汽车覆盖件模具CAD技术的应用与发展
1 引言
模具行业是国民经济发展中不可缺少的行业，模具的好坏直接影响着产品的质量。随着工业 技术的发展，产品对模具设计的要求也越来越高，传统的模具设计与制造方法已不能适应工 业产品的更新换代。因此，国内外的许多大型企业都在将CAD技术应用于模具设计，并投入 了相当大的人力和物力。
2.1 传统模具制造方法的缺点
传统方法制造模具首先要制造主样板、主模型和工艺模型，然后利用工艺模型为靠模，在仿 形机床上加工模具表面，最后由钳工装配、调试成合格模具。不仅工艺流程长、模具表面的 形状精度低，而且存在着对模具制造工人要求高等缺点。
2.2 CAD技术的优越性
与传统的模具制造方法相比，模具CAD技术的优越性主要有以下几点：
(1)可以实现计算机与模具工作者的交互作用，有利于发挥人和机器各自的长处，提高模具 质量。
(2)与模具设计有关的分析计算、图样绘制和曲面造型以及工艺编制等均可借助于计算机来 完成，并且由于模具质量提高、可靠性增强，故使模具装配与返修时间明显减少。
(3)可以获得可观的经济效益，且计算机的高速运转和自动绘图能节省大量劳动力，有助于 优化设计和节省原材料，提高设备利用率，降低生产成本。
2.3 国内外模具CAD技术的发展状况
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CA D/CAM系统，并将其应用于模具设计与制造。计算机软、硬件技术的突飞猛进，为模具CAD/C AM的开发应用向更高层次的发展创造了条件。
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、McDonnell Douglas飞机公司、General Motor汽车公司的CAD、CADD、AD2 000 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，适用于复杂模具的设计制造，在模具界 得到了广泛的应用。例如，美国通用汽车公司开发的CAD-Ⅰ系统，不但可以设计汽车车身零件，还可以设计模具；福特汽车公司在覆盖件模具的设计方面也进行了大量的研究工作，在 覆盖件塑性成形模拟方面取得了很大成就；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。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。
我国计算机技术起步较晚，80年代初才开始模具CAD的研究。目前，国内已有许多企业采用 模具CAD技术，并在计算机自动编程技术上取得了经验和技巧，使模具精度和生产率大为提高。同时，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 步普及，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。此外，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，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，北京航空航天大学华正模具研究所开发的CAD/CAM系统CAXA等，正在 一些企业推广与使用，并逐步完善。近些年来，在汽车覆盖件模具设计中应用CAD技术也越 来越得到人们的重视。
2.4 汽车覆盖件概述
汽车覆盖件是指覆盖发动机、底盘，构成驾驶室和车身的薄钢板的异型件的表面零件和内部 零件。与一般冲压件相比，它们具有材料薄、形状复杂、多为自由曲面、结构尺寸大以及表 面质量要求高等特点。而且，覆盖件冲压工艺、冲模设计和制造工艺也有独自的特点。因此 ，对覆盖件的表面质量、尺寸、刚性以及工艺性等方面都提出了更高的要求。
在新车型的研制、开发中，车身的开发与生产准备占有重要地位。其中，冲压模具的设计与 制造尤为突出。传统的车身开发与生产准备是以实物模型来表示车身表面的几何信息，在传 递过程中，因传递误差、实物模型变形、磕碰等诸多因素，致使模具在制造的各个阶段中易 产生误差，影响车身覆盖件模具的制造精度，同时延长生产周期。要想提高覆盖件的制造质 量及设计效率，就必须改变落后的模具制造方法。采用CAD/CAM技术是解决问题的关键。
2.4.1 覆盖件模具CAD技术特点
一般覆盖件都要经过拉深→修边→整形→翻边→冲孔等几道工序。第一道工序拉深模设计中 最重要的是工艺补充面设计。工艺补充面设计得好坏直接影响到所设计的模具能否加工出合 格的零件，从而减少调试模具的时间，缩短整个模具生产周期。而且，大型模具结构一般都 比较复杂，一副模具有上百个零件，模具外形尺寸也比较大。采用计算机二维设计方法设计 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。 缺点是设计错误不易发现，不能直接用于分析和加工。而三维设计方法的优点是能实现参数 化、基于特征、全相关和专家系统，并且便于与CAE相结合。但其缺点是计算机运算速度慢 、软件占有硬盘和内存空间大、模具结构投影线条过多。
2.4.2 覆盖件模具CAD中存在的主要问题
90年代以来，我国在覆盖件模具CAD技术的应用方面取得了显著的进步，但依然存在着一些 问题。主要表现在以下几个方面：
(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 应用软件技术的人员十分缺乏，因而自我开发能力差，自主开发的CAD软件质量不高，设计 效率低。
(2)标准化程度低。由于各行业、各企业都有自己的标准，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系统的集成化程度和智能化程度都比较低。
