装饰加工，并可耐200高温，故可用作低熔点合金的模具或试制注塑模。LOM的关键技术是控制激光的光强和切割速度，使它们达到最佳配合，以保证切口质量。2)选择性激光烧结(Select

28、ive Laser Sintering，SLS)制模将金属粉末用易消失性树脂裹覆，通过二氧化碳高功率激光束，在CAD分层信息的控制下，有选择地熔化粉末上的树脂，使粉末烧结成得到金属粉末的粘结实体。再将树脂在一定温度下分解消失，然后，使成型的金属粉末在高温下烧结而得到金属烧结件，用第二相低熔点金属渗入烧结件而直接制成金属模具。3)熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)制模材料在喷头中被加热并略高于其熔点，喷头在计算机控制下作X-Y联动扫描以及Z向运动并喷出熔融的材料，快速冷却形成一个加工层，犹如极细的丝状物“编织”成一个层面并与上一层牢牢连接在一起，这样层层扫

29、描叠加便可形成模腔。这种方法现在多用于具有复杂冷却流道的注塑模。2.基于基于RP间接制模方法间接制模方法1)硅橡胶模硅橡胶模的制造工艺流程：原型在原型表面涂脱模剂浇注硅橡胶混合体硅橡胶固化分型取出原型修模后得到硅橡胶模。由于硅橡胶模耗费的时间和成本很少，因此可应用于结构复杂、花纹精细、无拔模斜度甚至有一定的倒拔模斜度或带有深凹槽的产品。2)树脂型复合模树脂型复合模是以液态的环氧树脂与有机或无机的材料复合作为基体材料来浇注成型模具的。树脂型复合模制造工艺流程：原型在原型表面和分型面上涂脱模剂刷胶衣树脂浇注凹模凹模倒置同样在原型表面和分型面上涂脱模剂刷胶衣树脂浇注分模。3)金属喷镀法金属喷镀法指以

30、RP原型为样模，将熔化的金属充分雾化后，以一定的速度喷射到样模表面，形成模具型腔。如使用锌合金或镍来制作模具，其抗压强度可达12.462.5MPa、工作温度可达150550，模具寿命可达2003000件。金属喷镀法的制造工艺流程：原型喷射熔化的金属将模壳与原型分离得到模具。4)化学粘结陶瓷工艺化学粘结陶瓷工艺的制造工艺流程：以RP原型作母模浇硅橡胶或聚氨脂软模移去母模利用软模浇注粘结陶瓷，形成CBC(陶瓷基合成材料)陶瓷型腔在250下固化型腔抛光制成注塑模。5)快速制作钢模具(1)陶瓷型精密铸造法的制造工艺流程：用快速原型方法制造母模将母模浸于陶瓷砂液中，形成模壳烧去母模在模壳中浇注钢型腔得到

31、钢模。(2)失蜡精密铸造法的制造工艺流程：用快速原型方法制造母模用金属表面喷镀或铝基合成材料、硅橡胶、环氧树脂、聚氨酯浇注，构成蜡模的成型模在成型模中，用熔化的蜡浇注蜡模浸蜡模于陶瓷砂液中，形成模壳在炉中固化模壳，熔化蜡模预热模壳，在模壳中浇注钢液型腔表面抛光放入浇注系统和冷却系统等得到批量生产用的注射模。6)基于RP制造模具电火花加工电极传统的石墨电极制造方法是机械加工和人工修整，电极精度不高且周期长，同时母模的制造困难，成为该技术应用的阻碍。采用RP技术，通过喷镀和涂覆金属、精密铸造、浇注石墨，为母模制造开辟了新方法，快速制造出的电极，精度高，表面质量好，速度快，成本低。1.逆向工程的原理

32、逆向工程的原理通过三座标测量机、激光测量机或电子抄数仪对实物进行扫描测量，把测量所获得的数字化的大量数据点送入CAD软件的反求模块中，反求软件可直接读取点数据群，并可对点数据群进行编辑、过滤、整理、求精、排序、局部修改与重组，然后自动生成曲面，最终获得同实物精确一致的或经修改的电脑产品模型。逆向工程是指首先对模型或参考零件进行数字化，然后利用CAD系统得到产品的CAD模型，结合快速成型技术制作样件或根据CAD模型进行模具的设计与制造，应用CAM软件生成数控加工程序并传送到CNC(Computer Numerical Control)加工机床完成模具加工。2.2 逆向工程技术逆向工程技术2.逆向

