CADCAM-技术在汽车覆盖件模具中的应用及发展

1CAD/CAM技术在汽车覆盖件模具中的应用及发展1引言汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一。汽车车身模具是车身制造技术的重要组成部分，也是形成汽车自主开发能力的一个关键环节。在汽车新车型的设计调试直至投产的整个周期中，模具设计和制造约占三分之二的时间，汽车覆盖件模具作为车身生产的重要工艺装备，直接制约着汽车的质量和新车型的开发周期。汽车覆盖件不同于一般的冲压件，它具有曲面多、尺寸大、材料薄、结构形状复杂、精度要求高等特点,其模具制造技术难度大、成本高、开发周期和质量都难以控制。CAD/CAE/CAM技术作为一种现代设计制造方法,把它引入汽车覆盖件模具生产实际中,可以大大缩短汽车开发周期,提高生产效率和市场竞争力。2CAD/CAM技术在汽车覆盖件模具方面的应用随着汽车工业竞争日趋激烈，汽车换型时间不断缩短，要想在竞争中取胜，就必须依托先进的科学技术，大力缩短改型换代的周期。欧美推出一款新车型需要40个月而日本只需30个月这很大程度上归功于日本先进的CAD/CAE/CAM技术。利用这些技术，可以使模具结构设计最优化，实现一次成模。从而大大缩短模具调试周期、降低制模成本、加速换型周期、增强国际市场竞争力。2.1汽车覆盖件的特点与要求汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属板料制成的异形体表面和内部零件。车身以及驾驶室的全部外部和内部形状都是由汽车覆盖件组装而成。由于汽车覆盖件属于外观装饰性零件，它不仅要满足结构上的功能要求，更要满足表面装饰的美观要求。因此对表面质量要求很高，表面必须光顺，不允许有任何皱裂和拉痕等缺陷，任何微小的缺陷都会破坏外形的美观。这给覆盖件成形的关键工序---“拉延”提出了很高的要求，而传统的手工设计制造方法难以保证拉延件的质量，这也是车身制造技术的难点和关键所在。此外，汽车覆盖件又是封闭薄壳状的受力零件，当汽车高速行驶时，如果覆盖件刚性分布不均匀，刚性较差部位受到震动会产生空洞声，从而产生较大噪音。因此在拉延成形时，我们必须克服由于塑性变形的不均匀性而产生的覆盖件刚性分布不均匀，除此之外，由于汽车覆盖件多为空间立体曲面，还具有形状复杂、结构尺寸大、材料薄等特点，所有这些，都对汽车覆盖件模具设计和制造提出了特殊的要求。2.2CAD/CAE/CAM技术在汽车覆盖件模具设计制造中的应用CAD/CAE/CAM技术以计算机和数控机床为主要设备,以覆盖件的数学、力学模型为依据、在模具设计成形分析及制造技术各环节中直接发挥作用。汽车覆盖件模具设计，主要包括工艺设计和结构设计。工艺设计主要是指汽车覆盖件的三维设计以及工艺补充面的三维设计，工艺设计主要解决曲面造型问题，由于汽车覆盖件空间曲面多、形状复杂，因此这个过程技术难度较高。而结构设计是依据工艺设计的结果，设计模具具体部件，对这个过程要求速度快、效率高。要解决上述问题，必须借助先进的计算机辅助设计CAD技术。汽车覆盖件模具的制造过程中，采用计算机辅助制造CAD技术具有加工精度高、生产周期短等优点。传统的车身开发是以实物模型来表示车身表面的几何信息，这样，在传递过程中，很容易发生模型变形、数据传递误差、误差积累等诸多问题，严重影响车身覆盖件模具的制造精度。同时延长生产周期。采用CAM技术制造模具，省略了制造工艺模型这一环节。首先是按产品图或数据表把零件的特征点元素输入计算机，利用软件提供的曲线、曲面功能建立零件表面的数学模型，从而生成数控加工所需的刀具轨迹文件，用来控制数控机床的运动，加工出所需的零件表面。由于加工过程是基于高准确性的计算机模型，提高了制造精度。