基于模板的汽車覆蓋件拉延模具結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計

1、模具DIE MOULD文章編號：16720121（2009）05009804基于模板的汽車覆蓋件拉延模具結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計王義林1，胡賢罡2，張啟豐2（1. 華中科技大學(xué)材料成形及模具技術(shù)國家重點實驗室，湖北武漢430074；2. 北京比亞迪模具有限公司，北京101111）摘要：首先對模板技術(shù)、參數(shù)化設(shè)計技術(shù)、自頂向下的裝配設(shè)計技術(shù)進行研究，采用基于“頂層基本骨架”的裝配結(jié)構(gòu)定義拉延模板，并應(yīng)用WAVE 技術(shù)實現(xiàn)覆蓋件模具結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)設(shè)計，應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計實現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的驅(qū)動。然后，制定了基于模板的覆蓋件拉延模具結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，并通過UG 二次開發(fā)，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計。最后，通過實例，驗證了本方

2、法的有效性。關(guān)鍵詞：機械制造；拉延模；覆蓋件；汽車；設(shè)計中圖分類號：TG 385.41引言在整個汽車新車型開發(fā)過程中，汽車覆蓋件模具的設(shè)計與制造工作約占整個新車型開發(fā)的2/3時間。由于覆蓋件模具結(jié)構(gòu)尺寸大、工作型面復(fù)雜、加工精度高、設(shè)計和制造周期長、更新?lián)Q代快等特點，“瓶頸”。模具開發(fā)已成為新車型開發(fā)的對于覆蓋件模具來說，結(jié)構(gòu)設(shè)計往往占了設(shè)計隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，工作量的很大一部分。CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。而覆蓋件模具CAD 技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用，仍然停留在依靠模具設(shè)計人員的經(jīng)驗，在通用CAD 軟件系統(tǒng)上進行交互繪圖和造型的層次上。從而不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程中的缺陷，延長

3、了模具的設(shè)計周期，在某種程度上也影響了設(shè)計質(zhì)量。因此，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量和效率是覆蓋件模具生產(chǎn)企業(yè)提高市場競爭力的迫切要求。隨著現(xiàn)代模具制造業(yè)的快速發(fā)展，模具標(biāo)準(zhǔn)22.1模板技術(shù)模板的定義模板技術(shù)可認為是一種類似基于實例推理的知識重用技術(shù)，它是基于事物相似性和設(shè)計方法的復(fù)用技術(shù)原理，其基本思想是：從一類相似的事物中抽象出一種框架型的模板，任何一個類似的事物都可作為以模板為超類派生的類型的實例。其核心就是設(shè)計信息的重用和參數(shù)化的變異。目前，生產(chǎn)汽車的企業(yè)很多，其生產(chǎn)的車型種類千差萬別，但是從模具結(jié)構(gòu)上來說，同類車型的同一收稿日期：2009-06-30作者簡介：王義林（1968），男，博士，副教授，

4、從事模具CAD/CAE/CAPP 、知識工程應(yīng)用與研究2009年第5期文獻標(biāo)識碼：B化正逐步從模具的標(biāo)準(zhǔn)件向模具的制造全過程延模具零件的標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化以及模具結(jié)構(gòu)的典型伸。化、通用化正在成為模具CAD/CAE/CAM集成技術(shù)的關(guān)鍵。為此，我們采用參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的設(shè)計思想，在UGNX 平臺上開發(fā)了基于模板的汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的CAD 系統(tǒng)。零件差別不大，例如轎車發(fā)動機蓋、車門等在尺寸、外形上相差都不大。一個覆蓋件對應(yīng)著一組模具，雖然每類模具的功能不同，但結(jié)構(gòu)都有很大的相似性，PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPDevelopmen

5、t of the Die with Taking-off Scrap AutomaticallyZHANG Hua ，CHANG Yanzhong（Shandong Fin CNC Machine Co. ，Ltd ，Jinan 250101，Shandong China ）Abstract :InCNC punching process, scrap often has been rebounded with the die. A new die that takes off the scrap automatically has been introduced in the text, w

6、hich can solve the issue.Keywords :Dischargespring ；Discharge mandril ；Pre-discharge Force of spring ；Avoiding rebound98DIE MOULD如拉深模一般都由凸模、凹模、壓邊圈這三大部分組翻邊模一般都由上模、下模、壓料芯成，而修邊模、三部分組成。通過對車身零件及其成形模具進行分解與分通析，可以發(fā)現(xiàn)覆蓋件模具具有很強的模板化特征。過實現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的參數(shù)化，在設(shè)計新的模具時，只需利用已有的結(jié)構(gòu)經(jīng)過簡單的型面替換和參數(shù)修利用這種“再設(shè)計”，可改就可以得到一副新的模具。以極大地縮短設(shè)計

