（材料加工工程专业论文）覆盖件翻边模三维cad系统研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 覆盖件模具是生产汽车车身的重要工艺装备，模具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响。汽车工业要想具备 足够的竞争力，就必须充分利用先进的c a d c a m c a e 技术，尤其是应用汽车覆盖件 模具的专用设计软件，来提高摸具设计的质量和效率。 从底层研究开发汽车覆盖件模具c a d 系统是一项十分庞大而复杂的系统工程， 而选择个基本的c a d 系统进行二次开发却是一条投资小、见效快且简单易行的捷 径。本课题以u g 软件为平台，进行了汽车覆盖件翻边模c a d 系统的二次开发。 本文分析了翻边模的结构特点，同时对翻边模的主要工作零件凸模、凹模镶块、 顶出器的结构特点和设计方法进行了归纳，总结了大型覆盖件的翻边模的典型结构。 文中阐述了面向功能的覆盖件模具的设计过程，对翻边模结构进行了功能划分。 在面向功能的思想指导下，按照模具零件形状和翻边工序件的相关性和标准化程度 不同，将翻边模零件的设计分为工作部件的设计和功能组件的调用。 文中分析了加强筋的设计方法，建立了加强筋参数化模型，并在此基础上实现 加强筋参数化设计。 为实现自动划分翻边轮廓线t 作者在分析了凹模镶块结构特点的基础上，归纳 和总结了分块准则，提出了弦接多边形划分算法。系统可自动生成分块点，也可以 交互设定分块点。在分块完成后，系统可完成凹模镶块的设计。 在理论研究的基础上，作者开发了垂直翻边类模具结构设计c a d 软件，包括凸 模、凹模镶块、顶出器、加强筋布置、功能组件调用等设计模块。应用该软件可缩 短模具设计时间，较快地生成翻边模的三维模型。 关键词：覆盖件结构设计翻边模c a d 分块点设计 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p a n e ld i ei sa l li m p o r t a n te q m p m e mi na u t o m o t i v ei x ) d ym a n u f a c t u r i n g t h ed e s i g n a n dm a n u f a c t u r i n gt i m ea n dq u a l i t yo ft h ed i e sh a v ed i r e c te f f e c t so nt h ed e v e l o p m e n t c y c l eo fn e wc a r s ，a n d t h e i rq u a l i t y t oe n h a n c ec o m p e t i t i v ec a p a b i l i t yo fo b ra u t o m o t i v e i n d u s t r y , w es h o u l dm a k ef u l lh s eo fa d v a n c e dt e c h n o l o g yo fd e s i g na n dm a n u f a c t u r e e s p e c i a l l y t h et e c h n o l o g yo f c a d i c a e c a m t or e s e a r c ha n d d e v e l o p as y s t e ma p p l i e dt od i ed e s i g no fa u t o m o b i l ep a n e li sal a r g b a n d c o m p l e xp r o j e c t h o w e v e r t oc o m p l e t et h ed e v e l o p m e n tb a s e do nac o m m e r c i a lc a d s o f t w a r ei sae a s i e rw a y , w h i c hc a l lr e d u c et h ei n v e s t m e n t ，a n dc a nt a k ee f f e c tq u i c k l y i n t h i st h e s i st h ec a do ff l a n g i n gd i e sf o ra u t o m o b i l ep a n e l sb a s e do nu gs o f t w a r ei s d e v e l o p e d t oi m p r o v e e f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo f p a r a m e t r i cd i ed e s i g n i nt h i sa r t i c l et