汽车覆盖件模具设计及其发展历程简述

王镭 孟健

摘 要 随着计算机技术的快速方展，CAD/CAE/CAM一体化技术得到了广泛的应用，而覆盖件模具CAD技术在国内的应用，却仍然停留在依靠设计人员的经验上。在通用CAD软件系统上进行交互绘图和造型的层次上，仅仅是实现了甩掉图板的目的，这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，模具标准化也正逐步从模具的标准件向模具的制造全过程进行延伸，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/CAE/CAM一体化技术的关键。针对这种情况，本文引进了模板化、积木式设计思想，在UG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。

关键词 覆盖件模具;模板库;标准化;UG

1 汽车覆盖件模具设计及其现状

构成汽车车身的零件分为三类，即内覆盖件、外覆盖件和骨架件，前两者统称为覆盖件。所谓覆盖件，是指覆盖汽车底盘和发动机，构成驾驶室、车身内外的形状复杂的薄板零件。与普通的冲压件相比，汽车覆盖件具有如下特点：几何尺寸大、形状复杂、质量要求高。

1.1 CAD/CAM技术的发展

CAD/CAM，是指以计算机作为主要技术手段，帮助人们处理各种信息，进行产品的设计与制造。经过最近20多年的发展，CAD技术在国外工业发达国家已被广泛应用于机械、电子、航空、航天、汽车、船舶、轻工业、建筑及工程建设等各个领域，成为提高产品与工程设计水平、降低消耗、缩短产品开发与工程建设周期、大幅度提高劳动生产率和产品质量的重要手段。

1.1.1 CAD建模技术的发展

随着CAD/CAM技术的发展，CAD的建模技术也从20世纪60年代的机械工程图和三维线框造型技术开始，不断进步，经历了70年代的曲面造型和80年代开始的基于约束的实体造型阶段。这些造型技术对产品的几何描述准确到位，至今为止仍有着广泛的使用空间。

1.1.2 CAD/CAM技术在工业领域的应用概况

CAD/CAM技术最早应用于汽车工业和航天工业领域，大约在五十年代末，飞机和汽车制造业开始研究在飞机机身和汽车车身中遇到的空间曲线和自由曲面问题。在七十年代，CAD/CAM技术进入了蓬勃发展阶段，这一时期的工作集中于曲面的描述，如车身、机身等形状的定义与加工。当时，在曲线的拟合上出现了两种较为受欢迎的方法。其中，七十年代初的贝齐曲线是法国人Bezier为解决汽车外形设计而提出的一种新的参数表示法。1972年后，莱森费尔德（Riesenfeld）等人開拓性发展了贝齐曲线，把舍恩伯格（Schoenberg）提出曲面造型系统为覆盖件模具的的B样条基底函数用于曲线定义，而避免了贝齐曲线的缺点，程上广泛应用的方法。

为进一步控制和提高覆盖件的拉深件等的设计质量，评价冲压材料的成形性能，分析塑性成形过程，日本众多家公司共同支持开发了ITAS-3D和ROBUST等有限元分析软件，研究板料成形过程的计算机模拟;德国的奔驰、大众等数家公司支持了INDEED有限元分析软件的开发;美国Lawrence Livermore国家实验室开发了DYNA 3D软件，并已经应用于多家公司;美国福特公司研究的有限元分析软件也已应用于覆盖件成形工艺的模拟。

1.2 传统汽车覆盖件模具的设计流程

传统的汽车覆盖件模具的一般设计、制造过程主要包括：冲压工艺设计、模具结构设计和模具加工工艺设计。

1.2.1 冲压工艺设计

覆盖件的冲压工艺，是由拉延工序、修边工序和翻边工序三个基本工序组成的，少数情况下还需要在拉延工序之前增加落料工序。在这三道基本工序的基础上，根据覆盖件的具体形状和尺寸，编制各自的冲压工艺。

