富康車門外板模具設(shè)計模具設(shè)計畢業(yè)論文

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1、 富康車門外板模具設(shè)計 摘 要 本文所研究的汽車覆蓋件的數(shù)字化建模，在現(xiàn)代汽車制造業(yè)中起到了非常重要的作用。本文以富康牌小轎車左后門作為研究對象，進行了車門的曲面逆向重構(gòu)及車門覆蓋件模具設(shè)計。 文章對車門外板利用三維激光掃描儀進行三維坐標測量得到點云數(shù)據(jù)，對所得點云數(shù)據(jù)使用逆向工程軟件CATIA進行預(yù)處理。包括點云的抽稀、修剪、補洞、形成三角網(wǎng)格等；用CATIA軟件對其進行逆向工程加工，即進行曲面重構(gòu)，得到重構(gòu)出的車門曲面；以重構(gòu)出的曲面為基礎(chǔ)，對車門外板的拉伸模具進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在SolidWorks軟件中做出凸模、凹模和壓料圈等結(jié)構(gòu)；在此基礎(chǔ)上，計算拉伸模具的沖壓過程中模具的受力情

2、況，利用SolidWorks軟件中的Simulation對拉伸模具進行有限元分析。 關(guān)鍵詞：汽車覆蓋件；逆向工程；拉伸模具；有限元分析 ABSTRACT This task is about the Digitized Modeling of the automobile panels, which plays an important role in the Automobile Manufacture in modern times. In this article, we select the left back door to carry on a series of inv

3、estigation including surface reconstruction and drawing dies. In this thesis, we use the Three-dimensional to scan the car door panels, and we achieve the point cloud. Then we choose CATIA, which is a high-class software of Inverse Engineering, to process the data. Next ，it’s the processing of the

4、 point cloud and surface reconstruction. As the surface finished, the drawing dies need to be modeled. To meet the challenge, we construct them by the software of SolidWorks. There are three parts in the drawing dies, which are punch, die and blank-holder. On the basic of the drawing dies, we need t

5、o analyze the load-carrying capability of the drawing dies. As a result, there is some CAE Analysis by SolidWorks Simulation. Keywords: Automobile Panels, Inverse Engineering, Drawing Dies, CAE Analysis 目錄 第一章 概論 1 1. 課題內(nèi)容及意義 1 2. 汽車覆蓋件國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2.1 國外研究現(xiàn)狀與分析 2 2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀與分析 2 3. 逆向工程的發(fā)

6、展狀況 3 4. 現(xiàn)代汽車模具工業(yè)發(fā)展趨勢 3 5. 課題研究技術(shù)路線 4 第二章 車門外板點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理 5 1. 車門外板點云的采集 5 1.1 三維激光掃描儀介紹 5 1.2 點云的獲取 6 2. 點云的抽稀 6 3. 點云數(shù)據(jù)的修剪 7 4.三角網(wǎng)格的建立 7 5. 修補曲面 8 第三章 車門外板的曲面重構(gòu) 10 1. 曲面重構(gòu)的方法 10 2. 車門板面的重構(gòu) 10 3. 車門窗框的重構(gòu) 13 4. 車門連接的重構(gòu) 15 5. 車門把手的重構(gòu) 16 第四章 車門外板的拉伸模具結(jié)構(gòu)設(shè)計 19 1. 拉伸模具介紹 19 2. 拉伸模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

7、 20 3. 凸模和凹模的設(shè)計 22 3.1 凸模和凹模介紹 22 3.2 凸模和凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計 22 3.3 凸模和凹模的圓角設(shè)計 25 3.4 凸模和凹模的間隙設(shè)計 25 4. 壓料圈的設(shè)計 26 5. 輔助裝置的設(shè)計 27 5.1 導(dǎo)向裝置 27 5.2 卸料裝置 28 第五章 拉伸模具工藝計算及主要參數(shù)確定 29 1. 毛坯尺寸的確定 29 2. 模具相關(guān)重要尺寸的確定 29 3. 計算拉伸工序的力 29 4. 修邊力、卸料力、推件力及頂件力的計算 30 第六章 車門外板拉伸模具的CAE分析 34 1. 車門外板拉伸模具CAE分析的意義 34 2.

8、 軟件對拉伸模具的有限元分析 34 2.1 凹模的有限元分析 35 2.2 凸模的有限元分析 36 第七章 結(jié)論 39 致 謝 40 參考文獻 41 附錄 43 概論 第一章 概論 1. 課題內(nèi)容及意義 我國的汽車制造工業(yè)雖然正以前所未有的速度發(fā)展，但是目前產(chǎn)品的自主研發(fā)與創(chuàng)新能力明顯不足，大多還是靠技術(shù)引進，而關(guān)鍵零部件和核心技術(shù)仍依賴國外公司。其中，汽車覆蓋件的制造是汽車車身制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其產(chǎn)品的開發(fā)及模具設(shè)計與制造更是受制于其他國家。 運用逆向工程，對汽車覆蓋件的數(shù)字化建模不僅可以彌補傳統(tǒng)設(shè)計上存在的技術(shù)缺陷，使產(chǎn)品的外觀或局部性能更好地滿足不同

9、用戶的需求，而且縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期，降低了生產(chǎn)成本，同時逆向工程與快速成型技術(shù)的結(jié)合，即CAD/CAE/CAM以及RPM(快速成型制造)的綜合運用將使我國汽車制造業(yè)產(chǎn)生前所未有的本質(zhì)變化。 為此，本課題以富康牌汽車的左后門外板為研究對象，對其進行三維測量并且進行逆向的曲面重構(gòu)，并創(chuàng)建拉伸模具，對其進行分析，完成CAD/CAE的綜合應(yīng)用。此次汽車覆蓋件的數(shù)字化建模設(shè)計有助于我們進一步學(xué)習(xí)和研究有關(guān)逆向工程以及模具制造等方面的技術(shù)，培養(yǎng)我們的實踐和自學(xué)能力。通過對該模型的曲面重構(gòu)和拉伸模具設(shè)計，綜合的運用了CAD/CAE知識和方法，培養(yǎng)善于運用計算機技能、工程圖紙以及書面和口頭表達工程技術(shù)的能力