h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f w o r k p a r t sf o rf l a n g ed i e sa r ea n a l y z e d t h e p r i n c i p l e sf o rd e s i g n i n ga n ds p l i t t i n gp u n t sa n dd i e sa r es u m m a r i z e d t h et y p i c a l s t r u c t u r e sf o rf l a n g i n gd i e sa r ca c h i e y e d t h e p r o c e d u r eo f r i bd e s i g ni ss t u d i e d ，a n dap a r a m e t r i cm o d e lo fr i bi se s t a b h s h e d b a s e do nw h i c has o f t w a r ef o ra u t o m a t i ca r r a n g e m e n to f r i b sh a sb e e n d e v e l o p e d t or e a l i z ea u t o m a t i cd i v i d i n gf l a n g ec o n t o u r so fp a n e l s ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h e c h a r a c t e r i s t i c so f s p l i td i e s ，s u m m a r i z e t h e s p l i t t i n gc r i t e r i a , a n dp u t f o r w a r dt h e a l g o r i t h m s o f d i v i d i n gp o i n t sa n dt h e i ra d j u s t m e m s b o t ha u t o m a t i ca n di n t e r a c t i v e f u n c t i o n sw ep r o v i d e dt od e t e r m i n et h e d i v i d i n gp o i n t s w h e nt h eu s e rf i m s h e st h e d i v i s i o n , t h es y s t e mc a nc r e a t et h ed i eb l o c k sa u t o m a t i c a l l y a c a d s y s t e mf o rv e r t i c a lf t a n 勘gd i e ss t r u c t u r ed e s i g nh a sb e e nd e v e l o p e do nt h e b a s i so ft h e o r e t i c a l s t u d y t h es y s t e mc a nc r e a t e3 dm o d e l so fp u n c h ，d i e ，e j e c t o ra n d a s s e m b l ym o d e l k e y w o r d s ：p a n e l s t r u c t u r ed e s i g n f l a n g i n gd i ec a ds p l i t t i n gp o i md e s i g n 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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 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：柄立 日期：1 p年审月i 。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电子版，允许论文被查阅和 借阅e 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、缩印或扫描等复镥手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：椰三 日期：1 b 0 1 年争月、日 指导教师签名：秀终协7 日期：，舛够月3 0 日 华中科技大学硕士学位论文 = = ：= = = = ；= = = ；= = = = = = = = = = _ 自e 4 = = = = = = ； 1 绪论 1 1 课题来源、目的及意义 本课题来源于“十五”国家科技攻关计划项目精密制造与数控关键技术研究 和应用示范中的第九课题“智能化大型复杂模具设计、制造成套技术与装备的开 发和应用示范”，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。 