7、周期，提高設(shè)計效率和模具的標(biāo)準(zhǔn)化程度。而用于修改的原始的模具結(jié)構(gòu)就稱之為模板。目前，美國通用汽車公司的模板庫已經(jīng)包含了3000多個模板。日本豐田公司也選擇了模板化設(shè)計方式，實現(xiàn)了模具設(shè)計自動化的重大突破。2.2拉延模板的裝配結(jié)構(gòu)在拉延模板的建模過程中，采用了自頂向下的裝配設(shè)計方法。自頂向下設(shè)計是從產(chǎn)品的頂層（即功能要求）開始，選用一系列的零件去實現(xiàn)產(chǎn)品的功能。首先按照該產(chǎn)品的最基本功能和要求，設(shè)計出初步方案及其結(jié)構(gòu)草圖，建立約束驅(qū)動的產(chǎn)品模型；并通過設(shè)計計算，確定每個設(shè)計參數(shù)；然后進行零件的詳細設(shè)計，通過幾何約束求解，將零件裝配成產(chǎn)品；同時對設(shè)計方案分析之后，返回修改不滿意之處，直到得到滿足功

8、能要求的產(chǎn)品。拉延模板的結(jié)構(gòu)采用基于“頂層基本骨架”的裝配結(jié)構(gòu)（圖1）。頂層是指拉延工藝型面零件，下一層下模、壓邊圈為與型面直接相關(guān)的工作零件（上模、等），其他的模塊再圍繞著工作零件進行組合。這種模型的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)清晰、模型更新及時、易于配置結(jié)構(gòu)。拉延模工藝型面模型模具模、型面等距面、上、下壓料偏置面、凹模口線、坯料線等，都建立在工藝模型中。然后采用UG/WAVE技術(shù)作為自頂向下設(shè)計方式的實現(xiàn)途徑。UG/WAVE技術(shù)是一種基于裝配建模的幾何關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)，可實現(xiàn)不同部件間幾何的相關(guān)設(shè)計，即可以基于1個部件的幾何體或位置去設(shè)計另1個部件，通過在模型間相關(guān)地引用一些對曲線、實體邊、表面、表面區(qū)域、整

9、個象，包括已存點、實體，進而建立一種相關(guān)性鏈接關(guān)系。在拉延模板的構(gòu)建中，利用WAVE 關(guān)聯(lián)器，將型面和特征線關(guān)聯(lián)到下一層工作零件中，建立相關(guān)的下一級裝配零件（上模、下模、壓邊圈等）；進而根據(jù)設(shè)計要求與裝配環(huán)境下的控制關(guān)系進行各零件局部的詳細建模。2.3拉延模板的參數(shù)化參數(shù)化模板技術(shù)利用CAD 設(shè)計的參數(shù)化技術(shù)，將模板的尺寸進行全關(guān)聯(lián)，通過一些主要參數(shù)的修改來實現(xiàn)對其他參數(shù)的驅(qū)動。參數(shù)化設(shè)計技術(shù)有著強有力的尺寸驅(qū)動功能，通過參數(shù)化的尺寸驅(qū)動對設(shè)計結(jié)果作相應(yīng)的修改，使數(shù)據(jù)的改變在不同子裝配和不同零件之間進行傳遞，以滿足設(shè)計具有相同或相近幾何拓撲結(jié)構(gòu)的工程系列產(chǎn)品，而且可實現(xiàn)并行的設(shè)計方式。在參數(shù)驅(qū)

10、動機制下，自頂向下的、利用參數(shù)化方法構(gòu)建模板，在模板適應(yīng)性更為廣泛的同時，又有利于在特殊情況下，設(shè)計人員對設(shè)計內(nèi)容的更改，以便滿足不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。通過對工廠的設(shè)計經(jīng)驗進行知識轉(zhuǎn)化，形成了拉延模設(shè)計的知識模型，通過幾何模型和知識模型參數(shù)分為主控的融和，建立了參數(shù)化驅(qū)動模板模型。參數(shù)和被動參數(shù)，主控參數(shù)是由用戶設(shè)計時需要輸入的參數(shù)，包括坯料大小、模具型面相關(guān)尺寸、壓力機參數(shù)、拉延行程、模具結(jié)構(gòu)相關(guān)尺寸等方面（表1）。上模標(biāo)準(zhǔn)件下模標(biāo)準(zhǔn)件圖1壓邊圈標(biāo)準(zhǔn)件下底板類型標(biāo)準(zhǔn)件坯料坯料模具型面模具型面壓力機壓力機拉延行程模具結(jié)構(gòu)模具結(jié)構(gòu)表1拉延模用戶輸入?yún)?shù)說坯料長度坯料寬度有效壓料面上的最低點Z 值2

