汽车覆盖件模具结构设计？ 2 0 0 7 年 11 月 农业机械 学报 第 38 卷第 11 期 汽车覆盖件拉深模具结构设计模板化 CAD 系统 3 杨晓红 张邦成 【摘要】 传统的汽车覆盖件模具设计与制造周期长 , 工艺设计效率低。为此引进了参数化、标准化、模板化的 设计思想 , 在 U G 平台的基础上开发了覆盖件模具结构设计的模板化 CAD 系统。该设计方法提高了设计效率 , 简 化了设计过程 , 加强了模具设计标准化程度。对后地板左右连接板专用模具实体模具结构模板化设计进行试验 , 模 具设计时间由原来的 20 d 缩短为 6 d 。 关键词 : 汽车 覆盖件 模具 计算机辅助设计 中图分类号 : TP391 1 72 文献标识码 : A Stenc il CAD System of Auto Panel D ie Drawing and ExtendingM ould Structure Des ign Yang Xiaohong 1 Zhang Bangcheng 2 (1 1 U n iversity of A ir Force 2 1 Chang chun U n iversity of T echnology ) Abstract The designed and m ade periods of t radit ional au to panel die mou ld is longer, and craf two rk design eff iciency is low er. A im ing at th is circum stance, via the design ideas including param et ric, standardizat ion and temp late in t roduced in to the design, the stencil CAD system of the au to panel die mou ld st ructu re design w as exp lo ited based on the U G f lat roof. Get t ing acro ss the examp le app licat ion of som e veh icle type back f loo r board jo in t board draw ing and ex tending st ructu re design, it w as validated that mou ld design t im e w as being sho rtened the six days compared w ith the cu stom ary tw en ty days, and the w ho le design wo rk of themou ld w as comp leted w ith in one o r two days. The resu lt s show that th is CAD system can increase the designed eff iciency, p redigest the design cou rse, and enhance the standardizat ion degree of the mou ld design. Key words A u tomob ile, Panel die, Mou ld, Compu ter aided design 收稿日期 : 2006- 08- 08 3 吉林省科技厅资助项目 杨晓红 空军航空大学航空控制工程系 讲师 博士 , 130033 长春市 张邦成 长春工业大学机电工程学院 副教授 博士 , 130021 长春市 引言 我国汽车覆盖件模具生产能力很低 , 远远不能 满足汽车工业的需求。随着计算机技术的快速发展 , CAD ö CA E ö CAM 一体化技术得到了广泛应用 , 而 覆盖件模具 CAD 技术在国内的应用 , 仍然停留在 依靠设计人员的经验 , 在通用 CAD 软件系统上进 行交互绘图和造型的层次上 , 严重阻碍了汽车新车 型的更新换代。同时随着现代模具制造业的快速发 展 , 模具标准化也逐步从模具的标准件向模具的制 造全过程延伸 , 模具零件的标准化、参数化以及模具 结构的典型化、通用化正在成为模具 CAD ö CA E ö CAM 一体化技术的关键。