汽车覆盖件模具的数字化制造技术

■ 东风汽车公司技术中心 （湖北武汉 430058） 杨 兴 陈 龙

主管工程师 杨兴

中国汽车行业的高速发展，对于轿车覆盖件模具的品质和周期提出了更高的要求，传统的模具制造方式周期长、人员技能要求高，已经不能满足市场需求。当前模具制造技术的发展方向为：计算机前期技术应用逐步代替现场操作，以高精度加工逐步代替后期手工调试，模具设计、制造高度标准化，数字化单件生产方式向流水线式生产方式发展。

通过数字化技术的应用，完善已经建立的模具数据库，在工程设计阶段导入精细化模面设计流程，针对大型覆盖件模具在重载荷下的弯曲变形，使用数模整体变形造型技术来进行补充，代替传统的加工补偿，提高补偿精度，提高模具生产效率；在设计结构阶段使用参数化的设计模块，能够准确、高效完成。在工艺阶段，建立工程设定数据库，方便固化的工艺进行数字化编制和后期生产载荷的合理分配，能够优化整个制造流程。在数控编程阶段，完善数控加工软件和模板的建立，开发与模具相关的工具，加工数模实体的特征与制造工艺相结合，将加工工艺通过特征、颜色的“语言”表述出来。通过对特征、色标管理实现自动编程。数控加工阶段少人、无人化全自动加工，完全是技术人员经验的积累结果，在整个数控加工过程中，无操作者进行干预，从而保证高效率加工、高质量的产品品质。模具数字化设计制造，及企业信息化管理技术是国际上公认的提高模具行业整体水平的有效技术手段，能够极大地提高模具生产效率和产品质量，并提升企业的综合水平和效益。用信息技术带动和提升模具工业的制造技术水平，是推动模具工业技术进步的关键环节。CAD/CAM/CAPP/CAE/PDM/SAP技术和快速原型制造技术是模具工业的应用基础，而设计数据及过程的管理、工艺和制造信息的管理，以及资源规划与生产经营的管理，都给模具企业的信息化建设提出了更高的要求。

汽车覆盖件模具的数字化制造技术的网络技术要求如下：①信息化网络建设。信息交流控制原则为研发技术系统与管理办公系统逻辑隔离，并消除信息孤岛，实现数据共享。②数据中心服务器系统。满足不间断24h运行，提高虚拟化群集稳定性、提升运维效率。③专业应用领域。围绕模具设计制造，从产品开发到生产管理，不断推进、升级和改造，确保信息化投资效益。

模具生产流程如图1所示。

1. 设计阶段数字化的特点

针对模具研配、调试周期普遍较长的情况，设计阶段针对传统等料厚间隙模面加工模面进行流程改造，通过改变模面的整体形状、局部形状，改变上、下模之间的间隙来达到缩短研配、调试周期的目的。充分利用CAE分析结果以及模具研配、调试过程中积累的经验，对于普遍存在的问题，有针对性地进行相应的模面预补偿模块的开发（见图2）。

（1）精细化模面设计数字化技术。技术人员岗位职责规划（ TB技术）如下。①分析：根据零件冲压结果、检测数据及模具状态分析零件不合格的原因。②指示：根据讨论分析结果，负责对技术部门和现场操作者进行书面整改指示。③记录：记录零件品质履历，记录相关整改方案的效果。④推进：整个调试过程品质整改推进，对品质挽回日程需求提出建议。⑤落实：所有方案的执行情况和结果落实。

图1 模具生产流程

图2 设计阶段开发流程

所有零件和方案电子化存档到项目专用的数据库，方便今后数据的借鉴使用。

精细化数字模面如图3所示。

（2）全参数化的模具设计技术。将各工序模具设计总结后按特征分类，利用UG自身工具的参数化，设计出带有各工序特征的模板。通过按特征将产品数据简化，用产品数据的特征分别替换模板的特征，即可用于完成不同产品的模具设计。主要实施步骤：设计输入→模板克隆→特征替换→详细设计。模具三维效果如图4所示。

图3 精细化数字模面

图4 模具三维效果图

2. CAPP智能化工艺技术

智能化CAPP是以模具工艺数据为中心，集工艺设计与管理为一体，逐步集成检索、修订和创建等多种工艺决策混合技术及多人工智能技术，实现人机混合智能和人、技术与管理的集成。逐步实现工艺设计与管理的自动化、智能化。智能化CAPP优点：①实现自动工艺决策，提高工艺人员的工作效率，并在应用中不断积累经验。②帮助具有较少经验的工艺人员设计出具有专家或准专家水平的工艺。

目的：提升工艺的指导性，提高NC结构面编程效率，优化现场数控加工管理。

系统包含三个模块：工艺CAPP、NC编程工艺信息以及车间DNC看板。

（1）工艺CAPP：主要是是通过对模具面进行属性赋值（见图5），然后自动生成工艺流程图，工艺人员进行流程图的校核、确认后，将模具工艺发布，通知到下序NC编程部门。

（2）NC编程工艺信息：NC编程人员接受到模具发布的消息后，通过UG集成插件查看工艺结构树，并且接收需要编程的工序；然后通过系统自动生成结构面的NC操作模板，整套模具编程完成后，由编程负责人进行审核，然后将模具发布，下发到车间生产部门。

