曹振雨

(山東小鴨模具有限公司，山東 250101)

汽車覆蓋件包括范圍一般是汽車車身面、發(fā)動機外殼面、底盤形體表面以及內(nèi)部的汽車零件等［1］。

本文重點闡述了CAD/CAE/CAM 設(shè)計技術(shù)，簡要介紹了一種由CAD/CAE/CAM 技術(shù)設(shè)計與制造汽車覆蓋件的方法;汽車覆蓋件模具設(shè)計制造的并行工程，其中包括覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計與模具設(shè)計的并行工程和計算機輔助制造(CAM)技術(shù)的并行工程與計算機輔助(CAD)設(shè)計技術(shù);最后是汽車覆蓋件模具設(shè)計制造的逆向工程，描述逆向工程設(shè)計流程。

1 汽車覆蓋件模具設(shè)計與制造發(fā)展現(xiàn)狀

在當(dāng)今汽車工業(yè)迅猛發(fā)展的時代，汽車的開發(fā)周期要求越來越短，整體車身質(zhì)量要求越來越高。在實際的設(shè)計開發(fā)和制造工藝方面，速度和質(zhì)量往往難以兼顧，導(dǎo)致覆蓋件模具設(shè)計人員的設(shè)計和制造工藝、裝配工人的工作相互不協(xié)調(diào)，其結(jié)果就是產(chǎn)生大量的返工和回收翻修等額外負效益的工作，而更重要的是影響工期，延誤產(chǎn)品的投產(chǎn)時機。企業(yè)成本增加的同時又失去市場的占有率，產(chǎn)能和經(jīng)濟效益低下［1］。

隨著科技的不斷進步，汽車覆蓋件模具設(shè)計和制造的能力有所提高，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:計算機輔助(CAD)設(shè)計技術(shù)、計算機輔助制造(CAM)技術(shù)、計算機輔助工程(CAE)技術(shù)和各種數(shù)控機床及三坐標測量儀相結(jié)合的設(shè)計制造模式［2］，已被廣大模具企業(yè)所采用;基于并行工程的汽車覆蓋件模具開發(fā)制造研究正在不斷發(fā)展;新的模具設(shè)計結(jié)構(gòu)采用大型模具單動拉延技術(shù)以及氮氣缸和旋轉(zhuǎn)斜楔等標準件，使得模具結(jié)構(gòu)緊湊，模面精細化和質(zhì)量大幅提升等。

2 CAD/CAM/CAE 設(shè)計技術(shù)

制造汽車覆蓋件模具要用到CAD/CAE/CAM 技術(shù)。這種技術(shù)主要依靠的硬件設(shè)備是計算機和數(shù)控機床，并且采用數(shù)學(xué)、力學(xué)模型原理，應(yīng)用在模具設(shè)計、成形分析及制造工藝等各個環(huán)節(jié)之中。這些技術(shù)的共同運用起到將覆蓋件模具的設(shè)計幾何模型、工藝要求和制造動態(tài)進程等信息集中在一起，使得CAD 數(shù)據(jù)能夠快速、準確地傳遞給CAE 和CAM 模塊，同時CAE 和CAM 的信息又能及時反饋至CAD 模塊，實現(xiàn)各個設(shè)計加工及制造環(huán)節(jié)的及時溝通和信息共享［3］。

汽車覆蓋件模的兩大重要設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計。設(shè)計過程中運用CAD 技術(shù)很好的解決工藝設(shè)計中的曲面造型問題和結(jié)構(gòu)設(shè)計中的設(shè)計模具具體部件等復(fù)雜困難問題，并且保證了高效率，縮短了工藝設(shè)計時間。汽車覆蓋件模具制造采用CAM 技術(shù)，將產(chǎn)品設(shè)計圖、工藝數(shù)據(jù)以及零部件的特征點元素輸入電腦，然后繪制出曲線和曲面，再建立其零部件表面形狀的數(shù)學(xué)模型，就可以生成數(shù)控加工所需的刀具運行軌跡路線。此路線規(guī)劃刀具的運動軌跡，以便加工制造出所需零部件。此項技術(shù)的好處就是:減少了制造工藝模型這一過程，并且加工精度高、生產(chǎn)周期短。

