基于CAPP技术汽车覆盖件模具设计

摘要

　　在模具的制造过程中，工艺设计确定了模具制造过程及制造所需的制造资源、制造时间等，是完成模具产品设计向制造转换的关键性环节，对模具产品的质量、制造成本等具有重要的影响。

　　随着计算机在制造型企业中的应用，通过计算机进行工艺的辅助设计已成为可能。CAPP 技术的应用为提高工艺文件的质量，缩短生产准备周期，提高信息处理能力和企业各部门间信息的交流能力，并为广大工艺人员从繁琐、重复的劳动中解放出来提供一条切实可行的途径。应用 CAPP 技术将缩短设计周期，对修改和变更设计能快速做出响应；工艺人员的经验能够得到充分的积累和继承，减小编制工艺文件的工作量和产生错误的可能性。应用计算机辅助工艺设计的必要性已被越来越多的企业所认识。

　　本文介绍了汽车覆盖件模具加工制造的现状及工艺设计概况，并由此引出CAPP 技术在汽车覆盖件模具加工中的应用。

　　研究了腔槽粗加工和曲面精加工切削用量优化模型，讨论了刀位轨迹走刀方式对加工时间和加工质量的影响，通过实验总结出一些工艺经验知识，为汽车覆盖件模具数控加工 CAPP 工艺模板的开发奠定了理论基础。

　　在研究汽车覆盖件模具的工艺结构特征、分类及其加工工艺性和汽车覆盖件模具制造有关的工艺参数选择与优化的基础上，以 PowerMILL 软件为开发平台，开发了汽车覆盖件模具的各种结构特征的数控加工工艺及检索式的汽车覆盖件模具数控加工 CAPP 工艺模板，实现了汽车覆盖件模具 CAD/CAPP/CAM 一体化，以提高 NC 编程的质量和效率，规范汽车覆盖件模具加工工艺路线、工艺参数等。实际应用证明了该 CAPP 工艺模板具有可行性和实用性。

　　关键词：汽车覆盖件；冲压模具；结构特征；切削参数；工艺模板

Abstract

　　In die and mould manufacturing, process planning has very important effect on manufacturing resources and time. It represents the link between engineering design and shop floor manufacturing, and is a major determinant of manufacturing cost, quality and profitability of die and mould product.

　　With the application of computers in the manufactory industry, the feasibility of applying the computers to assist machining process planning has been proved. CAPP technique offers an effective method to improve the quality of process files, shorten the prepared time of production, improve the capability of information-management and communication among different departments, as well as release engineers from the boring reduplicate work. The time of design can be shortened and faster reaction to modification and changes in design are achieved by employing the CAPP technique, and meanwhile the workload spent on making process files as well as the possibility of mistake can be lighten. The necessity of adopting CAPP technique has been realized by more and more enterprises.

　　First of all, the manufacturing situation and design process for automotive panel die and mould are introduced, and then the applications of CAPP technique in automotive panel die and mould manufacture are presented.

　　Then the optimized models of rough machining for pockets and finish machining for surfaces are studied, and the effect of the toolpath on machining time and machining quality are discussed. The results of researches establish the theoretical basis for developing the CAPP template of automotive panel stamping die.

　　Based on the researches on selection and optimization for die and mould manufacturing process as well as its structural feature, an index CAPP template is developed by employing the PowerMILL software. The template provided in this paper is able to promote the integration of the CAD/ CAPP/ CAM and enhance the capability of reacting to market for automotive panel stamping die.

　　The CNC machining procedure for automotive panel die and mould is difficult because various types of CNC machine tools exist to aid the various stages of manufacturing. An efficient CNC machining process planning system is essential to improve the machining process and to reduce the process planning and programming time. An efficient CNC machining process and the CAPP template for automotive panel stamping dies with different structural features are developed by employingPowerMILL software based on the research on their structural features and machining process. Applications of sheet metal die machining verify the effectiveness and practicability of the proposed CAPP template.

　　Key Words: Automobile panel; Stamping dies; Structural feature; Cutting parameters;Processing template

　　汽车覆盖件（automobile panel，简称覆盖件）是指覆盖发动机、底盘、构成驾驶室和车身的薄钢板异形体的表面零件（outer panels，称为外覆盖件）和内部零件（inner panels，称为内覆盖件）。轿车的车前板和车身、载重汽车的车前板和驾驶室、箱式货车的车身等都是由覆盖件和一般冲压件构成的。一辆轿车约有 80%的零部件由模具加工制造[1]。覆盖件和一般冲压件相比，具有材料薄、形状复杂且多为空间曲面、结构尺寸大和表面质量高等特点[2]。覆盖件在冲压工艺、冲模设计和冲模制造上难度都较大，并具有独自的特点。因此在实践中常把覆盖件模具从一般冲压件模具中分离出来，作为一种特殊的类别加以研究和分析。覆盖件模具以其大型、复杂、精密而成为模具中举足轻重的部分。

