CAD CAE CAM技术在汽车覆盖件模具设计上的应用的探析

CAD/CAE/CAM技术在

汽车覆盖件模具设计上的应用的探析

摘要：随着科技的高速发展和社会的日益进步，越来越多的科技产品进入了人们的生活空间而汽车就是一个很好的例子。汽车工业的迅速发展，车型的快速更新换代，要求汽车制造商能够在很短的时间内研究,开发并制造出高质量的汽车。而国内目前车身覆盖件的制造却直接制约着新车型的开发,其原因就是覆盖件模具设计水平较低，设计周期很长，对于一些较复杂的零件甚至设计不出合格的模具。这显然不能适应汽车快速发展的需要，因此近年来覆盖件模具成了研究的热点。

关键字： CAD/CAE/CAM技术 冷冲压 参数化设计

CAD CAE CAM技术在汽车覆盖件模具设计上的应用的探析

目 录

第1章 绪论 ................................................................. 1

1.1 覆盖件模具设计的发展现状及存在的问题 .................................... 1

1.1.1 传统覆盖件模具设计 ................................................... 1

1.1.2 传统覆盖件模具设计存在的的问题 ....................................... 2

1.2现代覆盖件模具设计发展方向 .............................................. 2

1.2.1 板料成形CAE分析 ..................................................... 2

1.2.2 基于CAE成形分析的模具设计和制造 ..................................... 5

1.3 课题任务、设计目标 ..................................................... 6

1.3.1 课题 轿车引擎盖内板CAE成形分析及模具设计 ........................... 6

1.3.2 题目的主要参数 ........................................................ 6

1.3.3主要任务 .............................................................. 6

第2章 参数确定及工艺分析 ................................................. 8

2.1 参数确定 ............................................................... 8

2.1.1 CAE成形分析参数 ..................................................... 8

2.1.2 模具设计参数 .......................................................... 9

第三章 运用DYNAFORM 进行CAE分析 .......................................... 12

3.1 引擎盖成形工艺性分析 ................................................... 12

3.2 模面工程(DFE) .......................................................... 13

3.2.1 新建和保存数据库 .................................................... 13

3.2.2 导入零件层几何模型 ................................................... 13

3.2.3 重新命名零件层 ...................................................... 14

3.2.4 自动曲面网格剖分 .................................................... 14

3.2.5 检查和修复网格 （见图3.7） ......................................... 16

3.2.6 调整冲压方向 ........................................................ 16

3.2.7 对称定义 ............................................................ 16

3.2.8 填充内部孔洞 ........................................................ 16

3.2.9 外部边界光顺 ......................................................... 17

3.2.10创建平面压料面 ...................................................... 20

3.2.11 创建主截面线（Master Profile） ..................................... 20

3.2.12 创建工艺补充面（Addendum） ......................................... 20

3.2.13 光顺工艺补充面 ...................................................... 21

3.2.14 展开法兰 ............................................................ 21

3.2.15 压料面裁剪 ......................................................... 22

3.2.16 毛坯尺寸估算图 ..................................................... 22

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3.2.18 生成毛坯网格 ....................................................... 25

