1 绪论
1.1 引言
随着社会的快速发展，汽车已成为人类社会活动中不可缺少的工具。汽车工业已成为许多国家的支柱产业，其生产水平是衡量一个国家工业化程度的重要标志。我国汽车工业也发展迅猛，1992 年我国汽车年产量为 100 万辆；2004 年达到 444万辆，世界排名第四位。国务院发展研究中心课题组预测，2010 年我国汽车保有量将达到 5669 万辆，当年汽车需求量为 940 万辆，2020 年汽车保有量将达到 13103 万辆，当年汽车需求量为 1800 万辆。汽车工业的蓬勃发展，必然要求其最重要的生产装备——模具，从各个方面得到全面的提升，以满足人们对汽车方方面面的消费要求，推动汽车工业的更近一步发展。同时，汽车零件中 75％以上为冲压件，汽车工业的快速发展也必然要求有强大的板料成型技术作为支撑，并仍将依赖于板料成型技术的发展。汽车冲压模具的数字化技术的推广应用便是前提、途径和保障，也是国内外各个汽车公司制胜的法宝。重庆市具有门类齐全、实力雄厚的工业基础，在“十一五”规划中已明确地将汽车、摩托车产业的发展列为发展的四大重点之一， 这些必将使重庆的汽车业迎来一个新的春天。但在汽车覆盖件模具数字化的研究、应用及推广方面，重庆的汽车业仍处于一个较低的水平。大力发展汽车冲压模具数字化开发和制造技术具有深远的意义，其中数字化开发是核心、基础，重中之重。
汽车冲压模具数字化技术包括冲压模具的数字化开发和数字化制造，其中数字化开发是指模具的数字化设计和数字化分析。采用数字化设计、数字化分析就是为了利用先进的计算机技术再结合设计人员的实践经验，设计出一个优化的产品数学模型，模拟板料实际成型过程，发现可能出现的问题，将问题在实际生产之前就尽可能的得到解决，从而提高了产品质量，缩短了开发周期，节约了开发成本，为下一步的数字化加工打好了基础。本课题是重庆市科技攻关重大项目——模具关键技术的研究及产业优化中的一个专题，由重庆数码模车身模具有限公司承担完成的。本文先回顾了汽车冲压模具数字化开发技术的研究现状以及特点，提出了整个数字化开发流程；在第二章介绍了其中的基础理论，为后面的具体应用提供了理论依据；第三、四章，结合具体项目进行实践，第三章侧重于数字化分析，第四章侧重数字化设计。这两部分是本文的核心和重点，是用实践检验理论的一个过程，说明汽车冲压模具采用数字化开发的必要性和优越性。
1.2 汽车冲压模具的数字化开发
1.2.1 汽车冲压模具数字化开发的研究现状
传统的汽车冲压模具在设计方面，主要是由有经验的工程师依靠其经验和试验技术（如圆形网格法和成形极限图）以及参考类似模具的历史资料进行设计、制造和工序安排的。合适的模具几何参数以及一些重要的工艺参数都是凭设计者的经验选取，带有一定的随意性，往往需要在模具调试中反复试验后才能确定，大量的时间和金钱消耗在进行多次试验和修模上。同时模具质量的稳定性也无法保证。在板料分析方面，由于板料的三维成形是涉及几何非线性和材料非线性的塑性大变形问题，传统的工程解法对板料的塑性变形过程分析也都存在一定的局限性。当前，汽车冲压模具数字化开发技术的应用为汽车生产企业带来的好处已显而易见，各国汽车企业对于该技术的重视程度也明显提高并积极地应用推广。如今，美国、日本、德国等发达国家，该技术运用的已经相当成熟和完善，占领着整个中、高档轿车市场。在汽车冲压模具数字化设计方面，主要应用在以下三个方面：
一、模具型面精细化设计。目前,模具工业发达国家普遍采用模具型面精细设计方法,冲压工艺基本上是围绕模具型面数学模型展开。所谓模具型面精细设计,是指在综合考虑产品几何形状、板料性能、摩擦条件、坯料大小、冲压速度、压边力等因素下,针对进料量不同在不同部位布置不同截面拉延筋；从预防回弹、过拉延处理,工艺补充面、压料面、凹模圆角设计,凸凹模不等间隙设计等多方面进行模具型面的精细设计。精细模面设计的结果可以极大地减少型面加工,减少钳修工作量和试模工时。同时，各个厂家针对自身的具体情况，在原有三维设计软件基础上开发出了完全适用于本厂情况的模块，大大提高了设计水平。
