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文檔簡介
1、汽車車身模具開發(fā)的技術(shù)戰(zhàn)略研究關(guān)鍵詞:汽車車身模具;共性技術(shù);CAE;技術(shù)戰(zhàn)略;工藝補(bǔ)償一、概述 隨著與國際接軌的腳步不斷加快,市場競爭的日益加劇,人們已經(jīng)越來越認(rèn)識到產(chǎn)品質(zhì)量、成本和新產(chǎn)品的開發(fā)能力的重要性。而模具制造是整個(gè)鏈條中最基礎(chǔ)的要素之一,模具制造技術(shù)現(xiàn)已成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平高低的重要標(biāo)志,并在很大程度上決定企業(yè)的生存空間。 汽車車身模具是汽車制造業(yè)必不可缺少的部分,是整個(gè)汽車改換型中最關(guān)鍵的部分,其技術(shù)水平和生產(chǎn)效率直接關(guān)系到汽車產(chǎn)品的制造水平、制造質(zhì)量、制造周期和更新?lián)Q代能力,其制造過程占用汽車開發(fā)周期大部分時(shí)間。如何快速、低成本、高質(zhì)量地開發(fā)車身模具,取決于該領(lǐng)域一系列關(guān)
2、鍵的共性技術(shù)。車身模具開發(fā)制造的共性技術(shù)存在多個(gè)方面,其主要關(guān)鍵共性技術(shù)包括: (1)車身零件基準(zhǔn)的合理確定和相互精確匹配協(xié)調(diào); (2)車身零件沖壓工藝合理制定及缺陷預(yù)測優(yōu)化; (3)車身模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先進(jìn)方法及虛擬動態(tài)模擬,產(chǎn)前合理優(yōu)化; (4)車身沖壓件成型回彈控制及精確補(bǔ)償方法; (5)車身模具工藝建模的工藝補(bǔ)償性(干涉補(bǔ)償)技術(shù); (6)車身沖壓件修邊線快速確定技術(shù); (5)特征標(biāo)準(zhǔn)工藝和標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)的建立及CAPPT藝編制系統(tǒng); (6)虛擬真實(shí)環(huán)境的模具加工和調(diào)試仿真; (7)柔性數(shù)控生產(chǎn)的建立,協(xié)同、多軸、高效加工的綜合應(yīng)用; (8)車身模具誤差分析理論的應(yīng)用,技術(shù)過程閉環(huán)系統(tǒng)的建立;
3、 (9)模具沖壓件與焊接夾具之間的協(xié)調(diào)技術(shù)。 研究汽車車身模具開發(fā)的技術(shù)戰(zhàn)略決定著汽車發(fā)展的方向和質(zhì)量,決定了汽車模具企業(yè)的競爭能力和市場地位,同時(shí)也將引導(dǎo)和推動模具行業(yè)的科技進(jìn)步。 二、國內(nèi)外模具技術(shù)現(xiàn)狀 (一)國外發(fā)展現(xiàn)狀 歐美車身模具的生產(chǎn)技術(shù)水平,在國際上是一流的。模具設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵共性技術(shù)已廣泛應(yīng)用,成為快速制造車身工藝裝備、促進(jìn)汽車業(yè)快速發(fā)展的有力保證。具體表現(xiàn)在: CADcAEcAM已成為工藝裝備企業(yè)普遍應(yīng)用的技術(shù)。在CAD的應(yīng)用方面,已經(jīng)超越了甩圖板二維繪圖的初級階段,3D設(shè)計(jì)已達(dá)到了7089。PROE、uG、CIMATRON等軟件已應(yīng)用很普遍。他們應(yīng)用這些軟件不僅可完成2D設(shè)計(jì)
4、,同時(shí)可獲得3D模型,為Nc編程和CADcAM的集成提供了保證。在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行裝配干涉的檢查,保證設(shè)計(jì)和工藝的合理性。柔性數(shù)控加工方式的普遍應(yīng)用,保證了工藝裝備零件的加工精度和質(zhì)量。3050人的模具企業(yè),一般擁有數(shù)控機(jī)床十多臺。經(jīng)過數(shù)控機(jī)床加工的零件可直接進(jìn)行裝配,使裝配鉗工的人數(shù)大大減少。CAE技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟,體現(xiàn)在模擬金屬變形過程,分析應(yīng)力應(yīng)變的分布,預(yù)測破裂、起皺和回彈等缺陷,自動確定修邊線等等。意大利COMAU公司應(yīng)用CAE技術(shù)后,試模時(shí)間減少了50以上,奔馳在采用仿真之前每套模具大約需試模3到4次,現(xiàn)在則l到2次就完成預(yù)期目標(biāo),豐田汽車公司在引入仿真系統(tǒng)以后,減少了模具設(shè)計(jì)和制造過程
