（机械电子工程专业论文）车身覆盖件模具数字化制造技术研究.pdf

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已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：岳秀 日期：少哆年二月7 日 、 - 车身覆盖件模具数字化制造技术研究 s t u d yo nd i g i t a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yf o ra u t op a n e ld i e s ( 2 0 0 2 级硕士研究生) 学科专业： 指导老师： 研究生： 机械电子工程 杨继昌教授 陈炜副教授 黄勇 2 0 0 5 年4 月 ；i 江苏大学硕士学位论文 摘要 近年来，数字化技术已经成为提高企业和产品竞争力的重要手段，数字化是 当今世界制造业发展的大趋势。数字化技术是以计算机硬软件、周边设备、协议 和网络为基础的信息离散化表述、定量、感知、传递、存贮、处理、控制、联网 的集成技术。其本质是支持信息化或知识化制造业的技术。 作为制造业的重要组成部分，模具的数字化制造将成为2 1 世纪模具技术的核 心。模具的数字化制造就是要实现设计数字化、分析数字化、加工数字化、管理 数字化、服务咨询数字化等。数字化技术的应用，将导致制造信息的表示、存储、 处理、传递等方法发生深刻的变革，使模具制造业逐步由传统的生产型向知识型 模式转化。本文针对我国传统的覆盖件模具设计过程中对经验的依赖过重、设计 质量不高、信息共享程度低、研发周期长等缺点，以面罩骨架上横梁内板模具为 对象，以c a d c a m 集成系统u gn x 2 和有限元分析软件a u t o f o r m 为平台，开展 了模具的数字化制造技术研究。 1 ) 模具的数字化设计。在总结了数字化设计方法和覆盖件成形工艺的基础 上，完成了面罩骨架上横梁内板的工艺设计和模具设计。首先将无参数的覆盖件 产品模型转换为有参数的产品模型，根据六点定位原理确定了冲压方向，利用参 数化技术( u g 中的s c k e c h ) 构建工艺处理部分截面的特征曲线，采用曲面造 型技术设计工艺补充面和压料面。以工艺型面的数字模型为基础，采用实体拉伸 和剪切等方法设计了覆盖件模具凹模、凸模、压边圈及构成一整套模具所需的其 他零件( 底板、起重钩等) ，并建立了模具的数字化装配，然后在装配环境下对 零件的干涉情况进行了检查，以确认所设计模具的可装配性。 2 ) 模具数字化分析。比较了静力隐式算法和动力显式算法的优缺点，针对 面罩骨架上横梁内板的成形特点，选择静力隐式算法的a u t o f o r m 有限元软件。 摸索出了一种比较简便合理的覆盖件成形模拟的步骤，对拉延件的拉延筋布置和 参数设置进行了大量的研究，得出拉延筋参数对破裂和起皱的影响关系，并经过 模拟实践，最终得到成形质量良好的工艺参数，为模具的设计和制造提供了优化 参考意见。 3 ) 模具数字化制造。采用了反面拉伸和整体平移的方法设计覆盖件模具毛 坯，提出采用设置刀具补偿的加工方法来保证凸、凹模的单边间隙。建立了基于 u g 环境下模具数控加工的优化处理过程，并分析了参数选取的原则和常用值， 江苏大学硕士学位论文 对具有智能化编程功能的加工模板技术进行了应用研究，并建立了模具加工模 板，采用干涉检查和切削仿真的方法对刀轨进行验证。 4 ) 产品数据交换和管理。分析了数据交换标准d x f 和i g e s 。阐述了后置 处理的原理，并开发了h x 6 3 0 后置处理器。确定了模具开发过程中各系统之间 数据交流的模式。应用c a t i a 进行产品设计，然后以i g e s 格式导入u g 进行 工艺型面设计和模具设计：工艺型面以i g e s 格式导n h y p e r m e s h行网格划分， 网格划分之后导入a u t o f o r m 进行分析；在u g c a m 对模具进行数控编程，并 以h x 6 3 0 后置处理器导出机床可识别的n c 程序；在u g 中以d x f 格式文件导 出模具的二维工程图，导入a u t o c a d 进行二维补充绘图和标注，并打印图纸用 于指导车间生产。 