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一种CAD/CAE/CAM系统在汽车冲压模具中的应用 Bor-Tsuen Lin · Chun-Chih Kuo

收到：2006年3月2日

接受：2006年9月4日

出版：2006年111月17日#施普林格出版社伦敦有限公司2006

摘要 全球化与行业竞争使汽车工业有必要减少花费在产品开发上的时间， 因此，计算机辅助产品设计已发展成为最重要的汽车工业技术。根据并行工程的概念，一个集成的CAD / CAE /CAM汽车冲压模具系统建立了。该系统是基于三维表面构造CAD软件STRIM，CAD／CAE软件CATIA，冲压成形分析软件DYNAFORM，CAM软件CADCEUS，及冲压设计知识的系统及产品数据库。本文用后车箱盖外板的设计作为一个例子来展示这套系统的力量，在设计中本系统可在不同的发展阶段同时执行不同的操作。该系统可以大大减少开发时间和成本，提高产品质量，推动产品在相对较短的时间内进入市场。

关键词 CAD/CAE/CAM系统 并行工程 冲压模具 汽车拉深模

1引言

由于冲压件的竞争能力和优异表现，冲压件具有很大的潜力。因此，他们已被广泛应用于汽车行业。然而，制造业有三大目标：提高产品质量，降低开发成本，并减少花在设计发展的时间。为了实现这些目标，我们需要引进新的技术。从生产的角度看，主要要求对于大多数金属板材的应用具有好的成形性[ 1 ]。鉴于产品部分表面变得更加复杂并有锐利的边缘，我们需要采取成形性分析的优点，以了解他们的冲压性能。在1963年基勒和巴克芬[ 2 ]提出了成形极限图的概念（FLDS）。他们分析了在金属板材经过冲压后已划分的圆形网格的形状和尺寸。该技术在金属板材成形性分析中得到了广泛的应用。在那之后，最近，使用有限元法的软件也已被广泛用于金属板材成形性的分析和模拟。陈、刘[ 3 ]合并圆网分析与成形性分析，以确定最佳的模具面，所以在已划分网格的后壁上的缺陷能够避免。牧野[ 4 ]用成形形分析软件对四个冲压件--挡泥板，汽车箱后盖外板，侧框外板，和轮胎盘车轮在冲压后预测其毛坯几何尺寸，回弹，板材厚度，残余应力，和常见的缺陷。Bigot等人基于二维特征和有限元比较开发了一种方法来验证铝成型工艺的建模。利用人工划分网络和基于系统和有限元分析的知识，派拉尼等人[ 6 ]提出了一种在模面上自动生成最佳模面性能参数的设计方法。由于模具结构越来越复杂和大型化，我们必须使用一个实体模型模具设计，以避免任何各种成分潜在的干扰。此外，固体模型可以用于建立分解模型和估计的脆弱模具结构截面。因此，使用三维CAD/CAE/CAM系统建立分解模型，制定数控模具路径规划并分析在冲压模具开发中冲模结构的应力是有必要。纳姆和石川[ 7 ]利用基于参数化建模技术的集合的设计方法去处理在早期阶段固有的不确定性。帕克等人[ 8 ]结合CAD/CAM系统与一个以知识为基础的系统来开发深拉深模具电动机壳体。成等人[ 9 ]使用Visual C 程序去创建一个涡旋式压缩机的概念化设计的计算机辅助设计软件，并在数控加工中心制造真正的滚动零件。汽车产业的全球化与竞争使减少花费在产品开发的时间变得有必要。现在网络被广泛使用。结果，高和林[ 10 ]设计了一个系统，使用本地区网与互联网从而允许在地理位置上两地分散的CAD/CAM用户同时工作进行产品开发。Kong等人为汽车制造企业设计模型及分析结果发展出一种以网络为基础的压模设计过程。此外，一个集成CAD / CAE / CAM系统可以极大地提高生产率。徐和王[ 12 ]采用多模式技术和集成的CAD / CAE / CAM系统开发气缸盖。悦等人[ 13 ]利用了并行工程的概念与CAD / CAE / CAM系统开发压铸模具水泵，成功地降低了开发时间和成本，提高产品质量。费雷拉[ 14 ]开发了一个集成的计算机辅助设计/快速/有限元分析系统来提高锌铸件的制造工艺。本文阐述了一个集成的CAD / CAE / CAM系统在汽车并行工程中在汽车后盖外板冲压模具设计的应用。

2、汽车冲压模具的开发过程

一旦接收了冲压件的表面模型，一个汽车制造商，模具制造商初始化开发过程，如图1所示。

模面设计是一个用计算机辅助设计软件创建三维模具面的程序，其中包括冲压零件表面，附加物，拉延筋和胶面，并分析了其冲压成形性分析的软件。考虑到可能的共同缺陷，设计师一直修改三维表面，直到他们得到一个优化拉深模面，用于模具设计和模具数控程序的设计。布局图设计是开发过程中基于其曲面模型的模具结构图包括以下子任务：确定中心、参考点，确定压力方向，识别每一个过程的作用，设计拉深模具表面，表明模具的高度，并指示压力线。由于汽车冲压模具的尺寸非常大，他们被铸造加工，以尽量减少他们的重量和成本。三维CAD／CAE软件必须使用设计实体模型，以避免在不同的组成部分任何潜在的干扰，其中包括型腔，冲床，加强筋，功能部件或标准零件上下模具、压边（BH）。

