王鐳 孟健

中國汽車技術(shù)研究中心有限公司數(shù)據(jù)資源中心 天津 300380

1 汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)及其現(xiàn)狀

構(gòu)成汽車車身的零件分為三類，即內(nèi)覆蓋件、外覆蓋件和骨架件，前兩者統(tǒng)稱為覆蓋件。所謂覆蓋件，是指覆蓋汽車底盤和發(fā)動機(jī)，構(gòu)成駕駛室、車身內(nèi)外的形狀復(fù)雜的薄板零件。與普通的沖壓件相比，汽車覆蓋件具有如下特點(diǎn)：幾何尺寸大、形狀復(fù)雜、質(zhì)量要求高。

1.1 CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展

CAD/CAM，是指以計(jì)算機(jī)作為主要技術(shù)手段，幫助人們處理各種信息，進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造。經(jīng)過最近20多年的發(fā)展，CAD技術(shù)在國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空、航天、汽車、船舶、輕工業(yè)、建筑及工程建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域，成為提高產(chǎn)品與工程設(shè)計(jì)水平、降低消耗、縮短產(chǎn)品開發(fā)與工程建設(shè)周期、大幅度提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。

1.1.1 CAD建模技術(shù)的發(fā)展

隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，CAD的建模技術(shù)也從20世紀(jì)60年代的機(jī)械工程圖和三維線框造型技術(shù)開始，不斷進(jìn)步，經(jīng)歷了70年代的曲面造型和80年代開始的基于約束的實(shí)體造型階段。這些造型技術(shù)對產(chǎn)品的幾何描述準(zhǔn)確到位，至今為止仍有著廣泛的使用空間。

1.1.2 CAD/CAM技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用概況

CAD/CAM技術(shù)最早應(yīng)用于汽車工業(yè)和航天工業(yè)領(lǐng)域，大約在五十年代末，飛機(jī)和汽車制造業(yè)開始研究在飛機(jī)機(jī)身和汽車車身中遇到的空間曲線和自由曲面問題。在七十年代，CAD/CAM技術(shù)進(jìn)入了蓬勃發(fā)展階段，這一時(shí)期的工作集中于曲面的描述，如車身、機(jī)身等形狀的定義與加工。當(dāng)時(shí)，在曲線的擬合上出現(xiàn)了兩種較為受歡迎的方法。其中，七十年代初的貝齊曲線是法國人Bezier為解決汽車外形設(shè)計(jì)而提出的一種新的參數(shù)表示法。1972年后，萊森費(fèi)爾德（Riesenfeld）等人開拓性發(fā)展了貝齊曲線，把舍恩伯格（Schoenberg）提出曲面造型系統(tǒng)為覆蓋件模具的的B樣條基底函數(shù)用于曲線定義，而避免了貝齊曲線的缺點(diǎn)，程上廣泛應(yīng)用的方法。

為進(jìn)一步控制和提高覆蓋件的拉深件等的設(shè)計(jì)質(zhì)量，評價(jià)沖壓材料的成形性能，分析塑性成形過程，日本眾多家公司共同支持開發(fā)了ITAS-3D和ROBUST等有限元分析軟件，研究板料成形過程的計(jì)算機(jī)模擬；德國的奔馳、大眾等數(shù)家公司支持了INDEED有限元分析軟件的開發(fā)；美國Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了DYNA 3D軟件，并已經(jīng)應(yīng)用于多家公司；美國福特公司研究的有限元分析軟件也已應(yīng)用于覆蓋件成形工藝的模擬。

1.2 傳統(tǒng)汽車覆蓋件模具的設(shè)計(jì)流程

傳統(tǒng)的汽車覆蓋件模具的一般設(shè)計(jì)、制造過程主要包括：沖壓工藝設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模具加工工藝設(shè)計(jì)。

1.2.1 沖壓工藝設(shè)計(jì)

覆蓋件的沖壓工藝，是由拉延工序、修邊工序和翻邊工序三個(gè)基本工序組成的，少數(shù)情況下還需要在拉延工序之前增加落料工序。在這三道基本工序的基礎(chǔ)上，根據(jù)覆蓋件的具體形狀和尺寸，編制各自的沖壓工藝。

1.2.2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沖壓工藝方案確定以后，通過分析選擇合理的模具結(jié)構(gòu)及部件，分別進(jìn)行拉延模、修沖模、整型模等模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2.3 模具加工工藝設(shè)計(jì)

針對不同的沖壓工藝型面和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行模具加工工藝編制和數(shù)控編程，確定模具的加工方式和方法。

這種設(shè)計(jì)方式有以下特點(diǎn)：以主模型作為覆蓋件模具的空間基準(zhǔn)；基于主模型和二維車身零件線圖進(jìn)行模具設(shè)計(jì)；模具設(shè)計(jì)憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行；工藝模型的制造質(zhì)量決定著整套模具的質(zhì)量。

