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基于实例的冷冲拉延模具c a d c a e 关键技术应用研究 摘要 目前模具工业己成为国民经济中的重要基础工业之一，我国冷冲模具目前 的设计与分析主要依赖设计人员的经验和工艺人员的技巧，设计合理与否、制 品有无缺陷只有通过试模才知道，使得模具的制造周期长、成本高。而采用计 算机辅助设计和分析( ( c a d c a e ) 一体化技术，可以极大的提高冷冲模具的设计 制造水平及产品质量。 本论文在介绍国内外冷冲模具工业的现状、发展趋势和冷冲模 c a d c a e c a m 技术的基础上，利用a u t o f o r m 软件、u g 软件分别作为开发平台， 结合目前中国冷冲模具设计情况，对目前运用最多的冷冲拉延模具进行分析、 设计。使计算机技术和模具设计技术相互结合与渗透，为冲压产品模具的分析 和设计提供一个合理的理论依据。 论文首先详细阐述了冷冲拉延模具设计原则、a u t o f o r m 软件、u g 软件的作 用和功能。运用分析软件a u t o f o r m 对设计的翼子板进行拉延成型性分析，为翼 子板的模具结构设计奠定了优化的工艺基础。最后利用u g 软件的模具设计模块 设计出翼子板的冷冲拉延模具。实现了翼子板拉延模的快速分析与设计，缩短 了模具的研发周期，提高了企业在市场上的竞争力。 关键词：冷冲模具；c a e 分析：模具设计：成型性分析 a n a p p l i e dr e s e a r c hf o rc o l dp r e s sd r a w i n gm o l d c a d c a eb a s e do na c t u a le x a m p l e a b s t r a c t p r e s e n t d a y s o c i e t y ，t h em o l di n d u s t r yi nt h en a t i o n a le c o n o m yh a sb e e n b e c o m i n go n eo ft h ei m p o r t a n tf o u n d a t i o ni n d u s t r y , c h i n a sc o l dp r e s sm o l dd e s ig n a n da n a l y s i s m a i n l y i sr e l i e do nt h e d e s i g n e r se x p e r i e n c ea n dt h e s t a f f s t e c h n o l o g ys k i l l s b e c a u s eo n l ya f t e rm o l dt e s th a sb e e nd o n ec a nw ed e t e r m i n e w h e t h e rt h ed e s i g ni sn a t i o n a lo rt h ep r o d u c ti sd e f e c t ，w h i c hc a u s e sl o n gm o l d s m a n u f a c t u r ec y c l ea n dt h eh i g hc o s t b u tt h el e v e lo fd e s i g na n dp r o d u c t sq u a l i t y o ft h ec o l dp r e s sm o l d sc a nb eg r e a t l yi m p r o v e db yt h eu s eo fc o m p u t e ra i d e d d e s i g na n da n a l y s i s ( c a d c a e ) i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g np r e s s i n d u s t r y , t h et r e n do fd e v e l o p m e n ta n dt h ec a d c a e c a mt e c h n o l o g y o nt h i s b a s i s ，t h i sp a p e ru s e dt h ea u t o f o r ma n du gs o f t w a r ea st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m t o c a r r yo nt h ea n a l y s i s a n dd e s i g nf o rm o s tc o l dp r e s sm o l di n t e g r a t