1、汽車車身模具開發的技術戰略研究    關鍵詞：汽車車身模具；共性技術；CAE；技術戰略；工藝補償一、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，人們已經越來越認識到產品質量、成本和新產品的開發能力的重要性。而模具制造是整個鏈條中最基礎的要素之一，模具制造技術現已成為衡量一個國家制造業水平高低的重要標志，并在很大程度上決定企業的生存空間。 汽車車身模具是汽車制造業必不可缺少的部分，是整個汽車改換型中最關鍵的部分，其技術水平和生產效率直接關系到汽車產品的制造水平、制造質量、制造周期和更新換代能力，其制造過程占用汽車開發周期大部分時間。如何快速、低

2、成本、高質量地開發車身模具，取決于該領域一系列關鍵的共性技術。車身模具開發制造的共性技術存在多個方面，其主要關鍵共性技術包括： (1)車身零件基準的合理確定和相互精確匹配協調； (2)車身零件沖壓工藝合理制定及缺陷預測優化； (3)車身模具結構設計的先進方法及虛擬動態模擬，產前合理優化； (4)車身沖壓件成型回彈控制及精確補償方法； (5)車身模具工藝建模的工藝補償性(干涉補償)技術； (6)車身沖壓件修邊線快速確定技術； (5)特征標準工藝和標準工時的建立及CAPPT藝編制系統； (6)虛擬真實環境的模具加工和調試仿真； (7)柔性數控生產的建立，協同、多軸、高效加工的綜合應用； (8)車身

3、模具誤差分析理論的應用，技術過程閉環系統的建立； (9)模具沖壓件與焊接夾具之間的協調技術。 研究汽車車身模具開發的技術戰略決定著汽車發展的方向和質量，決定了汽車模具企業的競爭能力和市場地位，同時也將引導和推動模具行業的科技進步。 二、國內外模具技術現狀 (一)國外發展現狀 歐美車身模具的生產技術水平，在國際上是一流的。模具設計制造關鍵共性技術已廣泛應用，成為快速制造車身工藝裝備、促進汽車業快速發展的有力保證。具體表現在： CADcAEcAM已成為工藝裝備企業普遍應用的技術。在CAD的應用方面，已經超越了甩圖板二維繪圖的初級階段，3D設計已達到了7089。PROE、uG、CIMATRON等軟件

4、已應用很普遍。他們應用這些軟件不僅可完成2D設計，同時可獲得3D模型，為Nc編程和CADcAM的集成提供了保證。在設計時進行裝配干涉的檢查，保證設計和工藝的合理性。柔性數控加工方式的普遍應用，保證了工藝裝備零件的加工精度和質量。3050人的模具企業，一般擁有數控機床十多臺。經過數控機床加工的零件可直接進行裝配，使裝配鉗工的人數大大減少。CAE技術已經逐漸成熟，體現在模擬金屬變形過程，分析應力應變的分布，預測破裂、起皺和回彈等缺陷，自動確定修邊線等等。意大利COMAU公司應用CAE技術后，試模時間減少了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，現在則l到2次就完成預期目標，豐田汽車

5、公司在引入仿真系統以后，減少了模具設計和制造過程中46的試驗和修改工作。 (二)國內發展現狀 我國的車身模具工業雖然起步較晚，但通過近20年來的技術改造、技術引進和創辦“三資”企業等，生產能力和技術水平有了很大的提高，模具工業一直以15左右的增長速度快速發展，模具企業的所有制成分也發生了巨大變化，除了國有專業模具廠外，集體、合資、獨資和私營得到了快速發展。目前全國模具廠家有3萬余家，而中外合資和外商獨資的模具企業已達幾千家。許多模具企業加大了用于技術進步的投資力度，將技術進步視為企業發展的重要動力。浙江寧波和黃巖地區形成“模具之鄉”；科龍、美的、康佳等集團建立了自己的模具制造中心；各大汽車集團

