汽车覆盖件模具CAD技术的应用与发展

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汽车覆盖件模具CAD技术的应用与发展
; P, U: A* k; V1 m" c( h一、汽车覆盖件模具CAD技术的发展现状

1．国内、外模具CAD技术的发展状况
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早在60年代初期，国外一些汽车制造公司就开始了模具CAD的研究。这一研究始于汽车车身的设计，在此基础上复杂曲面的设计方法得到了发展，各大汽车公司都先后建立了自己的CAD/CAM系统，并将其应用于模具设计与制造。计算机软、硬件技术的迅猛发展，为模具CAD/CAM的开发应用向更高层次的拓展创造了条件。

在几何造型方面，基于线框模型的CAD系统率先由飞机和汽车制造商开发并应用。例如：美国Lockhead飞机公司、McDonnell Douglas飞机公司、General Motor汽车公司的CAD系统、CADD系统、AD2000系统等，均推动了模具CAD技术的发展。

70年代以来，曲面造型与实体造型技术发展迅速，新一代的CAD软件均是实体造型与曲面造型兼备的系统，能适用于复杂模具的设计和制造，在模具界得到了广泛的应用。象美国Ford汽车公司的CAD/CAM系统中所包括的模具CAD/CAM部分，取代了人工设计与制造，设计方面采用人机交互进行三维图形处理、工艺分析与设计计算等工作，完成二维绘图，生成生产零件图、材料表以及工序、定额、成本等文件。系统还包括一些专业软件，如工艺补充面的设计、弹塑性变形的分析、回弹控制与曲面零件外形的展开等等，部分已用于生产，部分还在研究、完善当中。日本TOYOTA汽车公司从1980年开始研制汽车覆盖件模具CAD/CAM系统，此系统包括处理覆盖件模面的Die-Face软件和加工凸、凹模的TINCA软件等。由三坐标测量机将实物模型测量后所获得的数据送入计算机，经处理后再把这些数据用于汽车覆盖件设计、模具设计和制造。该系统的三维图形功能较强，能在屏幕上反复修改曲面形状，使工件在冲压成形时不至于产生各种工艺缺陷，从而保证工件质量；DIECOMP公司研制成功的模具CAD系统，使整个生产准备周期由18周缩短为6周。
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与此同时，欧洲的一些国家在冲模CAD/CAM研究和应用方面也取得了很大进展，例如法国雷诺汽车公司应用Euclid软件系统作为CAD/CAM的主导软件，目前已有95%的设计工作量用该软件完成，而且雷诺汽车公司在Euclid主导软件的基础上还开发出了许多适合汽车工业需求的模块，如用于干涉检查的Megavision和用于板金成形分析的OPTRIS等。
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目前我国已有许多企业采用模具CAD技术，并在计算机自动编程技术上取得了丰富的经验和技巧，使模具精度和生产率大为提高。以从美国Autodesk公司引进的AutoCAD为代表的一批绘图软件正在模具行业中逐渐普及，计算机绘图正在逐步取代手工绘图。国内的一批大、中型企业（以汽车和家电行业为主），陆续从国外引进了相当数量的CAD系统，并配置了一些设计、分析的专用软件，取得了明显的经济效益。但是，由于多方面的原因，现在仍有许多企业还停留在手工设计模具的阶段，尽管有些单位已经甩掉了图板，实现了无图纸设计，其模具CAD工作的相当部分也只是用计算机画图（Computer Aided Draft）和进行二维设计，只有极个别企业的汽车模具设计和制造能力接近国际先进水平。1989年，成都成飞汽车模具中心采用国外的CAD/CAM技术、数控加工与数控测量技术，以数字传递为主，成功地设计制造了依维柯汽车车身全套外主模型。

