楊財(cái)，劉曉晶，賀永輝，劉恒，李續(xù)博，劉訓(xùn)達(dá)，王哲

哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040

基于Pro／E三維建模的汽車車身產(chǎn)品整體化設(shè)計(jì)及快速成形

楊財(cái)，劉曉晶，賀永輝，劉恒，李續(xù)博，劉訓(xùn)達(dá)，王哲

哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對汽車產(chǎn)品的研發(fā)周期要求越來越短，同時(shí)對產(chǎn)品質(zhì)量和外觀設(shè)計(jì)水平的要求也越來越高，如何快速設(shè)計(jì)新型汽車車身產(chǎn)品成為汽車行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。應(yīng)用Pro／ENGINEER軟件，設(shè)計(jì)出新型汽車車身整體的CAD模型，評價(jià)分析了成型型面質(zhì)量并修改了問題型面；通過選擇設(shè)定合理的工藝參數(shù)，使用熔融擠壓快速成型機(jī)實(shí)現(xiàn)了汽車車身模型的快速原型制造。方便、快速地實(shí)現(xiàn)了新型汽車車身產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)，縮短了研發(fā)周期。

汽車車身；快速成形；MEM技術(shù)；Pro／E建模；工藝參數(shù)

快速成形（rapid prototyping，RP）技術(shù)是一種集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、精密機(jī)械、激光、高分子材料等學(xué)科于一體的高新技術(shù)，能快速將CAD三維模型制成實(shí)物原型。它的基本原理是離散與堆積，其不同于傳統(tǒng)的加工方法，采用逐層增材的方法直接制造實(shí)體原型［1］?？裳杆賹?shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的閉環(huán)反饋，進(jìn)而修改CAD模型制造出產(chǎn)品。

文中所研究的是Pro／E（Pro／Engineer）三維建模與熔融擠壓快速成型（melted extrusion modeling， MEM）技術(shù)的結(jié)合在新車型開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用。Pro／E是個(gè)全方位的3D產(chǎn)品開發(fā)軟件，集合了零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品組合、模具開發(fā)、數(shù)控加工造型設(shè)計(jì)、逆向工程等多種功能，專門用于管理并行工程對同一產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)［2-3］?？梢詫ζ嚫采w件進(jìn)行整體化設(shè)計(jì)，調(diào)整并優(yōu)化各各型面參數(shù)，設(shè)計(jì)新型汽車三維模型。

現(xiàn)階段新車型的開發(fā)是利用油泥雕塑汽車車身模型，這種方法需要耗費(fèi)幾個(gè)月的時(shí)間。首先用一個(gè)月的時(shí)間來制作1∶4的油泥模型，對外觀評審修改后，再根據(jù)車型總布置圖，構(gòu)建1∶1的主模型線型圖；接下來用2個(gè)月的時(shí)間制作1∶1的油泥模型，直到凍結(jié)油泥模型。而通過Pro／E三維建模結(jié)合快速成型技術(shù)，幾天就能制作出汽車模型。大大縮短了開發(fā)周期［4］。

1 汽車車身模型快速成型工藝

快速成型工藝過程是一個(gè)涉及CAD／CAM、數(shù)據(jù)編程、材料制備及后處理等環(huán)節(jié)的集成制造過程。在整個(gè)工藝過程中每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)對成型件的精度、成型時(shí)間及材料利用率產(chǎn)生影響。而成型件的精度和成型時(shí)間是MEM工藝中的2個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)。材料利用率也是一個(gè)比較重要的問題。同時(shí)，還要防止加工過程中由于熱應(yīng)力而出現(xiàn)的翹曲變形。所以，合理地設(shè)計(jì)加工方法及加工工藝至關(guān)重要。MEM工藝原理如圖1所示。

圖1 MEM工藝原理

由于要加工的新型車身模型的尺寸較大，超過HTS-300MEM快速成型機(jī)的加工尺寸范圍（280 mm×250 mm×300 mm）。因此，需要在保證車身關(guān)鍵特征因素不受影響的前提下同比例縮小模型尺寸進(jìn)行加工。為減小加工過程中的臺階效應(yīng)，提高精度，需要合理放置加工件，盡量使加工過程中加工件的主要表面與水平面的夾角最大。因?yàn)榱慵那袑用嫘螤钋Р钊f別，很難保證某一種掃描方法和掃描速度對于各層均是合適的［5］。為防止成型零件出現(xiàn)翹曲變形現(xiàn)象，有必要對掃描方法加以改進(jìn)。由于車身模型曲面及圓角較多，所以將原有的順序掃描法改為逐層交織法，使之能根據(jù)不同的切層形狀自適應(yīng)地調(diào)整掃描方式和掃描速度，這樣既可以改善表面的光滑程度又可以減少翹曲變形，這種方法對于由ABS材料收縮引起的外輪廓縮小內(nèi)尺寸增大和掃描畸變等變形誤差是有效的［6］。

控制MEM加工過程中控制熔融擠壓的各項(xiàng)參數(shù)包括分層厚度、噴頭溫度、環(huán)境溫度、擠出速度、填充速度、理想輪廓線的補(bǔ)償量及延遲時(shí)間等。針對ABS樹脂材料性能設(shè)定擠料速度因子，同時(shí)設(shè)定合理時(shí)間參數(shù)并調(diào)整理想輪廓補(bǔ)償量［7］。

2 車身模型整體化設(shè)計(jì)

