基于CAD/CAM的汽车冷冲压模模块化设计

沈海波

摘要：随着经济形势的迅速发展，汽车产业已成为国民经济中的重要部分，汽车配件模具设计成为生产中的重要流程。现代机械技术不断完善，冷冲压工艺广泛的应用于模具的制作中，促进了企业生产效率的提升。CAD/CAM一体化的模具实体参数化设计是提高模具设计质量的主要手段。

关键词：CAD/CAM一体化设计;汽车冷冲压模块

汽车冲压模具开发制造周期直接影响汽车的开发周期，CAD/CAM一体化模具实体参数化设计是提高模具设计质量的主要手段。CAD/CAM技术的应用深入，大大提高了模具质量与复杂模具的制造能力。本文简要分析了汽车行业中对CAD/CAM技术的应用，从汽车的不同位置，与性能要求等方面介绍汽车模具的不同技术指标上的应用特点。有助于设计，生产与数据管理，才能使企业处于汽车行业的前列。

一、模具实体化设计存在的问题

模块将相互独立的部分零件组装使其成为部件，将模块一次装配到车身上完成汽车整体装配。模块工艺大大提高了汽车装配质量。随着科技的进步，单一的装配工艺不能满足人们对汽车多样化的要求[1]。

我国许多模具制造业已进入了模具实体化的初级阶段，完成模具的切削加工制造。进行模具的实体设计过程存在一些问题。开发的白车身数学模型质量不高，所用的软件与模具设计者使用的软件不同，会造成曲面相接处出现细微不均匀间隙。

细小间隙在CAD上难以修复，如重新生成曲面的方法难以消除间隙，通过逆向工程照技术生成数学模型，数学模型在各小曲面相连接处有细小间隙。不能完成模具关键件的实体设计。

二、冷冲压模块化技术

（一）冷冲压技术概述

CAD/CAM一体化产品开发技术在车身设计中得到广泛的应用。逆向建模指在选定的软件中，拟合成曲线，经编辑后利用拉伸，挖孔等实体造型技术，制造出实体模型。

基于UG，CATIA等软件的CAD建模基本处理过程是点线面一体处理，先收集汽车三视图图片，输入设计师的概念，根据图像进行扫描建立车身的三维模型。对已创建的样条进行修建等编辑，可将车身的其他轮廓线扫描出来进行处理，得到车身样条线轮廓。可用片体加厚等命令将车身样条轮廓变为实体[2]。

建模后对车身进行渲染处理，对模型进行CN加工程序制作，逆向工程技术可应用于车身，钣金件等形状结构较为复杂，较少尖锐边角，结构较少的汽车零件。

（二）冷冲压技术特点

冷冲压是在常温条件下，利用冲压模在压力机上对生产用板料施加一定的压力，促使其生产塑性变形，获得实际加工中所需的形状的零件的加工方法，经常用于加工板料零部件。冷冲压技术零部件尺寸精度高，实际汽车产业在生产中采取标准化流水线作业方式，传统的手工操作方式无法满足现代社会对零部件精度的严格要求，被先进的冷冲压技术取代，满足了生产活动所需。

冷冲压技术的应用提高了企业的生产效率，采取统一标准的零部件能很大程度上促进生产效率的提升，促进汽车产业信息化发展，产品的质量得到明显的提升。有效的节约了材料成本，冷冲压技术在实际的原料生产加工中得到充分的利用，从根本上提高了材料的使用程度，面对国际竞争激烈的市场中，能取得良好的经济效益。

（三）汽车模块化装配工艺设计

汽车前端模块主要由前端框架，前保险杠防撞梁，冷凝器等组成，实现与车身左右纵梁的连接，汽车前端类似框架式结构，汽车前端采用开口结构，装配完成后送到总装线上。前端模块框架在装配中与车身采用螺纹相互联接，要保证散热器及大灯有足够的装配空间。保证大灯与发动机盖的平度与间隙要求等。前端模块化设计要使前保险杠防撞梁能固定到模块上，汽车大灯线束的插接及进出水管都要进行考虑。

車门模块化装配可确保驾驶室内零部件装配的接近性，提高整体装配质量。采用模块化设计车门组装可简化生产线机械结构，车门等模块主要包括锁，后视镜，限位器等零部件。车门模块装配设计时要确保车门安装后的间隙，及线束间的连接可靠性。

三、模具的模块化实体设计

冷冲压模具的制造，模具的结构设计及分析，抛光与配试模及快速成型制造等，CAD单元技术有造型结构设计，结构分析与优化设计，加工过程虚拟方针，辅助工艺过程等。冷冲压模具CAD/CAM集成技术，是各项单元技术集成，实现信息集成与数据资源共享，提高制模质量。

模具的CAD设计，包括产品模型确定模具结构类型，确定模架，板料形成过程分析等方面。利用先进的特征造型软件如UGLL等生成上下模架，进行定位，出料与卸料布置等。利用模具分析软件如CFLOW进行板料的成形过程分析。通过输入成形工艺参数，可动态仿真分析板料凹凸模，分析板料各受力部位的应力变化情况等。根据分析情况检查模具结构的合理性，产品的质量问题等。如是否出现拉伸中的拉断现象，是否存在产品结构不合理，是否间隙过大，出现充采件毛刺过大，降低模具的寿命等。通过CAD设计分析，将错误消除在设计阶段。