　　要想获得一个合格的覆盖件，关键在于拉延、整型、切边、翻边等工序工艺方案的确定和模具设计与制造技术。

　　自从 1896 年汽车工业诞生以来，世界汽车工业不断增长，并带动了一大批相关产业的发展，由此确立了其在国民经济中的支柱地位。1995 年，我国政府颁布了《汽车工业产业政策》，其中明确提出要振兴汽车制造业，使之成为我国国民经济的支柱产业。根据国家汽车工业发展战略，车身开发已经成为工业界和学术界的研究热点。由于车身是汽车的一个非常重要的总成，其外板重量约占车身总重量的 20%，而开发和制造成本约为整车造价的 40％～60%，再加上新车型的开发主要是在原有底盘、动力总成不变的基础上进行外形的重新设计，所以车身开发能力已成为汽车制造企业实现汽车自我开发和提高市场竟争力的关键所在[3,4]。

　　1994 年 6 月，李岚清副总理在东风公司工作汇报会上说：“我主张搞汽车先搞车身，因为车身的周期最长、难度最大。”

　　车身开发的关键在于车身覆盖件模具的开发。一辆轿车上约有 80%的零部件是用模具加工制造的。一般汽车车身有数百个冲压件组成，全车所需的冲模高达一千副以上。在“车型设计－模具设计与调试－投产”的整个周期中，模具设计和制造约占三分之二的时间，成为车身改型的制约因素。欧、美、日各大汽车制造公司改型换代约需 16 个月，这很大程度上归功于它们先进的CAD/CAE/CAM技术[5,6]。国外采用CAD/CAE/CAM 和各种数控机床及三坐标测量仪直接相连，使汽车模具的开发制造呈现前所未有的面貌，模具精度大幅度提高，模具寿命延长2 倍以上，模具开发制造的成功率达 95%以上。特别是CAE的应用[7]，改变了传统覆盖件模具设计凭经验进行，质量难以保证的局面。通过仿真分析材料的成形过程，预测制件可能发生的缺陷，从而达到优化工艺过程和模具结构的目的，缩短甚至取消试模过程，大大提高产品质量、降低成本、缩短模具开发周期[8,9]。

　　汽车工业已成为我国支柱产业，汽车产量名列世界汽车生产前列。我国汽车工业目前基本上已形成重、中、轻、轿、微全系列汽车发展格局，根据国家《汽车工业振兴规划纲要》，今后汽车工业的发展重点是独立自主的轿车及轿车零部件的开发。然而，我国一些大型汽车模具制造厂家仍然停留在相对落后的水平上，致使一些关键性模具不得不花费大量外汇，依靠国外来设计加工。尤其是轿车工业，覆盖件模具的问题更加突出。我国的模具工业正面临着严峻的挑战，如不能适应这种快速变化的形势，将会严重影响我国汽车制造业的生存和发展。

　　汽车工业是我国的支柱产业，对我国的产业结构起着至关重要的作用。但是在发展过程中受到一些因素的制约：（1）我国汽车工业起步晚，基础薄弱，至今仍主要停留在经验设计制造阶段，发展速度缓慢；（2）与此同时，国外几大汽车制造企业（如美国福特、通用、德国大众、日本丰田等）正致力于设计制造过程的计算机化、自动化研究，并取得了很大的进展，从而进一步拉大了我国与国际汽车设计制造水平之间的距离。为了有能力参与国际汽车市场竞争，占领一定的市场份额，我国汽车工业自主创新势在必行。

　　我国汽车工业自主创新的一大瓶颈技术就是汽车覆盖件模具的设计与制造。

　　显然，发展这一技术的突破口亦在于设计制造过程的计算机化、自动化。对于汽车覆盖件模具制造企业来说，其首要任务是建立起现代模具设计制造模式，在并行环境下集成各项先进技术组织生产。一方面市场上已有不少成熟的商品化CAD/CAM软件（如UG、IDEAS、CATIA、 Pro/E等），另一方面数控机床也能最大程度地满足企业的生产需要。因此，对于技术应用企业来说，如何有效地组织软硬件进行生产－即工艺过程规划是最重要的。工艺过程规划同时也是最困难的，这使得传统的工艺过程规划只能是基于经验的人工行为。由于人力的限制和经验不可避免地存在片面性，这一行为不但费时而且不一定十分可靠。一时的失误，轻则延误了工期，严重的甚至造成难以挽回的损失。因此，为了保证工程的可靠性，提高生产效率，构造一个集成化的制造环境，工艺过程规划的计算机化、自动化是十分必要的。但就目前情况来看，汽车覆盖件模具加工工艺设计仍然是以工程设计人员的经验和知识为主，通过类比进行设计。随着新车型更新换代的日益加速，这种传统的工艺设计方法已经不能适应产品发展的需要。工艺设计及编制是联系上游产品设计和下游产品制造加工的中间环节，是把产品由概念设计转化为实际生产的关键。因而，汽车覆盖件模具加工工艺设计技术的滞后使整车开发周期变长，耗费大量的人力、物力。随着学科交叉和计算机等相关技术的发展，采用CAPP（计算机辅助工艺设计）技术设计可以大大提高模具生产的质量和效率[10~12]。