同時(shí)這種設(shè)計(jì)與制造過程存在如下問題：設(shè)計(jì)制造周期長，一套復(fù)雜模具的設(shè)計(jì)時(shí)間長達(dá)300-400工時(shí)；信息共享程度底，設(shè)計(jì)依據(jù)是二維線圖和主模型，復(fù)雜的空間曲面形狀難以表達(dá)；憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)果難以預(yù)測。

1.3 現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)思想

相對于傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法，現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)方法有了質(zhì)的飛躍。無論是設(shè)計(jì)過程，還是設(shè)計(jì)結(jié)果都有著與傳統(tǒng)方法所不能比擬的優(yōu)勢。

1.3.1 數(shù)字化、無紙化設(shè)計(jì)

現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)完全以微機(jī)為操作平臺，拋棄了傳統(tǒng)的手工繪圖。這樣一來，就完全避免了手工繪圖所帶來的弊病，其優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）提高制造精度、減少誤差

數(shù)字化帶來的第一個(gè)好處就是提高制造精度，能夠?qū)⑷藶檎`差減少到最低。無紙化生產(chǎn)以后，所有的數(shù)據(jù)都是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，以前由于各工序之間讀圖差異所造成的誤解就可以完全避免。

（2）提高生產(chǎn)效率

無紙化生產(chǎn)帶來的一大好處就是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳播，這不但省去了出圖的麻煩，更提高了生產(chǎn)的速度，同時(shí)也可以減少人力的浪費(fèi)，有利于提高生產(chǎn)效率。

（3）經(jīng)濟(jì)環(huán)保

實(shí)現(xiàn)數(shù)字化以后，整個(gè)車間都可以實(shí)行數(shù)據(jù)流傳遞，無需圖紙，這樣就可以省去紙張對環(huán)境的污染，同時(shí)也增加了經(jīng)濟(jì)效益。

（4）管理方便

數(shù)字化能夠大幅提升管理效率。包括設(shè)計(jì)圖的存檔和出入管理等都會隨之而提高效率。

1.3.2 三維實(shí)體設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的二維圖設(shè)計(jì)相比，現(xiàn)代模具設(shè)計(jì)最直觀地改變就是三維設(shè)計(jì)。三維實(shí)體相對于二維視圖更直觀地表達(dá)了模具的本來面目，三維造型的優(yōu)勢不僅僅如此，還有以下幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)：

① 增強(qiáng)表達(dá)能力

三維實(shí)體能夠表達(dá)二維不能表達(dá)的空間曲線、曲面。對于覆蓋件模具經(jīng)常出現(xiàn)的復(fù)雜曲面型面，二維視圖明顯不能表達(dá)，三維視圖則能夠很好地表達(dá)。

② 便于設(shè)計(jì)

三維設(shè)計(jì)降低了對設(shè)計(jì)者的要求，對于新手入門相當(dāng)方便。三維實(shí)體設(shè)計(jì)比二維工程圖更便于查錯(cuò)，對于一些實(shí)體干涉的檢查，三維造型能方便看出。

③ 便于制造

三維實(shí)體設(shè)計(jì)可以直接控制各種無人操作的數(shù)控機(jī)床，對于國內(nèi)目前以二維圖為主要手段的模具加工廠而言，發(fā)展的趨勢是向無圖化發(fā)展，且由三維實(shí)體生成二維工程圖非常方便。

1.3.3 模具設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、模板化、參數(shù)化

隨著現(xiàn)代模具制造業(yè)的快速發(fā)展，CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，而與之相應(yīng)的模具標(biāo)準(zhǔn)化也正逐步從模具的標(biāo)準(zhǔn)件向模具的制造全過程進(jìn)行延伸，人們越來越認(rèn)識到模具標(biāo)準(zhǔn)化是模具CAD的基礎(chǔ)，而模具零件的標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化以及模具結(jié)構(gòu)的典型化、通用化是模具CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)的關(guān)鍵，下面以參數(shù)化為例，重點(diǎn)進(jìn)行分析。

參數(shù)化設(shè)計(jì)（Parametric Design）也稱尺寸驅(qū)動（Dimension Driven），是指參數(shù)化模型的尺寸用對應(yīng)關(guān)系表示，而不用具體數(shù)值。改變一個(gè)參數(shù)值將使所有與它有關(guān)的尺寸自動變化。也就是說，先建立參數(shù)化模型，再通過調(diào)整其參數(shù)來改變幾何形狀。從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精確造型。它使工程設(shè)計(jì)人員無需考慮細(xì)節(jié)就可盡快畫出零件草圖，經(jīng)過對草圖的反復(fù)修改得到所需的設(shè)計(jì)。并可變動某些約束參數(shù)來更新設(shè)計(jì)，從而在設(shè)計(jì)系列化產(chǎn)品時(shí)不必每次都重新設(shè)計(jì)全過程。