10、,同時也訓(xùn)練我們查閱應(yīng)用中外科技文獻，提高我們的綜合能力，為研究生階段打下一定的基礎(chǔ)。 2. 汽車覆蓋件國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 汽車覆蓋件的設(shè)計與開發(fā)，主要歸結(jié)為汽車車身的開發(fā)。車身設(shè)計開發(fā)技術(shù)是汽車（尤其是轎車）自主開發(fā)能力的重要組成部分，我國與國外先進技術(shù)還是有很大的差距。 2.1 國外研究現(xiàn)狀與分析 目前，國外已經(jīng)形成一套成熟的從概念設(shè)計到造型風(fēng)格的理論與方法，并采用基于正向設(shè)計思路開發(fā)新產(chǎn)品，然后根據(jù)市場的需求變化，再進行車身改型或改裝來改進產(chǎn)品。 由于國外CAD/CAE/CAM技術(shù)應(yīng)用較早，軟硬件系統(tǒng)功能強大，各大汽車公司已普遍建立了完善的虛擬產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，已積累了大量的經(jīng)驗和

11、品牌風(fēng)格。因此，對汽車覆蓋件的三維重構(gòu)，國外更多的是著眼于研究二維圖向三維模型轉(zhuǎn)換的智能識別與自動重構(gòu)系統(tǒng)[1][2][3]和對實物逆向的曲面重構(gòu)技術(shù)[4][5]，并提出了許多有效的理論和方法。對汽車覆蓋件的工藝分析與成形仿真，國外各汽車公司非常重視在產(chǎn)品批量生產(chǎn)之前對產(chǎn)品的工藝分析和可成形性與沖壓工藝的研究與優(yōu)化。當產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝發(fā)生矛盾時，通常采用修改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的方法來達到既滿足整車結(jié)構(gòu)又滿足制造工藝要求[6]。同時，國外從概念設(shè)計開始就大量采用有限元模擬技術(shù)[7]，實現(xiàn)對產(chǎn)品的動力學(xué)分析、虛擬裝配等的有效分析和預(yù)防，大大節(jié)省了開發(fā)成本，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。 2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀與

12、分析 與國外的發(fā)展現(xiàn)狀相比，我國從嚴格意義上對車身開發(fā)還沒有形成從概念設(shè)計到造型風(fēng)格的系統(tǒng)工程[8],新產(chǎn)品的開發(fā)能力很弱，更多的是通過引進國外技術(shù)或委托國外公司進行對汽車的開發(fā)。 國內(nèi)對由二維工程圖紙重構(gòu)出三維CAD模型的研究也比較廣泛、深入，發(fā)表了大量的論文[9][10]，但對汽車覆蓋件等特別復(fù)雜的零部件研究相對較少，尤其是沒有形成成熟的系統(tǒng)理論和行之有效的方法。對于逆向工程技術(shù)，我國在跟蹤國外的研究理論、算法和方法進展的基礎(chǔ)上進行了較多的應(yīng)用研究，并取得了較大的理論成果，已成功應(yīng)用于汽車車身的開發(fā)實踐。對于汽車覆蓋件的工藝分析與成形仿真，在國內(nèi)，對整車性能及效果、沖壓件的工藝性及經(jīng)濟

13、性的重視還不夠，導(dǎo)致產(chǎn)品制造成本高、質(zhì)量差。同時，我國在有限元分析方面，大大落后于國外的發(fā)展應(yīng)用水平，計算機輔助與虛擬產(chǎn)品開發(fā)基礎(chǔ)薄弱。在實際的汽車覆蓋件工藝分析中，大部分依靠專家的經(jīng)驗來分析。 隨著我國加入WTO，市場競爭的不斷加劇，各大公司正逐漸建立起自己的信息系統(tǒng)平臺，各種主流軟件正逐漸被應(yīng)用于汽車產(chǎn)品的開發(fā)中。我國在先進計算機技術(shù)、虛擬數(shù)字化技術(shù)等方面的研究與應(yīng)用水平正逐步向國外看齊。 3. 逆向工程的發(fā)展狀況 逆向工程技術(shù)(Reverse Engineering，簡稱RE)是隨著計算機技術(shù)的普及和進步，以及計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù)(CAD/CAM)的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來的。它是一

14、個多學(xué)科綜合性的術(shù)語，是以設(shè)計方法學(xué)為指導(dǎo)，以現(xiàn)代設(shè)計理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運用各種專業(yè)人員的工程設(shè)計經(jīng)驗、知識和創(chuàng)造思維，對已有新產(chǎn)品進行解剖、深化和再創(chuàng)造，是已有設(shè)計的設(shè)計[11][12]。 在制造業(yè)，逆向技術(shù)是根據(jù)實物模型和樣件測量數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，得到其設(shè)計思想，從而進一步修改原有設(shè)計，然后將這些模型和表征用于產(chǎn)品分析、制造和加工生產(chǎn)的技術(shù)。隨著數(shù)控測量技術(shù)的發(fā)展，這種技術(shù)己被廣泛應(yīng)用于機械、輕工、航空、航天、造船、汽車和模具等現(xiàn)代制造業(yè)的各個領(lǐng)域[13]。 4. 現(xiàn)代汽車模具工業(yè)發(fā)展趨勢 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，新車型更新?lián)Q代的速度不但加快，傳統(tǒng)的覆蓋件模具設(shè)計制造方法已不