关键词：数字化制造，覆盖件，模具，产品数据交换 江苏大学硕士学位论文 弋 a b s t r a c t d i g i t a lm a n u f a c t u r i n gh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tm e t h o dt od e v e l o pp r o d u c ta n d i m p r o v ec o r p o r a t i o n i nr e c e n ty e a r s t ob ed i g i t a li st h ed i r e c t i o ni nw o r l d m a n u f a c t u r i n gd e v e l o p m e n t d i g i t a lt e c h n o l o g y ，w h i c h i sb a s e do nc o m p u t e r h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，a c c e s s o r i a le q u i p m e n t ，a g r e e m e n ta n dn e t w o r k ，i sa l l i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o nd i s p e r s e de x p r e s s i o n , r a t i o n , a p p e r c e i v e ， t r a n s f e r , s t o r e ，d i s p o s a l ，c o n t r o la n dc o n n e c t i o ni nn e t t h ek e yc h a r a c t e ro fd i g i t a l t e c h n o l o g yi st os u p p o r tt h a ti n f o r m a t i o no rk n o w l e d g ei su s e di nm a n u f a c t u r i n g a sa ne s s e n t i a lp a r to fm a n u f a c t u r i n g ，d i g i t a lm a n u f a c t u r i n gf o rd i ew i l lb et h e h a r dc o r eo fd i et e c h n o l o g yi nt h e 21s tc e n t u r y d i g i t a lm a n u f a c t u r i n gf o rd i e s i n v o l v e sd i g i t a ld e s i g n ，d i g i t a la n a l y s i s ，d i g i t a lm a c h i n i n g ，d i g i t a lm a n a g e ，d i g i t a l s e r v ea n dc o n s u l t a t i o ne t c t h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a lt e c h n o l o g yw i l ll e a dt ot h a tt h e m e t h o d so fm a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o ne x p r e s s i o n ，s t o r e ，d i s p o s a la n dt r a n s f e ra r e p r o f o u n d l yc h a n g e d ， a n dd i e m a n u f a c t u r i n g i st r a n s f o r m e df r o mt r a d i t i o n a l p r o d u c t i o nm o d ei n t ok n o w l e d g em o d e i no r d e rt os e t t l es e v e r a lp r o b l e m si n c o n v e n t i o n a lp a n e ld r a w i n gd i ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s si no u rc o u n t r y ， s u c ha st o oe x p e r i e n c e - d e p e n d e n td e s i g nm e t h o d ，n o tw o n d e r f u lq u a l i t y ，p o o r i n f o r m a t i o ns h a r ea n dp r o l o n g e dd e v e l o p m e n tp e r i o d ，t a k e nt h ed r a w i n gd i eo fi n s i d e b o a r do fv e i lf r a m e w o r ku p t r a n s