3.3分析设置 ............................................................... 26

3.3.1快速设置 ............................................................. 26

3.3.2 提交工作 ............................................................. 27

3.4 后处理分析 ............................................................. 29

3.4.1 后处理postprocess .................................................. 29

3.4.2 分析报告 ............................................................. 33

第4章 拉延模的CAD三维实体设计 ........................................... 36

4.1概述 ................................................................... 36

4.2拉延模工作原理 ......................................................... 36

4.3拉延模类型选择 ......................................................... 37

4.4 压力机参数确定 ......................................................... 38

4.5铸件结构设计 如图4.5。 ................................................. 38

4.6 凸凹模结构设计 ......................................................... 38

4.6.1 凸模设计 ............................................................. 38

4.6.2凹模设计 ............................................................. 40

4.6.3 压边圈结构设计 ....................................................... 41

4.6.4压边圈结构设计 ....................................................... 41

4.7 拉延筋的结构 ........................................................... 42

4.8 拉延模导向 ............................................................. 42

4.8.1 凹模和压边圈之间的导向 ............................................... 42

4.8.2 凸模和压边圈之间的导向 ............................................... 42

4.9定位装置 ............................................................... 43

4.10 缓冲装置 ............................................................. 43

4.11限位装置 .............................................................. 44

4.12 顶料装置 .............................................................. 44

4.13起吊装置 .............................................................. 44

4.14拉延模材料 ............................................................ 45

4.15 主要零件工程图的绘制 .................................................. 46

4.15.1 凹模的工程图 ........................................................ 46

4.15.2 拉延模总装图 ........................................................ 46

第5章 拉延模的CAM数控加工 ............................................... 47

5.1 CAM介绍 ............................................................... 47

5.2 数控系统 ............................................................... 48

5.3 数控编程原理 ........................................................... 48

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5.5 凹模的数控加工过程 ..................................................... 49

5.5.1 等高线粗加工轨迹线 ................................................... 49

5.5.2 扫描线精加工轨迹线 ................................................... 50

5.5.3 数控加工代码 ......................................................... 50

结束语 ..................................................................... 52

谢辞 ....................................................................... 53

参考文献 ................................................................... 54

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第1章 绪论

1.1 覆盖件模具设计的发展现状及存在的问题

1.1.1 传统覆盖件模具设计

汽车工业的迅速发展，车型的快速更新换代，要求汽车制造商能够在很短的时间内研究,开发并制造出高质量的汽车。而国内目前车身覆盖件的制造却直接制约着新车型的开发,其原因就是覆盖件模具设计水平较低，设计周期很长，对于一些较复杂的零件甚至设计不出合格的模具。这显然不能适应汽车快速发展的需要，因此近年来覆盖件模具成了研究的热点。

目前,国内大部分还是设计人员凭借设计经验，人为确定冲压方向、工艺补充面等工艺参数，通过手工绘图、制作主模型等方法来设计，之后还要进行反复多次的模具试制、调试、修配等这样的传统方法。即使部分采用了计算机辅助技术的设计部门，大部分也只 是利用了一些通用的 CAD/ CAM 软件如 Auto CAD、CAXA 等进行辅助绘图或简单的造型，真正能利用UG、CATIA、Pro/ E、DYNAFORM 等大型CAD/CAM/ CAE 软件在计算机中作模具的三维参数化造型，并进行冲压仿真来指导设计的还是少数，传统设计方法十分依赖于设计人员的经验和水平，工作量大，时间长 。

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1.1.2 传统覆盖件模具设计存在的的问题

(1) 。实际上 ,除测量一些关键点外 ,在形状处理上有一定的随意性；

(2) 凭经验设计，结果难以预测。传统的设计方法缺少定量的设计准则，分析计算十分困难，主要依靠设计者的经验 。而且设计时未对塑性成形过程进行理论分析。对冲压材料的成形性能也缺少可靠的评价，只能凭经验来预估，因此 ,覆盖件模具的设计结果往往难以预测，能否成形并达到产品设计要求，在很大程度上依赖于模具的反复调试及修改，甚至存在彻底推翻原设计的可能性，即使经过各种努力最终一般只能保证零件成形，而很难考虑设计的最优化。

(3) 不能提供数控加工所需的信息。传统的模具设计方法最终得到的是模具图纸，不能提供模具型面的完整信息。为了编制NC 加工程序，需从线图或模型上测量数据，再用造型方法生成型面。这种做法工作量太大，严重阻碍了模具CAM的采用，从而出现了“三维数控铣干不了三维型面活”的局面，致使昂贵的数控机床未能发挥其效能。