本课题作为该项目的子课题模块化的覆盖件模具智能设计的一部分，目的在于 研究符合设计方法学和覆盖件模具设计规范的模具结构设计方法，研究种比较完 善的覆盖件模具设计理论描述模型，并开发出实用的汽车覆盖件模具c a d 软件。 计算机辅助设计与计算机辅助制造技术发展到今天，已经历了四十多个春秋。 随着计算机性能的突飞猛进，c a d c a m 技术在制造业得到了广泛应用，极大地推 动了制造业的发展。而传统的设计、制造方法以及组织生产的模式已不适应当今激 烈的市场竞争的需要。缩短产品开发周期，提高产品质量，降低生产成本，从而提 高自身的经济效益和生存能力，已成为各企业追求的目标。这也是目前 c a d c a p p c a m 系统所应追求的最终目标 3 】。 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。汽车车身作为汽车的 外型主体，是市场上变化最快、产品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。覆盖件模具作为汽车车 身生产的基础工艺装各，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。随着中国进入w t o ，汽车工业得到了快速发展，但目前我国 一些大型汽车制造公司，如第一汽车集团公司、东风汽车公司和上海大众汽车公司 所用的汽车模具，特别是大型复杂模具还是依靠进口。据中国摸协的统计，这些模 具的进口每年要要花2 亿多美元的外汇。其原因有二个，一是模具的生产质量还不 能满足用户的要求，二是模具的设计与制造周期长。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。 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 华中科技大学硕士学位论文 ：= = 一= = = = = ；= = = = = = = = = 。 = # j l = ；= = = = = = ，= 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，常常成为制约汽车生产的主要因素。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。这不仅耗费了大量外 汇，而且还严重阻碍了汽车产品的更新换代。实现覆盖件模具c a d ，尤其是三维模 其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f 8 ，i 。为了提高模县 设计的技术水平、缩短模具设计周期，开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 p p c a m 集成系统 的开发与应用。 本课题作为该项目的子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翻边模具的设计方法和过程，通过研究和解决覆盖件翻边模三 维c a d 系统的若干关键技术，主要包括工作部件包括整体式凸模，顶出器和凹模镶 块的划分，十字型加强筋的布置，参数化的功能组件库，开发出较为实用的汽车覆 盖件翻边模三维c a d 系统。该系统克服了传统二维设计的局限性，有利于提高n c 编程的效率，有助于提高汽车覆盖件翻边模具设计效率与质量，缩短覆盖件模具的 设计制造周期。 1 2 国内外模具c a d 技术的发展状况 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 c 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。7 0 年代以来，曲面 造型与实体造型技术发展迅速，n - - 4 弋nc 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，在模具界得到了广泛的应用。例如：美国通用汽车 2 华中科技大学硕士学位论文 公司开发的c a d i 系统，不但可以设计汽车车身零件，还可以设计模具：福特汽车 公司在覆盖件模具的设计方面也进行了大量的研究工作，在覆盖件塑性成形模拟方 面取得了很大成就：d i e c o m p 公司研制成功的模具c a d 系统，使整个生产准备周 期由1 8 周缩短为6 周。与此同时，欧洲的一些国家在冲模c a d c a m 研究和应用方 面也取得了很大进展【”。 我国模具c a d 技术研究起步较晚，8 0 年代初才开始模具c a d 的研究。目前， 国内已有许多企业采用模具c a d 技术，并在计算机自动编程技术上取得了经验和技 巧，使模具精度和生产率大为提高。同时，以从美国a u t o d e s k 公司引进的a u t o c a d 为代表的一批绘图软件正在模具行业中逐步普及，计算机绘图正在逐步取代手工绘 图。