基于Pro／E三維建模的汽車車身產品整體化設計及快速成形

楊財，劉曉晶，賀永輝，劉恒，李續博，劉訓達，王哲

哈爾濱理工大學材料科學與工程學院，黑龍江哈爾濱 150040

基于Pro／E三維建模的汽車車身產品整體化設計及快速成形

楊財，劉曉晶，賀永輝，劉恒，李續博，劉訓達，王哲

哈爾濱理工大學材料科學與工程學院，黑龍江哈爾濱 150040

隨著汽車行業的發展，對汽車產品的研發周期要求越來越短，同時對產品質量和外觀設計水平的要求也越來越高，如何快速設計新型汽車車身產品成為汽車行業發展的關鍵問題之一。應用Pro／ENGINEER軟件，設計出新型汽車車身整體的CAD模型，評價分析了成型型面質量并修改了問題型面；通過選擇設定合理的工藝參數，使用熔融擠壓快速成型機實現了汽車車身模型的快速原型制造。方便、快速地實現了新型汽車車身產品的設計開發，縮短了研發周期。

汽車車身；快速成形；MEM技術；Pro／E建模；工藝參數

快速成形（rapid prototyping，RP）技術是一種集計算機輔助設計、計算機數字控制、精密機械、激光、高分子材料等學科于一體的高新技術，能快速將CAD三維模型制成實物原型。它的基本原理是離散與堆積，其不同于傳統的加工方法，采用逐層增材的方法直接制造實體原型［1］。可迅速實現產品開發的閉環反饋，進而修改CAD模型制造出產品。

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）技術的結合在新車型開發領域的應用。Pro／E是個全方位的3D產品開發軟件，集合了零件設計、產品組合、模具開發、數控加工造型設計、逆向工程等多種功能，專門用于管理并行工程對同一產品進行開發［2-3］。可以對汽車覆蓋件進行整體化設計，調整并優化各各型面參數，設計新型汽車三維模型。

現階段新車型的開發是利用油泥雕塑汽車車身模型，這種方法需要耗費幾個月的時間。首先用一個月的時間來制作1∶4的油泥模型，對外觀評審修改后，再根據車型總布置圖，構建1∶1的主模型線型圖；接下來用2個月的時間制作1∶1的油泥模型，直到凍結油泥模型。而通過Pro／E三維建模結合快速成型技術，幾天就能制作出汽車模型。大大縮短了開發周期［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涉及CAD／CAM、數據編程、材料制備及后處理等環節的集成制造過程。在整個工藝過程中每一個環節都會對成型件的精度、成型時間及材料利用率產生影響。而成型件的精度和成型時間是MEM工藝中的2個主要技術指標。材料利用率也是一個比較重要的問題。同時，還要防止加工過程中由于熱應力而出現的翹曲變形。所以，合理地設計加工方法及加工工藝至關重要。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快速成型機的加工尺寸范圍（280 mm×250 mm×300 mm）。因此，需要在保證車身關鍵特征因素不受影響的前提下同比例縮小模型尺寸進行加工。為減小加工過程中的臺階效應，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。因為零件的切層面形狀千差萬別，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翹曲變形現象，有必要對掃描方法加以改進。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，使之能根據不同的切層形狀自適應地調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參數包括分層厚度、噴頭溫度、環境溫度、擠出速度、填充速度、理想輪廓線的補償量及延遲時間等。針對ABS樹脂材料性能設定擠料速度因子，同時設定合理時間參數并調整理想輪廓補償量［7］。

2 車身模型整體化設計

利用Pro／E進行新車型三維實體模型整體化設計，調整并優化各型面參數，繪制新型汽車三維模型。完成的三維模型如圖2所示。設計過程中通過三維實體上色、立體旋轉美化汽車覆蓋件模型；通過對車門、翼子板等關鍵型面進行觀察，對不夠美觀的型面進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、孔等細節型面利用特征驅動這一工具進行修改完善［9］。將設計的三維實體模型進行三維實體劃分保存為STL格式文件。三角網格劃分如圖3所示。

圖2 新車型三維圖

圖3 三角網絡劃分圖形

3 利用HTS-300MEM快速成型機整體加工實體模型

3．1 MEM快速成型機工藝參數選擇

HTS-300MEM成型機對設計三維模型進行分層處理后開始加工，加工之前首先要調整工藝參數。新車身模型的加工過程中的主要工藝參數如下：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，主要工藝參數如表1所示［10］。

表1 主要工藝參數設定

3．2 利用HTS-300專用軟件調整工藝參數

參數調整如圖4所示。導入STL文件→旋轉至易加工面→調整X，Y移動噴頭至合適位置→參數設置→生成支撐→生成文件存儲路徑→下移噴頭至加工起點→開始加工→成功加工車體。

圖4 參數調整

3．3 車身模型后處理

在快速成型機中原型疊層制作完畢后，需要去除支撐結構。然后進行打磨、拋光、噴漆。新車型車身實體模型如圖5所示。

圖5 新車型車身模型實體

4 結束語

利用Pro／ENGINEER軟件能夠快速構建新型汽車車身產品的三維模型，并方便對問題型面的修改完善。通過分析并設定合理的工藝參數，利用HTS-300MEM成型機能夠快速成型汽車車身產品實體模型?？焖俪尚图夹g是先進制造技術的重要分支，利用快速成型技術可對產品設計進行立刻評價和修改，并自動迅速地將設計轉化為具有相應的結構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品的開發周期。

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

［2］張俊，侯琳，殷鏡波，等．快速成型技術及其發展［J］．山東水利職業學院院刊，2006（12）：9-13．

［3］夏鵬，王丞，馬明亮．快速成型技術應用現狀及發展趨勢［J］．九江學院學報，2008（3）：55-58．

［4］羅輯，黃強，杜柳青，等．快速成型技術及其應用［J］．起重運輸機械，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］．組合機床與自動化加工技術，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］．重慶大學學報，2005（3）：5-8．

［10］羅晉，葉春生．FDM系統的重要工藝參數及其控制技術研究［J］．鍛壓設備與制造技術，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．基金項目：哈爾濱理工大學大學生創新創業計劃項目．作者簡介：楊財（1992-），男，學士；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