5 Q- K/ e' R1 ~4 F# F1 E此外，尽管国内一些拥有自主版权的软件，如上海交大国家模具CAD工程研究中心开发的冷冲模CAD系统、武汉华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的塑料注射模CAD/CAE/CAM系统HSC2.0和北京航空航天大学华正模具研究所开发的CAD/CAM系统CAXA等，解决了生产中的一些问题，但还没有得到很好的推广和使用。

  k! S: u9 k/ L* h9 u# P; }' f8 ?目前欧美推出一种新车型需要48个月，日本则只需30个月。我国在对汽车新车型，尤其是轿车车型的开发设计技术方面比较落后，其中一个重要的原因就是覆盖件模具的设计效率低。国内传统的模具设计方法已适应不了汽车工业的发展需要，而引进国外的覆盖件模具产品不仅要花费大量的外汇，而且会严重阻碍汽车产品的更新换代。要解决上述问题，就必须研究开发我国自己的模具CAD技术。同时引进国外先进的通用造型软件进行二次开发无疑是一种必要而又有效的手段。

2．汽车覆盖件模具CAD的技术特点

8 l! ?! `* u! v# [3 m! N* X3 e: q（1）汽车覆盖件模具型面CAD的特点
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一般覆盖件成形都要依次经过拉延、切边、整形、翻边和冲孔等几道工序。第一道工序，即拉延工序中最重要的是工艺补充面的设计。工艺补充面设计得好坏直接影响到所设计的模具能否拉出合格的零件，能否减少调试模具的时间，缩短整个模具的生产周期。

& ?: B  X+ N8 T. Q（2）汽车覆盖件模具结构CAD的特点
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大型模具结构一般都比较复杂，一副大型覆盖件模具有上百个零件，模具的外形尺寸也比较大。模具结构设计一般可分为二维设计和三维设计两种，两种方法各有其优、缺点。

计算机二维设计与手工图板设计相似，属平面绘图，其优点是设计速度快、占用计算机内存小、对计算机硬件配置要求不高，是一种投资小、见效快的方法；它的缺点是设计错误不易被发现，不能直接用于分析和加工。三维设计有很多优点，如可实现参数化、基于特征、全相关等，使得产品在设计阶段易于修改，同时也使得并行工程成为可能。三维设计形象、直观，设计结构是否合理使人一目了然。同时，三维设计的自动标注尺寸减少了人为设计错误，但三维模具设计目前也存在一些问题，例如：计算机运算速度低、软件占用硬盘和内存的空间大、模具结构投影线条多、设计速度慢等[3]。

3．目前汽车覆盖件模具CAD应用中存在的主要问题
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车身覆盖件在汽车整车中占据着重要的位置，而覆盖件模具是生产覆盖件的主要工艺装备，对车身质量的好坏起着决定性的作用。目前国外汽车覆盖件模具CAD/CAM技术的发展已进入实质性的应用阶段，不仅全面提高了模具设计的质量，而且大大缩短了模具的生产周期。近些年来，我国在汽车覆盖件模具CAD技术的应用方面也取得了显著的进步，但目前依然存在着以下一些问题[2]：

( M% y" G5 j( [2 `+ H7 G) i（1）设计效率低

由于我国CAD技术起步较晚，专业人员水平较低，既懂专业又熟悉CAD/CAM应用软件技术的人才十分缺乏，因而开发能力较差，自主开发的CAD软件质量不高，设计效率低[3]。

! |( l: X" c0 {) d+ x0 o1 Q: @（2）标准化程度低
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由于各行业有各行业的标准，各企业有各企业的标准，各模具生产厂家之间没有形成一定的设计、制造规范，因而造成现有覆盖件冲模CAD/CAM系统的集成化程度和智能化程度都比较低。
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（3）现有CAD软件专用性差
1 }7 U) G0 R6 @9 Q目前国内自主开发的CAD软件较少，而多数厂家引进的国外先进软件多为通用型软件，未经开发则专用性较差。
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（4）覆盖件冲模CAD/CAM技术的开发手段比较落后，开发的CAD/CAM系统在质量、可靠性上难以保证，并且开发周期长。