(4) 设计效率低，设计周期长。覆盖件产品的描述可以分为三类：二维工程图 (线图)、实物模型和电子数据产品。如果用户提供的是二维线图和主模型，首先要根据线图确定冲压方向，添加工艺补充部具图，然后根据模具图在产品模型上设计模具型面，在模具型面的设计中，只能利用通用 CAD/ CAM 系统的造型功能设计每一个曲面片。由于曲面片的位置和大小很难确定 ,设计效率非常低。

(5) 补充制造工艺模型，由凸的工艺模型翻制凹的工艺模型，再由工艺模型仿形加工冲模等过程中，原始数据经过多次的转换，会产生各种误差。

1.2现代覆盖件模具设计发展方向

1.2.1 板料成形CAE分析

（1）CAE成形分析概论

板料塑性成形是利用金属板料在固体状态下的塑性，通过模具及外力作用而制成零件的一种加工方法。 板料成形过程是一个大挠度、大变形的塑性变形过程，涉及金属板在拉深和弯曲的复杂应力状态下的塑性流动、塑性强化，以及引起的起皱、破裂和回弹等问题同时，冲压过程也是一个复杂的多体接触的力学问题。因此，对冲压成形过程中板材的成形性而言，单凭经验很难预先估计，致使模具设计正确性难以评价，往往要等到模具加工试模时问题才能暴露出来，给模具调试造成极大困难，甚或至导致模具报废。利用板

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材的成形过程模拟技术可以及早发现问题，改进模具设计，从而大大缩短模具调试周期，降低制模成本，板料成形分的可在多方面对冲压生产提供有力的技术支持：在设计工作的早期阶段，评价成形件及其模具设计、工艺设计的可行性；在试冲试模阶段，进行故障分析和解决实际发生的问题；在批量生产阶段，用于零件的缺陷保障分析、改善钣金件的生 产质量，同时可用来调整材料选择，降低成本。

板料成形过程的物理描述是：在模具各部件的共同作用下，板料发生大变形，板料成形的变形能来自强迫模具部件运动的外功，而能量的传递完全靠模具与板料的接触和摩擦。由此可见，对于成形过程的模拟软件的接触算法的理论和精度往往决定程序的可靠性，除此之外，由于板料的位移和变形很大，用来模拟板料的单元类型应该满足这一要求。进行一定的假设：模具为刚体，模具的运动可直接作为冲压系统的位移边界条件。将冲压过程的物理模型转化为力学模型，即动量方程、边界条件、初始条件。可描述为：在检定的模具位移条件下，求得板料的位移函数，并在任意时刻同时满足方程、边界条件和初始条件。这已经是一般性的力学问题，可采用有限元的方法进行求解。

由于车身覆盖件的精度要求高、生产批量大，汽车制造业均采用冲压成形技术进行生产，冲压成形的材料利用率高，产品质量稳定，易于实现自动化生产。覆盖件尺寸较大，形状复杂，多为空间自由曲面，其成形过程涉及几何非线性、材料非线性和复杂的接触摩擦等问题，在传统的冲压生产过程中，无论是覆盖件模具的设计、制造。还是坯料形状和修正才能确定，这是一个试错逼近的过程，需要人力、物力和财力的大量消耗，生产成本商，周期长。

板料成形过程的有限元模拟技术是解决这一难题的有效手段，相关软件ANSYS、

AUTOFOR、PAM-STAMP2G、KMAS、DYNAFORM 等。其中DYNAFORM为美国ETA公司和LSTC公司联合开发的用于板料成形过程模拟的专用软件。集成了DYNAFORM本身功能强大的前处理功能和eta-Post后处理软件以及LSTC公司开发的有限元动力显式求解器960和970。其中5.5版本功能相对完备,工作界面如图1.2所示。可以预测成形过程中板产的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹、评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计供帮助。尺寸的确定，冲压工序、工艺参数的规划，都要设计制造原型，经过多次试生产和多次试