为此 , 采用参数化、标准 化、模板化的设计思想 , 在 U G 平台上开发覆盖件模 具结构设计的模板化 CAD 系统。 1 汽车覆盖件特点 汽车覆盖件不同于一般的冲压件 , 它具有材料 薄、形状复杂 ( 三维曲面 ) 、结构尺寸及表面质量要求 高等特点。生产汽车覆盖件要用到拉深模、修边模和 翻边模 , 其中拉深模最为关键。拉深件的设计直接涉 及到拉深模的结构及尺寸精度。当设计出合格的拉 深件后 , 根据规范 , 利用 U G 软件所提供的功能进 行三维造型 , 设计出相应的拉深模。 U G 软件广泛应 用于汽车覆盖件模具的生产中 , 利用它可以方便地 进行汽车覆盖件模具的设计、分析和加工。 2 拉深工艺设计 拉深工艺设计决定拉深工序的成败和质量 , 包 括确定拉深方向、翻边展开、设计工艺补充部分、设 计压料面、布置拉深筋等。 2 1 1 拉深方向确定 有些形状复杂的拉深件往往由于拉深方向确定 不当, 而得不到满意的效果, 只好改变拉深方向, 这 样就需要修改拉深模。拉深方向的确定应遵循以下 原则: 保证凸模能进入凹模; 凸模开始拉深时与拉 深毛坯的接触面积要大; 压料面应尽量保证毛坯平 放, 拉深深度应均匀。 U G 软件本身并没有提供直接选定拉深方向的 功能, 为了保证凸模能进入凹模, 在人机交互设计的 情况下, 可以通过观测, 先选定一个拉深方向, 然后 利用A nalysis→Face→Slope 功能, 判断所有曲面 和该拉深方向的夹角, 出现负角的地方应重新选择 拉深方向, 直到所有的曲面都满足要求为止。 2 1 2 拉深工艺补充 为了弥补工件在冲压工艺上的缺陷, 工件本体 部分以外增加的必要材料称为工艺补充面。工艺补 充面应考虑以下因素: 拉深时的进料条件; 压边面的 形状和位置; 修边工序的工艺要求。 工艺补充部分设计时为了实现拉深将覆盖件上 的翻边展开, 窗口补满, 再加上工艺补充部分构成一 个拉深件。有些覆盖件上没有翻边, 直接加上工艺补 充部分。拉深以后要将工艺补充部分修掉, 所以工 艺补充部分也是工艺上必要的材料消耗。因此, 要在 能够拉深出满意的拉深件的前提下, 尽可能减少工 艺补充部分。首先把零件的孔、洞等补齐, 这需要用 到曲面的编辑功能或者利用曲面的延伸功能。很多 零件本身孔洞就是曲面编辑的结果, 这就需要还原, 利用Edit→F ree Fo rm Featu re→Boundary 功能可 以实现。如果是曲面造型直接形成的孔洞, 需要用曲 面的延伸功能。一般分为线性延伸与自然延伸, 线性 延伸就是沿曲面的切线方向延伸, 这种延伸可以保 证曲面的一阶连续, 且曲面生成最简单; 自然延伸就 是按照曲面原来的解析表达式通过扩大曲面边界来 延伸曲面。自然延伸出来的曲面实际上就是原来曲 面的一部分, 因此曲面的光顺性、连续性都更为理 想。在U G 软件中没有曲面自然延伸的功能, 因此 可以采取下述方法: 先做出曲面的截面线, 再自然 延伸截面线, 利用截面线重新生成曲面, 即实现了 曲面的自然延伸。U G 软件提供了丰富的曲面构造 功能, 在工艺补充部分中, 常用到的曲面构造方法 有: Ru led、Th rough Cu rves、Sw ep t、Ex ten sion、 B ridge 、T rimm ed Sheet。这些功能都集成在In sert →F ree Fo rm Featu re 菜单中。另外, In sert 中的 Featu re Operat ion 菜单中的Face B lend 和Sof t B lend 在构造工艺补充部分时也经常用到。 2 1 3 工艺型面设计 覆盖件在拉深过程主要存在起皱和破裂问题。 为防止此类现象的发生, 必须增设拉深筋, 以增加进 料阻力, 调节材料的流动。此外, 还可通过扩大压边 力的调整范围, 降低因对压边面的加工而增加工作 量。 设计压料面和布置拉深筋的压料面是工艺补充 的一部分。压边圈将拉深毛坯压紧在凹模压料面上, 凸模对拉深毛坯拉深, 要保证拉入凹模的材料不皱、 不裂。压料有两种形式: 压料面就是覆盖件本身的凸 缘面, 这种压料面的形状是确定的; 压料面由工艺 补充部分补充成, 压边圈将拉深毛坯压紧在凹模上, 压料面不应产生皱纹和裂痕, 以保证凸模对拉深毛 坯的拉深, 否则在拉深过程中会形成波纹和皱纹, 甚 至产生破裂, 因此, 压料面形状应由平面、圆柱面、圆 锥面等组成。