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计算机技术在汽车冲压模具设计与制造中的应用研究

2020-02-28 16:09:39 来源: 塑料工业
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导读: 主要介绍了汽车覆盖件冲压模具设计与制造中计算机技术的应用,并分析了存在的问题,指出当代企业要紧跟国际发展形势,加强交流合作,共同推动汽车模具行业的大发展。

文:侯巧红, ( 河北机电职业技术学院机械工程系)

汽车产业在进入 21 世纪以来得到了迅猛的发展,尤其是我国,在汽车产业更是保持强劲的增长势头,已成为全球范围内汽车生产和销售的大国,这在很大程度上得益于计算机技术的发展; 在汽车的整个车身上,有 90%以上的零部件都是采用冲压成型方法得到的,而制备这些零部件的冲压模具的设计水平直接决定着产品的性能和质量,进而影响汽车的性能; 计算机技术的发展,逐渐让技术人员淘汰掉了传统的模具设计和制造方法,采用计算机技术设计和制造出的汽车冲压模具不仅性能好、质量有保证,而且生产周期短、加工成本低,因而被众多汽车制造企业广泛接受并不断开拓创新,推动着汽车产业的蓬勃发展

汽车冲压模具是指采用冷冲压加工工艺过程中,将原材料 ( 通常是金属原料) 加工制造成汽车装配零部件的一种装备,又被称为汽车冷冲压模具。设计制造汽车冲压模具时,采用计算机技术进行辅助设计和分析,利用计算机的高效计算能力,进行三维设计、模拟组装、仿真分析、预测问题、改进方案等,可全面掌控设计和制造过程中可能出现的问题,降低错误率; 计算机技术能将设计开发人员的设计思想高效率地展示出来,可缩短生产周期; 加入成本预算,又能节约原材料的利用,降低生产成本。对于一些大尺寸的汽车冲压模具,例如汽车车顶覆盖件冲压模具、车门内板冲压模具等,以及形状尺寸复杂的非标准冲压模具,尤其具有显著优势。本文主要围绕用于模具设计的计算机技术、计算机技术在汽车冲压模具设计和制造中的应用及其存在的问题等几方面展开论述,并讨论了未来计算机技术在模具设计和制造中的发展方向。

1 用于模具设计和制造的计算机技术

在模具行业中,计算机技术利用计算机外部设备,通过程序设计,加入模具设计工艺及技术,综合运用各专业技术知识,并不断进行设计和优化,集高速运算和存储为一体,运用于模具的设计和制造过程中,已成为设计开发人员最得力的助手3]。可用于汽车冲压模具设计和制造的计算机技术主要有计算机辅助设计 ( CAD) 技术、计算机辅助工程 ( CAE) 技术、计算机辅助制造 ( CAM) 技术这三类,它们各有所长,发挥着积极的作用。

1. 1 CAD 技术

CAD 技术是二十一世纪中期开发成功并随后被迅速发扬光大的一项关注于机械设计的计算机辅助技术手段,首先由发达的西方国家美国、德国、日本等率先投入使用,美国通用汽车公司在汽车覆盖件模具设计、日本丰田汽车公司在模具加工中最早使用 CAD 技术,获得了巨大的成功。随后,经过技术改进,CAD 技术中加入了标准化功能模块、凹模和凸模的布局、得到立体实物模型等,功能和应用不断得以完善。

常见的可用于模具设计和制造的 CAD 软件包括 Auto-CAD、Pro-E、UG NX、SolidWorks 等,在模具设计和制造中主要承担计算、信息存储和图形绘制等工作,可以根据产品形貌通过计算和对比,还可借助图形的绘制、缩放、平移、旋转等功能更便捷地设计出模具图纸。CAD 技术可以在多种计算机操作系统下工作,适用范围广; 在 CAD 系统上加入二次开发,增加标准数据库、企业专用专业标准件库等,使模具的设计更加智能化。