冲压模具设计阶段应用许多新的计算机辅助技术，如特征造型技术等，冲压模具中有许多标准件，如标准凹凸模，导向零件等可采用基于数据库管理的参数化特征造型设计方法进行设计。使模具的设计分析快速高效。参数化特征造型可完整的描述产品的几何图形信息，建立的产品模型是易于处理的模型。参数特征造型技术是模具制造中的重要技术。

四、基于CAD技术的汽车设计实例

利用CAD等软件零件设计中的三维建模功能，通过倒圆角等命令建立缸体侧盖铝合金压铸零件实体三维模型。未发现未拔模的情况。利用CAD软件制作中的模具型腔模块进行，设计用于固定成型镶块，浇口套及抽芯机构的模架。设计浇注系统，将金属液热室铸机的喷嘴导入型腔内。设计溢流系统，冷却系统，推出机构与复位机构，设计出汽车缸体侧盖压铸模。

应用普通铸造难以下手的多开边，大口径薄壁铝合金壳体类铸件，运用CAD软件三维造型设计出模具的正面型腔，用线条画出加强筋，螺纹连接孔，线条可用作CAM数控编程加工的控制边界，通过设置边界雨量精确快速制造出需要的模具。

离合器壳模具CAM，将模具工装组建分解，上模板，支撑杆与定位销等单独加工，组装完整的凹模模具工装组合。螺栓与垫圈可选用标准件。支撑杆在普通车床上加工，上模板可在普通铣床上加工，板面的孔可在坐标镗床上加工，将CN代码传输到数控设备上进行模具加工。

汽车总布置采用模块化设计，模块间彼此可以交换数据，在三维空间内进行，对建立车坐标系很有必要。在已建立的坐标系中建立数学模型，设计完成后进行干涉检查，汽车动力性，制动性是性能分析的重要工作。

汽车总布置CAD系统设计中产生的系列数据对今后工作有很大的帮助，总成图形存储与整车总布置密切相关的零部件，总布置数据库主要包含设计中的中间参数，具有动态性。

五、模具的CAD/CAM一体化设计

利用CATIA CAD/CAM一体化实体设计软件，通过数控加工程序设计弥补CATIA CAD实体设计的不足。制定冲压工序零件数学模型，制定工序件的冲压方向。模具的设计从整体上分为数学模型覆盖下的模块设计及区域外的模块设计。

先在工序件数学模型基础上完成六面体的设计，因技术改进需在加强件上增加2活口，避免装配时发生干涉现象。因上右加强件的冲压磨具采用逆向工程照相机是建立数学模型，采取模块化设计方案设计冲孔模。

根据制件工艺要求制定冲压方向，冲压工艺补充，利用CATIA的EXTRUDE，FILL生成曲面所需的功能。冲孔模结构设计包括模架设计，凸凹模设计。模架采用参数化设计方式设计。

采用模块化设计方法，依据三维标准件使模具结构标准化，借用已有的模具结构经简单编辑完成新模混色机。凹模块六面体设计利用CATIA CAM中的毛坯料定义功能，利用CREATES ROUGH STOCK功能生成六面体。考虑到模具的闭合高度确定凹模块的高度，凹模刃口布置情况确定凹模的长度。通过编辑六面体的SKECHER等数值，观察六面体包含制件的范围大小。考虑模具结构的冲压稳定性等诸多因素，确定六面体具体尺寸，在CAM设计中，六面体可作为凹模的毛坯使用。需进行进一步设计。

凹模块粗略设计首先进行数学模型覆盖下的凹模实体模块设计，将底面边界投影到平面，作PAD拉伸成六面体，进行数学模型覆盖区外的凹模实体设计，投影并编辑数学模型边界线，作PAD拉伸，防止冲压时产生的侧向冲裁力对冲压的影响。

六、CATIA CAD/CAM一体化设计的优点

利用CATIA CAM可将实体与曲面做PART，通过数控加工制造出工件，解决了模具实体设计难题，通常实体与制件曲面间存在的非故意需用曲面缝补，利用CATIA CAD/CAM可省略检查工作，设计出压料板的六面体结束了模具的实体设计，利用CATIA CAM进行设计时，只需在垂直刀具轴线方向上无较大的间隙，不会影响刀具轨迹的生成。可忽略曲面间隙的影响。利用CAM软件通过使用CAM将模具实体做成PART的功能，利用CATIA的曲面设计代替汽车冲压模具关键部件的实体设计。

汽车冲压模具的模块化实体设计，提高了汽车冷冲模的设计效率，可直接检查干涉等现象，减轻了设计人员的劳动强度，对数学模型覆盖下的模面部位不做实际意义的实体设计。适应当今汽车冷冲模制作业的发展。

七、结语

汽车冲压模具的模块化实体设计，4提高了汽车冷冲模的设计效率，可直接检查干涉等现象，只对数学模型的边界作编辑式模具关键件的实体设计，对含糊面的关键件创建粗略块体即可。汽车的开发是在对CAS/CAD集成自动化技术应用基础上，应用CIMS，采用并行工程，敏捷制造等，运用新工艺加工汽车产品的设计开发，检测维护等过程。

参考文献

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廖阳.汽车冷冲压拉延模挠度研究[J].时代汽车，2017（22）：73–74.

李運杰，宋健.汽车冷冲压模的模块化设计汽车技术，2004（11）：37–40.