5、中46的試驗(yàn)和修改工作。 (二)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國的車身模具工業(yè)雖然起步較晚,但通過近20年來的技術(shù)改造、技術(shù)引進(jìn)和創(chuàng)辦“三資”企業(yè)等,生產(chǎn)能力和技術(shù)水平有了很大的提高,模具工業(yè)一直以15左右的增長速度快速發(fā)展,模具企業(yè)的所有制成分也發(fā)生了巨大變化,除了國有專業(yè)模具廠外,集體、合資、獨(dú)資和私營得到了快速發(fā)展。目前全國模具廠家有3萬余家,而中外合資和外商獨(dú)資的模具企業(yè)已達(dá)幾千家。許多模具企業(yè)加大了用于技術(shù)進(jìn)步的投資力度,將技術(shù)進(jìn)步視為企業(yè)發(fā)展的重要動力。浙江寧波和黃巖地區(qū)形成“模具之鄉(xiāng)”;科龍、美的、康佳等集團(tuán)建立了自己的模具制造中心;各大汽車集團(tuán)也在積極籌建較大的汽車車身模具生產(chǎn)基地。除一汽、
6、二汽、天汽、成飛、哈飛等實(shí)力強(qiáng)大的模具廠外,安徽奇瑞汽車、上汽集團(tuán)、北汽集團(tuán)、躍進(jìn)汽車集團(tuán)都在全力擴(kuò)建自己的模具中心;五糧液酒廠投入8億人民幣巨資創(chuàng)建具有相當(dāng)規(guī)模的模具制造廠,北京比亞迪投入2.5億元人民幣增加設(shè)備。河北泊頭眾多模具廠揭竿而起,發(fā)展極其迅速,數(shù)控設(shè)備總數(shù)可達(dá)100余臺。這些企業(yè)都成為本集團(tuán)或本地區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)創(chuàng)收單位。 國內(nèi)的CADCAEcAM技術(shù)近幾年發(fā)展迅速。國內(nèi)模具企業(yè)目前已普及了二維CAD,并陸續(xù)開始使用UG、ProEngineer、Catia、I-DEAS、Euclid-IS等國際通用軟件,一些許多廠家還引進(jìn)了Moldflow、autoform、DYNAFORM、pam
7、 stamp和MAGMASOFT等CAE軟件,成功應(yīng)用于沖壓模的設(shè)計(jì)中。 以汽車車身模具為代表的大中型沖壓模具的制造技術(shù)已取得很大進(jìn)步,天津汽車模具公司、東風(fēng)汽車公司模具廠、一汽模具中心等模具廠家已能生產(chǎn)大部分轎車覆蓋件模具。此外,許多研究機(jī)構(gòu)和大專院校也在開展模具技術(shù)的研究開發(fā),經(jīng)過多年的努力,在模具CADCAECAM技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)步;部分專家系統(tǒng)已被應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)的各個(gè)階段,并且在產(chǎn)品的生產(chǎn)與制造過程中,在提高模具質(zhì)量和縮短模具周期等方面做出了貢獻(xiàn)。例如,吉林大學(xué)汽車覆蓋件成型技術(shù)所研制的汽車覆蓋件沖壓成型分析KMAS軟件,華中理工大學(xué)模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的汽車覆蓋件模具
8、和級進(jìn)模CADcAECAM軟件及Fastamp分析軟件,上海交通大學(xué)模具CAD國家工程研究中心開發(fā)的冷沖模CAD軟件等在國內(nèi)模具行業(yè)已擁有不少的用戶。中科院軟件工程研制中心近期又開發(fā)出新一代沖模CAD系統(tǒng)PICAD,還有北航的PANDA系統(tǒng),清華的GEMS系統(tǒng),浙大的MESSAGE系統(tǒng),等等。同時(shí)各大模具公司還在致力于模具模板化設(shè)計(jì)的研發(fā)和應(yīng)用。 雖然中國模具工業(yè)在過去二十多年中取得了令人矚目的發(fā)展,但許多方面與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍有較大的差距。例如,精密加工設(shè)備在模具加工設(shè)備中的比重比較低;CADcAEcAM技術(shù)的普及率不高;許多先進(jìn)的模具技術(shù)應(yīng)用不夠廣泛,諸如模具結(jié)構(gòu)通用化和模具零件標(biāo)準(zhǔn)化、