o ma sa ne x a m p l e ，u s e dc a d c a mi n t e g r a t i o n s y s t e mu gn x 2a n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o , w a r ea u t o f o r ma sp l a t f o r m s ，d i g i t a l m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yf o ra u t op a n e ld r a w i n gd i e si sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r 1 ) d i g i t a ld e s i g nf o rd i e s u m m e du pd i g i t a ld e s i g nm e t h o d sa n dp a n e ls h a p i n g t e c h n i q u e ，t e c h n i q u ed e s i g na n dd i ed e s i g no fi n s i d eb o a r do fv e i lf r a m e w o r k u p - t r a n s o ma r ef i n i s h e d u n p a r a m e t e r i z e dp a n e lp r o d u c tm o d e li sc h a n g e di n t o p a r a m e t e r i z e do n e a c c o r d i n gt ot h e 6p o i n to r i e n t a t i o np r i n c i p l e ，t h ed i r e c t i o no f s t a m p i n gi so r i e n t e d t h es e c t i o n a lf e a t u r ec u r v e so ft e c h n i q u ed i s p o s a ls e g m e n ta r e d r a w nb yu s e dp a r a m e t r i cm e t h o d ( t h es c k e c hi nu g ) a d d e n d u ma n db i n d e r s u r f a c ea r ed e s i g n e db ys u r f a c em o d e l i n g o nt h ed i g i t a lm o d e lo ft e c h n i q u es u r f a c e ， d i e ，p u n c h ，b l a n k - h o l d e ra n do t h e rp a r t so fd i ea r ef i n a l l yd e s i g n e db yt h ew a yo f s t r e t c h i n ga n dt r i m m i n gb o d ya n da s s e m b l e dd i g i t a l l y t h e nt h eb o d yi n t e r f e r e n c ei s c h e c k e dt oa f f i r mt h a tt h ed e s i g n e dd i ec a nb ea s s e m b l e d 2 ) d i g i t a la n a l y s i sf o rd i e t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e ns t a t i ci m p l i c i ta l g o r i t h ma n d d y n a m i ce x p l i c i ta l g o r i t h ma r es t u d i e da n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea u t o f o r m t h a ti sb a s e do ns t a t i ci m p l i c i ta l g o r i t h mi sc h o s e nf o ri n s i d eb o a r do fv e i lf r a m e w o r k i i i 江苏大学硕士学位论文 一= 一 u p t r a n s o m as i m p l ea n dr a t i o n a lp r o c e s so fp a