i n gw i t h c h i n e s em o l ds i t u a t i o n s ot h a tt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yc o u l dp r o v i d ea n a c a d e m i cr e f e r e n c ec o m b i n e dw i t hm o l dd e s i g nt e c h n i q u e sf o rp r e s s i n gp r o d u c t s a n a l y s i sa n dd e s i g n f i r s t ，t h ep a p e re l a b o r a t e do nt h ep r i n c i p l eo fc o l dp r e s sm o l dd e s i g na n dt h e r o l ea n df u n c t i o no fa u t o f o r ms o f t w a r e ，u gs o f t w a r e t h e ni ta n a l y s e dt h ep r e s s d i eo nf o r m a b i l i t ya n a l y s i sb ya u t o f o r ms o f t w a r e ，w h i c hw a si m p o r t a n tp r o c e s s b a s i st of e n d e r ss t r u c t u r ed e s i g n a tl a s ti td e s i g n e dt h ef e n d e r sm o l db yt h eu g m o l dd e s i g ns o f t w a r e t h r o u g ht h ec a d c a et e c h n o l o g yr e s u l t e dt or e a l i z et h e f e n d e rm o l d sf a s td e s i g n 、r e d u c em o l d sd e v e l o p m e n tc y c l ea n de n h a n c et h e e n t e r p r i s ei nt h em a r k e tc o m p e t i t i v ep o w e r k e yw o r d ：p r e s sm o l d ；c a ea n a l y s i s ；m o l dd e s i g n ；f o r m a b i l i t ya n a l y s i s 插图、插表清单 图2 1典型单动拉延模结构1 0 图2 2典型双动抟延模结构1 1 图2 3凸模导板结构示意图1 3 图2 4挡料板图示1 4 图2 5项杆位置图1 5 图2 - 6筋厚示意图1 6 图3 1典型的a u t o f o r m 分析过程2 8 图3 2 导入c a d 模型2 9 图3 3网格检查及填充。2 9 图3 - 4模具类型、基准、料厚及冲压方式3 0 图3 5工具设定3 1 图3 - 6坯料尺寸确定3 1 图3 7 等效拉延筋3 2 图3 8虚拟拉延筋3 3 图3 - 9 料厚减薄图3 4 图3 1 0 成形极限图3 4 图3 1 1 副应变变化图3 5 图3 1 2 主应变变化图3 5 图3 1 3 滑移线显示图3 6 图3 1 4 实际拉延板件状态图3 6 图4 1导入参考模型3 9 图4 2层放置3 9 图4 3片体检查与修补3 9 图4 4 片体缝合：4 0 图4 5 分模线编辑4 0 表4 6曲线编辑。4 0 图4 7拉伸体的生成4 0 图4 8凸模实体生成4 1 图4 9分模面退刀编辑4 1 图4 1 0 分模面退刀实体图4 1 图4 1 1 导滑板安装面4 2 图4 1 2 安全挡块4 2 图4 1 3 加强筋和局部加强筋4 2 图4 一1 4 凸模u 形槽4 3 图4 15 自润滑导板和翻转吊耳4 3 图4 1 6 上模本体大体尺寸4 4 图4 1 7 上模本体细化制作4 4 图4 1 8 上模本体加强筋和键槽4 4 图4 1 9 凸模安装面、定位键槽和减轻孔4 4 图4 2 0 凸模标准件安装及上模本体装配4 5 图4 2 1 调压块安装台和定位板安装面4 5 图4 2 2 导滑腿4 6 图4 。