利用Pro／E進(jìn)行新車型三維實(shí)體模型整體化設(shè)計(jì)，調(diào)整并優(yōu)化各型面參數(shù)，繪制新型汽車三維模型。完成的三維模型如圖2所示。設(shè)計(jì)過程中通過三維實(shí)體上色、立體旋轉(zhuǎn)美化汽車覆蓋件模型；通過對車門、翼子板等關(guān)鍵型面進(jìn)行觀察，對不夠美觀的型面進(jìn)行拉伸去除材料并重新造型成面［8］；對車燈，散熱器中倒角、凹槽、孔等細(xì)節(jié)型面利用特征驅(qū)動(dòng)這一工具進(jìn)行修改完善［9］。將設(shè)計(jì)的三維實(shí)體模型進(jìn)行三維實(shí)體劃分保存為STL格式文件。三角網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2 新車型三維圖

圖3 三角網(wǎng)絡(luò)劃分圖形

3 利用HTS-300MEM快速成型機(jī)整體加工實(shí)體模型

3．1 MEM快速成型機(jī)工藝參數(shù)選擇

HTS-300MEM成型機(jī)對設(shè)計(jì)三維模型進(jìn)行分層處理后開始加工，加工之前首先要調(diào)整工藝參數(shù)。新車身模型的加工過程中的主要工藝參數(shù)如下：材料為ABS樹脂，掃描速度為20～60 mm／s，噴嘴直徑為0．5mm，層厚為0．2 mm，主要工藝參數(shù)如表1所示［10］。

表1 主要工藝參數(shù)設(shè)定

3．2 利用HTS-300專用軟件調(diào)整工藝參數(shù)

參數(shù)調(diào)整如圖4所示。導(dǎo)入STL文件→旋轉(zhuǎn)至易加工面→調(diào)整X，Y移動(dòng)噴頭至合適位置→參數(shù)設(shè)置→生成支撐→生成文件存儲路徑→下移噴頭至加工起點(diǎn)→開始加工→成功加工車體。

圖4 參數(shù)調(diào)整

3．3 車身模型后處理

在快速成型機(jī)中原型疊層制作完畢后，需要去除支撐結(jié)構(gòu)。然后進(jìn)行打磨、拋光、噴漆。新車型車身實(shí)體模型如圖5所示。

圖5 新車型車身模型實(shí)體

4 結(jié)束語

利用Pro／ENGINEER軟件能夠快速構(gòu)建新型汽車車身產(chǎn)品的三維模型，并方便對問題型面的修改完善。通過分析并設(shè)定合理的工藝參數(shù)，利用HTS-300MEM成型機(jī)能夠快速成型汽車車身產(chǎn)品實(shí)體模型?？焖俪尚图夹g(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要分支，利用快速成型技術(shù)可對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行立刻評價(jià)和修改，并自動(dòng)迅速地將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為具有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和功能的原型件或直接制造出零部件，從而大大地縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。

［1］安芬菊，師文慶．基于MEM技術(shù)的概念車身模型的制造［J］．機(jī)電工程技術(shù)，2008（5）：30-31．

［2］張俊，侯琳，殷鏡波，等．快速成型技術(shù)及其發(fā)展［J］．山東水利職業(yè)學(xué)院院刊，2006（12）：9-13．

［3］夏鵬，王丞，馬明亮．快速成型技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．九江學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（3）：55-58．

［4］羅輯，黃強(qiáng)，杜柳青，等．快速成型技術(shù)及其應(yīng)用［J］．起重運(yùn)輸機(jī)械，2006（2）：1-3．

［5］宋丹路．熔融沉積快速成型的翹曲變形分析和解決方法［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2004（3）：106-109．

［6］陳葆娟，梁延德，何福本．熔融沉積成形試件翹曲成因的分析與優(yōu)化［J］．電加工與模具，2012（4）：33-36．

［7］吳仁東，唐果林，魏大中．MEM成型大型零件原型工藝研究［J］．快速成型，2010（5）：315-319．

［8］倪紅軍，呂帥帥，裴一．基于Pro／E的手機(jī)外殼三維造型與快速原型制造［J］．工具科技，2013（7）：17-20．

［9］許洪斌，王泗國，陳康．薄殼類零件的快速成型精度工藝［J］．重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（3）：5-8．

［10］羅晉，葉春生．FDM系統(tǒng)的重要工藝參數(shù)及其控制技術(shù)研究［J］．鍛壓設(shè)備與制造技術(shù)，2005（6）：77-79．

Overall design and rapid prototyping of automobile body products based on Pro／E 3D modeling

YANG Cai，LIU Xiaojing，HE Yonghui，LIU Heng，LIXubo，LIU Xunda，WANG Zhe
School ofMaterials Science and Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China

With the development of automobile industry，the research and development cycle of automobile body products is getting shorter and shorter than before．At the same time，the requirements for product quality and ap-pearance design level are also getting higher．How to design a newmodel of the automobile body becomes one of the key issues in the auto industry development．A new type of automobile body CAD modelwas designed by using Pro ENGINEER software．Then the quality ofmolding surfaceswas evaluated and analyzed and themolding surface that has problem was revised．The rapid prototyping of the automobile body model wasmanufactured by choosing and setting reasonable process parameters，and using themelted extrusion modeling（MEM）prototypingmachine，the design and development of a new type of automobile body product are realized conveniently and quickly，which shortens the research and development cycle．

automobile body；rapid prototyping；melted extrusion modeling technology；Pro／E modeling；process parameters

TP391．9

A

1009-671X（2015）03-071-03

10．3969／j．issn．1009-671X．201405015

2014-05-16．

日期：2015-04-20．基金項(xiàng)目：哈爾濱理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目．作者簡介：楊財(cái)（1992-），男，學(xué)士；劉曉晶（1966-），女，教授，博士．

劉曉晶，E-mail：419401848＠qq．com．

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1191．U．20150420．1012．009．htm l