（材料加工工程专业论文）基于功能的覆盖件拉延模三维cad系统的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 覆盖件拉延模设计制造周期的长短和质量对新车型的开发周期、汽车产品的质 量和竞争力有着直接影晌。虽然现在大多数厂家采用了通用的c a d 系统辅助覆盖件 拉延模设计，但其应用基本限于造型或绘图。这些系统不能从功能的角度去支持产 品设计过程，不能支持自顶向下的设计，导致设计效率低下。为此，本文对面向功 能的三维覆盖件拉延模设计的理论和方法进行了研究。 本文首先从特征和功能两个不同的角度对覆盖件拉延模结构特点进行了深入的 分析，将面向功能的设计思想和特征建模技术结合起来，提出了面向功能的覆盖件 拉延模设计方法，并探讨了功能的分解和功能一结构求解，功能分解将覆盖件的主 功能分解为若干子功能，使复杂的设计问题简单化。 作者阐述了面向功能的覆盖件拉延模设计基本原理，提出了功能组件的概念。 作者研究了面向功能的覆盖件拉延模c a d 的关键技术。将覆盖件拉延模零件划 分为主体特征、加强特征和辅助特征，将覆盖件模具零件的设计划分为三个步骤， 即主体特征设计、加强特征设计和功能组件调用，这样就使覆盖件拉延模的凸模、 凹模和压料圈有了统一的设计方法，为三维覆盖件拉延模零件设计软件的开发奠定 了基础。分析了减轻筋的设计方法，并在此基础上丌发了实用的自动设计与交互式 设计相结合的减轻筋设计模块。 在理论研究的基础上，对三维覆盖件拉延模具c a d 系统进行了功能需求分析， 完成了系统的总体设计，并以u g 为平台开发了三维覆盖件拉延模具c a d 系统，该系 统包括初始化模块、零件主体特征设计模块、交互式减轻筋布置模块、功能组件库 调用模块和装配设计模块。 关键词：覆盖件拉延模面向功能三维c a o功能组件库 减轻筋布置参数化 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e s i g na n d m a n u f a c t u r i n gt i m ea n dq u a l i t yo fp a n e ld i e sh a v ed i r e c te f f e c to nt h e d e v e l o p m e n tp e r i o d ，q u a l i t ya n dc o m p e t i t i v ec a p a b i l i t yo fn e wc a r a tp r e s e n t ，t m i v e r s a l c a ds y s t e m sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf a c t o r i e st oa i dd e s i g n i n gp a n e ld i e s h o w e v e r ，t h ea p p l i c a t i o nw a sl i m i t e dt og e o m e t r i cm o d e l i n ga n d2 dd r a w i n g t h e s e s y s t e m sc a r tn o ts u p p o r td e s i g np r o c e s st oa c h i e v ef u n c t i o ns a t i s f a c t i o n ，a n d c a l ln o t s u p p o r tt o p d o w nd e s i g n ，w h i c hh a ss e r i o u s l yh e l db a c kt h ei m p r o v e m e n to fq u a l i t ya n d e f f i c i e n c yo fd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g h e n c e ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so ff u n c t i o n 。o r i e n t e d t h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g no f p a n e ld r a w i n gd i e sh a v eb e e ns t u d i e di nt h i st h e s i s f i r s t l y , t h es t r u c t u r e sa n dt h ef u n c t i o n so fp a n e ld r a w i n g d i e sa r es u n n n a r i z e di nt h e p a p e r , a n dam e t h o do ff u n c t i o n o r i e n t e dp a n e ld r a w i n gd i e sd e s i g n i sp r o p o s e dt o c o m b i n et h ef u n