6、也在積極籌建較大的汽車車身模具生產基地。除一汽、二汽、天汽、成飛、哈飛等實力強大的模具廠外，安徽奇瑞汽車、上汽集團、北汽集團、躍進汽車集團都在全力擴建自己的模具中心；五糧液酒廠投入8億人民幣巨資創建具有相當規模的模具制造廠，北京比亞迪投入2.5億元人民幣增加設備。河北泊頭眾多模具廠揭竿而起，發展極其迅速，數控設備總數可達100余臺。這些企業都成為本集團或本地區的主要經濟創收單位。 國內的CADCAEcAM技術近幾年發展迅速。國內模具企業目前已普及了二維CAD，并陸續開始使用UG、ProEngineer、Catia、I-DEAS、Euclid-IS等國際通用軟件，一些許多廠家還引進了Moldfl

7、ow、autoform、DYNAFORM、pam stamp和MAGMASOFT等CAE軟件，成功應用于沖壓模的設計中。 以汽車車身模具為代表的大中型沖壓模具的制造技術已取得很大進步，天津汽車模具公司、東風汽車公司模具廠、一汽模具中心等模具廠家已能生產大部分轎車覆蓋件模具。此外，許多研究機構和大專院校也在開展模具技術的研究開發，經過多年的努力，在模具CADCAECAM技術方面取得了顯著進步；部分專家系統已被應用于產品開發與設計的各個階段，并且在產品的生產與制造過程中，在提高模具質量和縮短模具周期等方面做出了貢獻。       

8、; 例如，吉林大學汽車覆蓋件成型技術所研制的汽車覆蓋件沖壓成型分析KMAS軟件，華中理工大學模具技術國家重點實驗室開發的汽車覆蓋件模具和級進模CADcAECAM軟件及Fastamp分析軟件，上海交通大學模具CAD國家工程研究中心開發的冷沖模CAD軟件等在國內模具行業已擁有不少的用戶。中科院軟件工程研制中心近期又開發出新一代沖模CAD系統PICAD，還有北航的PANDA系統，清華的GEMS系統，浙大的MESSAGE系統，等等。同時各大模具公司還在致力于模具模板化設計的研發和應用。 雖然中國模具工業在過去二十多年中取得了令人矚目的發展，但許多方面與工業發達國家相比仍有較大的差距。例如，精

9、密加工設備在模具加工設備中的比重比較低；CADcAEcAM技術的普及率不高；許多先進的模具技術應用不夠廣泛，諸如模具結構通用化和模具零件標準化、特征技術的應用、參數化造型方法、模具CAD的智能化、模具CAD的專業化，都還缺乏開發和應用的深度。致使相當一部分大型、精密、復雜和長壽命模具依賴進口。 汽車工業的發展水平是一個國家經濟和科技實力的象征。在新車型的研究開發到投產整個周期中，模具設計與調試所用時間最長，汽車車身模具特別是大中型覆蓋件模具，技術密集，體現當代模具技術水平，是車身制造技術 的重要組成部分。車身模具設計和制造約占汽車開發周期三分之二的時間，成為汽車換型的主要制約因素。汽車工業發展

10、的關鍵之一是車身，車身制造的關鍵在模具，而作為汽車和模具工業發展的一種高科技技術，CADCAECAM集成系統已成為國內外汽車公司產品制勝的法寶。 三、車身模具開發的技術戰略 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戰略。克萊斯勒公司在先前選擇了法國Dassault Sys2ftem公司開發由IBM公司銷售CATIA的軟件，作為設計開發新車型的基本CADI具，后來又購買了Parameltc Technology公司的ProEngineer系統作為補充，在工廠布置設計方面，使用AutoCAD及integraph的軟件，在CAM方面，克萊斯勒使用CATIA以及Dassault

11、開發的數字制造過程系統(DMAPS)程序。美國通用公司的模具CADcAM系統包括CSG系統，GMFORM系統，TRACS系統，PACS系統。其CSG(Coporate GraphicsSystem)系統專用于模具型面設計，包括沖壓方向分析及工藝補充部分。美國通用公司在應用該系統后，模具的設計制造周期大大縮短了。此外，其它的汽車公司也都開發應用了CADcAM系統，如馬自達公司，富士重工業公司、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，國外大汽車公司為了降低模具開發、制造成本，縮短生產周期，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模具公司(