15、能適應(yīng)產(chǎn)品開發(fā)的要求。汽車覆蓋件模具作為汽車車身生產(chǎn)的重要工藝裝備，直接制約著汽車產(chǎn)品的質(zhì)量和新車型的開發(fā)。覆蓋件模具因其設(shè)計制造難度大、周期長而常常成為制約汽車生產(chǎn)的主要因素。通用的二維CAD系統(tǒng)無法滿足模具設(shè)計的一些特殊要求。為了提高模具設(shè)計的技術(shù)水平、縮短模具設(shè)計周期，應(yīng)用針對汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的CAD系統(tǒng)進行設(shè)計是十分必要的。 5. 課題研究技術(shù)路線 汽車覆蓋件的數(shù)字化建模，包括了覆蓋件的點云數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、曲面重構(gòu)、建立拉伸模具、CAE分析等方面，需要分步驟完成。本課題的研究步驟如下： （1）根據(jù)課題任務(wù)要求，閱讀查閱國內(nèi)外相關(guān)資料，了解逆向工程的相關(guān)知識，并學(xué)習(xí)CAT

16、IA軟件。 （2）用三維激光掃描儀對富康車左后門外板進行掃描，獲得點云數(shù)據(jù)，并且用CATIA軟件對獲得的數(shù)據(jù)進行處理。 （3）用CATIA軟件將處理的點云數(shù)據(jù)進行曲面重構(gòu)。 （4）以重構(gòu)的曲面為基礎(chǔ)，用SolidWorks軟件的模具設(shè)計模塊進行拉伸模具設(shè)計。 （5）用軟件對拉伸模具進行CAE分析。 41 車門外板點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理 第二章 車門外板點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理 1. 車門外板點云的采集 1.1 三維激光掃描儀介紹 近年來，隨著傳感技術(shù)、控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的樣件表面數(shù)字化方法。數(shù)據(jù)的采集方式主要有兩種[14][15][16]：一是傳統(tǒng)的接觸式

17、測量法，如三坐標測量儀、三維激光掃描儀等；二是非接觸式測量法，如激光三角法、圖像法、距離法等。 三維激光掃描儀是指在三維可測的空間范圍內(nèi)，能夠根據(jù)測頭系統(tǒng)返回的點數(shù)據(jù)，通過三坐標的軟件系統(tǒng)計算各類幾何形狀、尺寸等測量能力的儀器。其工作原理是將被測零件放入它允許的測量空間，精確地測量出被測零表面的點在空間三個坐標位置的數(shù)值。本次數(shù)據(jù)測量采用STINGER柔性臂三維激光掃描儀，輕便易操作，它具有測頭自動識別和補償功能，并且主軸可以無限旋轉(zhuǎn)，能夠檢測到不容易達到的位置，并且避免臂身在旋轉(zhuǎn)過程中突然停止帶來的傷害。三維激光掃描儀見圖2-1。 圖2-1 三維激光掃描儀 1.2 點云的獲取 測量時

18、，首先選擇適當?shù)奈恢梅胖萌S激光掃描儀，保證車門外板在測量范圍之內(nèi)。然后旋轉(zhuǎn)測頭，將車門外板均勻掃描。在掃描過程中，應(yīng)當注意以下方面：三維激光掃描儀和車門相對位置不可移動，測頭與車門之間的距離要適當，以減少或避免出現(xiàn)不必要的噪聲。 2. 點云的抽稀 三維激光掃描儀對車門外板進行掃描，由于人為的操作，往往會獲得很大的點云數(shù)據(jù)，而其中包括大量冗余數(shù)據(jù)，這樣會對后面的曲面重構(gòu)帶來困難。因此，對掃描出的文件，需要在逆向工程軟件中按照一定的要求去除重復(fù)數(shù)據(jù)；同時一些對重構(gòu)結(jié)果影響不大的數(shù)據(jù)點，也要相應(yīng)地去除。 選用CATIA這一軟件完成點云處理以及后續(xù)的曲面重構(gòu)。CATIA軟件是逆向工程的軟件之一

19、，其各個模塊基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，因此CATIA的各個模塊存在著真正的全相關(guān)性，三維模型的修改，能完全體現(xiàn)在二維、有限元分析、模具和數(shù)控加工的程序中。同時，它還有強大的曲面、結(jié)構(gòu)設(shè)計功能?，F(xiàn)在，CATIA軟件比較廣泛地用于汽車、航空航天、輪船、軍工、儀器儀表、建筑工程、電氣管道、通信等方面。因此在汽車制造行業(yè)，許多國內(nèi)外知名公司都采用了CATIA這一成熟的軟件。 在CATIA軟件的Digitized Shape Editor（DSE）模塊中，首先Import（導(dǎo)入）點云文件，選擇Filter選項，對點云數(shù)據(jù)進行稀釋，稀釋后的點云數(shù)據(jù)如圖2-2。過濾多少必須適當，過濾過多的點云數(shù)據(jù)將使點云數(shù)據(jù)過

20、少，無法表現(xiàn)原始點云數(shù)據(jù)的外形，如果過濾太少將使點云數(shù)據(jù)過多，浪費計算機資源。 圖2-2 抽稀后的點云數(shù)據(jù) 3. 點云數(shù)據(jù)的修剪 稀釋后的點云數(shù)據(jù)，由于在掃描中的各種原因，有一些多余的不必要的點云，與所需點云數(shù)據(jù)不在同一曲面上，如圖2-3。這時需要進行修剪，將不需要的點云數(shù)據(jù)刪除，才可以進行后續(xù)的曲面重構(gòu)任務(wù)。因此，使用QSR模塊中的Remove（刪除點）功能對其進行處理。 圖2-3 多余的點數(shù)據(jù) 4.三角網(wǎng)格的建立 修剪后的點云數(shù)據(jù)，由于點云的曲面可能不夠平滑或者有孔洞，需要用Mesh Creation（建立網(wǎng)格）功能，建立適當?shù)娜蔷W(wǎng)格。完成后，將點云隱藏。形成的三角網(wǎng)

21、格如圖2-4。 圖2-4 三角網(wǎng)格 5. 修補曲面 在掃描過程中有時會遇到一些無法掃描到的部分，或者點云抽稀時，抽稀過度，局部點云被刪除，形成了孔洞。此時就必須利用Fill Holes（孔填充）功能將殘缺的地方填補起來，以便進行后續(xù)的曲面重構(gòu)?？滋畛鋾r，首先設(shè)定補洞的間距規(guī)格，然后選擇孔洞的邊緣，此時將會出現(xiàn)綠色邊線，點擊確定，形成了邊線范圍內(nèi)的多個連續(xù)的三角面片。完成孔洞的填充。如圖2-5,2-6,2-7。 圖2-5 孔洞 圖2-6 孔填充編輯 圖2-7 曲面修補完成 車門外板的曲面重構(gòu) 第三章 車門外板的曲面重構(gòu) 車門外板在進行了三維坐標數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，就