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（2）运用DYANFORM进行CAE分析的一般过程见图

1.3

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1.2.2 基于CAE成形分析的模具设计和制造

由于传统的成形模具设计方法预先难以估计板料成形过程中成形性和模具设计的正确性，因而模具设计周期长，试模成功率低、模具报废率高。而目前运用CAE成形技术进行的模具设计制造过程，是一个反复的设计过程：首先在三维CAD软件中设计出零件的几何模型；危重根据金属塑性成形过程 中的材料流动规律，设计压料面和工艺补充面，在这个步骤中往往需要用户具有较丰富的经验；接着根据成形模具的几何模型建立有限元模型，然后进行有限元计算，最后分析试运行结果，如果对分析结果不满意时就需要重新回到三维CAD软件中修改模具几何模型，修改后的模型在进行下次CAE分析这前，仍需进行复杂费时的有限元网格生成和成形参数的设置等工作。目前板料成形CAE分析软件的一个重要发展趋势是可以进行模面设计，从而大大缩短成形CAE分析的过程。基于CAE的成形模具慢慢腾腾速设计过程大体可分为：首先在通用的CAD软件（如UG、CATIA软件）中进行产品造型，建立成形件的几何模型，然后通过IGES格式将几何模型导入CAE软件中，这后进行模面设计及有限元数值模拟，最后将优化后的设计结果输出到CAM系统进行模具的数控加工。CAD/CAE/CAM技术的过程步骤如图1.4所示：

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1.3 课题任务、设计目标

1.3.1 课题 轿车引擎盖内板CAE成形分析及模具设计

1.3.2 题目的主要参数

轿车引擎盖三维曲面，如图1.5。

1.3.3主要任务

在学习基于LS-DYNA的板料冲压成形分析软件DYNAFORM的基础上，完成轿车引擎盖冲压成形CAE分析及基于分析结果的模具设计

(1)工艺分析

落料

拉深

冲孔

切边

整形

(2)CAE拉深成形分析如图1.6 。

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(3)模具设计

根据引擎盖三维曲面,运用dynaform的模面工程，可以获得理想的模面；运用坯料工程，可以计算得零件的下料尺寸；根据后处理结果,可以得出一系列的参数,如冲压力、压边力、拉延筋全锁力、压料面宽度等。

根据以上结果和参数，进行拉延摸的设计，设计流程如图1.7所示：

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第2章 参数确定及工艺分析

2.1 参数确定

2.1.1 CAE成形分析参数

（1）单元网格

有限元网格的质量直接影响到分析结果的精确度和正确性， 所以合适的单元大小、合理的拓扑结构是非常重要的。根据有限元基本理论和实际的操作经验，本次成形网格单元大小为10-20mm，根据实际划分网格的情况进行调整，最后确定为15mm。一般的，由系统自动划分的单元并不能产生十分合理的单元结构，都存在畸形和不规则节点，所以当单元划分完成之后需对网格进行检查和优化。对应的在dyanform中，有“模型检查”和“模型修补”命令，可以完成检查和优化工作。

（2）冲压速度

冲压速度在一定程度上影响板料在成形过程中是否发生破裂，所以选择合理的冲压速度是重要的工作。

根据生产实际和估算的压力机参数，选择的凸模冲压速度为5000mm/s，压边圈闭合速度为3000mm/s。

（3）压边力

压边力的大小很大程度上决定了板料在成形过程中是否破裂或起皱。压边力过大，材料的流动阻力过大，在切向应力的作用下，容易发生破裂；而当压边力不足时，材料容易产生起皱。经过试验调整，本次拉深最为合理的压边力为20T,即200KN。

（4）拉延筋

拉延筋的参数有拉延筋的形状、数量、全锁力、摩擦系数等。合理的设定拉延筋，可以增加材料的进料阻力，可以有效减小压料面的面积，使其加工难度降低；也使得零件的直边部分和圆角部分，材料的流动均匀，从而使成形过程稳定，成形效果好，可以有效的防止起皱的发生。经实验调试，本次拉深拉延筋的数量设为1，形状及布置情况见第4章拉延筋设计部分；全锁力为系统默认值的30%，动摩擦系数为0.2。

（5）压料面

压料面的有效参数为压料面的面积和摩擦系数，压料面的面积指压边圈的有效面积，而压料面则指压边圈和凹模压紧板料的部分。经过分析调试，压料面面积设置为300mm是比较合理的 .