国内的一批大、中型企业，以汽车和家电行业为主，陆续从国外引进了相当数 量的c a d 系统，并配置了一些设计、分析的专用软件，取得了明显的经济效益。此 外，国内一些拥有自主版权的软件，如上海交大国家模具c a d 工程研究中心开发 的冷冲模c a d 系统，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 c a d c a e c a m 系统h s c 2 0 ，北京航空航天大学华正模具研究所开发的c a d c a m 系统c a x a 等，正在一些企业推广与使用，并逐步完善。近些年来，在汽车覆盖件 模具设计中采用c a d 技术也越来越得到人们的重视。 1 3 覆盖件模具c a d 中存在的主要问题 9 0 年代以来，我国在覆盖件模具c a d 技术的应用方面取得了显著的进步，但依 然存在着一些问题。主要表现在以下几个方面【9 = ( 1 ) 设计效率低。由于我国c a d 技术起步较晚，专业人员水平较低，既懂专 业又懂c a d c a m 应用软件技术的人员十分缺乏，因而自我开发能力差，自主开发 的c a d 软件质量不高，设计效率低。 ( 2 ) 标准化程度低。由于各行业、各企业都有自己的标准，给模具生产厂家之 间没有形成一定的设计、制造规范，因而造成现有覆盖件冲模c a d 系统的集成化程 度和智能化程度都比较低。 ( 3 ) 现有c a d 软件专用性不强。目前国内自主开发的c a d 软件较少，而多数 厂家引进的国外先进软件多为通用型软件，未经开发则专用性差。 ( 4 ) 覆盖件冲模c a d 技术的开发手段比较落后，开发的c a d 系统在质量、可 操作性难以保证，开发周期长。 ( 5 ) 冲模c a d 系统的开放性不够。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 汽车覆盖件模具c a d 技术的未来发展趋势 c a d 是一项划时代的新技术，而模具技术是2 0 世纪下半叶制造业中发展最快的 技术之一。尽管我国政府历来十分重视模具c a d 的作用，而且许多研究人员也为之 付出了努力，但目前模具c a d 的成果并不十分显著，尤其表现在汽车覆盖件模具 c a d 技术应用方面，这项技术的巨大潜力还未充分发挥出来。解决这个问题的关键 是提高模具的设计效率，而在提高模具设计效率的途径方面，存在着以下几个趋势： ( 1 ) 模具结构通用化和模具零件标准化 采用通用化的标准化的结构具有以下优点： 通用化模具结构是以修改参数方式存在的，在实际模具设计时，只要修改对 应的参数和局部区域。就能设计出相应的零件，效率很高。 在建立通用化模具结构时，必须对零件的冲压工艺特点和模具结构的要求进 行认真细致的分析，并考虑一些专家意见，因而具有一定的权威性和合理性，提高 了模具设计的可靠性和规范化的程度。 建立通用化模具结构时必须尽量采用标准化的零部件，便于模具的生产和管 理。 一般模具零件可分为标准件和非标准件两大类，因此，依靠特征对零件进行划 分，进而建立相应的标准件库和非标准件库是实现模具零件标准化的有效途径。而 模具结构的通用化则可依靠建立典型模具结构库来实现。 ( 2 ) 特征技术的应用 特征技术是种基于零件特征的设计技术。它以特征为对象进行操作，在其数 据结构中包含了完整的特征定义数据，可实现对零件信息的准确描述。利用该技术， 可以方便的将c a d 、c a p p 、c a m 系统连接在一起，大大的降低覆盖件模具系统开 发研究的复杂程度，提高设计质量，降低设计成本。 ( 3 ) 参数化造型方法 参数化造型方法c a d 技术中先进的造型方法，也是提高c a d 工作效率的有效 手段。它是针对各种冲压模具总体结构一般均具有较规范形式的特点，在分析零件 的几何信息和拓扑关系的基础上，建立以零件的基本尺寸为主的参变量模型。当根 据不同产品要求而改变参变量的值时，其零件模型中的相应尺寸亦发生变化，生成 与实际尺寸致的零件。这种方法的最大优点是不仅设计效率高，而且适用于各种 不同类型的模具。 - ( 4 ) 模具c a d 的智能化 4 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；= = = = = = = = = 目= 目；_ = = = ；= = = = = 为了提高产品质量，降低成本，增强产品市场竞争办，就必须开展智能化研究 工作。聘请工艺和模具设计水平较高、经验丰富的专家总结出设计制造经验，把成 功的经验应用到模具设汁中去，形成基于知识的设计知识库和数据库。这样不仅可 以提高设计效率，而且可以提高设计质量。 ( 5 ) 模具c a d 的专业化 未来的模具c a d 将走向更加专业化的道路。