22、可以利用CATIA軟件中的Quick Surface Reconstruction（QSR）模塊以及創(chuàng)成式外形設(shè)計模塊進行曲面重構(gòu)。根據(jù)車門外板的結(jié)構(gòu)不同，可將其劃分為四個區(qū)域：車門板面、車門窗框、車門連接、車門把手。 1. 曲面重構(gòu)的方法 曲面重構(gòu)有多種方法。當掃描的點云數(shù)據(jù)完整或者要重構(gòu)的曲面在所掃描的點云數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)是，可以利用輪廓線的曲面擬合重構(gòu)。當掃描的點云數(shù)據(jù)不完整時，可以利用約束曲面的功能進行曲面的重構(gòu)。 由于掃描的點云數(shù)據(jù)邊線不夠完整，并且車門形狀與白車的車門形狀不同，因此采用利用約束曲面的方法進行曲面重構(gòu)：首先作車門曲面上的平行輪廓線，利用輪廓線進行掃掠，得到一系列相交

23、的曲面；其次，在特定的平面上作車門外輪廓線，以此為基礎(chǔ)作拉伸曲面，即約束曲面，與掃掠曲面相交；再次，完成其余部分的曲面掃掠，以輪廓線為邊線進行曲面的分割；最后，將曲面連接處進行倒圓角處理。將不必要的部分曲面隱藏，得到最終曲面。 2. 車門板面的重構(gòu) 車門外板面積較大，是車門的重要組成部分，而局部曲面曲率變化大，因此作為最先處理的部分。 首先沿車門外板面用3D Curve(3D曲線)選項，做出多條輪廓線，如圖3-1。注意取點時選擇3-4個點即可，過多對后面接合倒角不利。由于取點時只能取曲面內(nèi)的較平滑的點，因而連得曲線長度不夠。需要使用外插延伸功能進行雙向延伸，同時能保證曲率變化較平緩，得輪

24、廓線如圖3-2。 圖3-1 輪廓線 圖3-2 外插延伸后的輪廓線 由于后續(xù)需要建立車門的拉伸模具，而掃描的車門與白車的車門有局部的不同，因此逆向重構(gòu)時需要在掃描所得的數(shù)據(jù)上做相應(yīng)的改動。 選取一條輪廓線，在此基礎(chǔ)上作一垂直平面。此時使用Planar Sections選項做一垂直平面1，在此垂直曲面1上作凹陷的3D曲線。由于上下相鄰的曲面之間需要有相交曲線，因此，所作的3D曲線的兩個端點需要在凹陷的曲面的兩條邊線的外緣，比凹陷部分略長。如圖3-3。 圖3-3 凹陷的3D曲線 現(xiàn)在即可對車門板面進行掃掠。使用創(chuàng)成式曲面設(shè)計中的掃掠選項，將上述車門板面輪廓線進行掃掠，成形曲面如圖3-

25、4。 圖3-4 車門外板面掃掠 車門板面掃掠之后，需要作出車門板面的外輪廓的限制曲面。首先使用Planar Sections選項，以上面所作的平面為基準，再做一垂直平面2。在此平面基礎(chǔ)上，作出車門板面的外輪廓曲線，利用曲面拉伸選項將曲線向兩個方向各拉伸100mm，如圖3-5所示。 圖3-5 拉伸曲面 3. 車門窗框的重構(gòu) 車門窗框的重構(gòu)與車門板面的重構(gòu)類似。首先沿縱向做多條輪廓線，對輪廓線進行外插延伸，并對其進行掃掠。由于掃掠出的曲面較小，因此需要對掃掠的曲面進行外插延伸。得到總的車門窗框的曲面。在此曲面上取一點為基準，利用上面所作的垂直平面1，作一平面3與其垂直。在平面3上，作出車

26、門窗框的外輪廓線草圖。利用投影選項，將外輪廓線投影到掃掠曲面上，如圖3-6。 圖3-6 車門窗框的輪廓投影 同理，作出車門窗框內(nèi)部的輪廓線，投影到掃掠曲面上。在車門窗框下邊緣作多條橫向輪廓線使曲面特征更明顯。選擇其中一條輪廓線，進行外插延伸，與外輪廓線相交。此時內(nèi)輪廓線、外輪廓線與橫向輪廓線組成一個閉合曲面。利用此閉合曲面的輪廓，選擇分割選項，將掃掠得到的曲面分割，如圖3-7所示。 圖3-7 分割掃掠曲面 4. 車門連接的重構(gòu) 車門外板各個曲面重構(gòu)出之后，它們之間需要連接。而且車門板面和車門窗框曲面之間需要有連接曲面。 首先車門外板的曲面之間作連接。相鄰的兩個曲面都有一條相交線

27、，而這條相交線與上下的兩個曲面曲率銜接變化很大，因此需要倒圓角處理，使曲面銜接曲率更加平滑。選擇圓角選項，在各個曲面之間進行倒圓角，設(shè)置圓角半徑25mm。如圖3-8。 圖3-8 圓角處理 在車門窗框分割的輪廓線下端的與車門板面外輪廓的上端點之間，作出連接部分的3D曲線，選擇填充選項，對其進行填充，得總體曲面。以車門板面外輪廓和填充的外輪廓為邊線，將總體曲面進行分割，得分割曲面，如圖3-9。 圖3-9 整體曲面分割 5. 車門把手的重構(gòu) 由于掃描的門把手與沖壓出的原件不同，因此門把手處需要進行調(diào)整處理，統(tǒng)一重構(gòu)出凹陷的曲面。 利用掃描所得點云數(shù)據(jù)門把手下半部分的曲率特征，首先在門把手

