汽车覆盖件车门外板的数字化建模

1、中国石油大学（华东）毕业设计中国石油大学（华东）毕业设计 富康车门外板的数字化建模 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 2010 年 6 月 20 日 摘 要 本文所研究的汽车覆盖件的数字化建模，在现代汽车制造业中起到了 非常重要的作用。本文以富康牌小轿车左后门作为研究对象，进行了车门 的曲面逆向重构及车门覆盖件模具设计。 文章对车门外板利用三维激光扫描仪进行三维坐标测量得到点云数据， 对所得点云数据使用逆向工程软件 CATIA 进行预处理。包括点云的抽稀、 修剪、补洞、形成三角网格等；用 CATIA 软件对其进行逆向工程加工，即 进行曲面重构，得到重构出的车门曲面；以重构出的曲面为

2、基础，对车门 外板的拉伸模具进行结构设计，在 SolidWorks 软件中做出凸模、凹模和压 料圈等结构；在此基础上，计算拉伸模具的冲压过程中模具的受力情况， 利用 SolidWorks 软件中的 Simulation 对拉伸模具进行有限元分析。 关键词：关键词：汽车覆盖件；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

3、 times. In this article, we select the left back door to carry on a series of investigation 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 softwar

4、e of Inverse Engineering, to process the data. Next ，its the processing of the 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, whic

5、h are punch, die and blank-holder. On the basic of the drawing dies, we need to 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 目录 第一章 概论.1 1. 课题内容

6、及意义 .1 2. 汽车覆盖件国内外研究现状 .1 2.1 国外研究现状与分析 .2 2.2 国内研究现状与分析 .2 3. 逆向工程的发展状况 .3 4. 现代汽车模具工业发展趋势 .3 5. 课题研究技术路线 .4 第二章 车门外板点云数据的预处理.5 1. 车门外板点云的采集 .5 1.1 三维激光扫描仪介绍 .5 1.2 点云的获取 .6 2. 点云的抽稀 .6 3. 点云数据的修剪 .7 4.三角网格的建立.7 5. 修补曲面 .8 第三章 车门外板的曲面重构.10 1. 曲面重构的方法 .10 2. 车门板面的重构 .10 3. 车门窗框的重构 .13 4. 车门连接的重构 .15

7、 5. 车门把手的重构 .16 第四章 车门外板的拉伸模具结构设计.19 1. 拉伸模具介绍 .19 2. 拉伸模具结构设计 .20 3. 凸模和凹模的设计 .22 3.1 凸模和凹模介绍 .22 3.2 凸模和凹模的结构设计 .22 3.3 凸模和凹模的圆角设计 .25 3.4 凸模和凹模的间隙设计 .25 4. 压料圈的设计 .26 5. 辅助装置的设计 .27 5.1 导向装置 .27 5.2 卸料装置 .28 第五章 拉伸模具工艺计算及主要参数确定.29 1. 毛坯尺寸的确定 .29 2. 模具相关重要尺寸的确定 .29 3. 计算拉伸工序的力 .29 4. 修边力、卸料力、推件力及顶

8、件力的计算 .30 第六章 车门外板拉伸模具的 CAE 分析.34 1. 车门外板拉伸模具 CAE 分析的意义 .34 2. 软件对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 结论.39 致 谢.40 参考文献.41 附录.43 第一章 概论 1. 课题内容及意义 我国的汽车制造工业虽然正以前所未有的速度发展，但是目前产品的 自主研发与创新能力明显不足，大多还是靠技术引进，而关键零部件和核 心技术仍依赖国外公司。其中，汽车覆盖件的制造是汽车车身制造的关键 环节，其产品的开发及模具设计与制造更是受制于其他国家。 运用逆向工程，对汽车覆

9、盖件的数字化建模不仅可以弥补传统设计上 存在的技术缺陷，使产品的外观或局部性能更好地满足不同用户的需求， 而且缩短了产品设计周期，降低了生产成本，同时逆向工程与快速成型技 术的结合，即CAD/CAE/CAM以及RPM(快速成型制造)的综合运用将使我国汽 车制造业产生前所未有的本质变化。 为此，本课题以富康牌汽车的左后门外板为研究对象，对其进行三维 测量并且进行逆向的曲面重构，并创建拉伸模具，对其进行分析，完成 CAD/CAE的综合应用。此次汽车覆盖件的数字化建模设计有助于我们进一步 学习和研究有关逆向工程以及模具制造等方面的技术，培养我们的实践和 自学能力。通过对该模型的曲面重构和拉伸模具设计