一些通用的软件由于其功能繁多、 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和专业模具 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 公司与日本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面设计模块p r o d i e f a c e 等，这也 是模具c a d 的个发展方向。对于国内的模具厂来说，在引进过外先进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，利用二次开发技术，开发 专用的模具c a d 系统是一条可行的和经济之路。 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 的应用达到理想效果。 传统的c a d 方法是以几何特征作为设计过程的主导，与客观实际不相符，不能 对全过程进行支持。由此提出面向功能的覆盖件模具设计过程。覆盖件模具的总体功 能是由部件所完成的子功能、零件的基本功能，以及零件结构特征的功能组合完成的。 面向功能的覆盖件模具设计就是通过功能分解将设计问题模块化、结构化，将设计问 题转化成一系列容易求解的子问题。从而提高覆盖件模具设计的效率和质量。 二十世纪九十年代以来，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 应用示范工程中的，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。 华中科技大学硕士学位论文 在覆盖件模具结构c a d 方面课题组已完成的主要工作包括：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丌发， 着重研究了覆盖件翻边模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，确定了覆盖 件翻边模三维c a d 系统的功能要求： ( 2 ) 分析和研究覆盖件翻边模具设计特点与设计方法，为覆盖件翻边模三维 c a d 系统的开发奠定基础。 ( 3 ) 对覆盖件翻边模零件的典型结构进行分析和研究，总结加强筋的主要布置 方法，对十字型加强筋布置算法进行研究； ( 4 ) 在镶块设计部分研究弦接多边形的分块点划分方法，较好地解决镶块的划 分问题； ( 5 ) 开发垂直翻边类覆盖件模具c a d 软件，包括凸模、凹摸镶块、顶出器、 装配设计等主要设计模块，可生成翻边模的主要工作零件和三维模型。提高覆盖件 翻边模具的设计效率和质量。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 1 汽车覆盖件概述 2 覆盖件翻边模模具结构 2 1 1 汽车覆盖件的特点 汽车覆盖件( 简称覆盖件) 是指覆盖发动机、底盘，构成驾驶室和车身的薄板 表面零件( 称外覆盖件) 和内部零件( 称内覆盖件) ，构成汽车车身的自由曲面型薄 钢板冲压零件”。 与一般冲压件相比，覆盖件具有以下特点： ( 1 ) 型面复杂，多为自由曲线曲面。外覆盖件表面上带有连贯性的装饰棱线、 装饰筋，内覆盖件表面上常常有各种各样的加强筋，以增强覆盖件的刚性和稳定性， 避免在行驶过程中车身产生振颤和噪音。 ( 2 ) 表面质量要求高，尤其是外覆盖件的可见表面上不允许有皱纹、波纹、凹 痕、边缘拉痕、擦伤等破坏表面美观的缺陷，装饰棱线、装饰筋要求清晰、平滑， 过渡均匀。 ( 3 ) 结构尺寸大。 ( 4 ) 覆盖件材料一般采用冷轧薄钢板，其厚度一般在o 7 1 5 毫米之间，以尽 量减轻重量，节约能源，降低成本。 ( 5 ) 覆盖件零件的几何形状复杂，不可能用二维图纸完全表达其几何信息。在传 统的车身设计、制造中采用二维图纸( 包括各种说明书、工艺文件等) 与物理模型相结 合的办法来表达覆盖件，二者互为补充、互为说明。随着c a d c a m 技术的应用和发 展，覆盖件的数字化产品模型在车身的设计、制造中得到越来越广泛的应用。 2 1 2 汽车覆盖件冲压工艺 覆盖件的冲压工艺方法包括拉延、修边、翻边、成形、冲孔、整形、折边、切 断。其中，拉延、修边、翻边是获得覆盖件型面的主要冲压工艺方法，丽冲孑l 、翻 孔、整形等工艺一般是对零件上的局部区域进行再加工，往往与拉延、修边、翻边 工艺组合起来构成冲压工序。 在汽车覆盖件生产中，为了提高生产率、保证产品质量，常常尽可能多地把不 同的冲压工艺组合为一道冲压工序。覆盖件的三个基本冲压工序是拉延、修边、翻 华中科技大学硕士学位论文 边，它们与其它冲压工艺组合在一起而完成。常见的工艺组合方式及工艺组合的优 先级如表2 1 所示f 3 ”，其中，表示最优先，口表示次优先，0 表示较少采用。 表2 1车身覆盖件常见组合冲压工艺 拉延修边翻边成形冲孔整形折边 切断 拉延o o 修边 o口 口 v ， 翻边o、 o 成形 。口 口 v ， 口口 冲孔o o口 口o 整形口 v ， 口 口口 折边口。口 切断 口 口 2 1 - 3 汽车覆盖件模具概述 覆盖件模具作为汽车车身生产的重要工艺装备，对汽车车身的质量起着决定性 的作用。