模具设计完成后，设计师将把模具在三维实体进行运动和干涉分析，如果有任何问题被确定那么就需要对模具进行修改。而且，冲压的力量是非常大的，通过模型结构的分析修改加强了模具的结构。

模具制造包括分解模具制造，模具尺寸制造与模具制造。模具分解是必要的，因为模具是铸造加工的。在确定构建三维信息所需的信息后，实体模型设计人员应按开发数控加工的路径，使用数控机床将分解后的模具的程序化。然后，模体通过分成各部分之后进行分别铸造。模具尺寸制造负责所有参考面和孔，如模底面，导向面，终止面，组装面，定位孔的螺栓孔。设计师使用三维CAM软件设计模具路径，包括粗加工、整理、和倒角加工路径。此外，切割模拟需要确保过程的可行性。模具路径已经确定以后，他们将被传送到数控机床让数控机床进一步加工。在模具制造和组装的时候，测量计算机将测量机模具尺寸。如果没有发现故障，模选试验将产生。如果试验满足所有的要求和相应的规格，模具将批量生产。

3集成的CAD / CAE / CAM系统

图2显示了CAD/CAE/CAM系统在冲压模具上的应用。该系统包括一组模具设计软件，一套冲压成形性分析软件，一套CAD／CAE/CAM软件，一种基于冲压模设计知识为基础的系统和产品数据库。模具表面设计是模具设计的一个过程。冲压件表面周围是各种各样的支承面。这些支承面不是冲压件的一部分表面。因此，模具制造商负责模具表面设计。为了保证冲压件表面及其支承面的一致性，必须使用专业平面设计CAD软件。常用的商业软件包括ICEM公司的SURFS ，SGI公司的STRIM，达索公司的CATIA。

汽车零件的表面是非常复杂与锋利的。不能以往的经验预测其成形性。为了保证产品质量，设计者需要在设计冲模前在模具表面进行成型形分析。目前，这种软件包括DYNAFORM的ETA，PAM-STAMP的EDS等。

汽车冲压模具结构包括结构子组件，如冲压机、型腔、加强筋，功能单元和用于改变冲压方向，减少模具尺寸的凸轮机构。模具冲床和孔腔面由上千个表面组成。这些组件也使模具设计工作变得极其复杂。设计师设计布局图，设计师使用平面图来说明模具的布局。设计模具时，设计人员使用与真正模具相同的固体来构建模型。此外，设计师使用

运动和干扰分析，以避免各组成部分之间任何潜在的的干扰。在此期间，

通过结构分析以了解他们的压力。目前在市场上提供的相关软件包括由达索CATIA，Pro/E PTC，和UNIGRAPHICS NX。

由于汽车冲压模具结构复杂，数控机床被应用于制造冲压模具。因此，CAM软件应该能够帮助设计师生成刀具路径和提供切削仿真。有许多CAM的软件包，可以支持上述功能，包括DELCAM的POWERMILL及由UNISYS开发的CADCEUS 。

基于冲压知识的设计系统包括版图设计和模具设计,布局设计包括表面形成的经验公式参数，如板材的厚度，模具间隙，圆角半径和春天的背影，和材料参数，如弹性模量，应变硬化指数、各向异性。模具设计包括设计程序，设计模具，设计标准和设计每个部件的标准和标准件。在整个过程中所需要的信息是存储在产品数据库中，它可以被所有软件通过本地网络在系统中运用。此外，在为了让用户准确、高效地访问

数据，所有信息都存储在一个结构化的数据库中包括详细信息，包括文件名、版本，日期和格式。

在系统中，所有的CAD / CAE / CAM软件和以冲压知识为基础设计系统都被安装在带有奔腾3.4 4千兆赫处理器，1024 MB内存，128 MB图形，和Windows XP操作系统的个人电脑中。产品数据库是建立在奔腾1 3千兆赫处理器，1024兆字节，128兆字节图形的IBM服务器以及视窗操作系统中。这个网络连接是一个1G的局域网。

本文中，我们使用汽车后箱盖外板缩放1 / 4作为一个例子来说明如何开发冲压模具。我们使用STRIM 100构建模具三维表面。DYNAFORM 5.1被用来进行成形性分析。CATIA V5 R13被用来进行模具布局图设计，模具设计，运动和干扰分析，以及结构分析。我们使用CADCEUS V5 R1工具路径生成和仿真，其中数控程序是得到的。数控机床使用这些数控程序进行模具制造。同时，以冲压模具设计知识为基础的系统，被用来协助布局设计三维模具设计。因为所有的CAD / CAE / CAM软件接受IGES格式，我们使用它们作为这些软件和产品数据库之间的通信格式。此外，相同的三维实体模型被运用到整个开发过程中，在这个过程中不同的发展阶段可以同时进行。因此，从根本上减少开发时间。

