汽車覆蓋件模具設計及其發展歷程簡述

王鐳 孟健

中國汽車技術研究中心有限公司數據資源中心 天津 300380

1 汽車覆蓋件模具設計及其現狀

構成汽車車身的零件分為三類，即內覆蓋件、外覆蓋件和骨架件，前兩者統稱為覆蓋件。所謂覆蓋件，是指覆蓋汽車底盤和發動機，構成駕駛室、車身內外的形狀復雜的薄板零件。與普通的沖壓件相比，汽車覆蓋件具有如下特點：幾何尺寸大、形狀復雜、質量要求高。

1.1 CAD/CAM技術的發展

CAD/CAM，是指以計算機作為主要技術手段，幫助人們處理各種信息，進行產品的設計與制造。經過最近20多年的發展，CAD技術在國外工業發達國家已被廣泛應用于機械、電子、航空、航天、汽車、船舶、輕工業、建筑及工程建設等各個領域，成為提高產品與工程設計水平、降低消耗、縮短產品開發與工程建設周期、大幅度提高勞動生產率和產品質量的重要手段。

1.1.1 CAD建模技術的發展

隨著CAD/CAM技術的發展，CAD的建模技術也從20世紀60年代的機械工程圖和三維線框造型技術開始，不斷進步，經歷了70年代的曲面造型和80年代開始的基于約束的實體造型階段。這些造型技術對產品的幾何描述準確到位，至今為止仍有著廣泛的使用空間。

1.1.2 CAD/CAM技術在工業領域的應用概況

CAD/CAM技術最早應用于汽車工業和航天工業領域，大約在五十年代末，飛機和汽車制造業開始研究在飛機機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技術進入了蓬勃發展階段，這一時期的工作集中于曲面的描述，如車身、機身等形狀的定義與加工。當時，在曲線的擬合上出現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為解決汽車外形設計而提出的一種新的參數表示法。1972年后，萊森費爾德（Riesenfeld）等人開拓性發展了貝齊曲線，把舍恩伯格（Schoenberg）提出曲面造型系統為覆蓋件模具的的B樣條基底函數用于曲線定義，而避免了貝齊曲線的缺點，程上廣泛應用的方法。

為進一步控制和提高覆蓋件的拉深件等的設計質量，評價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了ITAS-3D和ROBUST等有限元分析軟件，研究板料成形過程的計算機模擬；德國的奔馳、大眾等數家公司支持了INDEED有限元分析軟件的開發；美國Lawrence Livermore國家實驗室開發了DYNA 3D軟件，并已經應用于多家公司；美國福特公司研究的有限元分析軟件也已應用于覆蓋件成形工藝的模擬。

1.2 傳統汽車覆蓋件模具的設計流程

傳統的汽車覆蓋件模具的一般設計、制造過程主要包括：沖壓工藝設計、模具結構設計和模具加工工藝設計。

1.2.1 沖壓工藝設計

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基本工序組成的，少數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上，根據覆蓋件的具體形狀和尺寸，編制各自的沖壓工藝。

1.2.2 模具結構設計

沖壓工藝方案確定以后，通過分析選擇合理的模具結構及部件，分別進行拉延模、修沖模、整型模等模具的結構設計。

1.2.3 模具加工工藝設計

針對不同的沖壓工藝型面和模具結構設計結果，進行模具加工工藝編制和數控編程，確定模具的加工方式和方法。

這種設計方式有以下特點：以主模型作為覆蓋件模具的空間基準；基于主模型和二維車身零件線圖進行模具設計；模具設計憑經驗進行；工藝模型的制造質量決定著整套模具的質量。

同時這種設計與制造過程存在如下問題：設計制造周期長，一套復雜模具的設計時間長達300-400工時；信息共享程度底，設計依據是二維線圖和主模型，復雜的空間曲面形狀難以表達；憑經驗設計，結果難以預測。

1.3 現代模具設計思想

相對于傳統的模具設計方法，現代模具設計方法有了質的飛躍。無論是設計過程，還是設計結果都有著與傳統方法所不能比擬的優勢。

1.3.1 數字化、無紙化設計

現代模具設計完全以微機為操作平臺，拋棄了傳統的手工繪圖。這樣一來，就完全避免了手工繪圖所帶來的弊病，其優點主要有以下幾點：

（1）提高制造精度、減少誤差

數字化帶來的第一個好處就是提高制造精度，能夠將人為誤差減少到最低。無紙化生產以后，所有的數據都是通過網絡傳輸，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）提高生產效率

無紙化生產帶來的一大好處就是設計數據通過網絡傳播，這不但省去了出圖的麻煩，更提高了生產的速度，同時也可以減少人力的浪費，有利于提高生產效率。

（3）經濟環保

實現數字化以后，整個車間都可以實行數據流傳遞，無需圖紙，這樣就可以省去紙張對環境的污染，同時也增加了經濟效益。

（4）管理方便

數字化能夠大幅提升管理效率。包括設計圖的存檔和出入管理等都會隨之而提高效率。

1.3.2 三維實體設計

與傳統的二維圖設計相比，現代模具設計最直觀地改變就是三維設計。三維實體相對于二維視圖更直觀地表達了模具的本來面目，三維造型的優勢不僅僅如此，還有以下幾個重要的優點：