2结构设计结构确认文件整理结构会签修改实型明细提交实型文件上网实型明细表审批改图模具图形校对记录实型研讨记录《改图通知》制定：设计者审校：室主任、科长校对干涉检查完善正式图正式图审核正式图校对资料存档文件上网正式明细表审批明细表模具结构评审记录模具图纸校对记录会签记要工艺卡、规划书明细表、技术首页通知实型车间负责：科长、室主任形式：邮件收件人;实行车间抄送：技术管理模具结构评审记录模具图纸校对记录会签记要实型研讨记录工艺卡、规划书图纸、明细表技术首页技术1对于一个已掌握CAD/CAM技术的厂家，更加关心的则是冲压件能否成形，产品质量能否合格，但这往往是难以预知的。由于汽车覆盖件形状复杂，冲压成形过程中板材成形性难以预先估计，模具设计正确与否无法事先知道，模具加工完成以后问题才会暴露出来，这样给模具调试带来很大困难。计算机辅助工程（CAE）技术可以协助CAD/CAM对冲压成形过程进行模拟,对实际冲压件的成形性进行分析,及早发现问题,并通过计算机模拟改进模具设计,从而大大缩短模具调试周期,降低制模成本。采用CAD/CAE/CAM技术和各种数控机床及三坐标测量仪相结合，使汽车覆盖件模具的开发制造呈现前所未有的面貌，模具精度大幅度提高，模具寿命延长2倍以上，模具开发周期较原来缩短3倍以上，开发制造的成功率也大幅度提高。汽车覆盖件模具CAD/CAE/CAM技术的发展伴随着计算机软硬件技术、图形学、人工智能、数值计算方法以及板料塑性变形理论等的发展,与传统的模具设计、制造技术相结合。2.3国内外CAD/CAE/CAM技术的发展状况早在六十年代初，国外一些汽车公司在汽车车身设计的基础上，开始了模具CAD的研究，从而发展了复杂曲面的设计方法。七十年代，美国Ford公司开发的CAD/CAM系统简化了人工设计与制造。日本TOYOTA汽车公司从1980年开始研制汽车覆盖件模具CAD/CAM系统，此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。并且该系统已经具有较强的三维图形功能，能在屏幕上反复修改曲面形状。1986年，欧共体五国联合开发了冲压成形过程的CAE软件，前后花费六年的时间，1992年正式推出PAM-STAMP商品化软件。改革开放以来，我国汽车工业得到了很大的发展，但与发达国家相比仍有很大差距。1994年3月，国务院颁布了我国的《汽车工业产业政策》，要求在2010年，使我国的汽车特别是轿车工业具有车型及模具的自我设计和开发能力，真正建立起自主发展的中国汽车工业。与此同时，一些具有自主版权的软件也陆续推出，如上海交大国家模具CAD工程研究中心开发的冷冲模CAD系统、北京航空航天大学华正模具研究所开发的CAD/CAM系统CAXA以及武汉华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的塑料注射模CAD/CAE/CAM系统EHSC2.0等,在九五期间,开发具有国际先进水平的CAE软件,并与现有的CAD/CAM软件集成,实现CAD/CAE/CAM一体化一直是国家科技攻关的一个重点。在此基础上，吉林工大开发出板料冲压成形分析的CAE软件系统KMAS，湖南大学研究开发出汽车覆盖件成型工艺与模具CAD/CAE/CAM一体化技术。此外，把人工神经网络的模式识别模型引入工艺专家系统，建设智能化的汽车覆盖件冲压工艺专家系统（CAPP）也取得了相当大的进展。1)汽车覆盖件模具的面向对象编程技术目前，汽车行业较常用的商用CAD/CAM软件，以UG、Pro/Engineer、CATIA为代表,它们为汽车覆盖件从设计到制造提供了一系列支持。但从实质上来说，他们都属于通用CAD/CAM软件,如何在其基础上进行二次开发,将其强大功能与企业自身的经验与专业知识结合起来,使其具有专用性和智能性,这是众多使用上述软件的企业所关心的一个共同问题。如今，有不少的研究机构已经开始了这方面的研究，并且已经取得了一定的进展。例如,为了简化汽车覆盖件模具数控编程的复杂性，利用面向对象编程技术，用UG/API、GRIP以及VC++等工具，对汽车覆盖件模具的数控编程系统进行二次开发，把类和对象的概念引入到参数定义中，利用参数的继承性和关联参数的程序计算，实现程序的自动批处理生成，从而简化了编程操作，大大提高了编程效率。