28、的邊緣處作兩條相交的3D直線，選取Planar Sections選項，利用兩條相交直線，建立一個平面1。在此平面的基礎(chǔ)上，繪制草圖1。由于車門把手處的凹陷是規(guī)律的，因此，用曲面平移選項，將平面1沿法向向下平移10mm，得平面2。在平面2上繪制草圖2。使用填充選項，將草圖2填充，如圖3-10所示。 圖3-10 輪廓的填充 沿著草圖1和草圖2進行掃掠命令，得掃掠出的曲面，如圖3-11。 圖3-11 車門把手的掃掠 將門把手處進行圓角命令，將分割后的不必要部分隱藏，得最終重構(gòu)的曲面，如圖3-12。 圖3-12 最終重構(gòu)所得曲面 車門外板的拉伸模具結(jié)構(gòu)設(shè)計 第四章 車門外板的拉

29、伸模具結(jié)構(gòu)設(shè)計 車門外板數(shù)據(jù)在經(jīng)過曲面重構(gòu)之后，得到三維曲面。要生成制造，需要進行拉伸模具設(shè)計。 1. 拉伸模具介紹 汽車覆蓋件的形狀復(fù)雜、尺寸大，因此一般不可能在一道沖壓工序中直接獲得。覆蓋件沖壓的基本工序有：落料、拉伸、整形（也稱校形）、修邊、翻邊和沖孔等。其中，拉伸工序是覆蓋件沖壓的關(guān)鍵工序，覆蓋件的形狀大部分是在拉伸工序形成的。 在進行覆蓋件的拉伸工藝設(shè)計時，應(yīng)遵循以下的設(shè)計原則[17]： （1）一次拉伸成形 對汽車覆蓋件成形來說，由于形狀復(fù)雜，二次拉伸的變形幾乎是無法控制的，即使能用二次拉伸，覆蓋件表面質(zhì)量也得不到保證。因此，應(yīng)盡可能用一道拉伸工序成形出覆蓋件形狀。 （

30、2）布置拉伸筋（檻） 對大多數(shù)覆蓋件的拉伸成形都需要設(shè)置拉伸筋。特別是表面較為平坦的覆蓋件拉伸成形時，其主要變形方式為脹形變形，必須設(shè)置適當?shù)睦旖?、拉伸檻，以調(diào)整各部位的材料變形流動狀況 （3）拉伸件局部形狀的修改 在覆蓋件主要結(jié)構(gòu)面上，往往有急劇的凹凸折曲和較深的鼓包等局部形狀。為滿足合理拉伸成形條件的要求，在制定拉伸工藝時，可以對拉伸件的形狀進行局部的修改，通過加大過渡區(qū)域和過渡圓角，改善材料的流動和補充條件。 （4）工藝孔與工藝切口的設(shè)置 對一些拉伸深度較深或脹形變形較大、容易產(chǎn)生破裂的部位，弱若正好存在內(nèi)工藝補充部分，則應(yīng)在拉伸工序中考慮增加工藝孔或工藝切口來改變毛坯的變形

31、程度，消除破裂因素。 （5）拉伸工序中的沖孔 覆蓋件上的孔一般應(yīng)在零件拉伸成形后沖出，以預(yù)防預(yù)先沖制的孔在拉伸過程中發(fā)生變形。但對于零件上不變形或變形極小的部位的孔，也可以在拉伸工序沖出。 （6）毛坯狀態(tài) 當壓料面形狀起伏很大時，平板毛坯在壓料階段就會發(fā)生皺折、翹曲等，而且在以后的成形過程中不能完全消除，因此，要將毛坯進行一定程度的彎曲，接近壓料面形狀，使毛坯定位較穩(wěn)定可靠，保證壓料面材料變形流動順利。 （7）有利于后工序加工 覆蓋件在拉伸工序后一般為修邊、翻邊等工序。在進行拉伸形狀設(shè)計和拉伸工藝設(shè)計時，預(yù)先要很好地考慮到前后各工序間的相互協(xié)調(diào)，為修邊、翻邊等工序提供良好的條件，包

32、括變形條件、模具結(jié)構(gòu)、零件定位、送料、取件等。并保證使各工序的成形條件達到良好狀態(tài)。 2. 拉伸模具結(jié)構(gòu)設(shè)計 拉伸模結(jié)構(gòu)可分為[18]：按使用的壓力機不同，可分為單動壓力機上使用的拉伸模與雙動壓力機上使用的拉伸模；按工序的組合程度不同，可分為單工序拉伸模、復(fù)合工序拉伸模與級進工序拉伸模；按結(jié)構(gòu)形式與使用要求的不同，可分為首次拉伸模與以后各次拉伸模、有壓料裝置拉伸模與無壓料裝置拉伸模、順裝式拉伸模與倒裝式拉伸模、下出件拉伸模與上出件拉伸模。 形狀簡單、深度淺的覆蓋件一般采用單動壓力機來成型；形狀復(fù)雜、深度深的覆蓋件必須采用雙動壓力機成型。這是因為單動壓力機的壓料力是靠機床下面的油缸的壓力和

33、行程都比雙動壓力機小得多，其不能提供較大壓料力和復(fù)雜深拉延件所需的成形力。其次，單動壓力機所用拉延模的壓邊圈比較薄，剛性相對弱，亦不能適應(yīng)復(fù)雜深拉延件的成型。 分析車門外板結(jié)構(gòu)，可知該拉延件屬于淺拉延，拉延件形狀相對簡單，因此確定該拉延模采用單動壓力機上使用的拉延模。單動拉延模結(jié)構(gòu)比較簡單，主要由三大件（凸模、凹模和壓料圈）組成。這種拉延模呈倒裝形式，凸模與壓料圈、凹模與凸模之間分別裝有倒向裝置，模具外輪廓尺寸和閉合高度必須嚴格適應(yīng)壓力機參數(shù)要求。 根據(jù)所采用的模具形式，此拉延模的凸模、凹模、壓料圈都采用實型鑄造而成，為方便安裝，節(jié)約材料在不影響剛度和強度的條件下對非重要部分進行挖空。并且