n e ls h a p i n g s i m u l a t i o ni sp u tf o r w a r d d r a w b e a dc o l l o c a t i o na n dp a r a m e t e ra r es t u d i e de s p e c i a l l y ，a n di t i sm a d eo u th o w d r a w b e a dp a r a m e t e ra f f e c t sc r a c k i n ga n dc r i n k a i n g 们弛p e r f e c tp r o d u c ti so b t a i n e d a n dt h ea d v i c et oo p t i m i z ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gf o rd i ei so f f e r e d 3 、) d i g i t a lm a c h i n i n gf o rd i e p a n e ld i er o u g h c a s ti sd e s i g n e db ye x t r u d i n gt h e r e v e r s eo fd i e sa n dm o v i n gi naw h o l e t h ec l e a r a n c eb e t w e e np u n c ha n dd i el s o b t a i n e db ys e t t i n gc u t t e rc o m p e n s a t i o ni nm a c h i n ec o n t r 0 1 am a n a g ep r o c e s so fd i e n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n gp r o g r a mb a s e do nu gi sf o u n d e d t h ep r i n c i p l et os e t p a r a m e t e ri sd i s c u s s e da n dt h ev a l u e si nc o m m o nu s e a r ep u tf o r w a r d m a c h i n i n g - t e m p l a t e ，w h i c h h a s i n t e l l i g e n t i z e dp r o g r a m f u n c t i o n ，i s r e s e a r c h e da n da d i e - m a c h i n i n gt e m p l a t e i sf o u n d e d t l l ec u r e rl o c a t i o ni s v a l i d a t e dt h r o u g h i n t e r f e r e n c ec h e c ka n dc u t t i n ge m u l a t i o n 4 1p r o d u c td a t ae x c h a n g ea n dm a n a g e m e n t a sd a t ae x c h a n g es t a n d a r d s ，d a n di g e sa r ed i s c u s s e d t h ep r i n c i p l eo fp o s tp r o c e s si se x p a t i a t e da n dn l eh x 3 6 0 p o s tp r o c e s s o ri sb u i l t t h em o d e lo fd a t at r a n s f e ri sp u tf o r w a r db e t w e e nd i f f e r e n t s y s t e m si nd i ed e v e l o p m e n tp r o c e s s t h ep r o d u c ti sd e s i g n e di nc a t i a a n dp u ti n t o u ga sa ni g e sf i l et od e s i g nd i ef a c ea n dd i e a l s oa sa l li g e sf i l e ，d i ef a c ei s o p e n e di nh y p e r m e s ht og e n e r a t em e s ha n db e s e n tt oa u t o f o r mt ob ea n a l y z e d n u