　　作为生产汽车覆盖件的主要工艺装备，汽车覆盖件模具具有结构尺寸大、型面形状复杂、尺寸精度高和表面粗糙度要求高的特点，同时要求使用寿命长且单件生产，设计和加工要考虑很多因素。因此，汽车覆盖件模具设计往往要求有多年设计经验的人员来完成。

 　　基于CAPP技术汽车覆盖件模具演示：

CAPP 工艺模板路径定义对话框

CAPP 工艺模板路径选择对话框

拉延模模具型面 CAPP 工艺模板示意图

汽车覆盖件模具数控加工 CAPP 工艺模板操作界面

汽车覆盖件模具型面三维 CAD 图

模具型面粗加工参数设置及刀具路径

目 录

　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 汽车覆盖件模具
　　　　　　1.1.1 汽车覆盖件模具概述
　　　　　　1.1.2 汽车覆盖件模具在我国汽车工业自主创新中的作用
　　　　1.2 汽车覆盖件模具制造技术
　　　　　　1.2.1 汽车覆盖件模具制造流程
　　　　　　1.2.2 数控加工技术在汽车覆盖件模具制造中的应用
　　　　1.3 汽车覆盖件模具CAPP技术
　　　　　　1.3.1 CAPP概述
　　　　　　1.3.2 CAPP技术在汽车覆盖件模具加工中的应用
　　　　　　1.3.3 模具CAPP技术国内外研究现状
　　　　1.4 课题研究意义与研究内容
　　　　　　1.4.1 课题研究意义
　　　　　　1.4.2 课题研究内容
　　　　1.5 小结
　　第 2 章 汽车覆盖件模具结构特征及其加工工艺性
　　　　2.1 汽车覆盖件模具的特点与分类
　　　　　　2.1.1 汽车覆盖件模具的特点
　　　　　　2.1.2 汽车覆盖件模具的分类
　　　　2.2 汽车覆盖件模具结构特征
　　　　　　2.2.1 一般零件的特征分类技术
　　　　　　2.2.2 汽车覆盖件模具特征分类的原则
　　　　　　2.2.3 基于加工工艺的汽车覆盖件模具结构工艺特征
　　　　2.3 汽车覆盖件模具结构特征加工工艺性
　　　　　　2.3.1 拉延成型模模具型面加工工艺流程
　　　　　　2.3.2 拉延成型模模具型面典型加工工艺分析
　　　　2.4 小结
　　第 3 章 汽车覆盖件模具数控加工CAPP技术概况
　　　　3.1 汽车覆盖件模具制造工艺现状
　　　　3.2 汽车覆盖件模具制造工艺设计概述
　　　　3.3 汽车覆盖件模具CAPP技术概述
　　　　　　3.3.1 成组技术的应用
　　　　　　3.3.2 基于事例推理技术的应用
　　　　3.4 小结
　　第 4 章 汽车覆盖件模具加工工艺的选择与优化
　　　　4.1 汽车覆盖件模具粗加工工艺参数的选择与优化
　　　　　　4.1.1 工艺内容和工艺要求
　　　　　　4.1.2 粗加工刀具的直径选择
　　　　　　4.1.3 粗加工切削用量的选择与优化
　　　　4.2 汽车覆盖件模具精加工工艺参数的选择与优化
　　　　　　4.2.1 工艺要求和工艺内容
　　　　　　4.2.2 切削用量优化目标与约束条件
　　　　4.3 汽车覆盖件模具粗加工走刀方式的选择与优化
　　　　　　4.3.1 粗铣刀位轨迹生成方法综述
　　　　　　4.3.2 走刀方式对刀位轨迹长度的影响
　　　　　　4.3.3 走刀方式的选择与优化
　　　　4.4 汽车覆盖件模具精加工走刀方式的选择与优化
　　　　　　4.4.1 精加工刀位轨迹生成方法综述
　　　　　　4.4.2 刀位轨迹对表面质量的影响
　　　　　　4.4.3 刀位轨迹的优化途径
　　　　4.5 小结
　　第 5 章 汽车覆盖件模具数控加工CAPP技术开发
　　　　5.1 引言
　　　　5.2 PowerMILL软件在汽车覆盖件模具CAPP中的应用
　　　　5.3 汽车覆盖件模具数控加工CAPP技术实施
　　　　　　5.3.1 汽车覆盖件模具数控加工CAPP工艺模板总体结构
　　　　　　5.3.2 汽车覆盖件模具数控加工CAPP工艺模板开发
　　　　　　5.3.3 CAPP工艺模板在汽车覆盖件模具制造中的应用
　　　　5.4 小结
　　结 论
　　参考文献
　　致 谢

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