c t i o n o r i e n t e dd e s i g na n df e a t u r em o d e l i n gt o g e t h e r t h er e s o l v i n g m e t h o d so ft h em a i nf u n c t i o na n dt h em a p p i n gb e t w e e nf u n c t i o na n ds t r u c t u r ew e r e d i s c u s s e da l s o t h ec o m p l i c a t e dd e s i g np r o b l e mi ss i m p l i f i e dt h r o u g hr e s o l v i n gm a i n f a n c f i o ni n t o s u b f u n c t i o n s t h eb a s i cp r i n c i p l e so ff u n c t i o n o r i e n t e dc a df o rp a n e ld r a w i n gd i e sa r ep r e s e n t e d ， a n dt h ec o n c e d to f f i m c t i o n a lg r o u pc o m p o n e n t si sb r o u g h tf o r w a r d ， t h ek e yt e c h n i q u e sf o rf u n c t i o n o r i e n t e dc a do fp a n e ld r a w i n gd i e si se l a b o r a t e d a p a n e ld r a w i n gd i ep a r t c o n s i s t so ft h r e ef e a t u r e s ，i e p r i n c i p a lf e a t u r e ，s t r e n g t h e n i n g f e a t u r ea n da s s i s t a n tf e a t u r e w h i c hd i v i d e st h ed e s i g no f 血ep a n e ld r a w i n gd i ei n t ot h r e e s t e p s ，t h a ti s ，p r i n c i p a lf e a t u r ed e s i g n ，s t r e n g t h e n i n gf e a t u r ed e s i g na n dt h ef u n c t i o n a l s u b a s s e m b l yc o m p o n e n td e s i g n t h es a m ed e s i g np r e c e s sc o u l db e e na d o p t e di nt h e d e s i g no f t h ep u n c h d i ea n db i n d e r w h i c hi a i da f o u n d a t i o nf o rt h r e e d i m e n s i o n a lc a do f p a n e d i e s t h ep r o c e d u r eo fr i bd e s i g ni ss t u d i e d ，a n dap r a c t i c a lr i bd e s i g nm o d u l ei s d e v e l o p e d ，c o m b i n i n gi n t e r a c t i v e a n da u t o m a t i cd e s i g np r o c e s st o g e t h e r af u n c t i o n o r i e n t e dt h r e e d i m e n s i o n a lc a ds y s t e mo fp a n e ld r a w i n gd i e sh a sb e e n d e v e l o p e do nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a ls t u d y t h es y s t e mc o n s i s t so ff i v em o d u l e s i e p r o j e c ti n i t i a l i z a t i o n ，p r i n c i p a lb o d yd e s i g n i n t e r a c t i v er i bd e s i g n ，a s s e m b l yd e s i g n k e y w o r d s ：p a n e ld r a w i n gd i e f u n c t i o n o r i e n t e dt h r e e - d i m e n s i o n a lc a d f u n c t