2 3 导滑腿和凹模4 6 图4 2 4u 形槽和侧筋一4 7 图4 2 5 滚轮定位台、正向标示和减轻孔4 7 图4 2 6 安装凹模标准件4 8 图4 2 7 凸模让位孔、内导滑面和上墩死台4 8 图4 2 8 导滑腿4 9 图4 2 9u 形槽和侧筋4 9 图4 3 0 基准孔、正向标示、减轻、避让和窥视孔5 0 图4 3l 安装压边圈标准件5 0 图4 3 2 建立装配文件夹5 1 图4 3 3 模具装配图5 1 表1 1筋后数据表1 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金月垦互些太堂 或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签夤：名睦乡 签字日期：哆年廖绢，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权金目曼工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：名知夕 签字日期：巧年名月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翩躲疆转 剔程轹修枪 签字嗍1 年石月日 电话： 邮编： 致谢 值此论文完成之际，谨向导师夏链教授致以崇高的敬意和真诚的感谢! 本文是在夏老师的悉心指导下完成的，论文的每一个环节都凝聚着夏老师 的大量心血。从选题、开题、收集论文相关资料，一直到论文的完成，导师都 给予了我无私的指导和帮助。在完成论文的每一个阶段，导师都严格把关，耐 心细致的审阅，并在课题的研究思路上给予建设性的意见。 夏老师渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风、平和亲切的待人 处事方式，使我感受至深。 感谢机械学院老师和各位同学给予我的关心和帮助；感谢我的同事在我课 题研究中给予的无私帮助和宝贵意见。还要特别感谢我的父母，我的爱人给予 我精神和物质上的支持和鼓励，使我最终得以完成学业。 也向百忙之中抽出宝贵时间来评审本论文的专家、教授、学者表示衷心的 谢意，感谢你们的指导和评审。 最后，向所有给予作者关心和帮助的人们表示感谢! 祝福你们每个人都身 体健康，生活幸福! 作者：李伟 2 0 0 9 年0 4 月1 0 日 绪论 1 1 我国模具工业的发展概况 在机械、电子、汽车、摩托车、电器、仪器、建材、通讯和军工等产品中， 以上都要依靠模具成形，这些行业是模具行业的主要服务领域，近年来机械、 汽车、电子、电器等行业的快速发展推动了模具行业的升级和发展。模具工业 是现代制造业和先进制造技术的重要组成部分，尤其在汽车领域。 目前，我国在卡车、轻型车、微型客货车等模具方面基本上可以自给，并 能生产部分轿车覆盖件模具。但是，轿车的大部分模具仍需进l ：i ，主要是车身 覆盖件模具，年进口金额1 亿美元以上。 我国汽车模具行业近来发展迅速，进步也很大，但与国外先进水平相比， 仍存在明显差距。主要表现在以下几点： 一是制造精度差。以密封件为例，许多人都反映，我国国产汽车密封性能 不好。其实，这不仅与密封材料及密封件制造水平有关，与相关模具水平更有 直接关系。目前，国外的汽车企业都在实施“2 毫米工程，但在我国，单一 零件还能够做到，几百个零件装配到一起就没有保证了，关键在于模具。 二是模具寿命短。仅以铝压铸模为例，国外先进水平己达1 0 0 万次以上， 而我国只有2 0 万次，仅为国外水平的1 5 。 三是模具开发周期长。以前，我国汽车车型几十年不变，汽车模具的开发 也很慢。随着竞争的激烈，汽车产品更新换代速度加快，相应地要求模具行业 缩短模具开发周期。目前，国外中型压铸模的开发周期仅为l 一2 个月，汽车覆 盖件模具开发周期为6 7 个月，而我国则为国外水平的2 3 倍。因此，国内一 些较有实力的汽车模具厂虽有开发新模具的实力，却常因跟不上汽车产品更新 换代的步伐而失去市场竞争力。 造成上述问题的原因主要是我国汽车模具行业的企业结构不合理，软件开 发、管理及人员素质和国外先进水平相比差距较大。 首先是专业化和标准化程度低。国际上，汽车模具已进入专业化、标准化 阶段。国外的汽车模具基本是由专业的模具制造商提供，模具商品化率在7 0 以上，还有许多专门生产模具标准件的企业，汽车模具标准件多达几百种。而 我国主要模具生产能力集中在各主机厂的模具分厂或车间内，模具商品化率偏 低。”九五”期间虽然进行了企业结构调整，模具自产自配比例仍高达7 0 左右。 在汽车模具标准件方面，我国也只有两家有一定批量的企业。 其次是设计和制造工艺技术落后。最突出的表现是软件的二次开发能力差。 近年来，我国引进了不少国外先进的模具设计软件。但我国汽车产品的各方面 数据以及材质等都与国外不同，必须在引进软件的基础上结合我国国情，进行 软件的二次开发，才能设计、制造出符合市场要求的模具。我国模具软件二次 开发能力弱的原因主要是缺乏开发经验及技术力量薄弱。 第三是管理水平及人员素质低。近年来，国内一些主要汽车模具厂相继引 进了世界先进的模具加工设备，其中汽、东风、天汽、成飞等4 家企业的固 定资产已达2 亿元左右，但是产品性能及技术水平与国外先进水平相比仍有明 显差距，主要原因就是管理水平及人员素质低，致使设备利用率低，性能得不 到充分发挥。 