确定拉深方向、工艺补充部分和压料面 形状是能否拉深出满意的拉深件的先决条件, 但是 拉深筋能够控制压料面上整个拉深毛坯的流动, 根 据拉深件的需要增加或减少压料面上各部位的进料 阻力。因此, 拉深筋的位置、数量和形状也影响拉深 效果。在拉深模调整的最后阶段除改变拉深毛坯局 部形状外, 主要是调整拉深筋槽的松紧来增加或减 少压料面上各部位的进料阻力, 以获得满意的拉深 件。拉深筋的位置、数量长短是根据拉深件形状特 点、变形特点和拉深深度等因素确定的。在拉深件上 设计拉深筋实际上就是在压料面上布置拉深筋的位 置和选定拉深筋的结构形式, 实际操作中, 主要用到 U G 软件的曲线生成功能。如果压料面不是平面, 则 可能用到其它一些生成空间曲线的功能。用Cu rve → In sert→Cu rves O n Su **ce 功能可以直接在压 料面上做出表示拉深筋的曲线。 3 拉深模零件设计 进行完初步设计后, 就可以开始各个零件的详 细设计。为了更好地利用U G 软件的参数化功能, 每 个Featu re 尽量从Sketch 开始, 这样如果对设计不 150 农 业 机 械 学 报 2 0 0 7 年 满意, 便于修改。按照这种设计思路, 就可以逐步完 善拉深模的设计, 直到得到满意的装配图。U G 软件 有着丰富的实体构造功能, 在进行零件的实体造型 中, 常用到的功能有: Sew、T rim Body、In stance Featu re 、Ex t ruded Body 等, 当然也需要用到一些曲 线、曲面造型功能。装配功能比较简单, 常用的有 Open Componen t 、A dd Ex ist ing Componen t、M ate Componen t 、Repo sit ion Componen t 等。拉深模的设 计要遵循许多设计规范, 例如: 采用单动还是双动的 压力机 , 凸模工作部分的尺寸, 凹模的结构形式, 导 向结构的选择, 减轻孔的尺寸选择, 拉深筋的布置 等。 4 拉深模装配图设计 拉深件设计完成后, 开始拉深模的设计。拉深模 包括凸模、凹模和压边圈。可以先建立装配图, U G 软件系统会自动建立零件图和装配图之间的联系。 在U G 软件中, 零件图和装配图的变化是同步的, 因 此先设计零件图的装配部分, 然后把各个零件按相 应的装配关系组成装配图, 进行干涉分析, 如果装配 关系合格, 再对每个零件进行详细设计, 由于装配 图和零件图的相关性, 最终装配图就得到细化、完 善。根据这个思路, 先进行凸模、凹模和压边圈的初 步设计。由于凸模、凹模和压边圈在装配图中主要通 过导向机构发生联系, 所以在这个过程中, 主要是导 向机构的设计, 同时还包括凸模、凹模和压边圈各个 尺寸的配合, 如: 压边圈内轮廓尺寸和凸模外轮廓尺 寸的关系。当然还有凸模和凹模型面的设计, 它的设 计和前面所述的拉深件的设计是相关的, 凸、凹模的 型面就是通过拉深件曲面缝合后截出来的 [ 1 ] 。 5 模板化设计的应用 为了验证模板化设计方法的实用性, 以某车型 的后地板左右连接板拉深模为例, 介绍车身覆盖件 模具结构模板化设计的详细流程。实例设计是在已 有通用模板库的基础上进行的, 首先利用适合的拉 深模通用模板进行连接板模具设计, 并在设计的过 程中完成拉深模专用模板的设计, 然后在专用模板 的基础上, 利用W ave 技术设计后地板连接板的模 具。 5 1 1 后地板工艺型专用模板及内板模具的设计 在车身覆盖件中, 所有后地板连接板的尺寸、形 状基本相同(图1) , 非常适合模板化设计。 (1) 选择通用模板 首先根据机床参数及用户要求选择适合的通用 模板, 并设定全局参数。根据设计要求, 从通用模板 库中选择单动、内导向、左右起重拉深模模板 ( 图2) , 并按表1 中的数值设定全局变量。 图 1 后地板工艺型 F ig. 1 Back floo r board techno logy 图 2 单动、内导向、左右起重通用模板 F ig. 2 Single 2 act ing, inner 2 o riented, righ t 2 and 2 left craned currency mo lding board 表 1 后地板拉深模专用模板全局变量 Tab . 