m e r i c a lc o n t r o lp r o g r a mf o rd i ei sf i n i s h e di nu g c a m a n dn cc o d et h a tm a c h i n e c a nu s ei sg e n e r a t e di nt h eh x 3 6 0p o s tp r o c e s s o r 2 - d i m e n s i o n se n g m e e n n gd r a w i n g s f o rd i ea r ec r e a t e da n ds a v e da sd x ff i l e si nu ga n do p e n e di na u t o c a d t ob e c o m p l e m e n t e da n dl a b e l e d ，t h e np r i n t e df o rw o r k s h o p m a n u f a c t u r e k e yw o r d ：d i g i t a lm a n u f a c t u r i n g ，p a n e l ，d i e ，p r o d u c t d a t ae x c h a n g e 江苏大学硕士论文 目录 第1 章绪论1 1 1 数字化制造技术概论1 1 1 1 数字化制造技术的概念和内容l 1 1 2 数字化制造技术的研究现状和发展趋势2 1 1 3 数字化制造的关键技术4 1 2 覆盖件模具5 1 2 1 覆盖件模具概述5 1 2 2 覆盖件特点5 1 2 3 覆盖件模具技术现状6 1 3 覆盖件模具数字化制造。7 1 3 1 模具数字化设计技术7 1 3 2 模具数字化分析技术8 1 3 3 模具数字化加工技术8 1 3 4 模具数字化制造中的数据交换和管理毛9 1 4 本文研究内容9 第2 章覆盖件模具数字化设计1 0 2 1 数字化设计方法l o 2 2u g n x 2 简介1 1 2 3 拉延件数字化设计1 2 2 3 1 拉延件设计的原则。1 2 2 3 2 面罩骨架上模梁内板拉延件的数字化设计1 6 2 4 拉延模具的数字化设计1 9 2 5 模具数字化装配与干涉分析2 0 2 6 本章小结2 2 第3 章覆盖件模具数字化分析2 3 3 1 板料成形有限元模拟方法的基本原理2 3 3 1 1 板料成形有限元模拟方法的特点2 3 3 1 2 有限元积分求解格式2 4 3 2a u t o f o r m 简介2 6 3 3 面罩骨架上模梁内板拉延件的模拟成形及优化2 6 3 3 1 覆盖件成形模拟的流程2 6 3 3 2 前处理阶段2 7 3 3 3 拉延筋的处理2 9 3 3 4 计算、后处理及优化3 1 3 4 本章小结3 4 第4 章覆盖件模具的数字化加工3 5 v 江苏大学硕士论文 4 1 数控加工的基本原理3 5 4 1 1 数控加工基本原理3 5 4 1 2 数控力n - t 的精度控制3 6 4 2 模具数控n i 工艺技术3 7 4 2 1 毛胚的制造3 7 4 2 2 凸、凹模型面的转换。3 8 4 2 3 模具的加工工艺3 9 4 3 基于u gn x 2 c a m 的覆盖件模具数字化制造方法4 0 4 3 1 设置加工环境4 0 4 3 2 创建加工几何体。4 l 4 3 3 创建刀具4 1 4 3 4 创建操作。4 2 4 3 5 刀轨验证4 4 4 3 6 试切4 4 4 3 7 加工模板4 4 4 4 凹模的数字化制造4 6 4 4 1 生成刀具轨迹4 6 4 4 2 轨迹验证4 7 4 4 3 后处理4 8 4 5 凸模和压边圈的数字化制造4 8 4 6 本章小结4 8 第5 章产品的数据交换和管理5 0 5 1 图形交换文件格式d x f 5 0 5 1 1d x f 文件格式5 0 5 1 2 以d x f 文件进行数据交换。51 5 2 基本图形转换规范i g e s 一5 2 5 2 1 i g e s 格式文件结构5 2 5 2 2i g e s 实体类型5 4 5 3 后置处理5 5 5 4 覆盖件模具数字化开发模式5 7 5 5 本章小结6 0 第6 章结论与展望6 1 6 1 结论6 l 6 2 展望6 2 参考文献6 3 致谢6 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文。6 7 v i 江苏大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 数字化制造技术概论 1 1 1 数字化制造技术的概念和内容 1 ) 数字化制造技术的概念 数字化时代是过去5 0 年特别是最近3 0 年和未来几十年技术发展的一个历史 阶段，其主要特征【l j 就是数字化技术在生产、生活、经济、社会、科技、文化、 教育和国防等各个领域不断扩大的应用并取得日益显著的效益的时代。 