此外，利用Pro/Engineer自带的J-Link接口，对其进行模块扩展，建立常用零件库管理系统；或以Autocad为开发平台，利用其二次开发工具，建立汽车覆盖件模具标准件库。所有这些研究成果都可以大大减少设计的重复性，提高生产效率。2)激光快速成型技术在汽车覆盖件模具方面的应用激光快速成形（LaserRapidPrototyping:LRP）是将CAD、CAMCNC、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成的一种全新制造技术。近期发展的LPR主要有,立体光造型（SLA）技术、激光熔覆成形(LCF)技术;选择性激光烧结(SLA)技术、激光诱发热应力成形(LF)技2术、激光薄片叠层制造(LOM)技术等。其中，立体光造形（SLA）技术,又称光固化快速成形技术,其原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描,被扫描区域的树脂薄层(约十分之几毫米)产生光聚合反应而固化,形成零件的一个薄层。工作台下移一个层厚的距离，进行下一层的扫描加工，如此反复，从而制造出整个原型。由于光聚合反应是基于光的作用，没有热扩散，加上链式反应能够得到很好地控制，聚合反应不会发生在激光点之外，因而加工精度高，表面质量好，原材料利用率接近100%，能制造出形状复杂的零件。对于尺寸较大的零件，可以把成形过程分成几部分，先分块成形，然后再粘接起来。美国、日本、德国、比利时等都投入了大量的人力、物力研究该技术,并不断有新产品问世。我国西安交通大学也成功研制了立体光造型机LPS600。技术可制造出所需比例的精密铸造模具，从而浇铸出一定比例的车身金属模型，利用此模型可进行风洞和碰撞等试验，从而完成对车身最终评价，以决定其设计是否合理。美国克莱斯勒公司已用SLA技术制成了车身模型，并将其放在高速风洞中进行空气动力学试验分析，取得了令人满意的效果，大大节约了试验费用。目前该技术己被运用于汽车覆盖件以及其它异形件的成形中。3逆向工程在汽车覆盖件模具方面的应用逆向工程是通过对实物模型的数据采集，进行计算机三维模型重建过程的总称。目前已发展成为CAD/CAM中一个相对独立的范畴。将汽车覆盖件的实物模型，经过三坐标数据扫描，进行计算机$0几何模型的重建是整个汽车工业设计与生产过程中最重要的环节之一。根据逆向工程所生成的计算机3D模型，才能利用现有的先进的CAD/CAM技术,进行新车型的产品设计、工艺设计、模具设计、模具制造及质量检验等后续生产过程。在数据采集方面，随着激光技术的发展，在扫描中充分运用激光定向性好的特性，采用非接触式测量方法，如光栅法、全息法、激光三角法等，可以有效地克服机械接触式测量如三坐标测量仪中探测杆的补偿和刚性等因素所引起的系统误差，使逆向工程得到了新的发展。在几何建模方面，建模过程也就是对采集的数据进行处理的过程。传统的逆向工程方法是将测量的点云数据，经过必要的编辑、多模型自动匹配、偏置、滤波、排序等优化处理，人工或半人工寻找结构特征线，根据结构线及域内点云拟合出各局部的曲面CAD模型。不仅效率低，而且几何模型的精度与曲面的光顺之间相互矛盾的关系一直无法解决。Delcam公司经过多年的研究，提出局部逆向技术的概念，认为逆向（反求）工程的基本原则是模型的保型性。所生成的CAD模型与实物的主要部分应该是一致的。如果需要变化模型，一定是局部区域的变化。在此基础上，推出逆向工程软件CopyCAD及相关Power-SHAPE、POWERMILL等一系列软件，该系列软件可方便快捷地生成STL模型,并通过局部特征添加、调整、工艺补充部分及拉延筋设计等,生成覆盖件拉延模具的3D模型。还能自动生成粗加工、半精加工、精加工的数控程序，完成模具的数控加工。从而大大提高了逆向工程的处理效率。本文认为汽车覆盖件模具CAD/CAE/CAM技术必然会朝着智能化、专业化、集成化方向继续发展。为了真正实现汽车覆盖件模具设计制造的自动化，必须开展智能化研究工作，把总结出来的以往设计、制造中的成功经验应用到模具设计中去，形成计算机里的知识库和智能库，并采用检