11、009年第5期參數(shù)名BL_LBL_WCP_HSM_HYLJ_MAXHYIL_MINHST S_WDS_XK明拉延模板裝配結(jié)構(gòu)由于模板代表的是一類結(jié)構(gòu)相似的模具，而以真實零件模型創(chuàng)建的模板，其模型文件會很大，給后續(xù)的設(shè)計帶來不便，因此，本研究采用了虛擬工序件的設(shè)計方法。虛擬工序件是通過將一組典型相似零件進行抽象，提取與模具設(shè)計相關(guān)的特征后得到的型面模型。它是對典型零件的簡化，同時又保持了零件特點。為了提高模板化設(shè)計效率，在模板設(shè)計時，許多與模具型面零件直接相關(guān)的形狀，包括型面數(shù)型面高點與低點落差Z 值最大裝模高度最小裝模高度從上模接觸板料開始到下死點的路徑是否外導(dǎo)向是否有鑲塊99模具DIE MO

12、ULD覆蓋件沖壓工藝設(shè)計結(jié)果覆蓋件模具功能需求模板選擇模板實例化詳細設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計新模具輸出結(jié)束圖2基于模板的覆蓋件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計流程虛擬工序件設(shè)計模板入庫模板庫被動參數(shù)是受主控參數(shù)約束的參數(shù)，它們隨著主控參數(shù)而變化。文中建立的裝配模型中設(shè)計參數(shù)之間的主要約束關(guān)系有:等式約束、枚舉約束、邏輯約束等，這些關(guān)系都體現(xiàn)在表達式中。枚舉約束是指一組離散的數(shù)值，為了表達產(chǎn)品的系列化變化，例如上模與壓邊圈之間采用導(dǎo)柱導(dǎo)向時，當(dāng)模具長度導(dǎo)柱直徑取50mm ；當(dāng)模具長度在小于2000mm 時，2000mm 至3000mm 之間時，導(dǎo)柱直徑取60mm ；當(dāng)模具長度大于3000mm 時，導(dǎo)柱直徑取80mm 。通過大

13、量設(shè)計實踐活動的總結(jié)，已經(jīng)形成了一些設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，如拉延模的主要結(jié)構(gòu)，包括上模、下模和壓邊圈的尺寸，模具型面厚度，要避空結(jié)構(gòu)，筋板的布局和厚度，導(dǎo)料釘?shù)奈恢煤秃统叽?，輔助結(jié)構(gòu)以及凹槽等，都作為參數(shù)表達式建立在模板中。如表2所示，為吊耳的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。可以看出，吊耳的尺寸受到模具大小的控制。將上述標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為參數(shù)表達式，從而到達控制吊耳設(shè)計的目的。表2規(guī)則RULE 1RULE 2RULE 3面替換的效率和準(zhǔn)確性，需要對這些幾何要素進行詳細設(shè)計要完成導(dǎo)板的位置調(diào)整、調(diào)壓排序和優(yōu)化。墊的布置、內(nèi)外筋的設(shè)計等任務(wù)。汽車覆蓋件模具中，常用的標(biāo)準(zhǔn)件主要包括以下幾類：緊固類：包括各種螺栓、墊片等；導(dǎo)向類：包括各種導(dǎo)柱

14、、導(dǎo)板等；起重類：包括各種起重棒、吊耳等；沖裁類：包括各種沖頭、凹模、固定板定位類：包括模具加工裝配用的各種定位銷及等；坯料定位用的各種定位板等；回程類：包括各種彈舉升器等；側(cè)沖類：包括各種側(cè)沖、側(cè)翻機構(gòu)。簧、上述的每一種標(biāo)準(zhǔn)件由于其用途、功能的不同，選擇時的方法和決定因素也是不同的。公司內(nèi)部已開發(fā)了一個基于網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)件庫管理系統(tǒng)，所有的標(biāo)準(zhǔn)件都以裝配的形式參與設(shè)計。吊耳的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容模具的每個側(cè)面都放有兩個吊耳。如果模具長度超過2000mm 就需要多加一個吊耳。吊耳的高度是模具高度的2/3。吊耳和側(cè)面中心的距離應(yīng)該是下模的1/3或者是零。吊耳的直徑應(yīng)由以下的標(biāo)準(zhǔn)確定：四個下模吊耳必須能RUL