1. 2 CAE 技术

CAE 技术侧重于模具制造中的过程分析,将模具生产中的不同环节通过信息集成,运用静态和动态分析手段,求解复杂的工程及产品结构强度、刚度、热传导、弹塑性等,进行优化设计,是一种仿真数值分析方法5]。常见的可用于模具设计和制造的 CAE 软件 包 括 Dynaform、 AutoForm、 HyperWorks、 Abaqus、Patran/Nastran、ANSYS 等,可以对零件的整个设计和制造过程进行冲压工艺分析,预估缺陷,并根据分析结果修改和优化工艺方案,得出最佳的方案。

CAE 技术最早是美国通用汽车公司商业顾问在二十世纪中期提出的设想,后期随着技术的发展而逐渐成型的一项计算机辅助技术6]CAE 技术的价值主要体现在模具产品设计的初期,通常与 CAD 技术联用,利用分析模型,对产品的力学性能和动力学进行仿真模拟,得到设计出模具的各种性能,从而看出 CAD 设计图纸存在的缺陷和错误,及时地进行修正和优化,可缩短生产周期并降低产品不合格率。

1. 3 CAM 技术

CAM 技术是利用计算机辅助控制模具生产过程的活动,可以直接或者间接地将计算机与制造生产设备联系起来,运用计算机系统指导生产规划、生产设备的控制和运行、数据的处理、物料的流动、最终产品的检测等,仿真和模拟模具的制造过程,设计和优化生产工艺参数,预测生产过程可能出现的问题,并提前提出解决方案,减少错误的发生在模具设计和制造的实际生产中,通常是 CAD 与 CAE 或 CAM 技术联用,或者是 CAD/CAE/CAM 联用,计算机软件通常也是集 CAD、CAE、CAM 为一体,例如 UG、ProE 等,借助计算机的快速运算能力,在保证功能的前提下简化计算机软件的数量,提高模具设计和制造的效率。

在模具设计和制造过程中,计算机技术的应用主要在于上述计算机软件的使用,但并不仅限于此,还包括计算机辅助工艺规划或设计 ( CAPP) 技术,辅助设计工艺过程,可快速响应设计的变更,缩短工艺设计的周期等; 计算机辅助维护系统技术、计算机管理生产技术等,这些计算机技术的应用都使得模具的设计和制造更加便捷、省时。

2 计算机技术在汽车冲压模具设计和制造中的应用

2. 1 汽车覆盖件冲压模具

在整个汽车的零部件中,汽车覆盖件是重要的组成部分,它组成了汽车车身或驾驶室的表面构件,分为外覆盖件,即裸露于车身的零部件; 和内覆盖件,即包覆于车体的其他部件或者自身上包覆有各种饰品等的部件; 以及骨架覆盖件。常见的外覆盖件有汽车顶盖、车门外板、前后围外盖板等; 常见的内覆盖件有前后围内盖板、车门内板、地板、仪表板等。

汽车覆盖件与其他部位的零件不同,它们往往呈不规则结构,形状复杂,也就决定了用于生产的冲压模具结构的复杂性,外部覆盖件还要关注于外观的美感,因此在汽车覆盖件冲压模具设计中对其尺寸和形状精度、结构力学性能和表面质量要求更高。

对于汽车引擎罩这一内覆盖件8],可采用 CAD/ CAE 协同技术,利用 UG 软件平台,结合模拟分析专用软件 Dynaform,配合 VC++编程语言共同完成汽车引擎罩的设计和制造。界面设计由 UIStyler 完成, UIStyler 的使用,使其界面风格与 UG 一致,便于设计人员实际操作。在 Windows 平台上使用 NX3. 0 ( CAD) 和 Dynaform5. 2 ( CAE) 进行设计,选用