產(chǎn)品在從概念設(shè)計(jì)到零件設(shè)計(jì)的過程中，尤其是在產(chǎn)品的初級設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品的幾何尺寸及結(jié)構(gòu)形狀，不可避免的要反復(fù)修改、進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)和優(yōu)化。傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)所構(gòu)造的產(chǎn)品幾何圖形都只是幾何圖素（點(diǎn)、線、圓等）的簡單堆疊，哪怕要改變圖形的某一尺寸，如一個(gè)圓孔的半徑，也必須“擦掉”原有圖形，用新半徑在原來位置構(gòu)造新圓孔。這種簡單的“重復(fù)”勞動，給設(shè)計(jì)人員帶來了諸多不便，也不利于設(shè)計(jì)人員表達(dá)自己的設(shè)計(jì)思想。其次，在機(jī)械領(lǐng)域中，系列定型產(chǎn)品占有相當(dāng)比例，系列中的絕大多數(shù)零件或部件，都具有相似的外形輪廓特征，能否將一組約定的數(shù)值，與零件或部件特征幾何尺寸建立起聯(lián)系，在進(jìn)行產(chǎn)品系列設(shè)計(jì)時(shí)，只需添加多組數(shù)據(jù)即可，若要設(shè)計(jì)新規(guī)格零件或部件，修改其部分?jǐn)?shù)據(jù)即可。事實(shí)上，這種設(shè)計(jì)方法就是參數(shù)化設(shè)計(jì)。在新一代的CAD系統(tǒng)中，都引進(jìn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，使得產(chǎn)品幾何圖形隨著其結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的調(diào)整而自動修改圖形。

參數(shù)化設(shè)計(jì)一般是指零件的形狀比較定型，用一組參數(shù)約束該幾何圖形的一組結(jié)構(gòu)尺寸系列，參數(shù)與設(shè)計(jì)對象的控制尺寸有顯式對應(yīng)，當(dāng)賦予不同的參數(shù)系列值時(shí)，就可驅(qū)動原幾何圖形。不難預(yù)料，機(jī)械產(chǎn)品中常用的系列化標(biāo)準(zhǔn)件和常用件大都可以采用此種高效設(shè)計(jì)方法。

一般來說，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，必須具備如下幾個(gè)關(guān)系：設(shè)計(jì)產(chǎn)品的模型中，包含有拓?fù)潢P(guān)系和約束關(guān)系，此外幾何圖形應(yīng)能由尺寸驅(qū)動，最后參數(shù)系列與幾何圖形尺寸系列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有對應(yīng)關(guān)系。

滿足上述條件的產(chǎn)品幾何圖形，既描述了產(chǎn)品的幾何形狀，又包含了設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想，同時(shí)又與一組系列值有對應(yīng)關(guān)系，因而，我們所從事的工作是“設(shè)計(jì)”而不僅僅是“繪圖”，其設(shè)計(jì)結(jié)果是包含有設(shè)計(jì)信息的“模型”，而不僅僅是固定不變的圖形（俗稱“死圖”）。

Unigraphics提供了4種參數(shù)化設(shè)計(jì)手段，具有設(shè)計(jì)思想獨(dú)特和操作方便等優(yōu)點(diǎn)。具體體現(xiàn)在：

（1）能夠應(yīng)用具有不同屬性的變量來約束或驅(qū)動幾何圖形。變量可以為一個(gè)具體數(shù)值或者一個(gè)表達(dá)式。

（2）應(yīng)用表格（零件家族）驅(qū)動幾何圖形。此種方法特別適合于機(jī)械零件的標(biāo)準(zhǔn)件和常用件的系列設(shè)計(jì)。

（3）利用尺寸標(biāo)注驅(qū)動幾何圖形，并且還可以實(shí)現(xiàn)反向設(shè)計(jì)。

（4）對于具有確定形狀特征的零件或部件可設(shè)計(jì)成參數(shù)化的用戶元素（用戶自定義），其特征幾何尺寸可取自于表、變量或特定尺寸。

總結(jié)：

（1）根據(jù)模板化、積木式的設(shè)計(jì)思想，可以通過更加先進(jìn)的數(shù)字化工具實(shí)現(xiàn)覆蓋件模具結(jié)構(gòu)的模板化設(shè)計(jì)；

（2）利用先進(jìn)軟件采用零件家族表的形式，能夠創(chuàng)建面向設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)件三維實(shí)體參數(shù)化模型庫，并通過集成、套裝、參數(shù)的約束和關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)件的選擇自動化；

（3）通過創(chuàng)建素材之間的約束和相關(guān)，可以采用虛擬裝配技術(shù)建立了不同種類的覆蓋件模具的模板，并將它們集結(jié)在一起，形成模板庫；

（4）本文簡要闡述了模板化設(shè)計(jì)的全過程，并初步分析了其對于提高設(shè)計(jì)效率，簡化設(shè)計(jì)過程以及加強(qiáng)模具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化程度所具有的意義。