i o n a ls u b a s s e m b l yl i b r a r yr i ba r r a n g e m e n t p a r a m e t r i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标q 月引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：空l 锋 日期： 刀口乎年q 月3 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和e g - - t - 版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 指导教师签名：秀7 去p j 日期：嘶年妒月弓护日 书 权 授 本 用适后密解年 一 在吖 口 密打 密 保内 保 不框一仃 子 上 属 以 文 在 沦 青 本 土， 吕 。孤p 氆明签牛 者年 作叶 文沙 位期学日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题来源、目的及意义 1绪论 计算机辅助设计和计算机辅助制造( c a d c a m ) 技术发展到今天，已经历了四十 多个春秋。随着计算机及相关技术的高速发展，c a d c a m 技术已广泛地应用于制 造业，极大地推动了制造业的发展，对传统的设计、制造方法以及组织生产的模式 带来了深刻的变革，并被视为自电力发明以来对促进生产最具潜力的手段。 c a d c a m 技术已成为衡量一个国家工业水平的重要尺度之一，也是衡量一个国家 汽车工业水平、衡量一个汽车制造公司技术水平的重要标志之一。计算机辅助技术 已成为国外汽车工业开发新产品、组织规模生产、增强市场竞争能力的重要手段， 在缩短产品开发周期、提高产品质量、性能、可靠性和降低产品成本等方面起到了 决定性的作用【1 1 。 为了加快我国汽车工业的发展，实现多品种、高质量、短周期、低成本生产，必 须改变传统的设计制造模式，大力推广应用计算机辅助技术口】。汽车车身作为汽车的 外型主体，是市场上变化最快、生命周期最短的汽车组成部分。车身造型的空气动 力学和美学要求使得汽车车身覆盖件的型面日趋复杂【3 】。覆盖件模具作为汽车车身生 产的基础工艺装备，一直是汽车产品开发、生产准备的薄弱环节，严重制约着我国 汽车工业的发展。据中国模具协会的调查统计| 4 】，近年来我国引进的轿车生产线主要 靠引进模具来维持生产，其中汽车覆盖件模具每年约花费2 亿美元。造成这一问题 的原因：一是覆盖件模具设计和工艺技术落后，如模具c a d c a m 技术的应用不普 遍，加工设备数控化率低下：二是模具企业管理体制和管理理念落后，不能适应市 场快速变化的需要。因此，在汽车车身和覆盖件模具的设计制造中采用计算机辅助 技术以提高产品质量、增强企业的市场竞争能力，是发展我国汽车工业和模具工业 的必然趋势口】。 我国目前模具c a d c a m 技术水平还处于实用化、商品化和产业化过渡的时期， 自主开发的覆盖件模具c a d c a m 软件的稳定性和可靠性与国外c a d c a m 软件，如 u n i g r a p h i c s 、p r o e n g i n g e e r 等软件相比仍有相当的差距。因此，在引进国外先进 的c a d c a m 软件的基础上，开发专用的模具c a d c a m 系统是条可行和经济之路1 6 , 7 】。 目前我国自主开发的c a d c a m 多是二维软件，有一定的实用性，但是从长远的发展 来看，三维c a d 软件是c a d 发展的必然趋势。具体来说，三维c a d 软件相对二维软 华中科技大学硕士学位论文 件有以下优点。 ( 1 ) 有利于实现与c a m 的集成。由三维c a d 软件设计得到的零件模型可以直接 利用c a m 进行数控加工，而无需由二维图纸再进行造型，缩短了模具设计和制造周 期。 ( 2 ) 有利于实现与c a e 的集成。利用c a e 软件可对三维c a d 的设计结果进行干 涉分析、运动仿真、有限元分析，对模具本体的强度、刚度及材料变形情况分析， 以达到优化工艺过程和模具机构的目的。 ( 3 ) 有利于实现虚拟装配。三维模型能直观地反映装配模型中各装配体之间的 装配关系，设计者能对设计结果进行观察和修改，实现设计思想的直观描述，能有 效地实现虚拟装配和运动仿真。 随着我国汽车工业的迅速发展，新车型更新换代的速度不断加快，汽车覆盖件 模具作为汽车车身生产的重要工艺装备，直接制约着汽车产品的质量和新车型的开 发。覆盖件模具因其具有精度高、形状复杂、结构尺寸大、配合协调性要求高等特 点，成为制约汽车生产的主要因素。实现覆盖件模具c a d ，尤其是三维模具c a d ，是 我国汽车工业迫切需要解决的技术难题。通用的c a d 系统，如a u t o c a d 、 p r o e n g i n e e r i n g 和u g 等，无法满足模具设计中的一些特殊要求1 8 9 】。为了提高模具 设计的技术水平、缩短模具设计周期，丌发针对汽车覆盖件模具结构设计的三维c a d 系统是十分必要的。 