08AL 冷冲压钢板作为原材料。

具体操作步骤如图 1 所示,首先进行网格划分,将引擎罩零件导入 Dynaform 中,Dynaform 具有自适应网格划分功能,能够自动根据曲率快速划分网格,使曲率大的部位网格密实点、曲率小的部位网格稀疏点,由于汽车引擎罩的尺寸大,采用自适应网格划分,可提高工作效率; 然后确定冲压方向,冲压方向是模具设计中的重要参数,它决定着拉伸工序是否合格,以及拉伸后序工艺的工艺方案,选择 Tipping 命令调整冲压方向,可确保无冲压死区并确定合适的冲压方向; 随后创建压料面和工艺补充部分,需恰当确定压料面和拉伸方向的位置,确保压料面的每部分的进料均匀,才可保证压料面表面平滑,点击设计模块的 Binder 命令,设定平压料面; 最后模拟结果并分析成型性,对厚度和应力分布进行分析,可看出厚度符合要求,尽管零件的周边存在褶皱,但整体不影响产品的性能。这种方法结合了 CAD 和 CAE 技术,将设计和分析软件联合使用,极大地缩短了生产周期,并保证了产品质量。

汽车前围内板也是一内覆盖件,它位于驾驶室前侧正面,并不直接裸露于外部,因此其外观不是关注的重点,但是对其力学性能尤其是刚性和强度的要求较高,这是因为在前围内板上还要设置各种电路管线等,制件内部如果出现裂纹和褶皱就会产生不合格品。首先进行冲压工艺的分析和 CAD 设计,确定共需要五个冲压工序,分别为拉延、OP20 修边冲孔、 OP30 修边冲孔、翻边整形和斜楔冲孔,通过 CAD 软件建立初步的冲压模具。第二步进行 CAE 分析,将上一步设计出的模具图纸导入 Dynaform 软件中,如图 2 所示,CAE 分析模型共有凸模、压边圈、坯料和凹模这四个部分组成,对于拉延压力边受力情况进行优化分析,确定最优工艺参数; 对制件易起皱的区域进行分析,可控制叠料的发生; 对压力边和拉延筋分析,优化分析局部圆角 R 参数,可改善制件开裂现象; 经过多轮优化分析后,如果仍然存在风险较高的问题,需要在下一步模具调试步骤再次进行调整。第三步是模具的调试,采用 CAE 分析工具,辅助于现有的其他技术手段,验证冲压过程的工艺性是否合理,进一步设计优化,确保得到更高质量的模具产品; 易于出现的缺陷主要有: 开裂、起皱、破裂等,结合成本因素,对开裂可采用放大圆角、降低应力集中; 或者改变局部型面高度等,采用这两种方法尽管可以减少开裂的发生,但是又带来了“颈缩”的现象,可通过改变电机结构、降低凸包的高度等措施解决。因此可以看出,在 CAD 设计模具结构后,CAE 分析是十分必要的,通过 CAE 分析,可以了解拉延件成型的流程,预测成型过程的缺陷,并给出调整建议,能够切实有效地解决质量缺陷,缩短生产周期

对于散热器罩,它的形状沿Y方向对称分布,顶部具有一个稍微平缓的表面,为了保证散热器罩的质量,尽可能使其一次成型,并保证表面光滑均匀,因此 CAE 分析过程也至关重要。首先要进行三维建模,创造曲面模型,将零部件模型引入 CAE 软件中,分析两者是否匹配,并引入有限元的相关知识,建立分析模型,并采用 CAE 软件自动生成补充面,其具体的分析步骤如图 3 所示。也可以使用等效的拉伸筋模型的方法,按照制品尺寸建立等效模型,并准确分析数据,保证在冲压方向上不会出现死区。

汽车前门内板属于外覆盖件,不仅对其外观有要求,其力学性能和成形性同样也具有较高的标准,采用 CAE 软件对模具的开发过程进行分析优化,就不能够综合考虑各种因素,导致模具的设计和制造过程周期变长,而同时运用同步工程技术 ( 是一种系统的考量办法,能够结合现行开发程序,将不同的生产过程同步化,充分考虑消费者的愿望,同时在整个生命周期内采用差异化平行工作策略,增强团队的合作,资源的共享等) 可以从根本上消除模具设计过程中的缺陷,为后期的模具制造提供了强有力的保障,大幅度缩短了模具生产周期。表 1 展示了应用同步工程技术前后模具设计和制造的对比情况,可以看出,在 CAD 分析的基础上创新性地引入新技术,可以优化分析方案,取得意想不到的效果

