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1、!#年第$期汽车覆盖件模具的数字化设计与制造!叶建红余世浩刘品德邹隽王剑阳（武汉理工大学）【摘要】数字化制造可以大大缩短覆盖件模具设计、调试和制造周期，降低模具的生产成本，提高模具的设计质量和可靠性，最终提高覆盖件制造的精度、质量与效率。介绍了覆盖件模具的数字化设计与制造技术。以某汽车发动机罩拉延模制造为例，阐述了汽车覆盖件模具数字化制造的流程与方法。主题词：覆盖件三维建模模具数字化制造中图分类号：%&(#)!文献标识码：*文章编号：$+,（!#）$+-!#$%&%$()!*+#)%),-%)./%0$.1*(/!*+(/2.$(3($4*5.$*1 6%)*&+./012345367.8 9
2、414257:18;13236 0123?236（8423 3AB1B8B/5C%/D435E56?）【27+$1%0$】F161B2E1G2B153 H238C2DB8I/D23 6I/2BE?A45IB/3 B4/D?DE/B1H/5C/A1637/J866136 23 H238C2DB8I/5C58B/I K23/E 1/A7I/8D/KI58DB153 D5AB 5C 1/A71HKI5L/A163 M82E1B?23 I/E12J1E1B?5C 1/A723 C132EE?1HKI5L/KI/D1A1537M82E1B?23/CC1D1/3D?5C 58B/I K23/E KI58D
3、B153)F161B2E1G2B153/A163 23 H238C2DB8I/B/D435E56?5C 58B/I K23/E 1/A 2I/13BI58D/1B4 H238C2DB8I/5C B4/I2N136 1/5C 23/3613/455 2A B4/O2HKE/7B4/KI5D/AA 23 H/B45 5C 161B2E1G2B153H238C2DB8I/5C 58B/I K23/E 1/A 2I/131D2B/)8*9:(1,+：5.$*1;%)*&，模具的数字化设计与制造模具的数字化设计与制造包括模具的数字化设计、模具的数字化分析和模具的数字化加工。模具的数字化设计与制造的基础是
4、产品的三维实体建模，也就是模具的数字化设计。三维实体模型是产品和模具的唯一准确表达，因此实现产品和模具的三维Q*F设计是实现模具数字化制造的前提。数字化设计的方法有正向设计和逆向设计，实际中常采用正、逆向设计集成方法，使其优势互补，以达到更好的设计效果。三维数模产生后就可以对产品数模的性能进行论证和优化，即进行模具数字化分析。数字化分析改变了设计、试制、修改设计和规模生产的传统制造模式。在产品制造出来之前，首先在虚拟环境下预测可能产生的缺陷或生成虚拟产品原型，进行性能分析和造型评估，为产品设计优化、工艺优化、生产管理等提供信息支持，使制造技术走出依赖经验的“瓶颈”。当得到了可靠的产品模型后就可
5、以对其进行数字化加工。数字化加工主要是在数字化设计、数字化分析的基础上，将计算机与制造联系起来，减少了人为的失误，提高了产品精度，同时极大地提高了生产效率。!湖北省科技攻关项目资助（项目编号：!-*$Q,R）。材料 工艺 设备 参考文献$沈庆通)感应热处理技术的发展)金属热处理，!（$）!潘天明)现代感应加热装置)北京：治金工业出版社，$(S)（责任编辑文楫）修改稿收到日期为!-年$!月,日。汽车技术!汽车覆盖件模具的工艺优化及数字化制造实例汽车覆盖件数字化制造流程为!：收集市场信息资料!构思产品模型!利用正、逆向集成建模技术得到汽车覆盖件实体数模!确定拉延方向!拉延工序的工艺处理!设计拉延模
6、具!编制加工程序!数字化加工，如图所示。下面以某汽车发动机罩拉延模制造为例，阐述汽车覆盖件模具的数字化制造过程。图汽车覆盖件数字化制造流程图!#汽车覆盖件的实体造型汽车覆盖件模型中既有复杂曲面，也包含一些简单特征，通过单一的正向设计或逆向设计都难以实现，因此采用正、逆向集成设计技术完成汽车覆盖件的造型。首先运用逆向设计技术重构出产品的#$%曲面模型，然后根据产品功能结构的需要以及设计人员的经验、创新思维进行正向设计，对原设计的几何模型作进一步完善。图!为逆向设计得到的发动机罩点云图；经过拟合、修编后得到图&所示的发动机罩曲面图；再经过正、逆向集成处理后得到发动机罩实体模型，如图所示。图!覆盖件