二、构造虚拟产品。为了方便与客户交流模具设计方案，并能进行先期的仿真分析，许多先进的汽车制造厂商还将数字化设计应用到虚拟产品开发中。首先建立3D 实体模型，即对实体模型增添多种属性，构造虚拟产品，使之在外观和性能上尽可能多地具有真实产品的性质，在加工之前就能让客户看到形象逼真的具有彩色照片效果的虚拟产品了。美国 GM 公司电动机车分部在开发机车过程中就采用 UG软件中的虚拟产品开发(VPD)功能，发布了一个数字化主模型。这种方法可在设计和绘图下作中节省 50%的费用，大大减少了建造一种新机车时的开支。他们准备通过 VPD 在 3 年时间内不用一张图纸生产出崭新的机车。波音 777 也是采用 VPD 方式开发的成功例子。这使得与客户的交流变得十分容易，原型方案的修改也变得十分方便。通过先期的装配、机构运动仿真和加工仿真，可以减少废品、返工。
三、并行设计。在合同签订之后，按并行工程工作模式，首先组织了模具技术工程师、CAD 工程师、工艺员、数控编程员、工人技师组成的 Team Work 工作小组，对模具的结构进行了总体设计。在模具 CAD 3D 实体造型时，考虑了模具的成形工艺、加工方案、装夹方案、刀具选择和走刀路线等加工时可能遇到的工艺问题。在建立 CAD 数字化模型的同时，有关各生产准备工作的小组成员就围绕主模型立即展开 Team Work 工作的方式不仅提高了工作效率，而且保证了工作质量。
2 汽车冲压模具数字化开发技术及手段
2.1 引言
汽车冲压件（特别是覆盖件）一般的尺寸都较大且复杂，产品表面质量和尺寸精度要求高。故其变形过程也较一般的冲压件复杂，常常会出现破裂、起皱、滑移线等缺陷。只有掌握了这些缺陷产生的原因，才能从根本上提出解决问题的办法，保证生产出合格的制件。同时，数字化分析软件是建立在一定的力学、数学以及计算机编程基础上的，其中力学知识是关键，掌握数字化分析中的力学知识是十分必要的，对于更好的应用数字化分析软件也十分有帮助的。
2.2 汽车冲压件破裂和起皱机理
2.2.1 双向拉应力下的塑性拉深失稳毛坯在拉力作用下产生塑性变形时，一方面承载面积在减少，另一方面材料的应变强化效应增加。当材料硬化的应力增量 Δ σ足以补偿承载面积的减小而保持稳定变形所需应力增加值'Δσ 时，拉深变形可以稳定地进行下去；当二者相等时，拉深处于临界状态，即失稳点；当材料硬化的应力增量 Δσ 小于补偿承载面积的减小所需应力增加值'Δσ 时，毛坯开始产生局部的集中变形，即产生塑性拉伸失稳，甚至破坏。塑性拉伸失稳分为分散性失稳和集中性失稳两种类型。所谓分散性失稳表现为毛坯承载能力的薄弱环节在一个较宽的区域内交替转移，形成分散性细颈。而集中性失稳表现为毛坯承载能力的薄弱环节集中在某一局部区域的局部剖面上，无法向相邻区域转移，形成集中性细颈。通常认为，这两种失稳形式是不稳定塑性变形的两个不同阶段，毛坯经分散性失稳而进入集中失稳。在汽车零件冲压成形过程中，大多数部位是在双向拉应力下的变形（薄板冲压成形时板厚方向的应力很小，作为平面应力处理）。试验证明，板材在单向拉应力和双向拉应力下的失稳变形是不同的，因此，必须用双向拉应力下得失稳准则来判断衡量板材的双向拉应力下的极限变形。
3 行李箱外板模具的数字化开发技术应用..................... 37-60
3.1 引言.................... 37-39
3.2 汽车覆盖件拉深件及拉延筋.................... 39-44