2. 2 其他冲压模具

相对于汽车覆盖件,对于尺寸较小的汽车零部件,可以设计一模多出的模具产品,一次冲压得到多件链板零件产品,可节约生产周期,提高生产效率。

例如链板零件,主要用于排气管上,夹在两橡胶皮的中间,可避免漏气。采用 CAD/CAE 复合技术,首先运用 AutoForm 系统选择合适的链板冲压排样和成本计算,确定合适的排样方案和排样设计。再在 UG 软件中建模,使用 UG 中的 CAE 仿真分析功能,对 AutoForm 的设计结果进行分析,并不断优化方案,确定最佳方案; 然后确定零件 3D 建模方案、装配效果虚拟分析、仿真运动及装配。将采用了 CAD/CAE 复合技术的模具设计方案与未采用 CAD/CAE 复合技术的方案进行对比后发现,冲压产品的废品率由 10%降低到了 1%,模具使用过程发生故障的次数也由 3 次降到了 0,模具使用寿命由原来的可使用10 000次提高到了可使用 15 000 次

因此,可以看出计算机技术对汽车冲压模具的设计和制造过程提供了有力的支撑,可以获得更加快捷和精准的设计方案,并能够缩短生产周期,降低生产成本等; 同时创新性地采用辅助技术,例如同步工程技术,能够更进一步地优化模具的设计和制造过程。 


3 计算机技术在汽车冲压模具设计与制造中存在的问题及分析


计算机技术为汽车冲压模具的设计和制造提供了诸多便利之处,但是其应用也不是十全十美,尤其在我国,其应用仍然存在一些问题,具体体现在: 1) 专业人才短缺。由于计算机技术既结合软件操作、程序编制,汽车冲压模具设计又需要研发人员具有丰富的汽车专业知识,对人才的要求较高。2) 标准化程度低。不同的汽车生产企业都有自己的设计标准,模具加工企业也是如此,导致了计算机软件缺乏统一的设计和制造规范,造成了现有的软件系统集成化和智能化程度过低,产生了不必要的浪费。3) CAD 软件开发手段相对国外较为落后。目前由我国自主研发的 CAD 软件数量仍然偏少,由国外公司引进的技术多为通用型,其技术相对落后,专用性不够; 而自主开发软件的开发周期过长,跟不上技术的发展。4) 管理方式不适宜。对于汽车行业,企业的发展不止需要专业技术,管理方式也影响着企业的发展,同时也对技术的进步产生了一定影响,许多企业管理人员不能接受现代管理理念,不能建立新式的管理制度,限制了技术人员的发展,也就导致计算机技术不能更好地汽车冲压模具设计和制造中发挥其作用。

针对上述问题,汽车制造企业应当积极寻求解决方案,引进专业技术人才,着力于软件开发; 不同企业间也应当开放发展,加强沟通交流与合作,并确定行业规范,统一标准; 管理者也应当吸收先进的管理经验,关注细节,避免不必要的浪费,不断学习,助力我国汽车模具行业拥有自主创新技术,赶上国际发展新局势。

4 结论

本文对计算机技术在汽车冲压模具设计与制造中的应用进行了研究,重点分析了汽车覆盖件冲压模具,采用 CAD、CAE、CAM 技术,运用具有这些功能的计算机软件进行模具设计、模拟装配、仿真分析,并进行了成本预算、方案优化等,相比于传统的模具设计与制造方法具有高效率、低成本、高合格率等显著优势。同时,在现有的计算机技术的基础上,运用新型管理方法: 同步工程技术,统筹生产全过程,把握全局,进一步完善了现有的生产模式,获得了更佳的效果。

当下,计算机的快速发展促进了计算机技术在模具设计与制造中更加广泛的应用,网络的发展也使世界各国、各个企业间的交流更加频繁,模具的三维设计与数字化控制是未来行业发展的主流趋势; 将计算机的模具设计与制造过程和项目管理、客户关系管理、财务系统管理等结合起来,综合考虑,运用现代化的管理观念,必将会推动汽车模具行业的跨越式发展。

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