10、，综合的运用了 CAD/CAE知识和方法，培养善于运用计算机技能、工程图纸以及书面和口头 表达工程技术的能力,同时也训练我们查阅应用中外科技文献，提高我们的 综合能力，为研究生阶段打下一定的基础。 2. 汽车覆盖件国内外研究现状 汽车覆盖件的设计与开发，主要归结为汽车车身的开发。车身设计开 发技术是汽车（尤其是轿车）自主开发能力的重要组成部分，我国与国外 先进技术还是有很大的差距。 2.1 国外研究现状与分析 目前，国外已经形成一套成熟的从概念设计到造型风格的理论与方法， 并采用基于正向设计思路开发新产品，然后根据市场的需求变化，再进行 车身改型或改装来改进产品。 由于国外 CAD/CAE/C

11、AM 技术应用较早，软硬件系统功能强大，各大汽 车公司已普遍建立了完善的虚拟产品开发系统，已积累了大量的经验和品 牌风格。因此，对汽车覆盖件的三维重构，国外更多的是着眼于研究二维 图向三维模型转换的智能识别与自动重构系统123和对实物逆向的曲面 重构技术45，并提出了许多有效的理论和方法。对汽车覆盖件的工艺分 析与成形仿真，国外各汽车公司非常重视在产品批量生产之前对产品的工 艺分析和可成形性与冲压工艺的研究与优化。当产品结构设计与制造工艺 发生矛盾时，通常采用修改产品结构的方法来达到既满足整车结构又满足 制造工艺要求6。同时，国外从概念设计开始就大量采用有限元模拟技术 7，实现对产品的动力学分

12、析、虚拟装配等的有效分析和预防，大大节省 了开发成本，缩短了产品开发周期。 2.2 国内研究现状与分析 与国外的发展现状相比，我国从严格意义上对车身开发还没有形成从 概念设计到造型风格的系统工程8,新产品的开发能力很弱，更多的是通过 引进国外技术或委托国外公司进行对汽车的开发。 国内对由二维工程图纸重构出三维 CAD 模型的研究也比较广泛、深入， 发表了大量的论文910，但对汽车覆盖件等特别复杂的零部件研究相对较 少，尤其是没有形成成熟的系统理论和行之有效的方法。对于逆向工程技 术，我国在跟踪国外的研究理论、算法和方法进展的基础上进行了较多的 应用研究，并取得了较大的理论成果，已成功应用于汽车

13、车身的开发实践。 对于汽车覆盖件的工艺分析与成形仿真，在国内，对整车性能及效果、冲 压件的工艺性及经济性的重视还不够，导致产品制造成本高、质量差。同 时，我国在有限元分析方面，大大落后于国外的发展应用水平，计算机辅 助与虚拟产品开发基础薄弱。在实际的汽车覆盖件工艺分析中，大部分依 靠专家的经验来分析。 随着我国加入 WTO，市场竞争的不断加剧，各大公司正逐渐建立起自 己的信息系统平台，各种主流软件正逐渐被应用于汽车产品的开发中。我 国在先进计算机技术、虚拟数字化技术等方面的研究与应用水平正逐步向 国外看齐。 3. 逆向工程的发展状况 逆向工程技术(Reverse Engineering，简称

14、RE)是随着计算机技术的 普及和进步，以及计算机辅助设计与制造技术(CAD/CAM)的迅猛发展而发展 起来的。它是一个多学科综合性的术语，是以设计方法学为指导，以现代 设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识 和创造思维，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计 1112。 在制造业，逆向技术是根据实物模型和样件测量数据，建立数学模型， 得到其设计思想，从而进一步修改原有设计，然后将这些模型和表征用于 产品分析、制造和加工生产的技术。随着数控测量技术的发展，这种技术 己被广泛应用于机械、轻工、航空、航天、造船、汽车和模具等现代制造 业的各个领域13。 4.

15、现代汽车模具工业发展趋势 随着汽车工业的迅速发展，新车型更新换代的速度不但加快，传统的 覆盖件模具设计制造方法已不能适应产品开发的要求。汽车覆盖件模具作 为汽车车身生产的重要工艺装备，直接制约着汽车产品的质量和新车型的 开发。覆盖件模具因其设计制造难度大、周期长而常常成为制约汽车生产 的主要因素。通用的二维 CAD 系统无法满足模具设计的一些特殊要求。为 了提高模具设计的技术水平、缩短模具设计周期，应用针对汽车覆盖件模 具结构设计的 CAD 系统进行设计是十分必要的。 5. 课题研究技术路线 汽车覆盖件的数字化建模，包括了覆盖件的点云数据采集、数据处理、 曲面重构、建立拉伸模具、CAE 分析等