1 Whole var iables spec ially used in the drawing and extendingmould of back f loor board 参数名称数值 说明 BHG 1 000 模具闭合高度 MJ - L 2 500 模具长度 MJ - W 2 000 模具宽度 PZ - JC - X 0 机床中心与制件中心之间的偏置距离 ( X 向 ) PZ - JC - Y 0 机床中心与制件中心之间的偏置距离 ( Y 向 ) PZ - MJ - X 0 模具中心与制件中心之间的偏置距离 ( X 向 ) PZ - MJ - Y 0 模具中心与制件中心之间的偏置距离 ( Y 向 ) QD - S 120 气顶柱行程 XM - Z - 600 下模底面 Z 坐标值 YBQ - S 50 压边圈行程 ( 模具工作行程 ) YBQ - Z - 250 压边圈底面 Z 坐标值 (2) 生成专用模块 调入地板覆盖件工艺型, 并利用WAV E 技术 分别将分模线和工艺型面抽取到上模、下模和压边 圈模块中, 生成专用模块实体。然后根据专用模块的 形状, 调节标准件及自定义特征的数量、规格与位置 参数。将目前的结果保存下来, 就可以作为后地板左 右连接板的专用模板(图3)。 (3) 详细设计 最后, 调整各个细节部分的参数, 利用WAV E 第 11 期杨晓红等 : 汽车覆盖件拉深模具结构设计模板化 CAD 系统 151 图 3 后地板专用模板 F ig. 3 Specialmould used in the back floo r board (a) 上模部分 (b) 下模部分 将标准件的安装台抽取到模具本体中, 并利用布尔 运算与模具本体进行操作, 得到最终的下模模具结 构(图4)。 图 4 后地板专用模具实体 ( 下模部分 ) F ig. 4 Specialmould ent ity used in the back floo r board ( low er part) 5 1 2 后地板左右连接板上模的设计 在进行后地板左右连接板上模设计时, 可以直 接使用前面制作的通用模板。在利用专用模板进行 设计时, 只需两步即可完成: (1) 更新专用模块 后地板左右连接板上模与下模具有相同特征要 素, 所以专用模板中的全局变量不需要改动, 只要利 用WAV E 技术替换专用模块中的分模线和型面, 就可以完成专用模块的更新(图5)。 (2) 详细设计 虽然后地板左右连接板上模与下模的轮廓尺寸 基本相同, 但还是有一些差距, 因此, 还需对模具的 一些细节部分进行修改、编辑及布尔运算, 这样就可 以在很短的时间内完成后地板左右连接板上模的设 计(图6) [ 2 ～ 4 ] 。 图 5 更新后的专用模块 F ig. 5 Renew ed specialmould 图 6 后地板专用模具实体 ( 上模部分 ) F ig. 6 Specialmould ent ity used in the back floo r board (upper part) 6 结束语 通过对后地板左右连接板专用模具实体模具结 构模板化设计的试验, 证明模板化设计不但可行, 而 且对模具设计周期的缩短、标准化程度的提高有很 大帮助。模具设计时间由原来的20 d 缩短为6 d。 参考文献 1 岳建鹏 . 并行环境下广义装配设计的集成框架 [J ]. 计算机辅助设计与图形学学报 , 2001, 4: 373 ～ 378. 2 Rong 2 Shean L ee, Q uang 2 Cherng H su, Saint 2 L en Su. Development of a paramet ric computer 2 aided die design system fo r co ld fo rging[J ]. Journal ofM aterial P rocessing Techno logy, 1999, 91 (1 ～ 3) : 80 ～ 89. 3 袁国定 , 杨霆 , 姜银方 , 等 . 汽车后地板多步拉延工艺数值模拟 [J ]. 农业机械学报 , 2006, 37 (11) : 137 ～ 139. 4 陈亚洲 , 林建平 , 齐从谦 . 基于 XML 的覆盖件模具信息集成技术 [J ]. 农业机械学报 , 2006, 37 (9) : 128 ～ 132. 152 农 业 机 械 学 报 2 0 0 7 年 __ 查看更多2个回答 . 2人已关注
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