汽车模具市场是十分巨大的，在工业发达国家可占整个模具市场的一半左 右。到2 0 1 0 年，我国汽车基本车型已达2 0 0 种，更新车型及改装车型达5 0 0 种，对汽车模具的需求也很大。今后几年，汽车模具行业应重点发展大、中型 汽车覆盖件冷冲模具。 1 2冷冲模c a d c a e 一体化 1 2 1 冷冲模c a d c a e c a m 系统概述 冷冲模c a d c a e c a m 技术是模具设计工程师和模具制造工程师在计算机系 统的辅助下，根据冷冲产品的综合特性几何特性和非几何特性进行模具设计和 制造的一项先进技术。模具设计工程师根据冷冲产品的综合特性，进行模具结 构方案设计。经过初步分析和论证，在满足特定技术条件后，进行模具结构的 详细设计。同时，进行详细的工艺和力学分析，最终输出相关的技术文档。而 模具制造工程师则根据设计信息，进行模具零件的制造工艺设计和n c 编程，最 终生成模具零件制造加工过程的控制信息。 其中c a d 部分主要由冷冲产品的建模，模具总体工艺方案设计；c a e 部分 主要指利用有限元技术对钣金件的成形性分析。c a m 部分括数控仿真和数控程 序的生成。冷冲模c a d c a e c a m 系统通常需要建立在钢材和模具结构的性能参 数数据库、压力机规范数据库、模具标准件的图形库和数据库等，同时要求实 现模具的标准化和系列化。 模具c a d c a e c a m 技术在模具行业的广泛应用，将彻底改变传统的模具设 计、制造方式，其优越性主要表现在下列几个方面： 1 、提高模具质量。在计算机系统内存储有经过综合整理的技术知识，为模 具的设计提供了科学的基础。c a d 技术利用计算机与设计人员交互作用，充分 发挥人、机各自的特点，使模具设计更加准确、快速。c a e 技术可以优化模具 设计方案，它有助于设计人员设计出正确合理的产品数模和较好的模具结构。 c a m 技术可以自动生成模具成型零件的加工刀具轨迹，使零件尺寸精确高、表 面粗糙度好。 2 、缩短模具制作周期。由于c a d 系统中存贮有模具标准件、常用设计计算 的程序库及各种设计参数的数据库，加上计算机自动绘图，可以大大缩短设计 时间。c a e 技术应用于模具设计，可以减少因单凭经验设计而不得不反复修模 花去的时间。数控机床加工的效率高，是一般机床或钳加工不能比拟的。 2 3 、大幅度降低成本。计算机的高速运算和绘图机的自动化工作节省大量的 劳动力。用计算机模拟冷冲模成型过程，可以避免模具反复修模，反复试模， 从而降低成本。由于应用c a d c a e c a m 技术，新产品开发时间缩短，产品更新 换代加快，大大增加了产品在市场上的竞争力。 4 、充分发挥设计人员的主观能动性。由于c a d c a e c a m 技术可以使设计人 员从繁忙的计算和绘图中解放出来，使其可以从事更多的创造性劳动。 5 、提高企业的管理水平。c a d c a e c a m 技术的推广，使企业的产品开发， 模具设计和制造建立在科学、定量分析的基础上，减少盲目性。同时，可使整 个模具生产过程中的人、财、物的管理建立在更加科学合理的基础上。 1 2 2 国内外冷冲模具c a d c a e c a m 的研究现状 2 0 世纪9 0 年代是汽车发展的高峰期及汽车冲压件模具成熟期。这使得模 具设计与制造在冲压行业中逐步成为非常重要的环节。当前，冷冲模具占各类 模具生产总量的7 0 以上。从发展看，冷冲模具在模具总量中所占比重还要不 断上升。所以冷冲模具c a d c a e c a m 技术的开发有着十分广阔的市场前景和发 展潜力。目前，国内外冷冲模具c a d c a e c a m 的技术情况如下心3 | 。 ( 1 ) 国外情况 国外c a d c a m 技术起步早，发展迅速，先后出现了很多通用c a d c a e c a m 系统，它们大部分具有良好的二次开发功能，许多研发机构对它们进行二次开 发后应用于冷冲模具的设计和制造当中，这一类比较有代表性的c a d c a e c a m 系统有： 1 ) u n i g r a p h i c s ( u g ) u g 起源于美国麦道( m d ) 公司的产品，1 9 9 1 年1 1 月并入美国通用汽车公司 e d s 分部。u g 由其独立子公司u n i g r a p h i c s s o l u t i o n s 开发，是一个集 c a d c a m c a e 于一体的机械工程辅助系统，适用于航空、航天、汽车、通用机械 以及模具等的设计、分析及制造工程。u g 是将优越的参数化和变量化技术与传 统的实体、线框和表面功能结合在一起，还提供了二次开发工具g r i p 、u f u n g 、 i t k ，允许用户扩展u g 的功能。 