因此，国家“十五”科技攻关项目智能化大型复杂模具设计与制造成套技 术与装备的研究把覆盖件模具设计与制造作为主要的研究对象。华中科技大学作为 主要单位之一承担了该项目，进行了车身与覆盖件模具c a d c a m c a p p 集成系统 的开发与应用。该项目主要针对汽车覆盖件模具，开发智能化的模具设计、制造成 套技术，实现汽车大型覆盖件模具的智能化设计，攻克关键的制造技术，建成一个 先进的、规模化生产的汽车覆盖件模具制造基地。 本课题作为陔项目的予课题模块化的覆盖件模具智能设计的一部分，讨论了基 于功能组件的覆盖件拉延模具的设计方法和过程。通过研究和解决覆盖件拉延模三 维c a d 系统的若干关键技术，主要包括覆盖件拉延模零件主体部分的设计、减轻筋 的布置及参数化的功能组件库调用，丌发出较为实用的汽车覆盖件拉延模三维c a d 系统。该系统克服了传统一二维设计的局盼肚，有助于提高汽车覆盖件拉延模具设计 效率与质量，缩短产品的设计制造周期。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外模具c a d c a m 技术发展概况 模具行业是国民经济发展中不可缺少的行业，模具的好坏直接影响着产品的质 量。随着工业技术的发展，产品对模具设计的要求也越来越高，传统的模具设计与制 造方法已不能适应工业产品的更新换代。因此，国内外的许多大型企业都在将 c a d c a m 技术应用于模具设计，并投入了相当大的人力和物力。 早在6 0 年代初期，国外一些汽车制造公司就开始了模具c a d 的研究。这一研究始 于汽车车身的设计，在此基础上复杂曲面的设计方法得到了发展，各大汽车公司都先 后建立了自己的c a d c a m 系统，并将其应用于模具设计与制造。计算机软、硬件技术 的突飞猛进，为模具c a d c a m 开发应用向更高层次的发展创造了条件。在几何造型方 面，基于线框模型的c a d 系统率先由飞机和汽车制造商开发并应用。例如，美国 l o o k h e a d 、m c d o n n e ld o u g l a s 飞机公司、g e n e r a lm o t o r 汽车公司的c a d 、c a d d 、 a d 2 0 0 0 系统等，均推动了模具c a d 技术的发展。同时，飞机、汽车制造业在自由型曲 线、曲面的数学描述方面的研究也不断取得新的成果。1 9 6 3 年美国波音飞机公司的 j c f o r g u s o n 发表了题为“多变量曲线的插值”的论文，首次提出了利用参数的 矢函数来定义自由型曲线曲面的方法，并利用三次参数曲线构造了组合曲线和弗格 森双三次曲面片。法国雪铁龙汽车公司的c a s t e lj a u 和雷诺汽车公司的贝齐尔分别 于1 9 5 9 年、1 9 6 2 年开始了贝齐尔曲线的研究工作。贝齐尔利用控制多边形来定义曲 线曲面，并在此基础上开发了一个自由曲线曲面的设计制造系统u n i s u r f 。 7 0 年代以来，曲面造型与实体技术发展迅速，新一代的c a d 软件均是实体造型与 曲面造型兼备的系统，适用于复杂模具的设计制造，在模具行业得到了广泛的应用， c a d c a m 技术蓬勃发展并进入早期实用阶段。一些国际上有影响的c a d 系统，如洛克 希德公司于1 9 7 2 年投入生产应用的c a d a m 系统，美国c v ( c o m p u t e r v i s i o n ) 于1 9 7 9 年推出的c a d d s 系统等陆续问世，模具行业也开始了c a d c a m 技术的实际应用 1 1 - 1 4 l 。 1 9 7 1 年美国d i e c o m p 公司推出了第一个级进模c a d c a m 系统一p d d c 系统| 1 5 l 。1 9 7 7 年 捷克金属加工工业研究院开发了a k t 系统，可以用于冲裁、复合模、级进模的设计 和制造，能够实现毛坯排样、顶杆布置的优化。1 9 7 8 年日本机械工程实验室研制出 用于级进模设计与制造的m e l 系统。1 9 7 9 年日本旭光学工业公司开发了用于冲裁及 弯曲模具的p e n t a x 系统。这些c a d c a m 系统的应用，大大地提高了模具的设计质量， 缩短了模具生产周期，降低了生产成本，经济效益十分显著。但是，受当时软、硬 件技术水平的限制，这些c a d c a m 系统一般只适用于较简单模具的设计和制造。 自八十年代开始，c a d c a m 技术飞速发展并进入实用阶段。一些工业发达国家开 华中科技大学硕士学位论文 始了覆盖件模具c a d 的应用和研究。目前，世界著名的汽车公司都有自己的覆盖件 模具c a d c a m 系统。 日本丰田汽车公司很早就应用c a d c a m 技术于车身工程 1 5 , 1 6 1 。六十年代中期，该 公司开始开发用n c 机床制造冲模主模型和模具的c a m 系统t i n c a ( o y o t ai n t e g r a t e d n u m e r i c a lc o n t r o la p p r o a c h ) 和光滑处理从油泥模型上测得的点列并绘制成1 ：1 图纸的c a d 系统t d f b ( t o y o t ad a t af i l es y s t e mo fb o d yd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ) 。 