9、特征技術(shù)的應(yīng)用、參數(shù)化造型方法、模具CAD的智能化、模具CAD的專業(yè)化,都還缺乏開發(fā)和應(yīng)用的深度。致使相當(dāng)一部分大型、精密、復(fù)雜和長壽命模具依賴進(jìn)口。 汽車工業(yè)的發(fā)展水平是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力的象征。在新車型的研究開發(fā)到投產(chǎn)整個(gè)周期中,模具設(shè)計(jì)與調(diào)試所用時(shí)間最長,汽車車身模具特別是大中型覆蓋件模具,技術(shù)密集,體現(xiàn)當(dāng)代模具技術(shù)水平,是車身制造技術(shù) 的重要組成部分。車身模具設(shè)計(jì)和制造約占汽車開發(fā)周期三分之二的時(shí)間,成為汽車換型的主要制約因素。汽車工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵之一是車身,車身制造的關(guān)鍵在模具,而作為汽車和模具工業(yè)發(fā)展的一種高科技技術(shù),CADCAECAM集成系統(tǒng)已成為國內(nèi)外汽車公司產(chǎn)品制勝的法寶。
10、 三、車身模具開發(fā)的技術(shù)戰(zhàn)略 面對激烈的市場競爭形勢,國外各大汽車公司或模具公司都有自己的技術(shù)戰(zhàn)略。克萊斯勒公司在先前選擇了法國Dassault Sys2ftem公司開發(fā)由IBM公司銷售CATIA的軟件,作為設(shè)計(jì)開發(fā)新車型的基本CADI具,后來又購買了Parameltc Technology公司的ProEngineer系統(tǒng)作為補(bǔ)充,在工廠布置設(shè)計(jì)方面,使用AutoCAD及integraph的軟件,在CAM方面,克萊斯勒使用CATIA以及Dassault開發(fā)的數(shù)字制造過程系統(tǒng)(DMAPS)程序。美國通用公司的模具CADcAM系統(tǒng)包括CSG系統(tǒng),GMFORM系統(tǒng),TRACS系統(tǒng),PACS系統(tǒng)。其C
11、SG(Coporate GraphicsSystem)系統(tǒng)專用于模具型面設(shè)計(jì),包括沖壓方向分析及工藝補(bǔ)充部分。美國通用公司在應(yīng)用該系統(tǒng)后,模具的設(shè)計(jì)制造周期大大縮短了。此外,其它的汽車公司也都開發(fā)應(yīng)用了CADcAM系統(tǒng),如馬自達(dá)公司,富士重工業(yè)公司、AU2TODIE公司和富士鐵工所等都采用了模具CADCAM,以增加市場競爭力。 同時(shí),國外大汽車公司為了降低模具開發(fā)、制造成本,縮短生產(chǎn)周期,將除轎車外覆蓋件之外的大部分轎車沖壓件的模具都交由專業(yè)模具公司(女ffFontana Pietro、Kuka、Laepple、SchulerTechniaca等)設(shè)計(jì)和制造,Cartee、Ogi hala、F
12、uji這些公司都有很強(qiáng)的開發(fā)能力,并在某些零件的模具制造方面擁有獨(dú)到的優(yōu)勢。但作為整車廠,考慮到新車型開發(fā)過程中的保密,對諸如翼子板、行李箱蓋、車門、側(cè)圍、車頂、前蓋等敏感零部件的模具,則都由自己的模具制造部門來設(shè)計(jì)和制造。 (一)建立軟件環(huán)境 車身模具設(shè)計(jì),目前最方便且最易于被汽車廠接受的,能夠確保曲面質(zhì)量的高端軟件當(dāng)屬UG、CADIA。除了必要的CAD軟件之外,還必須應(yīng)用有限元模擬軟件,如AutoForm、PanmStamp、DynaForm、Indeed等,來輔助沖壓工藝設(shè)計(jì)。從使用的方便性,快速性、易學(xué)性來看,應(yīng)優(yōu)先選用AutoForm,但為了使分析精確化,最策略的是將AutoForm
13、、PamStamp、DynaForm復(fù)合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。 現(xiàn)以AutoForm為例,說明如何利用CAE軟件來設(shè)計(jì)拉深工序工藝補(bǔ)充面。AutoForm是一款由瑞士開發(fā)的專業(yè)薄板成形快速模擬軟件,可以用于薄板、拼焊板的沖壓成形、液壓脹形等過程的模擬,配合不同的功能模塊,還可以進(jìn)行沖壓件單步法成形模擬以及拉深工序工藝補(bǔ)充面(Addendum)的設(shè)計(jì)。轎車沖壓件中,約有23可以利用AutoForm的Diedesigner Module模塊設(shè)計(jì)Addendum,該模塊根據(jù)由設(shè)計(jì)者指定的或由軟件自動產(chǎn)生的壓邊圈型面,以及工藝補(bǔ)充面的多條截面線(Profile),能夠快速地生成工藝補(bǔ)充面,用于拉深工序的