2 ) a u t o c a d a u t o c a d 是美国a u t o d e s k 公司开发的一个具有交互式和强大二维功能的绘 图软件，如二维绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能， 同时有部分三维功能。a u t o c a d 软件是目前世界上应用最广的c a d 软件，占整个 c a d c a e c a m 软件市场的3 7 左右，在中国二维绘图c a d 软件市场占有绝对优势。 3 ) m d t ( m e c h a n i c a l d e s k t o p ) m d t 是a u t o d e s k 公司在基于参数化特征实体造型和曲面造型的c a d c a m 软 件，它以三维设计为基础，集设计、分析、制造以及文档管理等多种功能为一体， 为用户提供了从设计到制造一体化的解决方案。据称目前已经装机2 万余套， 国内已销售近千套。 4 ) s o li d w o r k s s o li d w o r k s 是由美国s o li d w o r k s 公司于1 9 9 5 年1 1 月研制开发的基于 w i n d o w s 平台的全参数化特征造型的软件，s 0 1 i d w o r k s 是世界各地用户广泛使 用，富有技术创新的软件系统，已经成为三维机械设计软件的标准。它可以十分 方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。图形界面友好， 用户易学易用。s o lid w o r k s 软件于1 9 9 6 年8 月由生信国际有限公司正式引入 中国以来，在机械行业获得普遍应用，目前用户已经扩大到三十多万个单位。 5 ) i d e a s 系统 美国s d r c 公司的i d e a s 系统。它是一个通用机械c a d c a e c a m 系统， 采用主模型参数化方法进行三维产品模型设计并首次采用了v g x 技术，另外它 的有限元分析及处理功能强大，在该通用平台上能进行冷冲模的变量化设计。 6 ) p r o e n g in e e r p r o e n g i n e e r 是美国参数技术公司( p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n 简称p t c ) 的产品，于1 9 8 8 年问世。p r o e 具有先进的参数化设计、基于特征设 计的实体造型和便于移植设计思想的特点，该软件用户界面友好，符合工程技术 人员的机械设计思想。p r o e n g i n e e r 整个系统建立在统一的完备的数据库以及 完整而多样的模型上，由于它有二十多个模块供用户选择，故能将整个设计和生 产过程集成在一起。在最近几年p r o e 已成为三维机械设计领域里最富有魅力 的软件，在中国模具工厂得到了非常广泛的应用。 7 ) a u t o f o r m a u t o f o r m 是由瑞士研发与全球市场中心和德国工业应应用与技术支持中 心于9 0 年代初联合开发的。1 ) 它提供从产品的概念设计直至最后的模具设计的 一个完整的解决方案，其主要模块有u s e r - i n t e r f a c e ( 用户界面) 、 a u t o m e s h e r ( 自动网格划分) 、o n e s t e p ( 一步成形) 、d i e d e si g n e r ( 模面设计) 、 i n c r e m e n t a l ( 增量求解) 、t r i m ( 切边) 、h y d r o ( 液压成形) ，支持w i n d o w s 和u n i x 操作系统。2 ) 特别适合于复杂的深拉延和拉伸成形模的设计，冲压工艺和模面 设计的验证，成形参数的优化，材料与润滑剂消耗的最小化，新板料( 如拼焊板、 复合板) 的评估和优化。3 ) 快速易用、有效、鲁棒( r o b u s t ) 和可靠：最新的隐式 增量有限元迭代求解技术不需人工加速模拟过程，与显式算法相比能在更短的 时间里得出结果；其增量算法比反向算法有更加精确的结果，且使在f l c - 失效 分析里非常重要的非线性应变路径变得可行。即使是大型复杂制件，经工业实 践证实是可行和可靠的。4 ) a u t o f o r m 带来的竞争优势：因能更快完成求解、 友好的用户界面和易于上手、对复杂的工程应用也有可靠的结果等，a u t o f o r m 能直接由设计师来完成模拟，不需要大的硬件投资及资深模拟分析专家，其高 4 质量的结果亦能很快用来评估，在缩短产品和模具的开发验证时间、降低产品 开发和模具成本、提高产品质量上效果显著，对冲压成形的评估提供了量的概 念，给企业带来明显的竞争优势和市场机遇，约9 0 的全球汽车制造商和1 0 0 多家全球汽车模具制造商和冲压件供应商都使用它来进行产品开发、工艺规划 和模具研发，。 