(6) 工艺补充面

工艺补充面在成形中起了极其中要的作用，对材料的流动速度、成形过程的稳定，有重要的作用。本拉深件的工艺补充面的参数如图2.1所示

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图2.1

2.1.2 模具设计参数

由于本拉延件是一个复杂的曲面，由 CAD的样条曲线生成的自由曲面片组成，一共包含有1468个曲面片，精确测量其参数是极其困难，也是无意义的，因为本设计是以CAE/CAD/CAM一体化为理论依据的，设计的数据完全可以由软件系统的数据管理系统统一进行管理。设计完成之后，由特定的数据接口输入数控机床中进行加工。比如模面的加工，可直接由CAXA 制造工程师、UG 、PRO/E等软件生成刀具轨迹，导入到数控机床中进行加工。

而模具零件的三维造型及装配，则完全以模面的曲面轮廓和CAE分析结果为依据，整个过程，在soliderworks中，通过装配体模块的自下而上和自上而下的设计方法进行设计。可以实现设计过程的无参数化。

2.2 轿车引擎盖内板成形工艺分析

与一般的汽车覆盖件类似，其工艺过程为落料、拉深、冲孔切边，整形。

（1）落料

拉深工序的毛坯由于成形要求需要特定的形状，如图所示。所以必须现有落料工序，即由图2.2所示矩形毛坯落料而成。

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图2.2 除始毛坯

（2）拉深

拉深工序是覆盖件成形的主要工序，也是本课题主要要解决的问题。拉深的坯料有严格的要求，即由上一道工序得到的如图2.3所示毛坯。

图2.3 拉深件毛坯 图2.4 拉深后的工件

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（3）冲孔、切边、弯曲

在模面的设计过程中，进行了法兰展开、内孔填充和工艺面补充，这是为拉深成形进行的特别设计，然而，填充面、补充面对零件来说则是多余的，必须进行冲孔切边，法兰部分也要进行弯曲成形，从而得到如图2.5所示的零件半成品。

图2.5 冲孔切边后的工件

（4）整形

经过以上几道工序之后，零件的加工已基本完成，但是，拉深过程中有形状误差、冲孔、切边过程有位置误差，所以需要进行整形工序，以实现零件行位公差的要求。

（5）酸洗

板料在运输、存储、加工的过程中，表面有一定程度的氧化，不利于镀锌工艺，所以必须进行酸洗，去除氧化膜。

（6）渡锌上漆

引擎盖内板为轿车引擎覆盖件，工作环境温度较高，为了减缓其氧化速度，必须进行镀锌工序，同时为了外观美观还应进行上漆。

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第三章 运用DYNAFORM 进行CAE分析

3.1 引擎盖成形工艺性分析

如第2章所述，引擎盖是一个复杂的异形曲面，其成形过程是一个具有几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等多重非线性的非常复杂的力学过程。由于成形参数的控制不当，成形过程中会产生各种各样的缺陷，影响零件的表面质量、几何精度和力学性能。成形缺陷主要有破裂(如图3.1)、起皱（如图3.2）。影响成形缺陷的主要因素有：工艺补充面的设计、压料面的设计、拉延筋的设计、压边力的选择，传统的模具设计必须反复的进行试制、调试和修改，存在一系列的生产实际问题。而运用有限元CAE成型分析，可以方便的进行模拟仿真，并对成形的参数进行实时修改， 从而获得最优结果。

3.1 成形过程中出现的破裂问题