14、模擬。壓邊圈型面、Profile均可行參數(shù)化式的調(diào)整。這種快速設(shè)計(jì)是建立在對Addendum曲面的粗略構(gòu)造上的,即曲面面片本身以及曲面面片之間的連續(xù)并非十分光順,盡管這種曲面不能夠直接用于模具表面的機(jī)械加工,但是對于模擬精度的影響卻不是很大。根據(jù)模擬結(jié)果,設(shè)計(jì)者可以很方便地對工藝補(bǔ)充面進(jìn)行調(diào)整,直到模擬結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。最后,將壓邊圈、Addendum曲面和Profile(以中性數(shù)據(jù)格式IGS或VDA輸出,在CAD軟件中進(jìn)行曲面重構(gòu))并結(jié)合產(chǎn)品數(shù)模,就能夠得到機(jī)加工可以使用的拉深工序模具數(shù)模。 沖壓工藝傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法:首先,在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,利用CAD設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)充面;其次,將CAD數(shù)模傳遞給Auto
15、Form等CAE軟件進(jìn)行拉深過程模擬;根據(jù)模擬結(jié)果,在CAD中對工藝補(bǔ)充面進(jìn)行調(diào)整,并將新的CAD數(shù)模傳遞給CAE,開始新的模擬,直到滿足要求為止。這是一個(gè)從CAD到CAE再回到CAD的不斷反復(fù)的過程。由于每次在CAD中構(gòu)造曲面都遠(yuǎn)較在AutoForm中復(fù)雜,因此,整個(gè)過程所花費(fèi)的時(shí)間就多得多。而新方法在沖壓工藝設(shè)計(jì)初期,就用Diedesigner Module在AutoForm軟件中設(shè)計(jì)并調(diào)整拉深工藝補(bǔ)充面,與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比,就能夠大大提高設(shè)計(jì)效率。由于AutoForm是一款快速模擬軟件,為了在較短的時(shí)間內(nèi)對復(fù)雜沖壓件的成形過程進(jìn)行評價(jià),采用了膜單元來離散幾何模型,必然要降低模擬精度,因
16、此,有些汽車公司在模具設(shè)計(jì)開始之前還要利用模擬精度高的CAE軟件,如德國大眾就采用了Indeed軟件,對拉深工序進(jìn)行再次模擬(Indeed軟件的計(jì)算是基于帶厚度的殼單元的,能夠得到更為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果,但是其計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間通常是AutoForm的幾到十幾倍,該軟件比較適用于最終驗(yàn)證),所有拉深工藝必須通過Indeed模擬并驗(yàn)證為是可行的,才可用于模具設(shè)計(jì)。 (二)建立可行的技術(shù)路線 圍繞車身模具開發(fā)制造的關(guān)鍵共性技術(shù)建立可行技術(shù)路線。 (1)研究關(guān)鍵車身覆蓋件的沖壓成形技術(shù),制定分類零件的典型工藝;通過沖壓數(shù)據(jù)庫保存仿真結(jié)果和模具調(diào)試結(jié)果; (2)研究合理控制材料在變形過程中的流動,沖壓件不出現(xiàn)過度變薄和起皺等缺陷的方法; (3)解決沖壓過程中不同工序間的協(xié)調(diào)變形問題; (4)開發(fā)和應(yīng)用模板化模具設(shè)計(jì)方法; (5)研究實(shí)現(xiàn)工藝成型的回彈補(bǔ)償、干涉補(bǔ)償(產(chǎn)品母模自動驅(qū)動生成非均勻間隙的凸凹模工藝模型),通過分析軟件和建模軟件的綜合運(yùn)用,提高回彈補(bǔ)償精度; (6)通過先進(jìn)的CAE軟件功能開發(fā),實(shí)現(xiàn)修邊線自動計(jì)算生成; (7)實(shí)現(xiàn)虛擬模具動態(tài)干涉檢查功能; (8)建立特征標(biāo)準(zhǔn)工藝和標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)計(jì)算公式,優(yōu)化后建立CAPP自動編制系統(tǒng); (9)研究虛擬真實(shí)環(huán)境的模具加工和調(diào)試仿真;
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