数字化技术【2 】是以数字电子计算机硬软件、周边设备、协议和网络为基础的 信息离散化表述、定量、感知、传递、存贮、处理、控制、联网的集成技术。其 本质是支持信息化或知识化制造业的技术。 数字化技术和制造技术不断融合形成数字化制造技术，其主要内涵是1 3 ： 以q f d c a d d d f x m i 冲c a m c a e 以及成型和加工工艺仿真等为主 体的上游骨干技术群。 由n c n g c m c c n c d n c f m c p f m c f m s p f m s w e b b a s e d 制造、无图 纸制造和机器人，物流系统等组成的下游数字控制制造技术群。 以i g e s 、s t e p 、m r pi i 、e r p 、m i s 、p d m 、t d m 、工程数据库和因特 网等为主体的制造信息支持技术群。 上述3 个技术群之间的关系示意如图1 1 ： 图1 1 数字化制造技术的内涵 2 ) 数字化制造技术的内容 数字化制造技术的内容主要包括数字化设计、数字化分析、数字化加工和产 品数据管理等。 ( 1 ) 数字化设计 数字化设计【7 】是指技术人员利用计算机的高速计算能力和模拟显示图形的 能力，用各处的专业知识对产品进行绘图、分析计算和编写技术文件等设计活动 的总称。设计是分析与综合相结合的过程，人可以进行侯选性的思维活动，经验 运用，将设计方法经过综合、分析，转换成计算机可以处理的数学模型和解析这 些模型的程序。在程序运行过程中，人可以判断评价设计结果，控制设计过程； 江苏大学硕士论文 计算机则可以发挥其分析计算和存储信息的能力，完成参数查询、信息管理、绘 图分析模拟、优化设计和其他数值分析任务。数字化设计是人和计算机相结合、 各尽所长，有利于获得最优设计结果，缩短设计周期的新型设计方法。 ( 2 ) 数字化分析 数字化分析的概念很广，可以包括工程和制造业信息化的所有方面，但传统 的数字化分析主要是指用计算机对工程和产品进行性能和安全可靠性的分析，对 其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、 产品功能和性能的可用性和可靠性。 ( 3 ) 数字化加工 数字化加工【8 】是利用计算机对加工过程进行设计、管理和控制。一般说来， 计算机辅助制造包括工艺过程设计、数控编程和机器人编程等内容。其系统一般 具有数据和过程自动化两方面的功能，工艺过程主要是确定零件的加工方法、加 工顺序、时间安排、所使用的设备、工具的设计与生产以及材料处理等。现在计 算机辅助工艺规程编制c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 已形成了- - 1 7 独立的技术分支。当采用n c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 数控机床加工零件时，需要 编制n c 机床的控制程序。计算机辅助编制n c 程序，不但效率高，而错误率很 低。 ( 4 ) 产品数据管理 产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) 是以产品为中心，通过计算机网络 和数据库技术，把企业生产过程中所有与产品相关的信息和过程集成起来，统一 管理，使产品数据在其生命周期内保持一致、最新和安全，为工程技术人员提供 一个协同工作的环境，从而缩短产品研发周期、降低成本、提高质量，为企业赢 得竞争优势。一般而言，与产品相关的信息包括项目计划、设计数据、产品模型、 工程图纸、技术规范、工艺资料等等；与产品相关的过程包括工作流程、机构关 系等过程处理程序。p d m 技术就是将它们集成并管理起来，使企业的并行工程 能够真正发挥效益。 1 1 2 数字化制造技术的研究现状和发展趋势 1 ) 数字化制造技术的研究现状 ( 1 ) 国内外现状 目前在工业发达国家，数字化制造技术与产品已经成为提高企业和产品竞争 力的重要手段。近半个世纪，特别是近3 0 年来，随着信息技术的迅速发展，信 息技术与制造技术相融合，使制造日益走向数字化，制造技术发展日益加快。在 发达国家的大型企业中，已开始实现无图纸生产，广泛使用c a d c a m ，实现 10 0 数字化设计【4 1 。制造过程技术在快速成型、并联机构机床、机器人化机床、 2 江苏大学硕士论文 多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电机、软件补偿精度等单元技术方面 先后有所突破，为数字化制造技术向纵深发展创造了条件。 数字化制造技术在我国有了一定发展，如数控技术、制造信息支持系统以及 c a d c a m c a p p c a e n e t 为主体的技术等在我国已有不同程度的发展。