15、E 4夠承受模具的總重量，而模具的總重量是由模具體積，孔洞比率加上安全系數(shù)決定的。以及密度、3基于模板的覆蓋件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計模板化設(shè)計是一種體現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的4設(shè)計實例為了最大程度地發(fā)揮模板的作用，根據(jù)導(dǎo)向技思想，它通過對各類模具挑選出典型化的標(biāo)準(zhǔn)通用結(jié)構(gòu)，這樣在模具設(shè)計時可以迅速而合理地選定相關(guān)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)需要，進行相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整和實現(xiàn)機構(gòu)優(yōu)化。通過對一些典型零件建立其參數(shù)化的模板，可以得到一個模板庫，用戶可以隨時向庫中添加新的模板。在本項目研究中，按照模板技術(shù)，定義了一組拉延模板，可以實現(xiàn)包括外導(dǎo)向、內(nèi)導(dǎo)向、上下導(dǎo)向、整2009年第5期術(shù)，采用UG/OPEN在UGNX4.0平臺開發(fā)了基

16、于模板的覆蓋件拉延模結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)。圖3是某車型的拉延型面工藝數(shù)模。根據(jù)型面規(guī)格選擇合適的拉延模模板，并克隆到指定的目錄，然后選擇壓力機，進行型面替換，其結(jié)果如圖4所示。對拉延模來說，導(dǎo)體下模、分體下模等各種類型的模具設(shè)計?；谀０宓母采w件拉延模結(jié)構(gòu)設(shè)計流程如圖2所示。沖壓工藝設(shè)計是模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)，用戶還需根據(jù)本企業(yè)的制造條件，確定一些模具功能需求，然后選擇適合的模板。型面和特征線替換是模板實例化的主要工作，在模板實例化過程中，為了保證型圖3工藝數(shù)模100DIE MOULD模具圖4實例化后的模具結(jié)構(gòu)圖6調(diào)壓墊設(shè)計結(jié)果板的位置調(diào)整，調(diào)壓墊的位置布置，以及筋的布置等都是非常耗時的工作，利用本系統(tǒng)

17、開發(fā)的功能完成如圖5所示為調(diào)壓墊設(shè)這項工作，就變得非常簡單。計的界面，此例的設(shè)計結(jié)果如圖6所示。本研究通設(shè)計的質(zhì)量較難保證，設(shè)計的周期也較長。過將模具結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，采用參數(shù)化設(shè)計建立一系列的模板，使得企業(yè)的設(shè)計知識能夠反映在模板中。并且通過UG 的二次開發(fā)方法，將模具結(jié)構(gòu)設(shè)計流程化，大大降低了對設(shè)計人員的技術(shù)要求，保證了設(shè)計質(zhì)量，大大縮短設(shè)計周期，一般在10天左右即可完成新模具（相似結(jié)構(gòu)的覆蓋件模具）的設(shè)計工作。從而提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率，進而可以滿足快速多變的市場需求，提高了企業(yè)的市場競爭能力?！緟⒖嘉墨I】1王耕耘，王義林，李志剛. 支持自頂向下模具設(shè)計的裝配建模方法J.中國機械工程，1998，

18、（1）:46-48.2王志峰，高錦輝，趙維民. 基于UG 的汽車覆蓋件模具的模板化設(shè)計J.模具工業(yè)，2007，33（5）:8-11.3方正，王耕耘. 基于UG 的汽車覆蓋件模具智能化標(biāo)準(zhǔn)件庫的圖5調(diào)壓墊設(shè)計界面42007，42（21）：106-110. 實現(xiàn)J.鍛壓裝備與制造技術(shù)，楊玉英，石磊，蘇越. 汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)的模板化設(shè)計J.5結(jié)束語對于汽車覆蓋件模具來說，相同車型的相同部5中國機械工程，2004，15（10）:902-904.劉鋒，王耕耘，李志剛. 基于功能組件的覆蓋件拉延模三維CAD 系統(tǒng)的研究J.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2004，39（1）：70-73.位的零件，其模具結(jié)構(gòu)也有很大

19、的相似之處，而目前結(jié)構(gòu)設(shè)計往往占設(shè)計工作量的很大一部分。很多覆蓋件模具制造企業(yè)這幾年紛紛轉(zhuǎn)向3D 設(shè)計，其設(shè)計人員大都是一些經(jīng)驗比較缺乏的新手，因此，模具Parameterized Design of the Drawing Dies Structure for Automobile Panel on the Basis of the TemplateWANG Yilin 1，HU Xiangang 2，ZHANG Qifeng 2（1.State Key Lab of Material Processing and Die &Mould Technology ，Huazhong University of Wuhan 430074，Hubei China ；2.Beijing BYD Motor Dies Co. ，Ltd, Beijing 101111）Science &Technology ，Abstract :Thestructure design of the dies for automobile panels is a “bottleneck ”stage in developing a new assembly design have been studied in the text. The temp