1.2.2 模具结构设计

冲压工艺方案确定以后，通过分析选择合理的模具结构及部件，分别进行拉延模、修冲模、整型模等模具的结构设计。

1.2.3 模具加工工艺设计

针对不同的冲压工艺型面和模具结构设计结果，进行模具加工工艺编制和数控编程，确定模具的加工方式和方法。

这种设计方式有以下特点：以主模型作为覆盖件模具的空间基准;基于主模型和二维车身零件线图进行模具设计;模具设计凭经验进行;工艺模型的制造质量决定着整套模具的质量。

同时这种设计与制造过程存在如下问题：设计制造周期长，一套复杂模具的设计时间长达300-400工时;信息共享程度底，设计依据是二维线图和主模型，复杂的空间曲面形状难以表达;凭经验设计，结果难以预测。

1.3 现代模具设计思想

相对于传统的模具设计方法，现代模具设计方法有了质的飞跃。无论是设计过程，还是设计结果都有着与传统方法所不能比拟的优势。

1.3.1数字化、无纸化设计

现代模具设计完全以微机为操作平台，抛弃了传统的手工绘图。这样一来，就完全避免了手工绘图所带来的弊病，其优点主要有以下几点：

（1）提高制造精度、减少误差

数字化带来的第一个好处就是提高制造精度，能够将人为误差减少到最低。无纸化生产以后，所有的数据都是通过网络传输，以前由于各工序之间读图差异所造成的误解就可以完全避免。

（2）提高生产效率

无纸化生产带来的一大好处就是设计数据通过网络传播，这不但省去了出图的麻烦，更提高了生产的速度，同时也可以减少人力的浪费，有利于提高生产效率。

（3）经济环保

实现数字化以后，整个车间都可以实行数据流传递，无需图纸，这样就可以省去纸张对环境的污染，同时也增加了经济效益。

（4）管理方便

数字化能够大幅提升管理效率。包括设计图的存档和出入管理等都会随之而提高效率。

1.3.2 三维实体设计

与传统的二维图设计相比，现代模具设计最直观地改变就是三维设计。三维实体相对于二维视图更直观地表达了模具的本来面目，三维造型的优势不仅仅如此，还有以下几个重要的优点：

① 增强表达能力

三维实体能够表达二维不能表达的空间曲线、曲面。对于覆盖件模具经常出现的复杂曲面型面，二维视图明显不能表达，三维视图则能够很好地表达。

② 便于设计

三维设计降低了对设计者的要求，对于新手入门相当方便。三维实体设计比二维工程图更便于查错，对于一些实体干涉的检查，三维造型能方便看出。

③ 便于制造

三维实体设计可以直接控制各种无人操作的数控机床，对于国内目前以二维图为主要手段的模具加工厂而言，发展的趋势是向无图化发展，且由三维实体生成二维工程图非常方便。

1.3.3 模具设计的标准化、模板化、参数化

随着现代模具制造业的快速发展，CAD/CAE/CAM一体化技术得到了广泛的应用，而与之相应的模具标准化也正逐步从模具的标准件向模具的制造全过程进行延伸，人们越来越认识到模具标准化是模具CAD的基础，而模具零件的标准化、参数化以及模具结构的典型化、通用化是模具CAD/CAE/CAM一体化技术的关键，下面以参数化为例，重点进行分析。

参数化设计（Parametric Design）也称尺寸驱动（Dimension Driven），是指参数化模型的尺寸用对应关系表示，而不用具体数值。改变一个参数值将使所有与它有关的尺寸自动变化。也就是说，先建立参数化模型，再通过调整其参数来改变几何形状。从而实现产品的精确造型。它使工程设计人员无需考虑细节就可尽快画出零件草图，经过对草图的反复修改得到所需的设计。并可变动某些约束参数来更新设计，从而在设计系列化产品时不必每次都重新设计全过程。