（3）车间DNC看板：车间人员通过图号、令号和件号等条件查询模具，查看模具的相关信息，包括件号、零件名、集合工序、子工序、顺序号、工艺作业内容、NC程序单列表、加工类型、余量、偏置、A角、C角、机械工时、人工工时以及实做工时。车间人员可以将程序单下载到本地，能够预览程序加工轨迹，查看程序单和零件的加工指示图；并且读取机床加工日志，将已加工完毕的程序信息反馈到系统，已加工完毕的程序单进行置灰。

3. 一键式结构面数控加工程序编制技术

图5 CAPP智能化二次开发工艺赋值

加工数模实体的特征与制造工艺相结合，将加工工艺通过特征、颜色的“语言”表述出来。通过对特征、色标管理实现自动编程。一键式结构面编程的三要素：①加工特征的建立。②软件刀具库的管理，自动判断干涉、碰撞。③基于经验的加工参数优化。开发的步骤：①开展前期能够识别特征的智能CAM软件选型调研。②实现结构面软件刀具库的建立。③完成软件加工特征库的建立。④完成软件加工参数经验库的建立，实现结构面一键式编程应用（见图6）。

4. 数控加工自动化技术

实现数控加工自动化，必须保证整个加工过程处于可控状态，将原先需要人为识别和干预的问题，提前在数控编程阶段解决。试验阶段，加工的工序从半精加工开始，重点验证加工精度和程序运行的完整性。如果从开粗开始加工，必须使毛坯处于可控的状态，通常采用白光扫描毛坯后，数据导入相关编程软件中作为干涉体，防止编程加工中可能出现的干涉碰撞。

（1）硬件必要条件。数控机床：配备刀库、 ATC功能、自动测刀装置和负载保护功能。刀具库：配刀方案建立、刀具编码固化、CAM软件刀具库完善。刀具准备：机外对刀仪数据、数据自动传送、刀具配送制度及机内对刀检测。刀具管理：刀具维护流程、库存管理制度及寿命管理设定。

图6 一键式结构面数控加工程序编制

（2）软件条件。安全：合理加工顺序、确保载荷均匀、计算最小刀长、全程刀路过切检查、机床仿真库的建立。第三方仿真碰撞软件的引入。效率：分层清根、长短刀程序分割、加工数据的自动上传、子程序的自动调用、转速和进给的优化，刀具寿命的管理。质量：加工区域的合理划分（重点成型面和非重点面划分）、加工策略的合理选用以及切削参数的优化。型面接刀造型技术的使用。

图7所示为数控加工翼子板拉延模。

5. 数字化测量技术广泛应用

以往覆盖件模具检测主要集中在型面检测、检具检测，对于加工过程控制和结构件的检测受限于检测设备、检测方式影响，没有广泛应用。近几年随着检测技术日益完善，数字化测量已经呈现快速普及的态势。测量仪器向现场化、数字化、自动化和智能化方向发展。

（1）测量仪器的多元化。测量现场化、自动化和数字化领域最新技术的蓝光自动化扫描，利用机器人提升测量效率的自动化拍照式白光测量系统，拍照式测量系统与机器人集成的360°智能在线测量方案，实现自动化检测和质量控制新技术是模具检测突出的重点。

（2）大尺寸三维精确测量设备三坐标测量机。①便携式关节臂测量机（见图8a）可解决车间现场法向结构面的三维测量要求，但测量精度不能完全满足模具法向结构尺寸精度要求。②龙门式三坐标测量机（见图8b）可以满足模具的各项检测要求，但龙门式三坐标测量机需要恒温测量室，使用龙门三坐标成本高、维护要求严格，经济性一般。从测量精度方面考虑，大型模具的检测要求只有三坐标测量机才能满足。今后测量方式和测量精度的提升才能使测量工作做得更加完善。

6. 结语

图7 数控加工翼子板拉延模

图8

通过模具制造数字化技术的应用，大幅提高首次试模成功率，提高首次压件的品质，缩短了模具研配、调试周期，同时降低了资源稀少的压机、数控机床的台时，极大地缓解了模具行业普遍存在的“瓶颈”工序的压力，为公司带来了显著的经济效益，主要体现在：大幅提高了数控加工效率，缩短数控加工时间，降低数控加工返工返修频次，减少重复性、无效性加工；降低了刀具费用；大幅缩短了研修、调试周期，降低了单套模具压机占用台时，提高了零件品质，减少了后期调试轮次。

与国际尖端模具企业相比，国内模具制造数字化技术的使用内容方面已经接近国外先进技术，但是由于起步较晚，专业性较差，在现场调试数据的反馈、搜集、整理并重新融入设计再应用环节尚有一定的差距，各个模块数据库的建立还处在比较初级的阶段，相信随着经验的积累，将逐步缩小与国外领先技术的差距，高端模具制造能力会不断加强。

[1] 郝建忠．机械测量技术[M]．北京：电子工业出版社，2011.

[2] 孙玉，王义林．汽车覆盖件模具型面设计方法的研究[J]．锻压装备与制造技术，2007，42（1）：83-86.

[3] 陈炳光，陈昆．模具数控加工及编程技术[M]．北京：化学工业出版社，2011.

[4] 杨玉英．实用冲压工艺及模具设计手册[M]．北京：机械工业出版社，2004.

[5] 董正卫，田立中，付宜利．UG/OPEN API编程基础[M]．北京：清华大学出版社，2002.