33、工程的应用逆向工程的应用1)产品仿制在没有设计图样、设计图样不完整或没有CAD模型的情况下，逆向工程在对零件原型进行测量的基础上形成零件的设计图样或CAD模型，这样可以使产品设计充分利用CAD技术的优势，并适应智能化、集成化产品设计制造过程中的信息交换。2)新产品研制某些难以直接用计算机进行三维几何设计的物体，如复杂的艺术造型、人体、动植物外形，目前常用黏土、木材或泡沫塑料进行初始外形设计，再通过逆向工程将实物模型转化为三维CAD模型。3)产品改进由于工艺、使用效果等方面的原因，需要对已有的产品进行局部修改。在原始设计没有三维CAD模型的情况下，应用逆向工程技术建立CAD模型，再对CAD模型进

34、行修改，这将大大缩短产品改型周期，提高生产效率。某些大型设备如航空发动机、汽轮机组，常会因为某一零部件的损坏而无法使用，通过逆向工程手段，可以快速生产出这些零部件的替代件，从而提高设备的利用率，延长设备的使用寿命。3.逆向工程的流程逆向工程的流程实物逆向一般包括数据采集、产品数字化、数据预处理、曲面重构、建立产品模型和NC(Numerical Control)加工等几个阶段，其流程如下：实物样件数据采集构建数字模型CAD/CAM重塑模型生成NC代码NC加工得到产品。1.高速加工概述高速加工概述 高速加工概念起源于德国切削物理学家卡尔 萨洛蒙(Carl Salomon)著名的切削实验及其物理延伸

35、，1929年他进行了高速加工模拟实验，1931年发表了高速加工理论，提出了高速加工假设。他认为一定的工作材料对应有一个临界切削速度，在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反会降低，且该切削速度值与工件材料的种类有关。对每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，即切削加工不可能进行，因此称该区为“死谷”。这个理论给人们一个非常重要的启示：如能越过这个“死谷”，而在高速区进行切削，则有可能用现有的刀具进行高速加工，从而大大地减少加工时间，成倍地提高机床的生产率。这一理论的发现为人们提供了一种在

36、低温低能耗条件下实现高效率切削金属的方法。2.3 高速加工技术高速加工技术2.高速加工的定义高速加工的定义目前通常把切削速度比常规切削速度高510倍以上的切削称为高速加工，但对于不同的材料、不同的切削方式，其高速加工的切削速度并不相同。从切削机理角度看，高速加工时，切削温度应随切削速度的增大而降低；从切削技术角度看，高速加工是以高切削速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的加工技术，它所采用的切削参数要比传统工艺所采用的切削参数高几倍甚至几十倍。自从Salomon提出高速切削的概念并于同年申请专利以来，高速切削技术的发展经历了高速切削理论的探索、应用探索、初步应用和较成熟应用等四个阶段，现已在

37、生产中得到了一定的推广应用。特别是20世纪80年代以来，各工业发达国家投入了大量的人力和物力，研究开发了高速切削设备及相关技术；90年代，高速加工机床许多关键部件的研究取得突破，机床性能有了很大的提高，同时设备价格开始下降，高速加工技术的发展更加迅速。3.高速加工的特点高速加工的特点(1)加工效率高。由于切削速度提高，进给速度一般也提高510倍，这样，单位时间的材料切除率可提高36倍，因此加工效率大大提高。如高速铣削加工，当切削深度和每齿进给量保持不变时，进给速度可比常规铣削提高510倍，材料切除率可提高35倍。(2)切削力小。传统的切削加工一般采用大切削深度、低进给速度进行加工，要求机床主轴

38、在低转速时能提供较高的扭矩，其结果是一方面切削力大，另一方面机床和工件都承受较大的力；而高速加工则采用小切削深度、高主轴转速和高进给速度进行加工，由于切削速度高，切屑流出的速度快，减少了切屑与刀具前面部分的摩擦，从而使切削力大大降低。(3)热变形小。高速加工过程中，由于极高的进给速度，95%的切削热被切屑带走，工件基本保持冷态，这样零件不会由于升温而导致变形。(4)加工精度高。高速加工机床激振频率很高，已远远超出“机床-刀具-工件”工艺系统的固有频率范围，这使得零件几乎处于“无振动”状态下加工；同时在高速加工速度下，积屑瘤、表面残余应力和加工硬化均受到抑制，减小表面硬化层深度及表面层微观组织的