产品在从概念设计到零件设计的过程中，尤其是在产品的初级设计阶段，产品的几何尺寸及结构形状，不可避免的要反复修改、进行综合协调和优化。传统CAD系统所构造的产品几何图形都只是几何图素（点、线、圆等）的简单堆叠，哪怕要改变图形的某一尺寸，如一个圆孔的半径，也必须“擦掉”原有图形，用新半径在原来位置构造新圆孔。这种简单的“重复”劳动，给设计人员带来了诸多不便，也不利于设计人员表达自己的设计思想。其次，在机械领域中，系列定型产品占有相当比例，系列中的绝大多数零件或部件，都具有相似的外形轮廓特征，能否将一组约定的数值，與零件或部件特征几何尺寸建立起联系，在进行产品系列设计时，只需添加多组数据即可，若要设计新规格零件或部件，修改其部分数据即可。事实上，这种设计方法就是参数化设计。在新一代的CAD系统中，都引进了参数化设计功能，使得产品几何图形随着其结构数据的调整而自动修改图形。

参数化设计一般是指零件的形状比较定型，用一组参数约束该几何图形的一组结构尺寸系列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋予不同的参数系列值时，就可驱动原几何图形。不难预料，机械产品中常用的系列化标准件和常用件大都可以采用此种高效设计方法。

一般来说，实现参数化设计，必须具备如下几个关系：设计产品的模型中，包含有拓扑关系和约束关系，此外几何图形应能由尺寸驱动，最后参数系列与几何图形尺寸系列数据结构具有对应关系。

满足上述条件的产品几何图形，既描述了产品的几何形状，又包含了设计者的设计思想，同时又与一组系列值有对应关系，因而，我们所从事的工作是“设计”而不仅仅是“绘图”，其设计结果是包含有设计信息的“模型”，而不仅仅是固定不变的图形（俗称“死图”）。

Unigraphics提供了4种参数化设计手段，具有设计思想独特和操作方便等优点。具体体现在：

（1）能够应用具有不同属性的变量来约束或驱动几何图形。变量可以为一个具体数值或者一个表达式。

（2）应用表格（零件家族）驱动几何图形。此种方法特别适合于机械零件的标准件和常用件的系列设计。

（3）利用尺寸标注驱动几何图形，并且还可以实现反向设计。

（4）对于具有确定形状特征的零件或部件可设计成参数化的用户元素（用户自定义），其特征几何尺寸可取自于表、变量或特定尺寸。

总结：

（1）根据模板化、积木式的设计思想，可以通过更加先进的数字化工具实现覆盖件模具结构的模板化设计;

（2）利用先进软件采用零件家族表的形式，能够创建面向设计的标准件三维实体参数化模型库，并通过集成、套装、参数的约束和关联，实现了标准件的选择自动化;

（3）通过创建素材之间的约束和相关，可以采用虚拟装配技术建立了不同种类的覆盖件模具的模板，并将它们集结在一起，形成模板库;

（4）本文简要阐述了模板化设计的全过程，并初步分析了其对于提高设计效率，简化设计过程以及加强模具设计标准化程度所具有的意义。

参考文献

[1] 杨玉英.大型薄板成形技术[M].国防工业出版社，1996.

[2] 肖祥芷.冲压工艺与模具计算机辅助设计[M].国防工业出版社，1996.

[3] 胡海.汽车覆盖件模具CAD技术特点[J].模具工业， 1998（4）：7-10.

[4] 王洪俊，那景新，李大永.汽车覆盖件模具CAD技术的应用与发展[J].智能制造，2000，35（4）：11-13.

[5] 彭颖红，阮雪榆.基于RPM/PDM技术的集成快速设计与制造系统的研究[J].机械科学与技术，2000，19（2）：321-324.

[6] 王义林，陈泓，王耕耘，等.基于C/S模型的覆盖件模具CAD系统的研究[J].锻压装备与制造技术，2000，35（2）：34-36.