16、方面，需要分步骤完成。本课题的 研究步骤如下： （1）根据课题任务要求，阅读查阅国内外相关资料，了解逆向工程的 相关知识，并学习 CATIA 软件。 （2）用三维激光扫描仪对富康车左后门外板进行扫描，获得点云数据， 并且用 CATIA 软件对获得的数据进行处理。 （3）用 CATIA 软件将处理的点云数据进行曲面重构。 （4）以重构的曲面为基础，用 SolidWorks 软件的模具设计模块进行 拉伸模具设计。 （5）用软件对拉伸模具进行 CAE 分析。 第二章 车门外板点云数据的预处理 1. 车门外板点云的采集 1.1 三维激光扫描仪介绍 近年来，随着传感技术、控制技术等相关技术的发展，出现了

17、各种各 样的样件表面数字化方法。数据的采集方式主要有两种141516：一是传 统的接触式测量法，如三坐标测量仪、三维激光扫描仪等；二是非接触式 测量法，如激光三角法、图像法、距离法等。 三维激光扫描仪是指在三维可测的空间范围内，能够根据测头系统返 回的点数据，通过三坐标的软件系统计算各类几何形状、尺寸等测量能力 的仪器。其工作原理是将被测零件放入它允许的测量空间，精确地测量出 被测零表面的点在空间三个坐标位置的数值。本次数据测量采用 STINGER 柔性臂三维激光扫描仪，轻便易操作，它具有测头自动识别和补偿功能， 并且主轴可以无限旋转，能够检测到不容易达到的位置，并且避免臂身在 旋转过程中突然

18、停止带来的伤害。三维激光扫描仪见图 2-1。 图 2-1 三维激光扫描仪 1.2 点云的获取 测量时，首先选择适当的位置放置三维激光扫描仪，保证车门外板在 测量范围之内。然后旋转测头，将车门外板均匀扫描。在扫描过程中，应 当注意以下方面：三维激光扫描仪和车门相对位置不可移动，测头与车门 之间的距离要适当，以减少或避免出现不必要的噪声。 2. 点云的抽稀 三维激光扫描仪对车门外板进行扫描，由于人为的操作，往往会获得 很大的点云数据，而其中包括大量冗余数据，这样会对后面的曲面重构带 来困难。因此，对扫描出的文件，需要在逆向工程软件中按照一定的要求 去除重复数据；同时一些对重构结果影响不大的数据点，

19、也要相应地去除。 选用 CATIA 这一软件完成点云处理以及后续的曲面重构。CATIA 软件 是逆向工程的软件之一，其各个模块基于统一的数据平台，因此 CATIA 的 各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维、 有限元分析、模具和数控加工的程序中。同时，它还有强大的曲面、结构 设计功能。现在，CATIA 软件比较广泛地用于汽车、航空航天、轮船、军 工、仪器仪表、建筑工程、电气管道、通信等方面。因此在汽车制造行业， 许多国内外知名公司都采用了 CATIA 这一成熟的软件。 在 CATIA 软件的 Digitized Shape Editor（DSE）模块中，首先 Impor

20、t（导入）点云文件，选择 Filter选项，对点云数据进行稀释， 稀释后的点云数据如图 2-2。过滤多少必须适当，过滤过多的点云数据将 使点云数据过少，无法表现原始点云数据的外形，如果过滤太少将使点云 数据过多，浪费计算机资源。 图 2-2 抽稀后的点云数据 3. 点云数据的修剪 稀释后的点云数据，由于在扫描中的各种原因，有一些多余的不必要 的点云，与所需点云数据不在同一曲面上，如图 2-3。这时需要进行修剪， 将不需要的点云数据删除，才可以进行后续的曲面重构任务。因此，使用 QSR 模块中的 Remove（删除点）功能对其进行处理。 图 2-3 多余的点数据 4.三角网格的建立 修剪后的点云

21、数据，由于点云的曲面可能不够平滑或者有孔洞，需要 用 Mesh Creation（建立网格）功能，建立适当的三角网格。完成后， 将点云隐藏。形成的三角网格如图 2-4。 图 2-4 三角网格 5. 修补曲面 在扫描过程中有时会遇到一些无法扫描到的部分，或者点云抽稀时， 抽稀过度，局部点云被删除，形成了孔洞。此时就必须利用 Fill Holes（孔填充）功能将残缺的地方填补起来，以便进行后续的曲面重 构。孔填充时，首先设定补洞的间距规格，然后选择孔洞的边缘，此时将 会出现绿色边线，点击确定，形成了边线范围内的多个连续的三角面片。 完成孔洞的填充。如图 2-5,2-6,2-7。 图 2-5 孔洞