39、热损伤，因此用高速加工的表面几乎可与磨削相比。(5)简化工艺流程。由于高速铣削的表面质量可达到磨削加工的效果，因此有些场合高速加工可作为零件的精加工工序，从而简化了工艺流程，缩短了零件加工时间。4.高速加工技术在模具行业的应用高速加工技术在模具行业的应用目前国际上高速切削加工技术主要应用于汽车工业和模具行业，尤其是在加工复杂曲面的、工件本身或刀具系统刚性要求较高的加工领域中，显示出强大的功能。模具加工一般使用数控铣床或加工中心，普通铣削加工很难达到模具表面质量的要求，通常由钳工进行手工抛光；同时，模具一般由高硬度、耐磨性好的合金材料制成，这给模具加工带来困难，这些材料用普通机械加工较难完成，因

40、此广泛采用电火花成型加工方法。模具型腔加工过去一直为电加工所垄断，随着生产的发展和产品更新换代速度的加快，对模具的生产效率和制造质量提出了越来越高的要求，于是电火花加工存在的问题就逐渐暴露出来。从物理本质上说，电火花加工是一种靠放电烧蚀的“微切削”工艺，加工过程非常之缓慢；在电火花对工件表面进行局部高温放电烧蚀过程中，工件材料表面的物理-机械性能会受到一定程度的损伤，常常会在型腔表面产生微细裂纹，表面粗糙度也达不到模具的要求，因而经过电火花加工后的型腔类零件一般还要进行费力、费时的手工研磨和抛光。因此，电火花加工的生产效率很低，已成为影响新产品开发速度的一个关键因素。应用高速加工技术可直接加工

41、淬硬材料，特别是硬度在HRC4660范围内的材料，高速加工能部分取代电火花加工。高速铣削加工技术加工时间短，产品精度高，可以获得十分光滑的加工表面，能有效地加工高硬度材料和淬硬钢，避免了电极的制造和费时的电加工(EDM)时间，大幅度减少了钳工的打磨与抛光量。同时，模具表面因电加工产生的白硬层消失了，提高了模具的寿命，减少了返修率。由于省去了电极的制造，因此模具改型只需通过CAD/CAM，使改型加快。浅腔大曲率半径的模具完全可用高速铣削来代替电火花加工；对深腔小曲率的模具，可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工，电火花加工只作为精加工。电火花成型加工对一些尖角、窄槽、深小孔和过于复杂的型腔表面的精

42、密加工还是有效的，而且高速加工还不能完全代替电火花成型加工，两者应该扬长避短，相辅相成。高速铣削使模具行业得到了快速而广泛的推广；反之，模具行业又促进了高速铣削技术的发展。1.虚拟制造技术的基本概念虚拟制造技术的基本概念虚拟制造技术可以看做是CAD/CAE/CAM集成化发展的较高层次，其本质是以新产品及其制造系统的全局最优化为目标，对设计、制造、管理等生产过程进行统一建模。它强调在实际投入原材料与产品实现过程之前，完成产品设计与制造过程的相关分析，以保证制造实施的可行性。2.4 虚拟制造技术虚拟制造技术它是以CAD/CAM/CAE技术、计算机技术、仿真技术和虚拟现实技术为基础，在一个统一的产品

43、模型基础上，对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面仿真，模拟出产品未来制造的全过程(包括产品的设计、计算分析、加工、装配、物流、生产计划、组织、管理和试验等，乃至产品生命周期内各种活动对产品设计的影响)，预计、检测、评价产品性能和产品的可制造性，及时发现设计制造中可能存在的问题并采取措施进行改进，从而更灵活地组织生产，实现产品一次制造成功以及最终达到缩短产品开发周期、降低产品开发成本、提高产品质量的目的。由于虚拟制造技术具有很强的快速建模性、事前预测纠错和过程仿真性，并能与网络技术、并行工程进行集成，因此它具有很强的设计制造敏捷性、柔性和快速响应能力，虚拟制造技术被认为是21世纪的新

44、型生产模式。虚拟制造技术的研究与特定的应用环境及对象有关，由于应用要求不同，侧重点也有所不同。按照与生产各个阶段的关系，虚拟制造可分为以下三种类型：(1)以设计为中心的虚拟制造(Design-centered VM)。以设计为中心的VM是通过把制造信息加到产品集成开发(Integrated Product Process Development，IPPD)过程和在计算机中进行制造，仿真多种制造方案，并产生多种“软”的模型。因此它的短期目标是：为了达到特殊的制造目的(例如为了装配进行设计、精良操作或柔性)，VM通过以制造为基础的仿真来优化产品的设计和生产过程。它的长期目标是：VM在不同的层次上用