圖1 所示是一種汽車覆蓋件模具CAD/CAE/CAM 技術(shù)設(shè)計流程圖。操作步驟如下:

(1)建立覆蓋件的三維數(shù)字模型。若只提供原型的條件下，利用逆向技術(shù)獲取;若只提供二維數(shù)據(jù)信息，則必須轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字模型。

(2)獲取模具面數(shù)據(jù)，增加工藝補充部分，確定工藝型面，然后依據(jù)工藝方案模擬分析設(shè)計的模具及工藝方案是否合理。若不可行，則需反饋到幾何建模階段調(diào)整，直至符合要求為止。

(3)建立以TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)，并且用移動盤的方式存儲和傳遞數(shù)據(jù)。

(4)分析模型由CAE 完成，模具設(shè)計由CAD完成，再組裝模架，制作沖壓模具［4］。其中DYNAFORM 是一款嵌入LS-DYNA 求解器和ETA/FEMB 前后處理器的高性能軟件。美國ETA 公司和LSTC 公司共同研發(fā)，意圖是解決數(shù)值模擬板料成形。它是迄今為止運用廣泛和受人歡迎的CAE 工具之一。

(5)鉗工修配和測試模具，完成后成型產(chǎn)品。

圖1 汽車覆蓋件模具CAD/CAE/CAM 技術(shù)設(shè)計流程圖Figure 1 Flow chart for CAD/CAE/CAM technical design of automobile covering parts mould

3 汽車覆蓋件模具設(shè)計制造的并行工程

并行工程(Concurrent Engineering，簡稱CE)的概念定義為“并行工程是一種以并行集成的方式設(shè)計產(chǎn)品的系統(tǒng)工程”，其中包括制造過程和支持過程。這個定義由1988 年美國國家防御分析研究所(Institute of Defense Analyze，簡稱IDA)完整地提出，并且沿用至今。并行工程具體包括3 項技術(shù):并行設(shè)計技術(shù)、并行過程管理技術(shù)、快速制造技術(shù)［5］。

汽車覆蓋件模具設(shè)計制造中很好地運用了并行工程思想，同時充分考慮到后續(xù)加工和維護的問題，極少出現(xiàn)設(shè)計失誤或者返工的現(xiàn)象。將并行工程思想引入汽車覆蓋件模具設(shè)計制造的一個重要原因是:以實型鑄造車間的模型為依據(jù)，極大程度地帶來模具設(shè)計的方便性，以及可立即得到模具完成后，標準部件使用情況的信息數(shù)據(jù)。

汽車覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計與模具設(shè)計的并行工程設(shè)計流程圖如圖2 所示。覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計過程必須考慮的因素如下:原料與沖壓工藝、投入成本與時間、設(shè)計與制作等。這種并行工程的優(yōu)點是:有利于促進產(chǎn)品設(shè)計和模具設(shè)計工作協(xié)調(diào)一致;車身覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計與產(chǎn)品的工藝性相結(jié)合，實現(xiàn)設(shè)計的可能性。

圖2 汽車覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計與模具設(shè)計的并行工程設(shè)計流程圖Figure 2 Flow chart for Concurrent Engineering design of finished product design and mould design of automobile covering parts