7、点云图&覆盖件曲面图覆盖件实体模型!$汽车覆盖件成形工艺分析&(!(覆盖件拉延方向的优化设计&、拉延方向不仅决定能否拉延出满意的覆盖件，还影响工艺补充以及拉延后各个工序（如整形、修边、翻边等）的方案。拉延方向确定应遵循以下原则：)(保证凸模能顺利进入凹模，且在拉延终了时凸模应能进入成形所要求的每一个角落。*(开始拉延时凸模与毛坯的接触面应尽量大，且尽量位于冲模中心，以防止拉延时应力集中，造成局部破裂。+(凸模表面同时接触毛坯的点要多且分散，并尽可能分布均匀，以保持在成形时毛坯不窜动，拉延过程平稳。,(压料面各部分进料阻力要均匀，保证拉延深度均匀。在图中，先假定!轴为拉延方向，在沿轴和#轴方向上
8、分别截取一定间距、垂直于轴和#轴的截面线，将复杂的三维问题转化为二维问题进行分析。分别对截面线分析，以拉延件绕轴和#轴旋转的角度（用!表示）来确定拉延方向。拉延方向确定的基本原则可用如下目标函数描述（目标函数为以转角!为变量的函数，对于每一个!值，可唯一确定一个截面的位置，并可唯一确定一组目标函数的值）：)(初始接触面积（接触面积用发动机罩与截取面相交部分的线段长度表示）$（!）-%&-!（&()&*）（）!+#+#$%在通用#$%软件中进行造型采用逆向设计进行三维造型样件确定冲压方向、压料面、工艺补充面布置拉延筋和工艺切口确定拉延工步和工艺参数模具结构分析并设计有限元模拟成形有缺陷输出模具数
9、据并进行加工#$.#$/#$00正、逆集成成形无缺陷 材料 工艺 设备&!#年第$期式中，!为转角；!，#和!，$分别代表第个相交部分的起点和终点的!坐标值；%为相交部分的段数。%&初始接触点分布均匀程度&!（!）%$!%(!#(!（!）式中，!为第个相交部分中点的!坐标值；!为截面几何中心的!坐标值。)&初始接触点分散程度&*（!）+,-!$%(+./!$%（*）0&进料阻力均匀程度&1（!）)*#(*$2（1）式中，*$、*#为截面图形起点和终点的*坐标值。进料阻力近似用两端高度差来表示。拉延方向的优化属于多目标的优化问题。采用评价函数法，将多目标优化问题转化为单目标优化问题进行处理：+（
10、!）1$!&（!）（#）式中，为权系数，取相应分目标函数最优值的倒数。应用式（#）的优化算法，分别在发动机罩的!、,轴方向上截取垂直于该轴的截面（以$+为增量），得到一系列截面线，并对每条截面线进行分析。以345678/9:;为二次开发工具，以?，$?；最佳拉延方向为#&?，即拉延件绕*轴顺时针旋转#&?时，*轴方向就是最佳拉延方向。*&!&!拉延工序的工艺处理拉延工序的工艺处理是将覆盖件模型改造成拉延制件，包括工艺补充、压料面设计、翻边展开以及拉伸筋的敷设等。,&工艺补充为了实现覆盖件的拉延，需要将覆盖件上的窗口、孔洞填平，将开口部分连接成封闭形状，有压料凸缘的需平顺压料面，无压料凸缘的需增
11、补压料面。在满足拉延条件下，应尽量减少工艺补充部分，以提高材料利用率。%&压料面设计为防止毛坯在压料过程中出现起皱现象，应尽量降低拉延深度，使压料面的形状尽量简单、平滑，这样也有利于毛坯在拉延时材料向凹模内流动；压料面与凸模在形状上应保持一定的几何关系，以保证在拉延过程中毛坯能平稳、渐次地紧贴凸模，防止产生皱纹。由于发动机罩在*轴方向高度差较大，拉延工艺性较差，因此在发动机罩四周增加了适当的压料面。)&拉延筋的敷设拉延筋的敷设一方面可增加进料阻力，使拉延件在拉延时承受足够的拉应力，提高拉延件的刚度和减少由于回弹而产生的缺陷，使材料达到合理的塑性变形；另一方面，通过拉延筋可以调节各部位的进料阻力