45、仿真过程来评估生产情况，并且反馈给设计和生产控制。(2)以生产为中心的虚拟制造(Production-centered VM)。以生产为中心的VM是通过把仿真能力加到生产过程模型中，达到了方便和评价多种加工过程的目的。它的短期目标是：VM是基于生产的IPPD的转换，用以优化制造过程和物理层。它的长期目标是：为了实现新工艺和流程的可信度，VM把生产仿真增加到其它的集成和分析技术中。(3)以控制为中心的虚拟制造(Control-centered VM)。以控制为中心的VM是通过把仿真加到控制模型和实际生产过程中，实现优化的真实仿真。虚拟制造系统是基于虚拟制造技术实现的制造系统，是现实制造系统在虚拟

46、环境中的映射。现实制造系统是对物质流、信息流和能量流的功能进行转换，通过投入信息、材料和能源，生产出产品及有关信息和残余能源。现实制造系统中有两个主要子系统：信息系统(Information System)和物理系统(Physical System)，它们在虚拟制造系统中也同样存在，只是虚拟制造系统生产出的是产品有关的信息。虚拟制造的关键技术可分为软件方面的关键技术和硬件方面的关键技术，其中软件方面的关键技术包括可视化技术、仿真技术、信息描述技术、环境构造技术、集成结构技术、制造的特征化技术和VMS的检验、测试技术等；硬件方面的关键技术包括输入/输出设备(如头盔立体显示器、可视化眼镜、三维鼠标

47、、数据衣服)、与输入/输出有关的存储信息设备、能支持各种设备、数据存储、高速计算和提供高质量画面的计算机系统、网络结构设备和不同站点的硬件设备等。2.虚拟制造技术与其它先进制造技术的关系虚拟制造技术与其它先进制造技术的关系1)敏捷制造技术敏捷制造(Agile Manufacturing，简称为AM)的基本思想是，通过将高素质的员工、动态灵活的组织机构、企业内部及企业之间的灵活管理以及柔性的先进生产技术进行全面集成，使企业能够对快速变化、难以预测的市场要求做出快速反应，并由此获得长期的经济效益。敏捷制造的基础是虚拟制造技术。2)并行工程并行工程(Concurrent Engineering，简称

48、为CE)是一个集成的、并行的方式设计产品及其相关过程的系统方法，它要求开发人员在设计开始就需考虑产品整个生命周期中的所有因素，包括产品的质量、成本、进度计划、用户要求等。为达到并行的目的，需要建立高度集成的模型，应用仿真技术，实现异地人员的协同工作。3)精良生产精良生产(Lean Production，简称为LP)的目的是，简化生产过程、减少信息量、消除过分臃肿的生产组织，使产品及其生产过程尽可能简化和标准化。精良生产的核心是准时生产和成组技术，同时它又为虚拟制造技术创造条件。3.虚拟制造在模具技术中的应用虚拟制造在模具技术中的应用传统的板料成型过程通常是“模具设计模具制造试模修改再试模直至产

49、品满意制件生产”的生产模式，解决试模中的起皱、破裂、回弹等问题也主要靠技术人员的经验，这种方法成本高、产品开发周期长、对模具技术人员的要求高。将虚拟技术运用到板料成型中，可以使模具设计人员在计算机上进行模具的设计、调试和板料成型过程模拟，分析板料成型过程中所存在的问题，提出适当的改进方案，力争使问题在模具制造之前得以解决，以保证模具的一次成功率。虚拟制造技术在模具行业中的应用主要体现为，产品设计、模具设计、模具制造、模具装配调试、试模等工作均在计算机上进行，从而大大提高了生产效率和产品质量。虚拟制造技术应用的典型例子是美国波音公司在进行新型客机机型设计过程中的应用。波音公司在777新型客机设计

50、中，应用虚拟制造技术和三维模型进行管道布线等复杂装配过程的模拟装配，实现了设计制造过程的无纸化，是虚拟制造技术从理论研究转向工程实践的一个里程碑。逆向工程与RP技术可使设计概念转换为产品的时间缩短几倍乃至几十倍，实现逆向工程、RP技术与CAD/CAE/CAM虚拟环境的集成，构成一个快速产品开发及其模具制造的综合系统，可以实现从产品的设计、分析、加工到管理的灵活经济的组织方式。这种基于虚拟环境的集成化快速模具制造系统将在新产品开发、产品设计评估、装配检验、功能测试以及快速模具制造等方面有很大的发展。复习思考题复习思考题1.举例说明快速原型制造在模具行业中的应用。2.了解逆向工程的基本原理、操作步