3.2.1 冲压方向的确定 ....................39-40
3.2.2 压料面的确定 ....................40-42
3.2.3 工艺补充的确定 ....................42
3.2.4 拉深筋（拉深槛）的设计.................... 42-44
3.3 行李箱外板拉延模具的数字化开发.................... 44-59
3.3.1 拉延数模的建立 ....................44-47
3.3.2 产品拉延数模的数字化分析.................... 47-57
3.3.3 拉延模具的结构 ....................57-59
3.4 结论.................... 59-60
4 顶盖加强框模具的数字化开发技术应用....................60-76
4.1 引言.................... 60
4.2 确定加工工序 ....................60-63
4.3 拉延数模的建立 ....................63-72
4.3.1 产品成形性能分析及设计变更 ....................63-69
4.3.2 拉延数模的建立 ....................69-72
4.4 模具数字化设计 ....................72-75
4.5 结论 ....................75-76
结论
汽车工业的蓬勃发展，必然要求其生产环节的一个重要的工艺装备——模具具备先进的设计生产技术。如今，数字化技术已改变了传统板料成形特别是汽车冲压件的设计过程。汽车冲压模具数字化开发技术包括数字化设计和数字化开发。两者互相作用，是一种渐进的设计过程。本文首先提出了数字化开发流程，在分析了模具数字化开发技术的基本理论后，重点举例说明了该技术在汽车覆盖件模具以及汽车普通冲压件模具的数字化开发过程，得到了以下的研究成果和结论：
1、提出了汽车冲压模具的数字化开发设计思想和设计流程。模具的数字化开发技术是一个渐进的过程，它需要设计和分析相互结合。仅仅依靠分析软件自带的曲面修改模块，对于像行李箱外板拉延数模这样的复杂曲面的修改还是无法满足，仍需要重新回到 UG 进行修改。同时，在对于像覆盖件这样复杂零件的工艺数模，可能需要几十次的分析、修改、再分析、再修改的过程，才能获得最终需要的工艺数模。
2、行李箱外板属于汽车外覆盖件，具有代表性。在应用模具数字化开发技术，重点是数字化分析技术中，可以看出冲压工艺对于零件成形性是极其重要的。冲压方向的确定、压料面形状、工艺补充面制作、拉延筋的布置及形式、材料及材料大小等因素如果设计不合理都会影响零件的成形。其中压料面形状、工艺补充面和拉延筋的布置、形状这四个因素影响最大，调整也最困难。
3、顶盖加强框属于一般的汽车冲压零件。在应用模具数字化开发技术方面没有什么难点，但它包含了大多数常见的冲压工序，拉延、翻边、冲孔、整形，在模具结构数字化设计方面具有代表性。另一方面在这个零件数字化分析中还体现了 CAE 模拟，除了在零件成形性分析方面的另一个应用，即产品可制造性评估。
4、产品设计除了要满足产品的使用性、外观性，还必须充分考虑它的可制造性。必要时，应该牺牲产品的局部设计来满足可制造性的要求。AutoForm 一步成形模块也可以对零件的可制造性进行评估。
5、通过汽车冲压模具数字化开发技术的实际应用，可以说明该技术可以大大提高模具开发的效率和质量，节约了开发成本。而且，通过实际生产也说明了该技术的有效性和可靠性，值得推广应用。
参考文献
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