汽车制造业中的CAD/CAE/CAM集成应用

随着国家经济发展和制造业大国地位的确立，以及人们生活水平的提高及消费需求的不断增长，汽车工业在国家整个制造业中所占比重逐渐加大，并将成为国民经济的支柱产业。就云南本地而言，据省机械行业协会的统计数据，机械工业产值的80 %以上出自汽车制造相关企业。伴随国内汽车工业的发展，本地专业科研院所和企业跟踪引进、消化吸收及综合应用国际上的先进制造技术已是大势所趋。在国内机械制造领域，从CAD、CAPP 到CAM的集成研究与应用，已有成功案例。如曾经在国际上获得大学领先奖的清华大学CIMS国家示范工程;获工厂领先奖的北京第一机床厂CIMS 项目，等等。欲将CAE分析理念与软件技术应用到汽车制造企业的模具设计过程中，验证汽车车身大型覆盖件拉深模具设计，提高设计质量、缩短制造周期，在国内汽车行业还不多见。要把经过计算机拟合以及CAD软件设计、修改，再通过CAE 软件分析、验证的模具几何信息传送到CAM 软件来进行数控加工及加工仿真，则尚未见诸报道。

云南省机械研究设计院和一汽红塔云南汽车制造有限公司针对公司汽车新产品拉深模具设计联合进行的CAE分析与验证，以及CAM 数控加工和仿真，探索解决CAE 和CAM 软件应用中遇到的技术难题，初步实现了CAD/ CAE/ CAM集成应用。本文就CAE与CAM之间相关数据的传递，CAM 实现的方法及步骤做一介绍，以期起到抛砖引玉之效。

1 CAE几何模型传递

应用冲压CAE软件PAM2STAMP对拉深模具进行分析、验证后，将模型几何信息直接导入UGS 软件系统，应用其CAM功能来生成模具数控加工模型。

用PAM2STAMP 软件产生的模具有限元分析模型中的几何信息，可以调用设计模型(CAD) 或网格(MESH) 等菜单功能很方便地导出。其CAD 文件格式有IGES 和VDA 等;网格文件格式则有UNV(IDEAS)、CDB (ANSYS)、NAS (NASTRAN) 和STL，等等。此外，还可以用VRML 格式导出文件.UGS可以直接导入由CAE 软件导出的IGES、STL 和VRML 格式文件。对于用VRML 和STL 格式导入的文件，CAM加工建模时需要按照小平面体(facet body)，而不是实体(solid body) 或片体(sheet body)来处理。汽车厂根据其产品设计出模具，凸模、凹模和压料圈型面如图1所示。

2 CAM建模及加工仿真

构建模具CAM加工模型时，在型面上选择点来确定加工坐标系(MCS)，所以上面各图中均不含模具的其它部分。在考虑工件装夹时，因为模座上已留有定位与夹压位置，故不使用夹具。

2.1 工艺方法

在CAM加工实现方法上，根据工厂数控机床设备条件，选择外形铣削(mill_contour) 和多轴铣削(mill_multi-axis) 类型。

加工工序与切削参数。在CAM 加工模型中，针对拉深模具模面特征和模具毛胚铸造方式划分粗、精加工工序。以粗加工工序一次加工模具所有型面，留后工序余量0. 5;用半精加工及精加工工序由内及外顺序加工各个型面。凹模压料面在半精加工阶段完成，其余各面留精铣余量0. 2。半精加工时，工件切入/切出公差(Intol/Outol)按默认值0.03;精加工取一半值或0.01。半精加工及精加工以环绕方式(Follow Periphery)顺铣，用残余波峰高度(Scallop)控制切削步长与精度。残余波峰高度预设值0.001，应依据后工序需要调整，在保证加工精度的前提下，应尽量减少加工程序代码数量，提高加工效率，降低加工费用。比如精加工灯饰座模具压料面，假设刀具不变，如果直接使用预设值，生成的加工程序行数是236 000。将设定值改为0.05时，NC 代码数量骤降到35 000 行，减少了67 %;在相同切削速度下，加工时间缩短2/ 3，加工效率提高2倍，加工成本也相应降低。

2.2 刀具选用

结合模具加工工艺要求，对应铸件材料，兼顾加工质量和效率等因素，优先选用硬质合金材料刀具。粗加工采用多齿立铣刀，半精加工和精加工使用球头铣刀。刀具尺寸依据模具型面形状和尺寸确定，以尽量不留或少留加工残余面为原则。

2.3 NC 程序

在CAM软件自动计算出粗加工、半精加工和精加工各道工序刀具轨迹之后，选择UGS 提供的三轴联动(MILL 3 AXIS) 数控机床模板进行后处理。新建程序组联接单个工件的全部工序，生成包括换刀在内的工件整个加工过程的NC 代码。按照汽车厂OKUMA 五面加工中心程序格式要求，对程序开头部分略做修改，即可用机床的DNC 加工配置与计算机联机验证及运行程序。

半精加工NC 程序示例：

N10 G90 G15

N20 G00 X0. 0 Y0. 0 Z300. 0

N30 T03 M06

N40 X571. 367 Y307. 3017 S4000 M03

N50 G43 Z220. 4864

N60 Z202. 6136

N70 G01 Z199. 6136 F3000 M08

N80 X569. 0259 Y307. 2905

N90 X571. 9014 Y305. 9651 Z199. 6142

N100 X572. 8294 Y305. 5417 Z199. 6143

N110 X590. 9711 Y305. 5395 Z199. 6101

N120 X609. 1128 Y305. 5373 Z199. 6144

N130 X612. 8419 Y307. 243 Z199. 6136

N140 X592. 1045 Y307. 2724 Z199. 6096

N150 X571. 367 Y307. 3017 Z199. 6136

N160 X571. 3691 Y308. 8017 Z199. 613

N170 X571. 3645

N180 X562. 2656 Y308. 7579

以上所述主要为各模具凸模的加工情况。至于凹模及压料圈加工，则是应用UGS 的CAM 软件的对象变换功能(Object →Transform) 进行镜像生成工序。其工序余量按设计和工艺要求给定;NC 程序的生成同凸模。

2. 4 加工仿真

与UGS的CAM环境集成的加工仿真工具U-NISIM，既能够动态地观察各道加工工序，又可以检查工序中所包含的任何部件相互之间的干涉或碰撞情况。应用中需要定义的部件，按工件装夹要求包括机床、夹具、工件和刀具等。各部件定义完成以后，再按工序指定NC 程序，随后即可进行加工仿真。仿真时机床运动速度(连续或单步)可按观察需要调控。

3 结语

将用于汽车车身覆盖件拉深模具分析的专业CAE软件PAM2STAMP 与CAD/ CAM 通用平台UGS相结合,把CAE几何模型交由CAM 软件进行数控加工建模、运算及仿真，填补了从CAE分析直接扩展到CAM加工的空缺，让汽车模具设计/分析/制造并行工程的推进成为可能，并使我们的应用研究工作针对汽车设计制造企业实现了CAD/ CAE/ CAM集成应用。这为本地及国内汽车行业做出了有效的示范，同时，我们非常乐意与各地从事和即将从事汽车模具CAD/ CAE/ CAM的朋友们进行更加深入细致的沟通和交流。

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