进入七十年代，该公司又r 丌发了车身设计工程中使用的c a d 系统c a d e t t ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g na n de n g i n e e r i n gt o o f o rt o y o t a ) ，对t i n c a 的功能进行了扩充和 完善，增加了数据定义和刀具轨迹检查功能。七十年代末，该公司对车型设计工程 系统重新进行了评价，系统要求能提供三维的数字模型给后续工程使用，以便取代 油泥模型作为设计基准，并按此要求丌发了s t y l ec a d 系统。与此同时，开始开发 模具工程中使用的设计系统。为了模具设计与前后工程进行数据传递，并减少研配 和修模的工作量，开发了模具型面c a d 系统。八十年代初，该公司又着手开发模具 研配和修模中使用的测定、分析和加工系统。至此，c a d c a m 技术的应用已经覆盖了 车身开发的全过程。该公司采用数字化的产品模型取代了传统的图纸和实物模型， 建立了统一的数据库，初步实现了系统的集成。集成后的系统m 1 包括了4 个c a d c a m 系统，即c o s m o s ( 混合曲面造型系统) 用于车型设计和模具型面设计，c a d e t t 用于 车身结构设计和焊装夹具设计，t i n c a 用于制造主模型和冲模，v e s t a ( 汽车结构分析 系统) 利用有限元方法进行结构分析。各系统可通过统一的几何数据库自由地交换信 息。1 9 8 9 年丰田公司正式推出汽车覆盖件模具c a d c a m 系统，即d i e f a c e c a d 软件 1 1 3 。 福特公司于8 0 年代初就着手c a d c a m 系统的规划，建成了以工作站为主的环形 网络系统，1 9 8 5 年已有一半以上的产品设计工作是使用图形终端实现的。1 9 8 6 年新 开发的t a u r u s 和s a b l e 轿车，大约有7 0 的工作是采用c a d c a m 完成的。福特公司 9 0 年代全面实现了产品丌发的c a d c a m ，应用可达i 0 0 f | 8 1 ，其应用软件主要为自行 开发的p d g s 和c a d c a m 。p d g s 主要用于造型设计、概念设计、车身底盘和内饰设计； c a d c a m 主要用于冲压零件的设计制造和焊接装配。1 9 9 3 年以后，福特公司提出了 c 3 p ( c a d c a e c 心p d m ) 的概念，并硫定今后将采用i - d e a s 软件作为其主流的核心 软件。 通用汽车公司应用c a d c a m 技术的情况与福特公司比较类似，经过二十多年的不 断发展，用于汽车模具的c a d c a m 系统己趋成熟 1 9 - 2 2 1 。其自行开发的用于模具型面设 计的c g s ( c o r p o r a t eg r a p hj c ss y s t e m ) 系统、c a d a m 公司的c a d a m 系统、e d s 公 华中科技大学硕士学位论文 司u g ( u n i g r a p h i c s ) 系统，构成了通用汽车公司三维c a d c a m 的数据库基础。该公司 还开发了用于评价设计结果的g m f o r m 系统，以及对从实验模具的塑料工艺模型上获 得的曲面数据进行光滑处理并自动生成曲面的a u t o s h a p e 系统等子系统8 ”“，并采用 c a d c a m 进行覆盖件冷冲模的设计制造，c a d 软件与c a m 软件用以太网相联。通用公 司的下一步目标是1 0 0 采用c a d c a m 和c n c 取消中间过程，将计算机与机器直接 相联，最终使系统网络化。 此外，其他国家汽车行业的c a d c a m 应用也取得了很大的成功。法国雷诺汽车 公司应用e u c l i d 软件系统作为c a d c a m 的主导软件，目前已有9 5 的设计工作量用 该软件完成。德国大众汽车公司在模具c a d 上，曾用e u c l i d 作为其主导软件，并通 过v w g e d a s 公司开发了模具结构c a d 专用系统a w k x ，取得了良好的效果。1 9 9 4 年， 德国大众集团公司决定采用c a t i a 和p r o e n g i n n e r 作为其将来开发新车型的c a d 主 导软件。 与发达国家相比，我国的c a d 技术的研制工作起步较晚。我国模具c a d c a m 的 研究开发工作始于七十年代末，发展也很迅速，先后通过国家有关部门鉴定验收的 有精冲模、普通冲裁模、辊锻模、注塑模、多工位级进模、弯曲模等模具的c a d c a m 系统。在覆盖件模具的设计制造中应用c a d c a m 技术的尝试始于八十年代中期，第 一汽车公司、东风汽车公司等相继购买了一些商品化系统，如c a d a m 、c a t i a 、d u c t 、 u g 等，应用的领域首先从c a m 开始，并逐步向c a d 发展。 