进入2 1 世纪开展了冲压模具设计到成型仿真的全过程模拟，将各独立模块 有机地结合起来，考虑它们之间的相互影响，以提高模拟软件的分析精度和扩 大适用范围。这些卓有成效的研究成果，为开发使用型的冷冲模分析软件奠定 了基础。 ( 2 ) 国内情况 我国在冷冲模具c a d c a e c a m 技术开发研究与应用方面起步较晚，但经过 几十年的发展，c a d c a e c a m 技术有了长足的进步，国内部分大中型企业先后 引进了一些国外知名度较高的冷冲模c a d c a e c a m 系统，同时，部分大学和科 研院所也开始了这一领域的研究开发工作。主要有： 1 ) 高华c a d 高华c a d 是由北京高华计算机有限公司推出的c a d 产品。该公司是由清华 大学和广东科龙( 容声) 集团联合创建的一个专门从事c a d c a m p d m m i s 集成系 统的研究、开发、推广、应用、销售和服务的专业化高技术企业。高华c a d 系 列产品包括计算机辅助绘图支撑系统g h d r a f t i n g 、机械设计及绘图系统g h m d s 、 工艺设计系统g h c a p p 、三维几何造型系统g h g e m s 、产品数据管理系统g h p d m s 及自动数控编程系统g h c a m 。其中g h m d s 是基于参数化设计的c a d c a e c a m 集 成系统，它具有全程导航、图形绘制、明细表的处理、全约束参数化设计、参 数化图素拼装、尺寸标注、标准件库、图像编辑等功能模块。 2 ) c a x a 电子图板和c a x a m e 制造工程师 c a x a 电子图板和c a x a - m e 制造工程师软件的开发与销售单位是北京北航海 尔软件有限公司( 原北京航空航天大学华正软件研究所) 。该公司是从事 c a d c a e c a m 软件与工程服务的专业化公司。c a x a 系列中，冷冲模具c a d c a m 系统具有冷冲产品线框造型、曲面造型、分析模拟和数控仿真与数控加工程序 生成等多项功能。 3 ) g s - c a d 9 8 g s - c a d 9 8 是浙江大天电子信息工程有限公司开发的基于特征的参数化造 型系统。该公司是国家科委高技术研究发展中心、浙江大学和中国航天总公司 c a d c a m 中心在杭州联合创建的高新技术研究、开发和应用企业。g s - c a d 9 8 是 一个具有完全自主版权、基于微机、中文w i n d o w s 9 5 n t 平台的三维c a d 系统。 该软件是在国家”七五”重大攻关及8 6 3 c i m s 主题目标产品开发成果的基础上， 参照s o l id w o r k s 的用户界面风格及主要功能开发完成的。它实现了三维零件设 计与装配设计，工程图生成的全程关联，在任一模块中所做的变更，在其他模 块中都能自动地做出相应变更。 4 ) 金银花系统 金银花( l o n i c e r a ) 系统是由广州红地技术有限公司开发的基于s t e p 标准 的c a d c a m 系统。该系统是国家科委8 6 3 c i m s 主题在”九五”期间科技攻关的最 新研究成果。该软件主要应用于机械产品设计和制造中，它可以实现设计制造 一体化和自动化。该软件起点高，以制造业最高国际标准i s o 一1 0 3 0 3 ( s t e p ) 为 系统设计的依据。该软件采用面向对象的技术，使用先进的实体建模、参数化 特征造型、二维和三维一体化、s d a i 标准数据存取接口的技术；具备机械产品 设计、工艺规划设计和数控加工程序自动生成等功能；同时还具有多种标准数 据接口，如s t e p 、d x f 等；支持产品数据管理( p d m ) 。目前金银花系统的系列产 品包括：机械设计平台m d a 、数控编程系统n c p 、产品数据管理p d s 、工艺设计 工具m p p 。 5 ) 开目c a d 开目c a d 是华中理工大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的 c a d 和图纸管理软件，它面向工程实际，模拟人的设计绘图思路，操作简便， 机械绘图效率比a u t o c a d 高得多。开目c a d 支持多种几何约束种类及多视图同 时驱动，具有局部参数化的功能，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。 开目c a d 实现了c a d 、c a p p 、c a m 的集成，适合我国设计人员的习惯，是全国 c a d 应用工程主推产品之一。 