在客车后围侧蒙皮拉深模具中CAD／CAE／CAM技术的应用

　　1 客车后围侧蒙皮模型面设计

　　1.1 零件成形工艺性分析

　　某客车后围侧蒙皮如图1所示，材料为08F钢，料厚为1.0mm，具有形状复杂、尺寸大和成形难等特点，需要经过落料、拉深、整形和切边等工序才能成形，其中拉深工序最为关键，它直接关系到覆盖件冲压成形的成败。本文主要讨论拉深工序，因零件为非对称件，若单个加工不利于成形，压料面也不易设计，故设计成左右对称件拼合拉深的工序样件。

　　图1 客车后围侧蒙皮三维模型

　　1.2 模型面设计要点

　　拉深模型面设计是一个在覆盖件三维模型基础上进行边界条件设计的创造性过程。建模要点在于保证后围侧蒙皮与顶部蒙皮、中部蒙皮的匹配关系，所以采用先整体后局部的设计思想，即先建立客车整个后围的模型曲面，然后从上面切下后侧蒙皮。

　　分析零件的结构特征和主要轮廓截面形状，在solidWorks中利用扫描和放样得到所需的多自由曲面特征。通过切除实体得到零件外轮廓，再用放样切除零件局部形状。通过抽壳形成零件薄壁特征，切出装灯孔等结构得到客车后围侧蒙皮的三维模型，再通过镜像和工艺补充面设计，完成拉深模型面的曲面造型，如图2所示。

　　图2 拉深模型面造型

　　2 冲压成形数值模拟

　　2.1 成形模拟过程

　　将模具型面几何模型以IGES格式导入Dynaform中，利用DFE模块完成网格自动剖分、网格检查和修补、网格边界光顺、冲压方向调整、工艺补充面设计、压料面设计、拉深筋设计、载荷曲线定义和模具的定位等。

　　在工艺补充面设计时，首先确定冲压方向，尽量使各处的拉深深度相近，以利于拉深成形。在CAE分析中采用等效拉深筋模型代替真实拉深筋，以避免产生数值处理上的困难。利用BSE模块快速设计出坯料的形状，以提高材料利用率。

　　板材为08F钢，屈服强度，抗拉强度，硬化指数n=0.2l。利用Dynaform软件外部接口可对其进行二次开发，将板料性能试验数据成功添加至材料参数库，在数值模拟时调用，提高了数值模拟结果的准确性。

　　模拟参数设置以实际加工参数为依据，设置完成后提交工作到求解器，采用非线性动力显式有限元软件LS—DYNA进行计算，完成板料冲压成形过程模拟。

　　2.2 模拟结果分析

　　读人计算生成的d3plot文件到后处理模块中，可动态查看坯料的成形过程。从成形极限图、主应力分布图和厚度减薄率分布等方面可分析覆盖件拉深的成形性。如果模拟结果不满意，通过分析找出其原因，采取措施改进设计，如调整压边力或拉深筋的布置等工艺参数，修改模型面等，再次进行成形模拟。模拟结果分析详见文献。

　　将CAE模拟结果满意的模面数据导入solidWorks中，进行模具结构整体设计及部分零件的参数化设计，检验装配干涉情况等，从而提高设计成功率。

　　3 模具的CAM技术

　　将优化的数模信息导入MasterCAM软件，设计数控铣削刀具路径，经后置处理自动生成对应数控系统适用的NC代码，取代了繁琐而复杂的编程工作。在宇龙数控仿真系统中进行仿真加工，以检验数控程序的可行性和数控机床操作的正确性。对仿真结果满意后将NC程序输入机床控制系统，加工出所需的模具型面。由于加工过程是基于高准确性的计算机模型，从而减少了产生制造误差的因素，提高了制造精度。

　　3.1 CAM自动编程

　　通过对模具加工表面形状分析及现有设备条件的综合考虑，选用西门子控制系统的802D型三轴联动立式数控铣床进行实际加工。根据刀具材质、机床特性及工件材料的切削性能等要求，模具型面分为粗铣、精铣来达到要求。

　　将优化的工艺数模以parsld_‘*x_t’格式导入MasterCAM中，设置工件毛坯尺寸后进行粗加工设定。选取直径为φ10mm的球头铣刀，采用平行铣削加工方式，铣去大部分的多余材料，留o.5mm加工余量，设置铣刀参数和加工参数后，生成刀具路径如图3所示。精加工参数设置步骤与粗加工类似，选取φ0.5mm球头铣刀，设置好加工参数后系统生成精加工路径。

　　图3 粗加工刀具路径

　　在“操作管理员”窗口，可实现重绘刀具路径、修改参数、重新编制刀具路径、实体切削验证和后处理程式等。选取实体切削验证指令，可进行加工刀具路径模拟，以检验刀具路径的设定是否合理。若模拟结果不满意，可以利用刀具轨迹与零件图形、加工参数的关联性，进行局部修改，立即生成新的刀具加工路径。当模拟结果满意后，在操作管理器中单击Post按钮，选择与机床数控系统相适应的后处理器，生成特定的数控加工程序。

　　3.2 数控仿真加工

　　采用宇龙数控仿真系统进行模具型面仿真加工，在计算机上对加工中机床、刀具的切削运动和工件余量去除过程获得真实感的动态显示，从而快捷有效地检验数控程序的可行性和数控机床操作的正确性。

　　MasterCAM软件默认的G代码存档格式为*.NC，根据西门子系统需要将程序文件保存为*.TXT.格式，并按要求修改程序起始两行为如下内容：

　　%_N_0000X_MPF(0000x为进入数控系统之后的文件名)

　　;$PATH=/_N_MPF_DIR

　　进人数控仿真系统后，通过菜单栏依次进行设置。选择机床类型为铣床，控制系统为SIEMENS802D，定义毛坯形状、材料和尺寸，安装夹具放置零件。激活机床，使机床回参考点，选择刀具类型及参数，再通过对刀建立起工件坐标系与机床坐标系之间的关系。选择菜单“机床/DNc传送”或按下程序键进入程序管理界面，点击软键“读入”，选择事先编辑好的程序，此程序将被复制到数控系统中。选择自动加工方式，设置运行程序时的控制参数，按启动键后开始执行程序即可进行模具型面的仿真加工，如图4所示。

　　图4 数控程序调入仿真系统界面

　　3.3 型面的数控加工

　　对仿真结果满意后，通过通信接口将数控程序输入机床控制系统，完成模具型面的实际加工。先将模具原型缩小十倍采用尼龙材料加工，之后再用模具材质进行实物加工。凸模模型粗加工结果如图5所示。粗加工结束后再调入精加工程序，由于机床内存相对较小，把精加工程序分为三段输入。每一段的起刀位置必须是上一段的终点，并增加空走部分程序。凹模模型精加工结果如图6所示。

　　图5 实际加工的凸模

　　图6 实际加工的凹模

　　4 结语

　　应用三维CAD/CAE/CAM技术，对客车后围侧蒙皮冲压模具的设计、分析和加工一体化过程进行了研究。结果表明，对板料拉深过程进行CAE数值模拟，预测成形中可能出现的问题，为优化冲压工艺参数和模具结构提供了依据。将CAM自动编程软件与仿真加工软件的优势相结合，完善了数控编程和程序验证的流程，是提高数控加工质量和效率、缩短模具开发周期的有效途径。