一汽在实施c a m 技术时口，采用t - - 条途径：1 直接按产品图、线图和数据表， 用f a n u c 编程机和f a p t 语言编制数控程序；2 直接按产品图、线图和数据表，在 i b m 4 3 8 1 计算机上运行a p t 4 s s 程序，编制零件程序并产生数控刀位数据；3 按产品 图或产品数据文件，使用c a ，i 、i a 系统，交互生成加工型面，利用其n c 模块产生数控 代码。c a m 的应用对象首先是加工主模型，然后又应用于模具加工。1 9 9 3 年，一汽 又先后引进了法国的e u c l i d 软件和u g 软件，并利用它进行汽车车身结构设计与覆 盖件模具的c a d c a m ，从而大大地提高了模具的制造精度，缩短了生产制造周期1 2 6 j 。 东风汽车公司模具厂_ = _ 1 9 8 6 年_ ：门：始了c a d c a m 的应用| 7 i 。1 9 8 7 年底实现了大 型覆盖件修边冲孔模的数控加工。随后，大型拉延模型面的数控加工也试验成功， 并应用于生产。“八血”期i h j 应用cl m s 单元技术，使模具的设计制造水平又上了一 个新台阶。在c a m 技术的应用上b ，已形成了一个从编程工作站，网络数据传输， 到用d n c 方法控制数控机床加工的软硬件环境。完成了从汽车车身主模型到覆盖件 成套模具的制造与加工，在生产中发挥了巨大的作用。1 9 9 8 年该厂又从美国引进了 u g ( u n i g r a p h i c s ) 软件，在陔软件平台上丌发模具结构设计软件，并致力于c a d c a m 华中科技大学硕士学位论文 集成【2 ”。 上海模具技术研究所于八十年代中期丌展冲模c a d c a m 系统的研制工作，开发 了普通冲裁模c a d c a m 系统f 3 “。他们于1 9 9 0 年又开发了多工位级进模工步排样系统 ”，该系统中模具结构及零件采用基于典型结构和标准零件的方法设计，开发了智能 数据库，该数据库能储存各种级进模典型结构、标准零件、标准装配和模具设计经验、 方法和步骤，并向用户开放。该数据库系统仍在研制中。 西安交通大学1 9 8 5 年丌始弯曲级进模c a d c a m 的研究，采用弯曲树来表示构成 弯曲件各平面之间的关系，同时存储有局部成形信息。九十年代初期，西安交大在 总结冲模c a d c a m 研制经验之后，又致力于模具标准件库的研究，开始柔性冲模c a d 系统的开发m 1 ，其成果有一部分已经在生产中得以应用，产生了一定的经济效益。 华中理工大学从八十年代以来，开始c a d c a m 方面的研究工作。开发了适用于 普通冲裁模的c a d c a m 系统h p cr ”1 和适用于冲裁级进模设计的h c c d 系统都取得了 定的经济效益。九十年代以来，华中理工大学在东风汽车公司c i m s 应用工程的研究 与实施过程中，开发了车身及覆盖件c a d c a p p c a m 系统 1 2 , 3 4 , 3 5 i ，其中包括覆盖件冲 压工艺设计和模具结构设计，建立了覆盖件模具的零部件库，并采用大变形有限元 法进行了覆盖件冲压成形过程模拟的研究，成功地模拟了发动机罩等典型覆盖件的 变形过程。该系统投入实际应用后产生了良好的经济效益。 此外，北京航空航天大学、浙江大学、南汽模具厂、天津汽车模具厂、成飞汽 车模具技术中心等科研机构和企业都在模具c a d c a m 的研究、开发与应用实施等方 面取得了相当大的成绩。但是由于多方面的原因，我国还有很多企业停留在手工绘 图的阶段，其模具c a d 工作的相当部分也还仅仅是计算机画图和二维设计；只有极 少数企业的模具设计和制造能力接近或达到当今国际水平。要实现真正意义上的 c a d c a m 系统，使自己的产品在国际上有竞争力，国内模具行业还需做进一步的努力。 1 3 覆盖件模具c a d 存在的问题 覆盖件模具c a d 主要由四部分内容组成l ”】： ( 1 ) 产品定义：主要是定义覆盖件的产品信息。 ( 2 ) 冲压工艺设计：主要包括确定冲压工艺方案，设计工艺补充曲面，完成各 工序零件的设计。 ( 3 ) 模具结构设计：包括主要工作零件的设计以及装配设计。 ( 4 ) 设计结果评析。 华中科技大学硕士学位论文 虽然c a d 技术在许多方面已发展到实用化的水平，但是覆盖件模具c a d 尚存 在以下问题i “1 ： ( 1 ) 在覆盖件模具设计方面，国内生产厂家仍处于二维设计阶段，较少采用三 维设计，设计效率和质量难以提高。即使一些厂家相继引进了一些高档三维通用商 品软件，但大多数应用于c a m 领域。 ( 2 ) 现有的c a d 系统均为交互式造型系统，设计人员面对的是低层次的几何 信息，要进行大量的交互操作，设计效率低下。 ( 3 ) 作为覆盖件冲压工艺设计、模具结构设计的重要依据的覆盖件、冲压工序 零件，包含了丰富的几何信息和工程信息，但现有的c a d 系统一般只能表达一些低 层次的几何信息而丢掉了许多工程语义信息，这就给工艺设计和模具设计造成了很 大的困难。 ( 4 ) 模具种类繁多，结构复杂，模具设计是一种基于经验和知识的、复杂的创 造性劳动，而一般c a d 系统不能使模具设计师的知识和经验与c a d 系统有机地结 合起来。