① 增強表達能力

三維實體能夠表達二維不能表達的空間曲線、曲面。對于覆蓋件模具經常出現的復雜曲面型面，二維視圖明顯不能表達，三維視圖則能夠很好地表達。

② 便于設計

三維設計降低了對設計者的要求，對于新手入門相當方便。三維實體設計比二維工程圖更便于查錯，對于一些實體干涉的檢查，三維造型能方便看出。

③ 便于制造

三維實體設計可以直接控制各種無人操作的數控機床，對于國內目前以二維圖為主要手段的模具加工廠而言，發展的趨勢是向無圖化發展，且由三維實體生成二維工程圖非常方便。

1.3.3 模具設計的標準化、模板化、參數化

隨著現代模具制造業的快速發展，CAD/CAE/CAM一體化技術得到了廣泛的應用，而與之相應的模具標準化也正逐步從模具的標準件向模具的制造全過程進行延伸，人們越來越認識到模具標準化是模具CAD的基礎，而模具零件的標準化、參數化以及模具結構的典型化、通用化是模具CAD/CAE/CAM一體化技術的關鍵，下面以參數化為例，重點進行分析。

參數化設計（Parametric Design）也稱尺寸驅動（Dimension Driven），是指參數化模型的尺寸用對應關系表示，而不用具體數值。改變一個參數值將使所有與它有關的尺寸自動變化。也就是說，先建立參數化模型，再通過調整其參數來改變幾何形狀。從而實現產品的精確造型。它使工程設計人員無需考慮細節就可盡快畫出零件草圖，經過對草圖的反復修改得到所需的設計。并可變動某些約束參數來更新設計，從而在設計系列化產品時不必每次都重新設計全過程。

產品在從概念設計到零件設計的過程中，尤其是在產品的初級設計階段，產品的幾何尺寸及結構形狀，不可避免的要反復修改、進行綜合協調和優化。傳統CAD系統所構造的產品幾何圖形都只是幾何圖素（點、線、圓等）的簡單堆疊，哪怕要改變圖形的某一尺寸，如一個圓孔的半徑，也必須“擦掉”原有圖形，用新半徑在原來位置構造新圓孔。這種簡單的“重復”勞動，給設計人員帶來了諸多不便，也不利于設計人員表達自己的設計思想。其次，在機械領域中，系列定型產品占有相當比例，系列中的絕大多數零件或部件，都具有相似的外形輪廓特征，能否將一組約定的數值，與零件或部件特征幾何尺寸建立起聯系，在進行產品系列設計時，只需添加多組數據即可，若要設計新規格零件或部件，修改其部分數據即可。事實上，這種設計方法就是參數化設計。在新一代的CAD系統中，都引進了參數化設計功能，使得產品幾何圖形隨著其結構數據的調整而自動修改圖形。

參數化設計一般是指零件的形狀比較定型，用一組參數約束該幾何圖形的一組結構尺寸系列，參數與設計對象的控制尺寸有顯式對應，當賦予不同的參數系列值時，就可驅動原幾何圖形。不難預料，機械產品中常用的系列化標準件和常用件大都可以采用此種高效設計方法。

一般來說，實現參數化設計，必須具備如下幾個關系：設計產品的模型中，包含有拓撲關系和約束關系，此外幾何圖形應能由尺寸驅動，最后參數系列與幾何圖形尺寸系列數據結構具有對應關系。

滿足上述條件的產品幾何圖形，既描述了產品的幾何形狀，又包含了設計者的設計思想，同時又與一組系列值有對應關系，因而，我們所從事的工作是“設計”而不僅僅是“繪圖”，其設計結果是包含有設計信息的“模型”，而不僅僅是固定不變的圖形（俗稱“死圖”）。

Unigraphics提供了4種參數化設計手段，具有設計思想獨特和操作方便等優點。具體體現在：

（1）能夠應用具有不同屬性的變量來約束或驅動幾何圖形。變量可以為一個具體數值或者一個表達式。

（2）應用表格（零件家族）驅動幾何圖形。此種方法特別適合于機械零件的標準件和常用件的系列設計。

（3）利用尺寸標注驅動幾何圖形，并且還可以實現反向設計。

（4）對于具有確定形狀特征的零件或部件可設計成參數化的用戶元素（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：

（1）根據模板化、積木式的設計思想，可以通過更加先進的數字化工具實現覆蓋件模具結構的模板化設計；

（2）利用先進軟件采用零件家族表的形式，能夠創建面向設計的標準件三維實體參數化模型庫，并通過集成、套裝、參數的約束和關聯，實現了標準件的選擇自動化；

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

（4）本文簡要闡述了模板化設計的全過程，并初步分析了其對于提高設計效率，簡化設計過程以及加強模具設計標準化程度所具有的意義。