4一个集成的CAD / CAE / CAM系统的应用

4.1布局设计

布局设计包括模具设计及模具设计图样设计。布局设计过程如图3。模面设计是为了设计冲压零件表面的支承面。这个这个过程的目的是提高冲压零件表面的成形性和避免成形缺陷。这个布局图设计的目的是规划和确定作为模具开发的基础的开发过程的程序和标准。最后的使用适当的比例，绘制设计图。

4.1.1模具表面设计

汽车后盖外板上有被边角包围的大平面表面。这部分常见的缺陷包括：表面变形，抗凹性差[ 3 ]，和表面起皱 如图4所示。因此，模具表面设计在布局设计中显得非常重要。模具表面设计涉及到采用IGES格式文件的软件STRIM 的进口零件表面，然后模具表面可基于冲压设计知识的系统进一步开发 。模面设计包括工艺补充面设计，闭合面设计和拉深筋的设计，如图5所示。 设计补充面的目的是通过平衡剖面长度来帮助塑造和改善的成形性 冲压件表面加上垂直平行的附加工艺面。同时，也设计了附加工艺面在部分型材在弯曲切边前。闭合面用以保持坯料在进料前避免起皱。一般而言，它的形状是由偏移和冲压件表面延伸轮廓。拉延筋设计是通过改变其位置，长度和截面来控制板料被均匀地送入型腔以避免缺陷。由此产生的模面将模型用IGES文件导入DYNAFORM进行成形性分析。这一过程将确定最佳模面模型。

4.1.2布局示意图设计

平面布置图设计是利用CATIA软件的过程软件开发模具布局图。从汽车制造商获得零件表面通常是基于车辆厂商设定的坐标和角度。为了促进模具开发任务，我们需要转换车辆为基础的坐标和角度为以冲压模具的基础的坐标和角度。模具中心应靠近的零件中心。压力方向设置成缩短冲压行程且无冲压死点出现。此外，开发汽车后盖外板的过程包括拉伸、切边和冲孔，翻边等过程。然后，指定下料刀具刃口尺寸，位置和长度。最后，我们需要指定模具高度，并指定生产线。

4.2成形性分析

在布局设计阶段，我们在三维模具型面采用DYNAFORM进行成形性的分析。为了保证成形性分析的成功，用户必须能够不仅仅只是给系统提供模型和参数以及忠实地反映实际形成过程，而且还要准确地解释结果和提供建议。分析的结果将被用来修改模具面模型以获得最佳模面。

对汽车后盖外板面进行成形性分析时，我们把凸模，凹模，和坯料固定板当做刚体。板料尺寸是由他们的中立线确定。此外，本文所用的例子是左右对称的。为了节省计算时间，我们只一半的模型进行分析。成形性分析的程序如图6所示。成形性分析的起始过程是输入一个包含模具型面模型的一半和冲压线信息的IGES格式文件到DYNAFORM软件打开。然后，该进口表面将进行网格划分以构建凸模型腔网格及凹模型腔网格。一个网格模型也将在毛坯尺寸的基础上被构建。冲压时板料及凸凹模彼此接触的部分需要被指定。此外，设备上的边缘线必须在中央线上被指定。模拟模型如图7所示。

板料的材料是SPCC。材料的成形参数需要指定，其中包括板材厚度（0.5毫米），板料和模具的摩擦系数（0.14），质量密度（7800公斤/立方米），杨氏系数（207兆帕），屈服强度（176兆帕），拉伸强度（295 兆帕），各向异性因子（R = R0°= R45°= R90°= 1.7），一个应变硬化指数（n = 0.23），和塑性应力应变曲线。

拉深模是一个单独作用的压力模。在执行运动仿真，我们需要确定运动的路径：上模开始向下移动，使板料接触坯料固定板，和冲头开始向上移动使板料成形。运动路径的总距离为300毫米。这个冲压速度为2000毫米/秒。分析的结果是图8。

以图8所示的结果为例，成形性分析如下：为避免拉伸断裂，材料变薄率及板料的伸长率必须在百分之80以内，产品中不允许有裂纹或褶皱。在余量部分，拉深筋和闭合面中应尽量减少裂纹或皱纹；产品名义应力要比冲裁力强材料以确保冲压件具有足够的强度，在拉深过程中，坯料点在模具中的最高点和最低点应在圆角半径特征的范围内以避免 难以区分。

4.3模具设计

由于车身面板的冲压模可以非常大的尺寸，当它们被铸造时应以尽量减少他们的重量和成本。此外，凸轮机构是用于在模具中不同的压力方向，以减少冲压工艺及成本。因此，模具设计可能非常复杂。在本文中使用的模具包括拉深模、切边模、翻边模。与实际产品相同的三维实体模型用在在模具设计中以避免任何干扰并且方便设计和修改，这从根本上减

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