12、女ffFontana Pietro、Kuka、Laepple、SchulerTechniaca等)設計和制造，Cartee、Ogi hala、Fuji這些公司都有很強的開發能力，并在某些零件的模具制造方面擁有獨到的優勢。但作為整車廠，考慮到新車型開發過程中的保密，對諸如翼子板、行李箱蓋、車門、側圍、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計和制造。 (一)建立軟件環境 車身模具設計，目前最方便且最易于被汽車廠接受的，能夠確保曲面質量的高端軟件當屬UG、CADIA。除了必要的CAD軟件之外，還必須應用有限元模擬軟件，如AutoForm、PanmStamp、DynaForm、In

13、deed等，來輔助沖壓工藝設計。從使用的方便性，快速性、易學性來看，應優先選用AutoForm，但為了使分析精確化，最策略的是將AutoForm、PamStamp、DynaForm復合應用，實現優勢互補。 現以AutoForm為例，說明如何利用CAE軟件來設計拉深工序工藝補充面。AutoForm是一款由瑞士開發的專業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，還可以進行沖壓件單步法成形模擬以及拉深工序工藝補充面(Addendum)的設計。轎車沖壓件中，約有23可以利用AutoForm的Diedesigner Module模塊設計Addendu

14、m，該模塊根據由設計者指定的或由軟件自動產生的壓邊圈型面，以及工藝補充面的多條截面線(Profile)，能夠快速地生成工藝補充面，用于拉深工序的模擬。壓邊圈型面、Profile均可行參數化式的調整。這種快速設計是建立在對Addendum曲面的粗略構造上的，即曲面面片本身以及曲面面片之間的連續并非十分光順，盡管這種曲面不能夠直接用于模具表面的機械加工，但是對于模擬精度的影響卻不是很大。根據模擬結果，設計者可以很方便地對工藝補充面進行調整，直到模擬結果滿足設計要求。最后，將壓邊圈、Addendum曲面和Profile(以中性數據格式IGS或VDA輸出，在CAD軟件中進行曲面重構)并結合產品數模，就

15、能夠得到機加工可以使用的拉深工序模具數模。 沖壓工藝傳統設計方法：首先，在經驗基礎上，利用CAD設計工藝補充面；其次，將CAD數模傳遞給AutoForm等CAE軟件進行拉深過程模擬；根據模擬結果，在CAD中對工藝補充面進行調整，并將新的CAD數模傳遞給CAE，開始新的模擬，直到滿足要求為止。這是一個從CAD到CAE再回到CAD的不斷反復的過程。由于每次在CAD中構造曲面都遠較在AutoForm中復雜，因此，整個過程所花費的時間就多得多。而新方法在沖壓工藝設計初期，就用Diedesigner Module在AutoForm軟件中設計并調整拉深工藝補充面，與傳統的設計方法相比，就能夠大大提高設計效

16、率。        由于AutoForm是一款快速模擬軟件，為了在較短的時間內對復雜沖壓件的成形過程進行評價，采用了膜單元來離散幾何模型，必然要降低模擬精度，因此，有些汽車公司在模具設計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，對拉深工序進行再次模擬(Indeed軟件的計算是基于帶厚度的殼單元的，能夠得到更為準確的計算結果，但是其計算所花費的時間通常是AutoForm的幾到十幾倍，該軟件比較適用于最終驗證)，所有拉深工藝必須通過Indeed模擬并驗證為是可行的，才可用于模具設計。

17、(二)建立可行的技術路線 圍繞車身模具開發制造的關鍵共性技術建立可行技術路線。 (1)研究關鍵車身覆蓋件的沖壓成形技術，制定分類零件的典型工藝；通過沖壓數據庫保存仿真結果和模具調試結果； (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調變形問題； (4)開發和應用模板化模具設計方法； (5)研究實現工藝成型的回彈補償、干涉補償(產品母模自動驅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用，提高回彈補償精度； (6)通過先進的CAE軟件功能開發，實現修邊線自動計算生成； (7)實現虛擬模具動態干涉檢查功能； (8)建立特征標準工藝和標準工時計算公式，優化后建立CAPP自動編制系統； (9)研究虛擬真實環境的模具加工和調試仿真； (10)建立柔性數控生產線，實現協