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，使得覆盖件模具种类繁多，结构多样。在生产实践中， 一般按照覆盖件的基本冲压工序将模具主要划分为三大类：拉延模、修边模、翻边 模。与一般冲压模具相比，覆盖件模具具有以下特点： ( 1 ) 覆盖件模具工作零件包括凸模、凹模、顶出器，其型面为复杂的自由曲面。 ( 2 ) 工作零件型面复杂，尺寸精度和表面粗糙度要求高，制造时需要有专用工 装夹具、大型数控铣或靠模铣和调试设备，加工的工艺过程和技术准备工作复杂， 设计和制造周期长。 ( 3 ) 轮廓尺寸大，模具成本高。轮廓尺寸是指模具下底板的长度和宽度之和， 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6 米以上， 重达3 0 吨。 ( 4 ) 上、下模板和顶出器均为铸件，采用薄壁箱式结构以减轻重量，降低成本。 ( 5 ) 为适应大批量生产的要求，覆盖件模具的使用寿命较长。 2 2 翻边模的典型结构 覆盖件经过拉延、修边冲孔、整形、翻边等工序最后得到要求的制件，其中翻 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = ；= ；= ；= = ；= = = = ；= = ；= ；= = = = = = = = = 一 边工序是关键工序之一。利用模具把材料上的孔缘或外缘翻成竖边的冲压加工方法 叫做翻边。翻边模将半成品工件的一部分材料相对另一部分材料发生翻转。翻转之 后形成的折边叫做翻边。 覆盖件的翻边，绝大部分是为制件的最后焊接、装配的需要，以及为提高制件的 刚度、强度、外观需要而设计的。但是，也常常因工艺需要而有附加的翻边工序。、 例如。为了避免水平切边；或者为了成形极限限制了直壁部深度，直接成形有困难， 需经过切边、翻边才能达到产品图要求。 根据翻边冲压方向的不同，把翻边模分为垂直翻边，水平翻边，斜锲翻边等不 同的模具结构形式。 模具的典型结构在模具结构设计中经常应用，总结、归纳模具的典型结构是开 发模其结构设计软件的必要前提。采用典型结构进行模具结构设计具有以下优点： ( 1 ) 有助于实现模具结构的标准化，提高模具设计、制造的标准化程度 ( 2 ) 有效地利用c a d 技术进行模具设计，提高模具的设计效率和设计质量。 这里以垂直向上翻边模为例来说明覆盖件翻边模典型结构。如图2 1 图2 a 向上翻边模具典型结构 9 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = # = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = j 目= t ；目_ 一 模具的结构取决于工序零件的工艺要求，为了完成某一工艺要求的各个零件或 者部件的集合就构成了模具的整个结构。构成模具结构的各个零件根据标准化程度 的不同可以归纳为三类： 1 ) 工作零件，如凸凹模，顶出器等， 2 ) 典型件，如凸凹模板、卸料板等， 而其内形随加工工件不同而变化。 3 ) 标准件，如导柱、导套、螺钉等。 2 3 翻边模的工作零件的结构特点 形状随加工工件的不同而变化。 这类零件外形及其固定孔均为标准设置， 覆盖件翻边模具工作零件的结构形式主要有两种，即整体式结构和镶块式结构。 在整体式结构中，以工序零件的型面为基面生成的拔高体形成了模具工作零件的基 本形状，在此基础上根据零件的功能要求需要增加一些其它结构要素。例如，为了 满足零件的装配、定位要求，整体式模具工作零件需要采用螺钉、柱销或键等。镶 块式结构的特点是沿工序零件的轮廓线分布的一系列相互邻接的镶块。镶块结构的 主要几何形状可以看作是阶梯状截面沿工序零件轮廓线扫动所形成的扫动体 ( s w e e p ) 经过适当处理后的结果。 2 3 1 翻边凸模结构特点和设计要求 一般情况下采用整体结构，但材质不同时，凸模应与底板分开，同时在加工困 难的部分采取局部镶块方式。如图22 为凸模的常见结构。 ( a ) 铸件形式 ( 1 ) 结构特点 ( b ) 堆焊形式 ( c ) 镶块形式 图2 2 凸模常见结构 1 0 华中科技大学硕士学位论文 在整体式结构中，以工序零件的型面为基面生成的拔高体形成了模具工作零件 的基本形状，在此基础上根据零件的功能要求需要增加一些其它结构要素。例如， 为了满足零件的装配、定位要求，整体式模具工作零件需要采用螺钉、柱销或键等。 图2 3 所示为整体式翻边凸模的结构示意图。 陟厂羽_ 下厂厂_ i ：一丁i _ r v 1 i * - p l - 。 7 l “ - _ 1i _ _ ij = 二。二二：j 川1 图2 3 整体式翻边凸模结构示意图 ( 2 ) 固定方法： 凸模的固定方法如图2 4 所示。 1 ) 一般情况，如图2 4 a 所示。在凸模内侧由螺钉直接固定在模座上。 2 ) 内侧固定面积不够时，也可在凸模外缘固定，如图2 4 b 所示 3 ) 凸模外缘处的固定面积不够时，有时用反方向固定。