对于国内一些大型模具企业，它们的c a e 应用状况多停留在从国外购买先 进的c a e 系统和设备，但在其上进行的二次开发较少，资源利用率低；对于国 内一些中小型模具企业，它们的c a e 应用很少，有些仅停留在以计算机代替图 板绘图。所以有必要改善国内模具企业的c a e 应用状况，自行开发研制c a e 应 用软件或在国外先进的软件基础上积极进行二次开发，使它们真正做到快速、 准确的对市场做出反应，并使制造的模具产品质量高、成本低，即达到敏捷制 造的目的。但是整体来讲国内的c a e 技术还是落后于世界先进水平。 1 2 3 国内外冷冲模具c a d c a e c a m 的发展趋势 2 1 世纪模具制造行业的基本特征是高度集成化、智能化、柔性化和网络化， 追求的目标是提高产品质量及生产效率，缩短设计周期及制造周期，降低生产成 本，最大限度地提高模具制造业的应变能力，满足用户需求。具体表现出以下几 个特征。 1 ) 标准化c a d c a m 系统可建立标准零件数据库，非标准零件数据库和模具 参数数据库。标准零件库中的零件在c a d 设计中可以随时调用，并采用g t ( 成组 技术) 生产。非标准零件库中存放的零件，虽然与设计所需结构不尽相同，但利用 系统自身的建模技术可以方便地进行修改，从而加快设计过程，典型模具结构库 6 是在参数化设计的基础上实现的，按用户要求对相似模具结构进行修改，即可生 成所需要的结构。 2 ) 集成化技术现代模具设计制造系统不仅应强调信息的集成，更应该强 调技术、人和管理的集成。在开发模具制造系统时强调“多集成的概念，即信 息集成、智能集成、串并行工作机制集成及人员集成，这更适合未来制造系统的 需求。 3 ) 智能化技术应用人工智能技术实现产品生命周期( 包括产品设计、制 造、使用) 各个环节的智能化，实现生产过程( 包括组织、管理、计划、调度、控 制等) 各个环节的智能化，以及模具设备的智能化，也要实现人与系统的融合及 人在其中智能的充分发挥。 4 ) 网络技术的应用网络技术包括硬件与软件的集成实现，各种通讯协议 及制造自动化协议，信息通讯接口，系统操作控制策略等，是实现各种制造系统 自动化的基础。目前早已出现了通过i n t e r n e t 实现跨国界模具设计的成功例 子。 5 ) 多学科多功能综合产品设计技术未来产品的开发设计不仅用到机械科 学的理论与知识，而且还用到电磁学、光学、控制理论等知识。产品的开发要进 行多目标全性能的优化设计，以追求模具产品动静态特性、效率、精度、使用寿 命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。 6 ) 逆向工程技术的应用在许多情况下，一些产品并非来自设计概念，而是 起源于另外一些产品或实物，要在只有产品原型或实物模型，而没有产品图样的 条件下进行模具的设计和制造以便制造出产品。此时需要通过实物的测量，然后 利用测量数据进行实物的c a d 几何模型的重新构造，这种过程就是逆向工程 r e ( r e v e r s e e n g i n e e r i n g ) 。逆向工程能够缩短从设计到制造的周期，是帮助设计 者实现并行工程等现代设计概念的一种强有力的工具，目前在工程上正得到越 来越广泛的应用。 7 ) 快速成形技术快速成形制造技术r p m ( r a p i d p r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g ) 是基于层制造原理，迅速制造出产品原型，而与零件的几何复杂程度丝毫无关， 尤其在具有复杂曲面形状的产品制造中更能显示其优越性。它不仅能够迅速制 造出原型供设计评估、装配校验、功能试验，而且还可以通过形状复制快速经济 地制造出产品模具( 如制造电极用于e d m 加工、作为模芯消失铸造出模具等) ， 从而避免了传统模具制造的费时、高成本的n c 加工，因而r p m 技术在模具制造 中日益发挥着重要的作用。 1 3 本章小结 1 3 1 课题研究的意义 目前，我国冲压工业的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求。在我 国冷冲模具市场中，以冷冲模具需求量最大，其中发展重点为冷冲模具。 统计表明，汽车行业所需模具量年增长率约为3 0 。一辆轿车约需模具 1 0 0 0 副，价值约1 5 亿元；一辆卡车约需模具4 0 0 副，价值4 0 0 0 万元，轿车 模具每年就有约上百亿元的市场。 随着汽车市场竞争的白热化，外观设计成为重要的一环，对汽车外观的色 彩、手感、精度、造型等都提出新要求。业内人士普遍认为，大型、精密、设 计合理的冷冲模具将得到市场的欢迎。在未来的模具市场中，冷冲模具在模具 总量中的比例将步提高，其发展速度将高于其他模具。 