(3)现有CAD软件专用性不强。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，未经开发则专用性差。
(4)覆盖件冲模CAD技术的开发手段比较落后，开发的CAD系统在质量、可靠性上难以保证， 开发周期长。
(5)现有冲模CAD系统的人机界面不能满足多种用户的要求。
(6)冲模CAD系统的开放性不够。
3 汽车覆盖件模具CAD的未来发展趋势
CAD是一项划时代的新技术，而模具技术是本世纪下半叶制造业中发展最快的技术之一。尽 管我国政府历来十分重视模具CAD的作用，而且许多研究人员也为之付出了巨大的努力，但 目前模具CAD的成果并不十分显著，尤其表现在汽车覆盖件模具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是提高模具的设计效率，而在提高模具 设计效率的途径方面，存在着以下几个趋势。
3.1 模具结构通用化与模具零件标准化
3.1.1 优点
(1)因为通用化模具结构是以修改参数方式存在的，在实际模具设计时，只要修改对应的参 数和局部区域，就能设计出相应的零件，所以效率很高。
(2)由于在建立通用化模具结构时，必须对零件的冲压工艺特点和模具结构的要求进行认真 细致的分析，并考虑一些专家意见，因而具有一定的权威性和合理性，提高了模具设计的可 靠性和规范化程度。
(3)建立通用化模具结构时必须尽量采用标准化的零部件，以便于模具的生产和管理。
3.1.2 实现方法
一般模具零件可分为标准件和非标准件两大类，因此，依据特征对零件进行划分，进而建立 相应的标准件库和非标准件库是实现模具零件标准化的有效途径。而模具结构的通用化则可 依靠建立典型模具结构库来实现。
(1)标准件库的建立。为了提高CAD的质量及效率，可以将模具设计中的标准件(模柄、螺栓 、螺钉等)输入计算机中，建立标准件图，以供在模具CAD过程中调用。建立标准件库既可以 用语言方式，也可以用图形参数化方式。即根据零件的形状及尺寸，首先在计算机屏幕上以 工程草图的形式画出，尺寸以参数形式表示，然后对这些参数赋以不同的值，从而建立起一 组形状相同、规格不同的标准件。
(2)非标准件库的建立。非标准件一般包括凸凹模、固定板以及大型覆盖件的上、下模座等 等。对于凸、凹模，由于因件而异，所以不便于建库。但是，对于一些大型模座、固定板等 ，如果采用相应的特征辅助设计的方法，就可以在很大程度上加快设计过程。
(3)典型模具结构库的建立。由于大型汽车覆盖件的模具结构复杂，轮廓尺寸大，因而生产 周期长，设计效率低。解决这个问题的有效办法是建立典型覆盖件模具结构库。将设计好的 典型覆盖件模具结构模型输入库中，把一些主要尺寸设成变量。在需要设计其他结构相似的 模具时，可在库中调出典型模具结构模型，根据要求对其进行修改，以达到新模具的要求。 这种设计方法可以省去一些重复性的设计步骤，大大地提高覆盖件模具的设计效率。
3.2 特征技术的应用
特征技术是一种基于零件特征的设计技术。它以特征为对象 进行操作，在其数据结构中包含了完整的特征定义数据，可实现对零件信息的准确描述。
3.2.1 特征技术的优点
利用该技术，可以方便地将CAD、CAPP、CAM系统连接在一起，大大地降低覆盖件模具系统开 发研制的复杂程度，提高设计质量，降低设计成本。
3.2.2 特征技术的基本思想与实现过程
(1)基本思想。特征技术的设计方法是以工序零件为依据，从冲压工艺入手，实现从工艺特 征到结构特征的映射，从而建立起模具结构与特征参数间的关系，完成模具的参数化设计。
(2)实现过程。工序零件是覆盖件模具设计的依据，定义工序零件是整个模具设计过程的起 点。根据工序零件的要求，确定模具所应具备的功能，从而建立相应的功能模型，并映射成 模具的结构模型，初步确定模具的结构。在此基础上进行详细设计，并对模具结果进行功能 评价，直到获得满足工序零件的功能要求的设计结果。
3.2.3 特征的分类
关于特征的分法众说纷纭，但通常将特征分为三类：(1)形状特征。用于描述一定工程意义 的工程几何形状信息；(2)精度特征。指与产品的几何许可变动量相关的信息集合，如尺寸 公差、表面粗糙度等；(3)材料特征。指与零件材料的组分、条件相关的信息集合，如材料 名、热处理方式等。
3.3 参数化造型方法
参数化造型方法是CAD技术中先进的造型方法，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，在实际的几何和拓扑的基础上导出各 要素之间的相互关系，为零件的基本尺寸建立相应的参变量，并将变量与尺寸之间的对应关 系生成为一与零件模型相关联的外部参数文件，其中，某些参数以变量方式存贮。当根据不 同产品要求而改变参数文件中有关基本变量的取值时，与之相关的零件模型中的相应尺寸亦 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。这种方法的最 大优点是不仅设计效率高，而且适用于各种不同类型的模具。
3.4 模具CAD的智能化
为了提高产品质量，降低成本，增强产品市场竞争力，就必须开展智能化研究工作。聘请工 艺和模具设计水平较高、经验丰富的专家总结出设计制造经验和教训，把成功的经验应用到 模具设计中去，形成计算机中的知识库和智能库，生成专家系统，为以后所用。这样不仅可 以提高设计效率，而且可以提高设计质量。
3.5 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公司与日本TOYOTA (丰田)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，针对本部门产品的特点，利用二次开发技术，开发专用的模具CAD系统是一条可行和经 济之路。
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