模具设计的经验性使得模具c a d c a m 系统的设计和实现比较复杂和困难。 尤其对汽车覆盖件模具来说，现有的c a d c a m 商业软件均需要做大量的二次开发， 将已有的模具设计专家知识集成到c a d c a m 软件中。 ( 5 ) 现有的覆盖件模具c a d 系统对模具全生命周期的支持性有待改善，对覆盖 件模具功能分析和设计的研究比较少。 ( 6 ) 现有的覆盖件模具c a d 系统不够智能化，不能捕捉设计者意图以使设计简 化，不能提供智能化的评价。 ( 7 ) 覆盖件的成形涉及到复杂的塑性变形，其规律直到现在还没有被完全掌握。 在我国生产中对覆盖件成形性的分析、对模具设计结果的评估仍然以几何计算和经 验类比为主要手段；无法保证设汁结果的合理性和有效性，有时甚至存在着推翻原 设计方案，从新设计的可能性。 ， 1 4 覆盖件模具c a d 的发展方向 随着计算机科学和其他学科技术的发展，c a d 技术得到迅速发展，在这些发展 方向中，结合覆盖件模具自身的特点和上述存在的问题，覆盖件模具c a d 有以下几 个方面的发展方向： ( 1 ) 集成化 在c a d c a m 研究的基砌上，人们正致力于计算机集成制造系统 华中科技大学硕士学位论文 ( c i m s c o m p u t e ri n t e r g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 的研究，将产品的设计、加工制 造和经营管理等多项活动结合起来，使设计、制造到检验成为一个完整的物质流和 信息流的流通过程，从而提供刑模具全生命周期的支持。最近e d s 公司组建 p l m ( p r o d u c tl i f e c y c l em a n a g e ) 部，就是用以支持产品全生命周期管理。并行工程被 认为是用来解决这些问题的关键技术，面向装配( d f a ) 的思想就是并行性的体现。 d f a 将采用从上到下的设计思想，在装配设计中定义零件之间相互关系，并在装配 关系的约束下进行后续的零件详细设计，以保证设计信息的一致性，提高设计质量。 ( 2 ) 智能化【”1 为了提高产品质量、降低成本、增强产品市场竞争力，就必须开展智能化研究工 作，总结出设计制造经验和教训，把成功的经验应用于模具设计中，构建基于知识 的设计数据库和知识库，生成专家系统，并在设计过程应用这些知识。这样即可以 提高设计效率，也可以提高设计质量。 ( 3 ) 并行工程【”j 并行工程的方法使设计者在一丌始就考虑到产品开发的各个环节，最大限度地 实现过程集成，尽可能多地交流设计信息，相互协调地开展工作，从而减少返工， 提高设计质量，缩短丌发周期。 ( 4 ) 成形性评价 3 8 1 覆盖件的成形性评价一直是板料成形工艺设计中的难点。为此，一方面要总结 模具设计过程中成功的经验，作为设计时的参考；另一方面要丌展塑性成形模拟技 术的研究，对板料成形过程进行分析，计算成形过程中的应力应变，预测成形缺陷 并采取有效的预防措施。 ( 5 ) 基于网络的模具设计制造| 3 8 随着计算机网络技术的发展，“网络就是计算机”已逐渐成为人们的共识。作为 先进的设计制造方式，将能在网络上组织设计，通过网络来共享设计资源，实现覆 盖件模具的网上制造。 ( 6 ) 模具c a d 的专业化l ”1 未来的模具c a d 将走向更加专业化的道路。一些通用的软件出于其功能繁多、 专业性较差，己不能满足大型模具c a d 的需要。更好的方法是软件公司与专业模具厂 密切合作，开发专用性很强的模具c a d 软件。如美国p t c 公司与同本t o y o t a ( 丰 阳) 公司在p r o e 软件基础上开发的模具型丽没计模块p r od i e f a c e 等，这也是模 具c a d 的一个发展方向。对于国内的模具厂家来说，在引进国外先进c a d 软件( 如 u g 、p r o e 等) 的基础上，针对本部门产品的特点，利用二次丌发技术开发专用的模 华中科技大学硕士学位论文 具c a d 系统是一条可行的经济之路。 1 5 本文的主要研究工作 覆盖件模具设计制造周期和质量对新车型的开发周期、汽车产品的质量和竞争 力有着直接影响。传统的c a d 方法是以几何特征作为设计过程的主导，整个设计 过程都是造型或绘图，以此表达零件和组件的形状，但这些系统不能从功能的角度 去支持产品设计的整个过程，不支持自顶向下的设计，导致设计效率低下、有效性 差。设计人员在高层次的语义思维和低层次的几何操作的矛盾中完成设计，不能够 准确表达自己的设计意图，难使覆盖件模具c a d 的应用效果达到理想。 九十年代以来，华中理工大学模具国家重点实验室对覆盖件模具c a d c a p p c a m 作了大量的理论研究与实际应用。在国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 东风汽车 公司c i m s 应用示范工程中，开发了车身及覆盖件c a d c a p p c a m 系统，包括覆盖件 冲压工艺设计、模具结构设计，建立了覆盖件模具的零部件库，并采用大变形有限 元法进行了覆盖件冲压成形过程模拟的研究，成功地模拟了发动机罩等典型覆盖件 的变形过程。