34、在影響強度和剛度的部位設(shè)計加強筋。 設(shè)計模具壁厚時，模具鑄件的壁厚與模具的尺寸大小、零件生產(chǎn)批量、以及受力情況都有很大的關(guān)系，該制件是批量生產(chǎn)，該模具是中型模具。參照表4.1設(shè)計選用壁厚。 表4-1大批量生產(chǎn)時拉延模鑄件壁厚[19]（單位：mm）3 2 模具大小 A B C D E F G 中小型 40～50 35～45 35～45 35～45 35～45 45～55 30 大型 70～95 60～80 50～65 45～65 50～65 40～50 30～40 參照汽車覆蓋件沖壓模具標準，設(shè)計凸模、凹模的結(jié)構(gòu)尺寸。其它小零件盡量選用

35、標準件。確定凸模和凹模工作部分尺寸時，應(yīng)考慮模具的磨損和拉延件的彈復(fù)。依據(jù)拉延件三維數(shù)模尺寸來確定凸模和凹模工作部分尺寸。 綜上所述，拉延模設(shè)計如圖4-1。 圖4-1 拉延模的結(jié)構(gòu)示意圖 1.凹模 2.壓邊圈 3.凸模 3. 凸模和凹模的設(shè)計 3.1 凸模和凹模介紹 凸模、凹模定義： 凸模是沖壓模具中起直接成形工件作用的凸形工作零件，即以外形為工作表面的零件。 凹模是沖壓模具中起直接成形工件作用的凹形工作零件，即以內(nèi)形為工件表面的零件。凹模的作用是形成凹模壓料面和凹模拉延圓角。 沖壓時，壓力機向下運動，帶動凹模向下運動。凹模與壓料圈接觸，帶動

36、壓料圈一起向下，與凹模外形結(jié)合，完成沖壓過程。 3.2 凸模和凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計 在SolidWorks軟件中，以逆向出的車門曲面為基礎(chǔ)，進行加厚處理，厚度0.8mm，分別創(chuàng)建凸模和凹模的3D結(jié)構(gòu)，如圖4-2,4-3,4-4,4-5。 圖4-2 凸模3D結(jié)構(gòu)圖1 圖4-3 凸模3D結(jié)構(gòu)圖2 圖4-4 凹模3D結(jié)構(gòu)圖1 圖4-5 凹模3D結(jié)構(gòu)圖2 3.3 凸模和凹模的圓角設(shè)計 凸、凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計得是否合理，直接影響拉延時坯料金屬流動性。凹模圓角半徑R凹越大，材料越易進入凹模；但R凹過大，材料易起皺。因此，在材料不起皺的前提下， 式中 t——板料厚度（mm）； 但當凹模

37、圓角處于工藝補充部分上，根據(jù)常用板料厚度，取中間值（6～8）t。當壓料面是制件本身凸緣的一部分時，則凹模圓角半徑就是拉延件要求的圓角半徑。如果拉延件要求圓角半徑過小，影響拉延變形時，則適當加大到合適數(shù)值，用后續(xù)的工序整形圓角也能達到要求數(shù)值。根據(jù)板料厚度0.8mm，取 =5mm。 凸模圓角半徑過小，會使坯料在此受到過大的彎曲變形，導(dǎo)致危險斷面材料嚴重變薄甚至拉裂；過大，會使坯料懸空部分增大，容易產(chǎn)生“內(nèi)起皺”現(xiàn)象。一般＜，取，但根據(jù)所給數(shù)模，=4mm。 拉延凸模的圓角半徑即拉延件的內(nèi)輪廓圓角半徑，尺寸和拉延件圓角半徑要求的尺寸相同。 3.4 凸模和凹模的間隙設(shè)計 拉延凸、凹模間隙的大小

38、，對拉延力、制件質(zhì)量和模具壽命都有影響。間隙過大，容易起皺；過小，則拉延件壁變薄加重，甚至拉斷。 在此拉延過程中，凸模與凹模之間的間隙，直邊部分取z=t=0.8mm，在圓角部分由于材料復(fù)原，故其間隙應(yīng)比直邊部分間隙大0.1t，即，取0.9mm（t為零件厚度）。凸模和凹模工作部分尺寸應(yīng)該根據(jù)拉延件的尺寸來確定，在確定凸模和凹模工作部分尺寸時，應(yīng)考慮模具的磨損和拉延件的彈復(fù)。 4. 壓料圈的設(shè)計 圖4-6 壓料圈3D結(jié)構(gòu)圖1 圖4-7 壓料圈3D結(jié)構(gòu)圖2 壓料圈，又稱壓邊圈，是模具結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，它是沖壓模具中用于壓住沖壓材料或工序件以控制材料流動的零件。它的作用為防止拉伸

39、件的邊緣起皺。 壓料圈的質(zhì)量決定拉延過程中的壓料效果，它既要有一定的壓料力，還要使壓料區(qū)的材料在不起皺的情況下，順利的流入凹模口內(nèi)。本次設(shè)計的壓料面上有8個上導(dǎo)擋料板定位毛坯方便送料，按照設(shè)計要求，上導(dǎo)擋料板尺寸為110×90mm。8個小凸臺安裝平衡塊其作用是調(diào)整進料阻力，通過調(diào)整壓料圈與凹模之間的間隙來實現(xiàn)。平衡塊選用標準件，該模具是中型模具，選用直徑為60mm，高度為20mm的平衡塊。 壓邊圈的滑動面在凸模輪廓線5～10mm的外側(cè)，與凸模相對的滑板應(yīng)該重疊50mm以上。原則上滑動面與模具中心平行設(shè)定。壓邊圈固定胚料后在凸模開始成形時，設(shè)定滑動面時壓邊圈的滑動面接觸（重疊）量和模具引導(dǎo)的