運用計算機輔助(CAD)設(shè)計技術(shù)與計算機輔助制造(CAM)技術(shù)的并行工程后，覆蓋件模具開發(fā)制造的各個階段就有了密切的聯(lián)系和相互的制約，并且在時間上具有交叉性?？紤]到產(chǎn)品設(shè)計制造過程中，某些環(huán)節(jié)具有時域交錯性，比如說市場需求調(diào)研、產(chǎn)品工藝分析、模具面設(shè)計等，因此可將模具的設(shè)計和制造加工并行進行，達到理想的經(jīng)濟效益。如在覆蓋件模具結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，就可對原材料進行準備，不必到設(shè)計結(jié)束后再進行制造加工，這些是覆蓋件沖壓模具并行工程研究的前提［6］。這種并行工程的優(yōu)點就是:正在運行中的環(huán)節(jié)可接受其他環(huán)節(jié)的設(shè)計評價和反饋，做到及時修正和改進，提升可靠性和時效性;極大地縮短開發(fā)時間，充分發(fā)揮交錯環(huán)節(jié)的時間和成本復(fù)用效果;消除大幅成品返工和翻新的幾率，確保品質(zhì)和成本到達最佳點。

4 汽車覆蓋件模具設(shè)計制造的逆向工程

逆向工程即(Reverse Engineering，簡稱RE)，也稱反求工程，是一種根據(jù)已有東西和結(jié)果，通過分析來推導(dǎo)出具體的實現(xiàn)方法。它依托設(shè)計方法學(xué)的基礎(chǔ)，以現(xiàn)代設(shè)計理論、方法和技術(shù)為指導(dǎo)，同時需要專業(yè)人員的工程設(shè)計知識經(jīng)驗和創(chuàng)新思維，對已有的產(chǎn)品實物、樣件、軟件或影像進行解剖深化和再創(chuàng)造的過程。之所以有逆向工程，是因為相對于傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計方式正向工程而言的。所謂正向工程(Forward Engineering，簡稱FE)，是一種將實現(xiàn)語言的映射而把模型轉(zhuǎn)換為代碼的過程。它的原理是:提出概念設(shè)計，實施構(gòu)建具體模型，分析可行性通過后開始成品設(shè)計和制造。他們本質(zhì)上的不同是:逆向工程在模具設(shè)計制造過程中是將現(xiàn)有的產(chǎn)品實物轉(zhuǎn)化為概念和設(shè)計模型，而正向工程則反之［2］。

運用逆向工程進行汽車覆蓋件模具設(shè)計和制造需要一套集成的系統(tǒng)，必須利用精密的測量儀器將樣品輪廓三維尺寸快速測量出來，接著把取得的參數(shù)用來精細加工。這套系統(tǒng)的主要配備有:工具機，執(zhí)行原型和模具制作;軟件，工作站級測量探頭，包括有接觸式和非接觸式兩種;測量機，包括有三維坐標測量機、多軸專用機、多軸關(guān)節(jié)機械臂、激光追蹤站等;點群數(shù)據(jù)處理軟件，其功能是用于進行噪聲濾除、細線化、曲線建構(gòu)、曲面建構(gòu)、曲面修改、內(nèi)插值補點等。

圖3 是逆向工程的設(shè)計流程圖。

圖3 逆向工程的設(shè)計流程圖Figure 3 Flow chart of Reverse Engineering design

5 結(jié)語

將CAD/CAE/CAM 技術(shù)、并行工程思想和逆向工程思想運用到汽車覆蓋件模具的設(shè)計和制造當(dāng)中，可以使汽車設(shè)計制造工藝更加優(yōu)質(zhì)高效，促進汽車工業(yè)的發(fā)展。

［1］李用哲.汽車覆蓋件模具設(shè)計與制造全過程檢驗圖解［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［2］許智欽.逆向工程技術(shù)［M］.北京:中國計量出版社，2002.

［3］黃亞娟，丘宏揚，陳松茂.CAD/CAE/CAM 技術(shù)在汽車覆蓋件模具中的應(yīng)用于發(fā)展［J］.機電工程技術(shù)，2004，(5):13－15.

［4］陳劍鶴.汽車覆蓋件沖壓工藝與模具設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［5］許維勝，吳啟迪.并行工程過程研究［J］.同濟大學(xué)學(xué)報，2001，(2):186－190.

［6］陳煒，李新城，等.汽車覆蓋件模具設(shè)計方法研究［J］.航空制造技術(shù)，2005(8):70－73.