苏ICP备112451047180号-6
摘要：传统的模具设计方法中存在一系列的缺点，众所周知，热处理对模具是非常重要的。为了克服模具在热处理中存在的缺点，一个新的模具热处理工艺并行设计方法已经被设计出来。热处理CAD/CAE技术是集成了并行环境和有关模型而建立的。这些调查可以显著提高效率，减少成本，并确保产品质量达到R级和D级。
关键词：模具设计，热处理，模具
传统的模具和模具设计，主要是通过实践经验或者部分实践经验，而不是制造工艺。在设计完成之前，模具方案通常是一次又一次的修改，于是模具的一些缺点便会出现，例如开发周期长，较高的投入和效果不明显。由于对精度、使用寿命、开发周期和成本的严格要求，先进的模具要求设计和制造得十分完善，所以先进的技术和创新被应用。例如：同步工程、敏捷制造技术、虚拟制造业、协同设计等。
模具的热处理和模具设计、制造、装配一样重要，因为它在制造、装配、使用寿命中有着重要的影响。模具的设计和制造发展迅速，但是模具的热处理却严重的落后于它们，随着模具工业的发展，热处理必须保证模具有良好的制造装配和磨损耐热性能。不切实际的热处理将导致模具材料过硬或过软同时影响模具装配性能。传统的热处理工艺是按照设计师提出的方法和特性制作出來的。这样会使模具设计师和热处理工艺师意见产生分歧而模具设计师却不能充分地了解热处理工艺和材料的性能相反热处理工艺师却很少了解模具的使用环境和设计思路。这些分歧将在很大程度上影响模具的发展。因此，如果把热处理工艺设计放在设计阶段之前，则缩短开发周期，减少花费和保证质量等目标将会被考虑，而且从串行到并行的发展模式也将会实现。
并行工程是以计算机集成系统作为载体，在开始以后，每个阶段和因素都被看作如制造、热处理、性能等等，以避免出现错误。并行模式已经摒除了串行的模式的缺陷，从此带来了一场对串行模式的革命。
在当前的工作中，热处理被集成到了模具开发的并行环境中，同时也正在进行这种系统性和深入性的研究。
1、热处理下的并行环境
并行模式与串行模式存在根本的不同（见图1）。对于串行模式，设计者大多考虑的是模具的结构与功能，但很难考虑相关的工艺，以致前者的错误很容易蔓延到后面。与此同时，设计部门很少与装配、预算会计和销售部门沟通。这些问题当然会影响模具的开发进度和市场前景。然而在并行模式中，不但以上部门关系联系密切，所有参加模具开发的部门都与买家有密切的交流。这有助于协调各部门消除矛盾，提高工作效率，同时降低成本。
并行环境下的热处理工艺不是在方案和工件确定以后，而是在模具设计的时候制定出来的。这样的话，将有利于优化热处理工艺，充分利用材料。
2、模具热处理CAD/CAE一体化
从图2中可以看出，热处理工艺的设计与模拟是一体化模式的核心。在信息输入产品模块中后，经热处理工艺过程产生的热处理CAD和热处理CAE模块会自动将热处理以后模拟温度场的显微组织分析和可能出现的缺陷（例如过热、过烧），如果优化是根据立体视觉技术的结果重新出现，则这项热处理工艺就会通过。而且工具与夹具的CAD/CAE也被整合到这个系统中。基于集成框架的并行工程可以与其他并行模式共享信息，这样可以使热处理工艺得到优化并使其他工艺更加准确。
2.1 3D模式和立体视觉技术的热处理
通过基于模具形状3D热处理模式可以尽早的发现模具关于材料、结构、形状等存在的问题。模具热处理中的热处理条件和相变条件是符合实际的，因为经过计算的相变热力、相变热动力、相应力、热应力、传热速度、流体动力等已经有很大的突破性进展。例如，能进行局部复杂表面和不对称模具的三维热传导模型计算，和能进行微观结构转变的MARC软件模型。计算机能够在任何时间提交温度，微观结构和应力的信息，并通过连接温度场微观结构领域和力场来显示三维模式的全部改变过程。如果再加上这种特性，则各部分性能都能通过计算机预见。
2.2 热处理工艺设计
模具热处理中由于对强度、硬度、表面粗糙度、模具热处理变形的特殊要求，淬火介质、淬火温度、回火温度等一系列的参数必须进行正确的选择。不论是否使用表面热处理、或化学热处理都必须明确的制定下来。通过电脑完全确定下来这些参数是非常困难的，由于电脑技术近几十年来发展迅猛，大型计算的困难已经被克服。通过模拟和慎重思虑热处理特性，热处理的成本和周期通过优化热处理工艺并不在是一个难题。
2.3 热处理数据库
如下图（3）所描述的热处理数据库。热处理数据库是基于热处理做出来的，通常，热处理数据库分为材料数据库和工艺数据库，通过材料和工艺预测性能是一个必然的趋势。建立性能数据库尽管很难，但是通过一系列的测试建立性能数据库也是必须的。材料数据库包括材料牌号、化学成分、性能和国内外同级别目录表。材料数据库包括材料牌号、化学成分、性能和国内外同级别目录表。工艺数据库包括热处理标准、种类、保温时间和冷却温度。基于数据库，热处理工艺可以通过推理规则创造出来。
2.4 热处理工具和设备