40、接觸量應(yīng)該重疊100mm以上。根據(jù)壓料圈周邊的尺寸，選擇6個滑板面。滑動面為凸模輪廓長度的20％左右，參照表4-2選擇滑動面尺寸。 表4-2 滑動面選擇標準（單位：mm） 輪廓長度 必要的滑動寬度 寬度 數(shù)量 301～1000 100以上 75 2個 1001~1500 200以上 100 2個 1501~2000 300以上 150 2個 2001~300 400以上 200（150） 2個（3個） 3001 600以上 200 3個 5. 輔助裝置的設(shè)計 5.1 導(dǎo)向裝置 根據(jù)工藝方法的不同，模具對導(dǎo)向精度和導(dǎo)向剛度的要求也不同，模具

41、的導(dǎo)向形式也不同。常用的導(dǎo)向方式有導(dǎo)柱導(dǎo)套導(dǎo)向、導(dǎo)板導(dǎo)向、導(dǎo)塊導(dǎo)向及背靠塊導(dǎo)向等四種基本形式。 由于此件屬于中型件的拉延采用導(dǎo)滑板導(dǎo)向，此結(jié)構(gòu)相對簡單、造價低。需要導(dǎo)向的有上模板（凹模）和下模板（凸模）的導(dǎo)向及壓料圈的導(dǎo)向。以上模板上的導(dǎo)滑平臺為基準，在下模板和壓料圈上安裝導(dǎo)滑板。根據(jù)模具的實際結(jié)構(gòu)和拉延深度，查標準QM1301-2002，上模板和下模板選用C100×100的導(dǎo)板8個，下模板與壓邊圈選用C120×120的導(dǎo)板8個。 5.2 卸料裝置 由相對拉延毛坯外形均勻分布的根托桿在液壓缸的驅(qū)動下推動壓料圈，使壓料圈向上運動，完成凸模的卸料，在凹模座內(nèi)，相對拉延毛坯內(nèi)形均勻分布6個卸料

42、頂銷，完成凹模的卸料。這樣就可以提高自動化生產(chǎn)程度，模具運行也較穩(wěn)定從而延長了設(shè)備的壽命，保證了工件質(zhì)量也有利于減小噪音。 拉伸模具工藝計算及主要參數(shù)確定 第五章 拉伸模具工藝計算及主要參數(shù)確定 1. 毛坯尺寸的確定 依據(jù)工藝數(shù)模得該件最大拉伸距離為176.5mm。毛坯尺寸可以根據(jù)制件展平后的輪廓尺寸和壓料尺寸來確定。其毛坯尺寸確定計算為： 第一部分：工件輪廓尺寸：最大長度1078mm，最大寬度1024mm； 第二部分：壓料尺寸：壓料面沿周邊80mm，拉延筋沿周邊12mm； 第三部分：工藝補充部分：深拉伸處各工藝補充60mm，淺拉伸處30mm； 總面積為： （1078+

43、80+60）×（1024+80+60）=1218×1164=1417752mm2 在實際生產(chǎn)中，為了便于取料，將毛坯尺寸確定為 1250×1200=1500000 mm2 材料的利用率： =1103872mm2/1500000mm2=73.6% 2. 模具相關(guān)重要尺寸的確定 由于凸模和凹模的上下部分都是實體，而對沖壓影響不大，因此，為了節(jié)省材料，達到材料的合理優(yōu)化，對其進行U-CLAMP設(shè)計。對車門主輪廓做厚度為40mm的主筋，模具周邊厚度為40mm,內(nèi)部的輔助筋板厚度30mm，相鄰兩條筋板之間的距離為200~300mm。 模具與壓力機及底座等的聯(lián)接處，需要進行U槽設(shè)計。其設(shè)計要

44、求為距離模具中心150mm的倍數(shù)。根據(jù)模具長寬，選取間距為450mm。 3. 計算拉伸工序的力 壓邊力必須適當，如果壓邊力過大，會增加拉入凹模的拉力，使危險斷面拉裂；如果壓邊力不足，則不能防止凸緣起皺。 壓邊力為壓邊面積乘單位壓邊力，即 式中 ——壓邊力 ,N； A——在壓邊圈下毛坯的投影面積，mm； p——單位壓邊力，MPa 。 車門外板選材料為冷軋鋁鎮(zhèn)靜鋼板，它具有較好的強度，較高的塑性變形能力，且由于鋼中的鋁對氮有固定作用，故沖壓成形后零件表面不產(chǎn)生滑移線，是一種非時效鋼板。選取單位壓邊力3.0，在壓邊圈下的投影面積為

45、A=506531mm2 ，故壓邊力得 =506531×3.0=1519593N 對于橫截面為矩形的拉伸件拉伸力 式中— 拉伸力，N ； L——危險斷面周長，mm;利用軟件分析L=2860mm； t——工件坯料厚度，mm ；t=0.8mm； p——危險斷面上的單位拉伸力，MPa ；冷軋鋁鎮(zhèn)靜鋼板的抗拉強度為255~420Mpa,取350Mpa 因此 =2860×0.8×350 =800800N 總的拉伸力P為拉伸所需要的力和壓料所需要的力， 即

46、 =800800+1519593 =2320393N ≈2.3×103 KN 4. 修邊力、卸料力、推件力及頂件力的計算 計算沖裁力的目的是為了合理選用壓力設(shè)備和模具設(shè)計，壓力機的噸位必須大于沖裁力，才適應(yīng)沖裁要求。 （1）沖裁力 式中 — 沖裁力（N）； L — 沖裁件的周長（mm） ； t — 材料的厚度(mm) ； τ — 材料的抗剪強度(MPa)。 ，取0.8，因此冷軋鋁鎮(zhèn)靜鋼板的抗剪強度為204～336 MPa，取330 MPa。 但考慮到凸凹模刃口的磨損，模具間隙的波動，材料的力學(xué)性能的變化和材料厚度偏

47、差等因素，實際需要的沖裁力還需增加30%，即 因此 =3767×0.8×330 =994488N =1.3×994488 =1292834.4 ≈1.29×103 KN （2）切刃側(cè)壓力 因此 =0.43× 103 KN （3）卸料力 其中，K——卸料力系數(shù)，查表5.1取0.05； 因此 =0.05×1.29×103 =0.0645×103KN （4）推件力 其中 n=h/t, n——同時卡在凹模內(nèi)的零件或廢料數(shù)； h——圓柱形凹模的腔口高度（mm）； t——料厚(mm)； K