c a d 技术在“九五”期间，特别是实施“c a d 应用工程”后，我国大量的骨干企业都不 同程度地采用了c a d 技术，使我国的设计自动化水平产生了质的飞跃【钔。 m r p i i 和e r p 已在国内企业中得到部分应用，并取得一定的效果；制造业 基础技术信息支持系统以机械工业共性技术数据库作为信息资源，目前已提供单 机使用服务。随着计算机网络技术和信息技术的发展，该数据库的应用将步入网 络化、集成化，其功能也将从数据查询进一步上升为决策支持； 在数控技术方面我国“八五”开发了具有自主版权的四种数控系统，在数控机 床设计与制造中，已开始采用模块化技术，对数控切削加工中的工艺参数、工具 系统的优化控制都进行过研究，为发展智能化控制奠定了基础。 在我国有些数字化产品已应用于生产生活等各个领域，如数字化显示仪表、 数字化断层分析仪、c t 等。 ( 2 ) 国内研究基础 我国在数字化制造技术和产品方面有一定的基础，c a d 和数控装备是数字 化制造的上下游基础技术，对于数控装备，我国已有4 0 年研究、开发和应用的 历史，数控机床拥有率目前已达3 ；在c a d 技术方面，我国工程设计单位c a d 普及率已达到8 0 ，机械行业骨干c a d 普及率已达到3 0 ；c l l i n a n e t 网络已于 1 9 9 4 年在我国建成。全国4 0 多万个制造企业在走向市场、参与竞争的过程中， 对数字化制造技术的需求日益迫切。我国已有研究所、企业开发数字化产品，有 的数字化产品已走向市场，这些都为数字化制造技术和产品在我国的进一步发展 奠定了基础。 2 ) 数字化制造技术的发展趋势 本世纪4 0 年代末数字计算机诞生，不久就被试用于控制加工机床，其特点 是把过去利用人工、行程开关或模板产生的加工信息数字化，并用以控制机床的 加工运动，这就是数字控制机床。尽管这远不是数字化制造，但它却是数字化制 造的一个十分重要的基础。历经半个世纪的发展和应用，数控机床的拥有量及其 年产量已经成为一个国家制造能力的重要标志。 随着计算机和网络技术的发展，使得基于多媒体计算机系统和通信网络的数 字化制造技术为现代制造系统的并行作业、分布式运行、虚拟协作、远程操作与 监视等提供了可能。 数字化制造技术与产品的发展趋势【6 】： ( 1 ) 制造信息的数字化，将实现c a d c a p p c a m c a e 的一体化，使 江苏大擘硕士论文 产品向无图纸制造方向发展。如产品c a d 数据经过校核，直接传送给数控机床 完成加工就是一例。 ( 2 ) 通过局域网实现企业内部并行工程，通过i n t e m e t 建立跨地区的虚拟 企业，实现资源共享，优化配置，使制造业向互联网辅助制造方向发展。 ( 3 ) 将数字化技术注入传统产品，开发新产品，无论从工业装备和人民生 活需求都是社会发展的趋势。 1 1 3 数字化制造的关键技术 数字化制造的关键技术主要包括：制造过程的建模与仿真、网络化敏捷设计 与制造、虚拟产品开发等。 1 ) 制造过程的建模与仿真 制造过程的建模与仿真是在一台计算机上用解析或数值的方法表达或建模 制造过程，建模通常基于制造工艺本身的物理和化学知识，并为实验所验证。今 天，仿真与建模已成为推进制造过程设计、优化和控制的有效手段，并已有一些 成功运用的例子，如：喷气引擎部件的“高温锻制”，在开发和设计制造工艺时， 仿真开始代替全规模的工艺实验，使得花费的时间与成本大大降低，航空叶片零 件的加工前仿真，使叶片零件的制造质量和效率得以大大提高。仿真和建模最重 要的工作是优化工艺参数来确保用最高的质量价格比制造符合设计要求的零件。 美国国家研究委员会( n a t i o n a lr e s e a r c hc o u n c i l ) 的战略报告中将建模与仿 真技术作为六项最重要的关键技术，“下一代的制造( n g m ) 【9 】 报告中也将建模 与仿真作为下一代制造技术的十个发展的重点之一。 在下一世纪的制造中，建模与仿真技术将不仅是一种支持技术，而且成为企 业运行的一种新方法，使得虚拟生产成为现实。所有的生产决策都将基于建模与 仿真工具而不是试制测试方法，建模与仿真工具将不再只是技术人员的领域，而 成为企业中从产品实现到生产和商务过程各个环节的工具。 建模与仿真方法的优点是减少硬件原型，提高新产品的上市速度，有效优化 产品与生产，与试制测试方法相比降低了资源消耗与成本。建模与仿真方法的关 键技术包括建立国家模型库、改进建模与仿真工具界面，发展制造工程物理学模 型、发展模型集成方法与标准、发展混合模型技术等，其中基本单元工艺和装备 的模型是研究的基础。 2 ) 网络化敏捷设计与制造 利用快速发展的网络技术，改善企业对市场的响应性。在这项技术上美国企 业已经开始应用并取得了明显的效益。