但是这样制造时困难 故应尽量避免。如图2 4 c 所示。 l l 华中科技大学硕士学位论文 图2 4 凸模固定方法 2 3 2 翻边凹模的功能和设计要求 从成本上考虑希望采取整体方式，但当凹模与底板要求材质不同、或考虑试制时 的调整，采取分块方式。如图2 5 为凹模常见结构。 一体式 分块式 ，。一 图2 5 凹模常见结构 ( 1 ) 截面形式 镶块式结构的特点是沿工序零件的轮廓线分布的一系列相互邻接的镶块。镶块 结构如图2 6 所示，其主要几何形状可以看作是阶梯状截面沿工序零件轮廓线扫动所 形成的扫动体( s w e e p ) 经过适当处理后的结果 一一一l l _ _ _ 1 2 华中科技大学硕士学位论文 ! ! # = = = = = 图2 6 凹模镶块结构截面形式 ( 2 ) 分块要点 对翻边模而言，翻边镶块的设计是模具结构设计的重点内容，也是难点之一。 镶块的划分不仅与工序零件的轮廓形状有关，而且还要考虑在冲压过程中材料的变 形情况。划分镶块时应遵循的主要原则有以下几点： 翻边镶块沿工序零件外表面的轮廓线布置，锻造镶块的长度一般为3 0 0 毫米 左右，铸造镶块的长度一般为5 0 0 毫米左右。在形状简单的区域长度可以适当加大， 在形状复杂或容易磨损的区域则应单独分块，长度较短。 镶块的分块线尽量与轮廓线上分割点处的法线方向一致。镶块的两接合面应 尽量相互平行或垂直，在加工、修配时可互为基准，便于定位、找正。 镶块形状尽量采用矩形，每块镶块所含的弯角或凸凹圆弧的数量不应太多。 若局部遇到变化剧烈的形状，采用复合镶块形式。 一般情况下镶块分割点不得与轮廓线上的几何元素交( 切) 点相重合，而应 位子直线段上，距交( 切) 点至少3 5 毫米，如图2 7 所示。 覆盖件的几何形状十分复杂，因而上面所列举的几个原则性要求往往不能完全 满足。例如，由于覆盖件的轮廓线多为自由盐线，在保证镶块的分块线与轮廓线上 分割点处的法线方向一致的前提下，往往不能保证镶块的两接合面之间相互平行或 垂直。这就需要根据模具设计的经验、知识和具体情况综合考虑，权衡确定。 华中科技大学硕士学位论文 不好 好 图2 7 镶块分割点应避免与几何元素交( 切) 点重合 每块镶块由相邻的两个分割点确定，因此划分镶块可归结为确定镶块分割点的 问题。 ( 3 ) 镶块结构尺寸 图2 8 所示为镶块的图形，镶块高h 、宽b 和长l 的比例一般取为h ：b ：l ：f 0 6 0 8 ) ：1 ：( 3 5 ) 。镶块尺寸h 、b 、l 的取值范围如表2 2 所示， h 为3 0 7 5 ，b 为6 0 1 7 0 ，l 为1 2 0 3 0 0 。 镶块尽可能选用下列尺寸 图2 8 凹模镶块 1 4 华中科技大学硕士学位论文 表2 2 镶块尺寸表 hb 4 05 06 07 08 09 01 0 01 1 0 5 06 07 08 51 0 01 1 01 2 01 3 0 6 5 7 08 0 9 01 0 01 1 01 2 01 3 0 l 1 2 0 ，1 6 0 ，2 0 0 ，2 5 0 ，3 0 0 ( 4 ) 镶块的定位方式 凹模镶块的定位有三种形式，即柱销定位、键与柱销定位、窝座与柱销定位。 柱销定位用于料厚小于1 5 r n m 的情况( 图2 9 a ) ；键及柱销定位用于料厚大于1 5 m m 小于4 5 m m 的情况( 图2 9 b ) ；窝座与柱销用于料厚大于4 5 m m 的情况r 图2 9 c ) 。 陟氇笛 ( a ) 柱销定位( b ) 键与柱销定位 ( c ) 窝座与柱销定位 图2 9 镶块的定位方式 由于覆盖件的翻边表面形状复杂，高度差比较大，为了降低翻边镶块的高度， 保证翻边镶块的稳定性，可以将翻边镶块的底面做成阶梯状，相应地在上、下模板 或翻边镶块固定板上也做成阶梯状。 2 3 3 顶出器的功能与设计要求 通常，顶出器的功能是把制件从凹模中顶出，在个别情况下也起校平制件的作 用。 对顶出器的设计要求是：型面形状及精度要满足定位要求：弹性压力大；工作 行程大：刚性好，导正精度高。翻边模的顶出器多采用大型的箱式结构，同时具有 强力压料、精确导正、安全限位等特点。顶出器的压紧力可由弹簧、聚氨脂橡胶、 氮汽弹簧、气压、液压等提供。 顶出器的型面为制件的定位面，故加工时按相应制件表面的模型研合，且研合率 旷，锋一 牮 ( c ) 加设加强筋 圈2 1 0 顶出器的工作表面 1 6 ( 2 ) 顶出器的导正 为了使顶出器在压力作用下把变形了的制件准确地压贴定位，不但要求其型面 正确，而且导正也应准确。顶出器采取的导正形式有外形导正、导柱导正、导板导 正和导柱导板组合导正。 1 ) 外形导正 利用整个顶出器的外形进行导砣。这种导正形式，因制造困难，难以达到导正要 求，导正精度较低因而较少应用。 2 ) 导柱导正 导正精度高，但抗侧向力的性能羞。因为顶出器通常是在有侧力作用下工作的， 单一的导柱导正，往往不能满足项出器的导正要求。 3 ) 导板导正 这是屡前使用最广的顶出器的导正形式，具有导正精度高和抗侧向力好的优点。 