48、——卸料力系數(shù)，查表5.1,K=0.055。 由設(shè)計知，h=6mm,則n=8, 因此 =8×0.055×1.29×103 =0.57×103KN （5）頂件力 其中，K——頂件力系數(shù)，查表5.1，K取0.06； ——修邊的沖裁力(N)； 因此 =0.06×0.994×103 =0.05964×103KN （6）沖裁總的沖壓力 =（1.29 + 0.43 + 0.0645 + 0.57 + 0.05964）×103KN =2.356×103KN ≈2.36×103KN

49、料厚（mm） 0．5～2.5 0.055 0.06 0.04～0.05 表5-1卸料力、推件力及頂件力系數(shù)[20] 按照總的拉伸力F=2.36×103 KN，實際生產(chǎn)中，可按下式估算壓力機的公稱壓力F0， 淺拉伸 ： =2.36×103×1.6=3.78×103KN 經(jīng)過計算壓力機的公稱壓力要大于378噸。 車門外板拉伸模具的CAE分析 第六章 車門外板拉伸模具的CAE分析 1. 車門外板拉伸模具CAE分析的意義 模具運行時，將坯料置于凸模上面，壓力機作用于凹模，凹模向下運動，帶動壓料圈向下運動，與凸模一起完成沖壓成形。在整個過程中，凹模、凸

50、模、壓料圈與坯料接觸的表面受力很大。因此，需要對其進行受力仿真分析。 有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法，對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬。利用簡單而又相互作用的元素，即單元，用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。 2. 軟件對拉伸模具的有限元分析 對于拉伸模具的有限元分析，選用SolidWorks這一軟件來完成。SolidWorks功能強大，組件繁多。功能強大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點，使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。它能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強

51、大的功能，同時對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。 SolidWorks Simulation是SolidWorks軟件的CAE分析系統(tǒng)。它提供了單一屏幕解決方案來進行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。而且憑借著快速解算器的強有力支持，使得操作者能夠使用個人計算機快速解決大型問題。由于簡單易操作，SolidWorks Simulation為用戶提供了一個容易使用的初步應(yīng)力分析工具。 在SolidWorks Simulation中，將模型進行簡化處理去掉不必要的結(jié)構(gòu)。定義好約束，受力方向、大小，利用第五章第四節(jié)中計算出的力F0 =3.78×103KN，使之均布。受

52、力方向垂直于模型底面向下。由于模具材料選用為YL80.3，為硬質(zhì)合金鋼，適于生產(chǎn)在較大應(yīng)力下沖壓模具用板材。因此，在SolidWorks Simulation中，選擇材料為合金鋼，確定參數(shù)、生成網(wǎng)格后則可以開始計算。 2.1 凹模的有限元分析 對凹模進行分析，所得屈服應(yīng)力圖6-1和位移圖6-2。 圖6-1 凹模受力分析屈服應(yīng)力圖 圖6-2 凹模受力分析位移圖 從圖6-1中可以看出，凹模受力時，模具的最大屈服應(yīng)力大部分為藍色，最大值為，小于許用應(yīng)力。并且沖壓時，凹模的筋板部分起到了緩沖作用，可以更加減少應(yīng)力。因此，材料的強度符合要求。 從圖6-2中可以看出，凹模受力時，模具大部分

53、為藍色，從位移顯示可以得出，最大位移為0.0212mm，符合模具的工作要求。 因此，用YL80.3作為凹模的材料，符合模具工作要求。 2.2 凸模的有限元分析 對凸模進行分析，所得屈服應(yīng)力圖6-3和位移圖6-4。 圖6-3 凸模的受力分析屈服應(yīng)力圖 圖6-4 凸模的受力分析位移圖 從圖6-3中可以看出，凸模受力時，模具的應(yīng)力大部分為藍色，最大值為，小于許用應(yīng)力。因此，材料的強度符合要求。 從圖6-4中可以看出，凸模受力時，模具大部分為藍色，從位移顯示可以得出，最大位移為0.0334mm，符合模具的工作要求。 因此，用YL80.3作為凸模的材料，符合模具工作要求。 綜上所述，選

54、用YL80.3作為沖壓模具的材料，符合模具工作要求。 結(jié)論 第七章 結(jié)論 汽車覆蓋件的曲面逆向重構(gòu)和拉伸模具結(jié)構(gòu)設(shè)計，在現(xiàn)代汽車工業(yè)中占有重要地位。本文對富康轎車車門外板的數(shù)字化建模，包括車門的逆向重構(gòu)和拉伸模具的設(shè)計，即逆向工程、拉伸模具和有限元分析等多方面的綜合應(yīng)用。同時，對模具進行了力學(xué)分析。在整個設(shè)計的過程中主要完成了以下幾個方面的工作： （1）逆向工程的應(yīng)用。通過三維激光掃描儀對車門外板的三維坐標掃描，用CATIA軟件對點云數(shù)據(jù)進行點云處理，之后曲面重構(gòu)，完成逆向工程的組成部分。 （2）拉伸模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計。曲面重構(gòu)出之后，需要對車門曲面建立拉伸模具。使用SolidWo

55、rks軟件建模，做出模具的凹模、凸模、壓料圈等組成部分。 （3）拉伸模具的有限元分析。計算模具的各個拉壓應(yīng)力，用SolidWorks Simulation對拉伸模具進行有限元分析，從而驗證受力是否合理。 由于時間的問題，局部做得不夠完善，有些問題需要后續(xù)解決。這就需要在今后的學(xué)習(xí)過程中不斷，積累經(jīng)驗，更加豐富對課題的設(shè)計知識。 參考文獻 [1] Dori.D,et al. Form engineering drawings to 3D models: are we ready now?[J].Computer-Aided Design，1995. 27(4)：243-253.

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