本文运用u g 软件实践冷冲拉延模具的设计任务，并通过a u t o f o r m 模拟拉 延件可能发生的缩颈、开裂、起皱等缺陷进行预测，其结果对优化模具结构和 冲压件工艺参数有着重要的指导作用，也可提高一次试模的成功率，因此可以 大大减少产品的开发周期，提高模具的进度，从而也提高企业的配套能力和产 品质量等。 论文的意义在于通过对汽车外观冷冲冲压件拉延工序的研究，探索出应用 c a d c a e 技术进行选择、优化冲压工艺参数等的方法，同时对于其他外观冷冲 拉延件也具有普遍的指导意义。 1 3 2 课题研究的内容 根据课题的要求以及生产实践需求，本论文主要研究内容如下： 第一章主要叙述了我国模具工业的发展概况，介绍了国内外冷冲模 c a d c a e c a m 一体化的研究现状和发展趋势，阐述了论文课题的实施意义及主 要内容。 第二章主要论述了冷冲拉延模具设计的基础知识和设计规则，介绍了冷冲 模c a d c a e c a m 的一般技术，探讨了各种技术的基本原理和方法。 第三章运用冷冲模具分析软件a u t o f o r m 对设计的冷冲拉延模具的拉延件 进行全方位的仿真分析，并通过分析结果给拉延模具设计提供理论依据，大大 降低拉延模设计各种风险。 第四章介绍了u g 软件的基本情况，并运用计算机辅助模具设计u g 软件完 成零件冷冲拉延模具的设计任务。 第五章主要对本课题进行总结和展望。 第二章冷冲拉延模c a d c a e c a m 技术 2 1 冷冲拉延模设计原则 就冲压工业而言，可以说没有冷冲模具就没有冲压件制品。冷冲拉延模具 是冷冲模具中的一道工序，是决定冲压件质量的最关键工序，是决定拉延模具 结构设计的前提。 拉延模工作原理是将模具固定在压力机上，在压力机带动下上下运动使板 料在模具型腔里直接受到变形力并进行变形，从而获得一定形状，尺寸和性能的 产品零件的生产技术。 拉延模的基本结构分为：工作部分一凸凹模和压料圈，决定钣金件形状、 尺寸和精度。导向机构一导板，决定模具运动方向和防止侧向力。模座( 或者凸、 凹模与模座一体) 一将模具的各个部分有效连接，并在使用时，通过它与压力 机联系在一起。 对拉延模具进行设计时的一般流程是：以冷冲成型制品的c a d 模面和c a e 分析结果，明确是否可以进行模具结构设计；进行模具结构设计时，先确定拉 延结构类型、再进行具体的凸模、凹模、压料圈、导板和加强筋等部件的设计。 在对模具设计时，尽量依据模具标准化原则，对常用模具零件尽量依据标准化 原则，这对缩短设计和制造周期、降低模具成本有着重大的意义引。 1 、冲压产品工艺性分析 冲压产品工艺性分析一般从尺寸、形状、表面质量、刚性和良好的工艺性 几个方面入手。 ( 1 ) 尺寸精度。拉延件必须有很高的尺寸精度( 包括轮廓尺寸、孔位尺寸、 局部形状的各种尺寸等) ，以保证焊装或组装式的准确性、互换性，便于实现车 色焊装的自动化和无人化，也保证车身外观形状的一致性和美观性。 ( 2 ) 形状精度。特别是对拉延件件，要求具有很高的形状精度，必须与主 模型相符合。否则将偏离车身总体设计，不能体现车身的造型风格。 ( 3 ) 表面质量。拉延件件( 尤其是轿车) 表面不允许有波皱、皱纹、凹痕、 擦伤、压痕等缺陷，棱线应清晰、平直，曲线应圆滑、过渡均匀。 ( 4 ) 刚性好。拉延件在成形过程中材料应具有足够的塑性变形，以保证零 件具有足够的刚性，使汽车在行驶中受振动时，不能产生较大的噪音，以减轻 驾驶员的疲劳，更不能因振动而产生早期损坏甚至空洞。 ( 5 ) 良好的工艺性。良好的工艺性是针对产品设计结构而言，即在一定生 产规模条件下，能够较容易的安排冲压工艺和冲压模具设计，也能够最经济、 最安全、最稳定地获得高质量产品。 2 、拉延结构 根据冲压件的大小和所使用的冲压设备不同，拉延模可分为在单动压力机 9 上用的拉延模( 或称单动拉延模) 和在双动压力机上用的拉延模( 或称双动拉延 模) 两大类。在设计拉延模时应考虑模具结构紧凑、轻巧、导向可靠、人工送料 和取件操作方便、安全可靠 1 。 ( 1 ) 单动拉延模的典型结构： 单动拉延模是按单动压力机设计的。如图2 1 所示，单动拉延模结构示意 图，该模具主要是由压边圈1 、凸模2 ( 下模座可与凸模作成一体，也可分开) ， 凹模3 三大件组成。凹模1 安装在压力机的滑块上，凸模2 安装在压力机下工 作台面上，凸模与凹模之间，凹模与压边圈之间都有导板导向。 2 图2 - 1典型单动拉延模结构 卜压边圈2 一凸模3 一凹模4 一导板 ( 2 ) 单动拉延模工作原理： 1 ) 将毛坯放在模具压料面上，并准确定位； 2 ) 压力机上滑块下行带动上模下行； 3 ) 上模和下模的压边部分首先与毛坯接触，毛坯受到的变形阻力增大； 4 ) 上模继续下行，开始拉延成形过程： 5 ) 在拉延成形的后期成形内部的局部形状； 6 ) 压力机上滑块到达下死点时，拉延成形过程结束； 7 ) 压力机上滑块回程，带动拉模上行； 8 ) 顶出装置将拉延件项出