CAD/CAM/CAPP及GT技术在汽车模具生产中的应用

    在20世纪末期，科学技术迅猛发展，带来一场数字化革命。随着计算机、微电子、信息与自动化技术的长足发展，并在制造业中得到越来越广泛的应用，使人们摆脱传统机械加工生产方式成为可能。模具CAD/CAM技术的迅猛发展，软件、硬件水平的进一步完善，为模具工业提供了强有力的技术支持，为企业的产品设计、制造和生产水平的发展带来了质的飞跃，已经成为现代企业信息化，集成化、网络化的最优选择。计算机数控(CNC)、柔性制造系统(FMS)、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)、计算机集成制造系统(CIMS)、计算机辅助工艺过程设计(CAPP)等技术在汽车覆盖件模具生产企业的普及，使原先近乎于手工作坊的模具行业具有了现代化的生产方式，CAD按术的应用淘汰了丁字尺和图板，CAM使复杂的机械加工变得简单轻松。但如何实现CAD/CAM/CAPP一体化而不是相互脱离已是国内众多厂家的首要难题，这里仅就CAD/CAM/CAPP一体化技术在汽车覆盖件模具制造中的应用和前景加以论述。

1 CAD/CAM/CAPP技术概况

    CAD/CAM技术被列为20世纪70～80年代最杰出的工程技术之一，被称为工业起飞的引擎，它推动了几乎一切领域的技术革命，CAM的技术发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。

    CAD/CAM技术起源于20世纪50年代，进入80年代后，CAD/CAM开始趋于成熟，并向集成化方向发展。实体造型能方便计算产品重量、体积和进行有限元网格划分；对刀具路径轨迹进行干涉、碰撞检查技术也有长足的发展。特征造型是CAD建模方法的一个里程碑，它使CAD/CAM/CAPP集成成为可能。CAM的主要内容是数控编程，数控加工是CAD/CAM发挥效率的最有效和直接的途径之一。对于加工对象越复杂，设计更改越频繁，数控加工的优越性就越明显。现在典型的CAD/CAM商用型通用软件如Pro/Engineer，I-DEAS、NX、CATIA、EUCLID、CADAM，通过CAD建立的模型，采用人机交互的方式，将工艺路线和加工参数输入数控编程系统，由系统自动生成数控加工信息，这些加工信息通过执行相应的后处理程序以生成NC代码。

    CAPP是机械制造仓业进行生产技术准备工作的第一步，同时也是连接产品设计与产品制造之间的桥梁，即连接CAD与CAM的纽带，对产品的质量和制造成本有着重要的影响。CAPP的基本任务是将产品或零件的设计数据转换成与制造环境相适应的指令性要求，由制造厂家按照CAPP规划的软硬件环境组织生产。其中软件环境指零件的加工方法、切削参数、走刀路线等技术文件，硬件环境指选定的刀具、夹具、机床等制造设备的准备工作。CAPP通过优化这些制造环境来确保企业以最低的成本、最短的周期，高质、高效地制造出产品参与竞争。CAPP不仅是CAD与CAM的桥梁，也可与管理系统连接为一个整体。集成是CAPP应用的主导方向，一方面要直接应用CAD的数据，通过CAPP生成工艺规程，形成工艺数据；另一方面，将CAPP的结果即工艺数据输入到CAM，生成NC代码，实现CAPP/CAM集成。

2 汽车覆盖件模具CAD/CAM/CAPP按术现状

    汽车工业是国家的支柱产业，汽车覆盖件模具是制造汽车车身的重要工艺装备，汽车更新换代速度的大大加快，对车身质量的要求越来越高，对覆盖件模具的质量、制造水平以及制造周期提出了更高的要求。

    一般情况下，一个基本车型全套模具的设计制造周期长达4年之久，因此汽车覆盖件模具的开发生产是汽车新产品开发的决定性环节。但由于模具生产对象的多样性和模具结构变化的复杂性，现有的通用型CAD/CAM软件不能针对模具设计、生产的特点，集合大量的设计、生产、工艺经验，无法快速准确地组织生产和管理并降低成本。现有的CAPP软件多为企业自行编写，与CAM/CAD的集成度较低，有些工艺规程完全靠手工完成，速度慢、劳动强度大、工时及成本计算不准确，因此，急需建立适应各企业自身特点的CAD/CAM/CAPP集成软件系统。另外，模具生产多为单件生产，但各类型模具具有相似性，利用成组技术(GT)，将其集成起来，采用柔性加工（FMS），可以提高模具的生产效率。

    现有的设计、生产、工艺为顺序方式。周期长，更改麻烦，成本较高，信息不能共享，交互性反馈较差。通过CAD/CAM/CAPP及GT集成技术可变为并行方式，充分发挥其功效（如图1所示）。

    图1 顺序方法与并行方法

    毋庸置疑，应用CAD/CAM/CAPP集成技术是保证模具设计、加工质量和提高生产效率最有效的途径。为适应汽车工业的发展，国外模具厂已普遍采用CAD/CAPP/CAM集成技术进行模具设计制造，大大缩短了模具设计制造周期，降低了成本。 

    据有关资料介绍，国外的一些企业从20世纪60年代初期便致力于覆盖件模具的CAD/CAM研究，到80年代初期，世界上较著名的汽车制造公司都有自己的模具CAD/CAM/CAPP系统。如美国AUTODIE公司采用了CAD/CAM/CAPP系统后，一种车型覆盖件的模具设计与制造只需要8个月左右；日本三菱汽车公司从80年代初期开始应用模具CAD/CAM技术，并且实现了CAD/CAM/CAPP的集成，其功能包括冲压方向的选择、模具型面设计、模具结构设计和模具图的绘制等；日本丰田汽车公司采用模具CAD/CAM/CAPP系统后，将原来设计加工一套模具的时间减少了50%，缩短了模具的生产周期，提高了模具和制作质量，进而也提高了公司的竞争力。

    经过几十年的努力，我国一些大型汽车模具制造厂家已经广泛采用DNC、CAD/CAM等先进制造技术，取得了长足的发展，但与国外相比存在很大的差距。各项技术的相互独立，造成生产力低下，一些关键的汽车覆盖件模具仍然依靠国外来设计制造。因此，汽车覆盖件模具CAD/CAPP/CAM集成技术的应用已成为国内工业界和学术界研究的重点。