12、，使流入模腔的材料量适合工件各处的需要。根据模拟计算，在发动机罩四周设置了拉延筋。0&修边、翻边展开覆盖件在拉延模的位置确定以后，其次就是将其展开，使之不但便于拉延，而且拉延后便于修边、翻边等。通过上述工艺处理得到的发动机罩拉延件实体模型如图#所示。图#发动机罩拉延件实体模型!覆盖件拉延模设计覆盖件拉延模设计包括型面设计和结构设计。前述拉延方向的优化及确定、工艺的处理等都属于型面设计的范畴，结构设计为模具结构的具体实现。在汽车覆盖件型腔加工中，必须考虑料厚在模具凸、凹模型面上的反映。取覆盖件内表面即模具的凸模作为型面设计的数字化定义面，则应用34的模具造型模块确定拉延凸模的形状及工作部分的尺寸
13、参数，并选择模具的分模面就可以得到发动机罩凸模形状。图所示为根据图#生成的拉延凸模实体模型。凹模型面可根据凸模型面变换得到。图发动机罩拉延凸模实体模型*-!-,-!-*-,-材料 工艺 设备*#汽车技术!#覆盖件模具的数字化制造覆盖件模具工作部分由复杂曲面构成，其精度要求很高，加工和检测比较困难。用数字化模型取代实物模型，并采用数字化制造技术可以很好地解决这些问题。在模具型面加工中，凸模可以直接使用数字化定义面来编程加工。即在得到了铸造毛坯后，根据铸造加工余量，对模具进行数控加工编程，生成的加工代码直接指导数控加工。数学模型取代了实物模型，从而缩短了加工周期，提高了加工精度。根据不同的曲面零件
14、轮廓，选用最佳的切削路径和切削方法，从而可满足各种复杂零件轮廓表面的加工要求。在此根据铸造加工余量的大小（一般为!#$%），以凸模实体模型为基础，运用&软件中的曲面偏置、缝合等造型命令，得到毛坯实体模型。首先进行粗加工、半精加工和精加工的编程及加工模拟，然后经后处理在指定的机床上完成()加工。*+粗加工对于某汽车发动机罩凸模毛坯的粗加工，宜采用大直径的刀具和较大的切削深度。在此选择!,$%平底端铣刀，加工步长为刀具直径的!$!，采用沿外轮廓走刀方式。编制完凸模型面的粗加工程序后，可进行加工模拟，检验粗加工质量，如有问题可重新设定加工参数再进行模拟，直到符合要求为止。从图-的效果图可以看出，毛坯
15、的余量基本剔除，但有明显的切削刀痕。图-粗加工后的凸模型面.+半精加工半精加工是为了切除粗加工时留下的剩余材料肩。在此，采用固定轴铣中的区域驱动的(/0123445（切削非陡峭区域）陡峭约束，陡峭角度设为6$7，使刀具对侧壁不产生铣削，刀具为!8$%球头端铣刀，加工步长为刀具直径的9!，顺铣，切削角度为:$7，采用往复走刀方式。从图6可以看出，经过半精加工后凸模表面质量已经有很大改善。;+精加工精加工的精度高、切削量小。精加工编程的原则是在保证加工精度的前提下，尽量提高加工效率。在此选用4;3=/0*?23445（定向切削陡峭区域）陡峭约束，陡峭角度设为9$7，用于加工凸模型面中圆角过渡处的多
16、余材料。由于要保证精度，所以选择!9$%的球头端铣刀，加工步长为刀具直径的8$!，顺铣，采用往复式走刀方式，加工公差为$+$8%。图:为精加工后的凸模型面。图6半精加工后的凸模型面图:精加工后的凸模型面+后处理在&中各加工模块的主要功能是创建加工的刀具路径，但它是一个内部刀具路径，必须经过后处理才能送到数控机床进行加工，且刀具路径输出的刀具位置源文件)ABC（)D334 A/;*3=/0 B/D;4 C=?4）并不包含特定机床的相关信息，因此)ABC文件必须进行后处理。在此，利用&EFGBH直接从覆盖件的刀具路径中提取路径信息进行后处理，生成该机床可以识别的()程序，控制机床进行加工。#结束语某发动机罩模具的数字化制造表明，数字化制造可以大大缩短覆盖件模具设计、调试和制造周期，降低模具的生产成本，提高模具的设计质量和可靠性，最终提高覆盖件制造的精度、质量与效率。参考文献#陈军等+汽车覆盖件冲压工艺E模具计算机辅助技术的发展现状+锻压技术，9$9（I）9徐金波等+基于有限元分析的汽车覆盖件模具设计及优化+锻压技术，9$,（#）8郭忠新等+汽车大型覆盖件冲压方向的优化设计+山东大学学报（工学版），9$8，88（#$）,杨兰香+影响汽车覆盖件拉伸质量的因素+模具工业，9$#（,）（责任编辑文楫）修改稿收到日期为9$,年#月9,日。材料 工艺 设备 8I