我国企业向国际接轨就必须在此领域开展 研究，尽快掌握和赶上。 网络化敏捷设计与制造重点发展领域应包括f i o 】：敏捷信息基础结构( 合作 4 江苏大学硕士论文 企业模型，中国企业信息基础结构及其标准，跨企业的敏捷设计与制造的信息基 础结构及其集成方法，基于供应商的设计与制造，面向设计的合作支持技术，跨 企业合作管理技术) 和使能技术( 敏捷产品设计技术，敏捷工艺设计技术，基于 网络的研究开发，敏捷生产技术) 。 3 ) 虚拟产品开发 虚拟制造技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成，它将与 产品制造相差的各种过程与技术集成在动态的仿真过程中。其目的是在产品设计 阶段，借助建模与仿真技术及时地、并行地模拟出产品未来制造过程乃至产品全 生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测、评价产品性能和产品的可 制造性等等。虚拟产品开发有四个核心要素【l l 】：数字化产品和过程模型( 一个在 真实产品实现之前存在的数字化模型) 、产品信息管理( 关联的数字化模型要求 管理并行设计与分析，供应伙伴通讯和顾客评价) 、高性能计算与通讯( 使得分 布在不同地点的人们能够及时获得各种信息) 和组织管理改变( 组织和管理的 改变使之适应数字化开发方式) 。 1 2 覆盖件模具 1 2 1 覆盖件模具概述 汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一，汽车模具作为发展重点，已在 汽车工业产业政策中得到了明确。2 0 0 5 年，我国汽车总需求量约为3 0 0 万辆， 因此汽车模具市场巨大，汽车基本车型预计到2 0 0 0 年约有1 4 0 种，2 0 0 5 年将达 1 7 0 种，另有更新车型和改装车型4 3 0 种。为了适应市场需求，汽车换型时间不 断缩短，轿车一般为3 - - 4 年，轻型车和5 年，其它车型约为6 8 年。汽车换型 时约有8 0 的模具需要更换，一个型号的汽车，所需模具达几千副，一个车型平 均需大中型覆盖件模具约2 6 0 副，价值上亿元。 在国际上，具有先进水平的汽车制造业，以日本丰田、美国福特、德国大众 等为代表的大公司，几乎每年都要以更新车身车型为主要标志的高品质汽车新产 品投放市场。而我国汽车车身新产品开发技术仍相当落后，严重影响车身开发的 品质与周期。这其中的重要原因之一就是车身开发的核心技术汽车覆盖件模 具的设计制造能力远远无法与国外先进技术相比拟，由于这种原因，目前轿车覆 盖件模具大部分都是进口的，一汽、二汽、天汽、大众等汽车模具制造厂，现在 也只能生产部分轿车覆盖件模具。 1 2 2 覆盖件特点 同一般冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量 要求高等特点。覆盖件的工艺设计、冲模结构设计和冲模制造工艺都具有特殊性。 江苏大擘硕士论文 因此，在实践中常把覆盖件从一般冲压件中分离出来，作为一种特殊的类别加以 研究和分析。覆盖件的特点决定了它的特殊要求【1 2 】： 1 ) 表面质量要求高 覆盖件表面不允许有波纹、皱折、凹痕、擦伤、边缘拉痕和其他破坏表面美 感的缺陷，因为覆盖件表面上任何微小的缺陷都会在涂漆后引起光线的漫反射而 损坏外形的美观。覆盖件上的装饰棱线和筋条要求清晰、平滑、左右对称和过渡 均匀，覆盖件之间的棱线衔接应吻合流畅，不允许参差不齐。总之覆盖件不仅要 满足结构上的功能要求，更要满足表面装饰的美观要求。 2 ) 尺寸形状复杂 覆盖件的形状多为空间立体曲面，其形状很难在覆盖件图上完整准确地表达 出来，因此覆盖件的尺寸形状常常借助主模型来描述。 3 ) 刚性均匀 覆盖件拉延成型时，由于其塑性变形的不均匀性，往往会使某些部位刚性较 差。刚性差的覆盖件受到振动后会产生空洞声，用这样零件装车，汽车在高速行 驶时就会发生振动，造成覆盖件早期破坏，因此覆盖件的刚性要求不可忽视。 4 ) 工艺性合理 覆盖件的结构形状和尺寸决定该件的工艺性。覆盖件的工艺性关键是拉延 工艺性。覆盖件一般都采用一次成型法，为了创造一个良好的拉延条件，通常将 翻边展开，窗口补满，再加添上工艺补充部分，构成一个拉延件。 1 2 3 覆盖件模具技术现状 覆盖件模具的精度要求高，结构复杂，并对材质有较高的要求，使得其设计 制造相当困难。另外，由于以它为工具的成形过程往往是封闭的，并涉及材料的 微观机理，使得产品成形过程很不直观。目前，国内大多数汽车行业的模具设计 制造存在很多的问题【1 3 l ： 1 ) 计算周期长，设计能力不足 在目前国内的各企业，覆盖件模具的设计、全面分析、计算、绘图工作使用 计算机三维的还只是少数。二维零件图纸不仅缺少直观而且容易出现错误甚至歧 义，难以表达空间自由曲面的真实形状，给后来的加工和分析