所有的这些为本课题的开展奠定了很好的基础。 在覆盖件模具结构c a d 方面课题组己完成的主要工作包括h q ：引入冲压工艺特 征的概念，建立了覆盖件工序零件的特征模型：总结、归纳覆盖件模具主要零件的 结构特征，阐述了零件结构特征的几何属性、分布属性和工程属性。在此基础上定 义了结构特征的数据结构，并建立了结构特征库；分析了覆盖件模具工作零件结构 特征之间的关系，建立了基于特征的模具工作零件结构模型；研究了冲压工艺特征 与模具零件结构特征之间的关系，采用功能兼容性分析方法建立了从冲压工艺特征 到零件结构特征的映射机制。 本文在已有成果的基础上开展了进一步的研究与开发，着重研究了覆盖件拉延 模具由二维设计向三维设计转化过程中所存在的问题。主要研究工作如下： ( 1 ) 阅读国+ 内外文献资料，调研国内覆盖件模具c a d 发展现状，确定覆盖件拉 延模三维c a d 系统的功能要求； ( 2 ) 分析和研究覆盖件拉延模特点与设计方法，为覆盖件拉延模三维c a d 系统 的开发奠定基础。 ( 3 ) 讨论功能组件的结构，并给出功能组件的表示方法和实现过程，归纳与总 结拉延模中的典型功能组件，从而建立参数化的功能组件库。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 对覆盖件拉延模零件的典型结构与主要零件的建模方法进行分析和研究， 完成单动拉延模和双动拉延模主要零件的三维建模和总体结构的装配建模。 ( 5 ) 总结减轻筋的主要布置方法，采用交互设计与自动设计相结合的方法，开 发出实用性强的减轻筋布置算法。 ( 6 ) 开发一个实用的覆盖件拉延模三维c a d 系统，实现覆盖件拉延模的三维设 计，提高覆盖件拉延模具的设计效率和质量。 华中辞技大学硕士学位论文 !=o；：=!=!=；=!=一 2 覆盖件拉延模的结构特点 2 1 覆盖件拉延模的特点及分类 2 1 1 覆盖件模具的特点 覆盖件模具作为汽车车身生产的主要工艺装备，对汽车车身的质量起着决定性的 作用。汽车覆盖件大多是大型薄板冲压件。如驾驶室的顶盖、车门内板、车门外板、 前围、后围、侧围、以及发动机罩等( 见图2 1 ) 。覆盖件模具设计包括工艺设计和 模具结构设计两部分，与一般冲压模具相比，覆盖件模具结构具有以下特点： ( 1 ) 覆盖件模具工作零件的型面都是复杂的自由曲面。 ( 2 ) 尺寸精度和表面粗糙度要求高。 ( 3 ) 结构尺寸大，覆盖件模具的轮廓尺寸一般在3 5 米以上，大型覆盖件模具的 轮廓尺寸达六米以上，重达三十吨。 ( 4 ) 大量采用薄壁箱式结构、铸造镶块等工艺以降低成本。 ( 5 ) 为适应大量生产的要求，要求覆盖件模具的使用寿命较长。 幽2 1 汽7 f 覆盖什不例 在覆盖件模具结构设计过程中，通常需要考虑覆盖件的形状、材料性能、成形工 艺性、模具加工条件、模具标准化、模具强度、模具安装调试、存放和搬运等众多 因素。覆盖件零件曲面形状的复杂性、冲压工艺组合方式的灵活性，以及设计人员 经验和设计风格的不同，使得覆盖件模具结构种类繁多，差别很大。因此，可以说 覆盖件模具设计是一项非常复杂的工作。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2 覆盖件拉延模的分类 拉延是利用拉深模具使冲裁后得到的平面毛坯压成各种空心零件的一种加工方 法，是冲压生产中应用最为广泛的工序之一。拉延模是保证制成合格覆盖件的主要 装备。其作用是将平板状毛料经过拉延工序使之成型为立体空间工件。根据使用的 冲压设备不同，汽车覆盖件拉延模可分为单动压力机上用的拉延模( 或称为单动拉 延模) 和双动压力机上用的拉深模( 或称双动拉延模) 两大类。一般形状简单、深 度浅的覆盖件采用单动压力机来成型，而形状复杂、深度深的覆盖件必须采用双动 压力机成型。这是因为单动压力机的压料力是靠机床下面的油缸获得的，油缸的压 力和行程都比双动压力机小得多，它不能提供较大压料力和大行程的复杂深拉延件 所需的成型力。其次，单动压力机所用拉延模的压料圈比较薄，刚性相对弱，亦不 能适应复杂深拉延件的成型。在单动压力机上，凸模安装在压力机下工作台面上， 称之为倒装拉延模。图2 2 为单动压力机上拉延模的典型结构图。图2 3 所示为使用双 动压力机时，凸模安装在上工作台面的内滑块上，压边圈安装在外滑块上，称之为 正装拉延模，其为双动压力机上拉延模的典型结构圈。 3 1 一凹模2 压边圈3 一调整垫 4 - - 气顶柱5 一导埋6 一凸模 幽2 2 单动拉延模 2 1 一压边圈2 凹模3 一凸模4 一固定座 图2 3 双动拉延模 华中科技大学硕士学位论文 2 2 单、双动拉延模工作零件结构特点及分类 2 2 1 单动拉延模 单动拉延模的压边形式主要有弹簧或橡皮压边形式和气垫或液压垫压边形式两 种。 ( 1 ) 弹簧或橡皮压边弹簧和橡皮的弹性曲线都是直线，其弹力随压下行程的增 大而增大。因而随着凹模行程向下，压边力也逐渐增大。但冲压过程对压边力的要 求是，冲压开始时，需要较大的压边力防止起皱；随着冲压过程的进行，法兰上的 毛坯面积逐渐减少，所需的防止起皱的压边力也较小。故利用弹簧或橡皮产生的压 边力的变化规律与冲压正艺要求正好相反，防皱效果不好，一般只用于形状简单的 浅拉深件。图2 4 a ) 是弹