4 ) 导柱导板组合导正 这种导正形式的导正精度高，但结构复杂，只在需要用顶出器导正凸模，提高 凸模纵向稳定性时才使用。 ( 3 ) 顶出器的限位要求。 顶出器是悬吊于上模、体积和重量都很大的运动部件，而且承受着交交的冲击 力，所以对其限位的安全性和稳定性有特别严格的要求。因为任何不安全限位，都 将导致重大的人身或设备事故。 1 ) 螺钉限位。 用普通的退料板螺钉限位，结构最简单，限位零件最少，但容易松脱，安全性差。 尤其在快速压床上使用，安全性更差。通常只用于下模退料板的限位。若为中小型修边 冲孑l 模，则应考虑增加安全限位螺钉。所谓安全限位螺钉，就是把顶出器的限位螺钉分 为两层，每层的限位位置相差约为1 0 r m m ，当第一层螺钉全部松脱时，第二层安全限位 螺钉将继续有效地起作用，并且由于改变了限位位置，很容易被发现。 4 2 ) 侧销限位。 这是目前大中型冲模使用最广的顶出器的限位方式。它具有安全、可靠、使用 方便等特点。在刃口刃磨时，只要压缩弹簧，将侧销插入孔中便可，而不必拆项 出器。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 ! ! - = = = = = = ；= = = = = = ! = ! = = = = = = = = = = = = = = = ! ! # 3 面向功能的覆盖件翻边模设计原理 用户对产品的要求是从功能出发的，功能是产品设计的起点和完成的标志，产 品设计的目的就是要提供用户所需的功能。现有c a d 系统虽为设计者提供了功能强 大的几何造型手段，但要求设计者完成产品功能设计，实现功能到结构的转换，并 维护设计者的设计意图，其结果是设计周期长，设计结果难以与用户的要求相符。 为此，我们应研究一种不同于现有c a d 的设计理论，并将其用于产品设计，使得产 品的功能及设计者的设计意图得以表达，并在整个设计过程中得到贯彻，这就是面 向功能的设计方法。 3 1 面向功箍的覆盖件模具设计过程 从面向功能的角度出发，一个设计开发过程可以用活动图描述，如图3 1 所示。 首先是根据用户的需求，建立覆盖件模具的功能模型，它由一系列功能所组成的集 合。再由功能到结构的映射得到模具的几何结构，对这些几何的功能分析，可以确 认模具是否能满足用户的功能要求。这一过程的显著特点就是其起点是功能需求， 终点是功能提交。面向功能的覆盖件模具设计，将功能贯穿整个设计过程，可对覆 盖件模具进行全生命周期的支持。功能需求是覆盖件模具设计的起点，其结果是功 能的实现。 3 2 翻边模的功畿 图3 1 面向功能的开发过程活动图 面向功能的模具设计的第一步，就是要根据用户的需求，将模具划分成一系列的 功能单元。这些功能单元划分的好坏，直接影响到设计的复杂程度等。 华中科技大学硕士学位论文 = = ：= ：= = = = = = ；= = = = = ；= = = = = = = = = = = t = 目；= ； 3 2 1 功能的划分 覆盖件模具是一个多层次结构，这种层次化结构表现在功能和结构两个方面。从 结构的角度看，分为覆盖件模具部件、零件和零件的结构特征；从功能的角度来看， 覆盖件模具的总体功能是由部件所完成的子功能、零件的基本功能，以及零件结构 特征的功能组合完成的。 从功能角度上来看，产品的功能可以分解为若于子功能，而子功能又可以划分为 更小的功能。这样逐层划分产品的功能，使之成为能由子装配体或零件实现的子功 能，如图3 1 2 所示。 3 2 2 功能分类的原则 图32 功能分解示意圈 模具功能的分类按以下原则： 1 ) 每一种结构只能对应于一种功能，每种功能可以对应多种结构。功能和结构 是一种一对多的关系。 2 ) 将实现同一类功能并且安装位置相邻的零、部件归为一类。 3 ) 标准件，外购的成套部件作为某种功能的提供者，应单独归为一类，不宣将 它们拆开为单个零件。如导柱导套实现导向功能，应将其当作一类。 4 ) 功能的细分应有一个限度，功能只需划分到可明确表示即可，划分过细不便 于理鳃和操作。 按照这些原则可以对覆盖件模具进行功能划分，覆盖件模具的基本功能可以分 为：拉延、修边、翻边、成形、冲孔、翻孔、整形、折边等。 对于每副模具，则可将模具的功能进一步分成子功能，这样逐层划分产品的功 能，直到该功能可以由于装配体或零件实现。 t 9 华中科技大学硕士学位论文 翻边模的功能可划分为基本功能、辅助功能、基准、安装与连接、起重与运输、限 位功能和附加功能，每一类又可以分成若干小类。如图3 3 所示为翻边模功能分解图。 3 2 3 功篱到结构的映射 图3 1 3 翻边模功能分解图 覆盖件模具的结构是功能的载体，根据零、部件的某一功能的信息，可以匹配 一种或几种结构，这就是从功能到结构的映射。也是面向功能的设计的基本出发点。 华中科技大学硕士学位论文 ；：= = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = ；= = = _ 一 横具的功能和结构是紧密相连的，只有通过功能到结构的映射，模具的功能才有了 具体