热处理工艺被确定下之后，CAD\CAE工具设备系统就会把有关设计和制造信息传递给数控设备，通过快速模具成型，可靠的工具和夹具都被确定，整个程序通过网络传输，没有任何人为操作。
3、关键技术
3.1 温度、应力、微观结构、性能的联系
热处理过程是温度、微观结构、应力相作用的过程，三个因素都能影响材料的性能（看图4），在加热和冷却过程当中，微观结构变化的时候热应力和变形就会出现，微观结构温度相变和温度微观结构和应力性能相互作用。有关四种因素的相互作用的研究已经取得了很大的成果，但是一般的数学模型还没有建成。许多模型很适合测试，但还不能投入应用，许多模型原有的难点在分析解决中已被处理，数值方式的运用，导致了不准确的计算出现。
虽然如此，经验分析与定性分析比较起来，通过计算机的热处理还是有了很大的进展。
3.2 模型的建立和综合
模具的发展过程包括设计、制造、装配、热处理、维护等等。他们都应该有自己的数据库和模型，他们都是通过自身的内在联系建立起模型，通过建立和完善动态推理机制，优化设计可以达到目的。产品模型和其他模型的联系已被建立，若小模型改变那么产品模型就会改变。实际上它应归属数据和模具的联系，在热处理模型融进系统模型之后，他不再是一个独立的单元而是和系统中其他单元相联系着的，在搜查后，热处理数据库的计算和推理能力，热处理程序都被几何模型，模具制造模型和预算所限制，这是通行的。如果这种限制不服从，系统会发出解释性的警告。所有的细小单元都通过网络形式相联系着的。
3.3 各个部分间的管理以及协调
复杂的模具要求各小组之间密切合作，因为每个成员都是模具发展的整个思考过程的细小部分的组合，他们都需要管理和协调。首先每个项目小组都应该确定其本身的控制条件和资源要求，并且以防冲突必须得了解前后的工作程序。其次，要提出开发计划和建立监控机制。如果开发受到限制则可逐步排除。
敏捷管理和协调有助于交流信息，提高效率和减少材料。同时这有利于激发人的创造力，消除阻碍和制定出最好的方法。
4、总结
（1）热处理CAD/CAE已经被融入模具的并行设计中同时热处理已被制成表格，这样可以提高效率，容易发现问题并解决问题。
（2）模具的开发已经在同一个平台运行，热处理程序一旦制出，设计人员就可以获得相关信息，还可以把自己的相关信息转发给其他同一个平台的有关部门。
（3）制定出正确的发展规划并及时的调整它能够在很大程度上缩短开发周期和降低成本。
参考文献
[1] ZHOU Xiong-hui, PENG Ying-hong. The Theory and Technique of Modern Die and Mould Design and Manufacture [M]. Shanghai: Shanghai jiaotong University Press, 2000 (in Chinese).
[2] Kang M, Park S. Computer Integrated Mold Manufacturing [J]. Int J Computer Integrated Manufacturing. 1995, (5): 229-239.
[3] Yan H T, Meno C H. Concurrent Process Planning for Finishing Milling and Dimensional Inspection of Sculptured Surface in Die and Mould Manufacturing [J]. Int J Product Research. 1993, 31(11): 2709-2725.
[4] LI Xiang, ZHOU Xiong-hui, RUAN Xue-yu. Application of Injection Mold Collaborative Manufacturing System [J]. Journal of Shanghai Jiaotong University. 2000, 35(4): 1391-1394.
[5] Kuzman K, Nardin B, Kovac M, et al. The Integration of Rapid Prototyping and CAE in Mould Manufacturing [J]. Materials Processing Technology. 2001,111: 279-285.
[6] LI Xiong, ZHANG Hong bing, RUAN Xue-yu, et al. Heat Treatment Process Design Oriented Based on Concurrent Enginecring [J]. Journal of Iron and Steel Research. 2002, 14(4): 26-29.