5 Z6 c' H) J$ e! S（5）现有的冲模CAD系统的人机界面不能满足多种用户的要求。

4 \/ N7 Z. Z( n7 i1 h1 V5 L（6）主要应用CAD进行二维设计，而且大多停留在用计算机绘图代替手工绘图的基础上。
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二、汽车覆盖件模具CAD的未来发展趋势

模具技术是制造业中发展最快的技术之一，其特点是数量很大，批量极小，换代非常快。从理论上说，它是CAD技术最能发挥优越性的领域。但我国目前模具CAD的成果并不十分显著，尤其是在汽车覆盖件模具CAD技术应用方面，这项技术的巨大潜力还未充分发挥出来，解决这个问题的关键就是要提高模具的设计效率。目前在模具CAD技术的发展方面存在着以下几种趋势：
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9 R1 D7 d0 s; c, K. b1．模具CAD的参数化
3 m0 W+ w( B* N参数化造型方法是CAD技术中较先进的造型方法，也是提高CAD工作效率的有效手段。它是针对各种冲压模具总体结构一般均具有较规范形式的特点，为各个零件的基本尺寸建立相应的参变量，在实际的几何和拓扑的基础上建立各零件要素之间的相互关系。当由于模具结构不同而导致模具零件尺寸发生变化时，改变参数文件中有关变量的取值，则与之相关的零件模型中的相应尺寸标注值亦发生变化，通过尺寸驱动模块处理后即可生成大小符合实际尺寸标注的零件。

2．模具CAD的智能化
冲压件模具设计的难度主要表现在设计理论的不完备性以及只能意会而难以言传的专家经验表达和利用上。同手工设计一样，在利用通用CAD软件（包括新型集成化CAD软件）进行覆盖件模具设计时，在很大程度上必须依赖于模具专家的干预。为了实现模具结构设计的自动化，减少对模具专家的依赖性，必须开发专用的汽车覆盖件模具结构设计智能化软件，把总结出来的以往设计、制造中的成功经验应用到模具设计中去，形成计算机里的知识库和智能库，生成专家系统，从而使CAD系统能够胜任模具设计专家的工作，设计出符合要求的汽车覆盖件模具，这也就是所谓的模具CAD的智能化。
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智能CAD以人类思维的认识理论为基础，将设计人员擅长的逻辑判断、综合推理、形象思维能力与计算机的高速、精确计算能力相结合，从而使CAD系统能够胜任模具设计专家的工作，设计出符合要求的冲压件模具。

' \6 m8 f) t. ^6 H  k( V- W3．模具CAD的一体化
) J! Q$ z& e# k- B0 f$ M模具CAD的一体化就是从传统的设计方式向CAD/CAE/CAM一体化方向发展。模具设计过程是一个信息处理、交换流通和管理的过程，采用弹塑性大变形有限元模拟技术可以分析材料的塑性成形过程，提高工艺分析和模具CAD/CAM系统的功能，有利于创造更高级的CAD/CAM系统，因而，CAD/CAE /CAM一体化能够对设计和制造过程中信息的产生、转换、存储、流通管理进行分析和控制，将它们有机地“集成”在一起，这样有利于取得最佳效益。

- c  a  G% }) @1 ]; j0 w' C% L6 s4．模具CAD的专业化
未来的模具CAD将走向更加专业化的道路。一些通用的软件由于其功能繁多，专业性较差，已不能满足大型模具CAD的需要。更好的方法是软件公司与专业模具厂密切合作，开发专用性很强的模具CAD软件，如美国PTC软件公司与日本TOYOTA汽车公司在PRO/E软件基础上开发的模具型面设计模块PRO/DIEFACE等，这也是模具CAD的一个发展方向。对于国内的模具厂家来说，在引进国外先进CAD软件（如UG、Pro/E等）的基础上，利用二次开发技术，针对本部门产品的特点，开发专用的模具CAD系统是一条可行和经济之路。