22、图 2-6 孔填充编辑 图 2-7 曲面修补完成 第三章 车门外板的曲面重构 车门外板在进行了三维坐标数据采集、数据预处理之后，就可以利用 CATIA 软件中的 Quick Surface Reconstruction（QSR）模块以及创成式外 形设计模块进行曲面重构。根据车门外板的结构不同，可将其划分为四个 区域：车门板面、车门窗框、车门连接、车门把手。 1. 曲面重构的方法 曲面重构有多种方法。当扫描的点云数据完整或者要重构的曲面在所 扫描的点云数据范围之内是，可以利用轮廓线的曲面拟合重构。当扫描的 点云数据不完整时，可以利用约束曲面的功能进行曲面的重构。 由于扫描的点云数据边线不够完整，

23、并且车门形状与白车的车门形状 不同，因此采用利用约束曲面的方法进行曲面重构：首先作车门曲面上的 平行轮廓线，利用轮廓线进行扫掠，得到一系列相交的曲面；其次，在特 定的平面上作车门外轮廓线，以此为基础作拉伸曲面，即约束曲面，与扫 掠曲面相交；再次，完成其余部分的曲面扫掠，以轮廓线为边线进行曲面 的分割；最后，将曲面连接处进行倒圆角处理。将不必要的部分曲面隐藏， 得到最终曲面。 2. 车门板面的重构 车门外板面积较大，是车门的重要组成部分，而局部曲面曲率变化大， 因此作为最先处理的部分。 首先沿车门外板面用 3D Curve(3D 曲线)选项，做出多条轮廓线， 如图 3-1。注意取点时选择 3-4

24、 个点即可，过多对后面接合倒角不利。由 于取点时只能取曲面内的较平滑的点，因而连得曲线长度不够。需要使用 外插延伸功能进行双向延伸，同时能保证曲率变化较平缓，得轮廓线 如图 3-2。 图 3-1 轮廓线 图 3-2 外插延伸后的轮廓线 由于后续需要建立车门的拉伸模具，而扫描的车门与白车的车门有局 部的不同，因此逆向重构时需要在扫描所得的数据上做相应的改动。 选取一条轮廓线，在此基础上作一垂直平面。此时使用 Planar Sections 选项做一垂直平面 1，在此垂直曲面 1 上作凹陷的 3D 曲线。 由于上下相邻的曲面之间需要有相交曲线，因此，所作的 3D 曲线的两个端 点需要在凹陷的曲面的

25、两条边线的外缘，比凹陷部分略长。如图 3-3。 图 3-3 凹陷的 3D 曲线 现在即可对车门板面进行扫掠。使用创成式曲面设计中的扫掠选项 ，将上述车门板面轮廓线进行扫掠，成形曲面如图 3-4。 图 3-4 车门外板面扫掠 车门板面扫掠之后，需要作出车门板面的外轮廓的限制曲面。首先使 用 Planar Sections 选项，以上面所作的平面为基准，再做一垂直平 面 2。在此平面基础上，作出车门板面的外轮廓曲线，利用曲面拉伸选项 将曲线向两个方向各拉伸 100mm，如图 3-5 所示。 图 3-5 拉伸曲面 3. 车门窗框的重构 车门窗框的重构与车门板面的重构类似。首先沿纵向做多条轮廓线， 对

26、轮廓线进行外插延伸，并对其进行扫掠。由于扫掠出的曲面较小，因此 需要对扫掠的曲面进行外插延伸。得到总的车门窗框的曲面。在此曲面上 取一点为基准，利用上面所作的垂直平面 1，作一平面 3 与其垂直。在平 面 3 上，作出车门窗框的外轮廓线草图。利用投影选项，将外轮廓线 投影到扫掠曲面上，如图 3-6。 图 3-6 车门窗框的轮廓投影 同理，作出车门窗框内部的轮廓线，投影到扫掠曲面上。在车门窗框 下边缘作多条横向轮廓线使曲面特征更明显。选择其中一条轮廓线，进行 外插延伸，与外轮廓线相交。此时内轮廓线、外轮廓线与横向轮廓线组成 一个闭合曲面。利用此闭合曲面的轮廓，选择分割选项，将扫掠得到 的曲面分割

27、，如图 3-7 所示。 图 3-7 分割扫掠曲面 4. 车门连接的重构 车门外板各个曲面重构出之后，它们之间需要连接。而且车门板面和 车门窗框曲面之间需要有连接曲面。 首先车门外板的曲面之间作连接。相邻的两个曲面都有一条相交线， 而这条相交线与上下的两个曲面曲率衔接变化很大，因此需要倒圆角处理， 使曲面衔接曲率更加平滑。选择圆角选项，在各个曲面之间进行倒圆角， 设置圆角半径 25mm。如图 3-8。 图 3-8 圆角处理 在车门窗框分割的轮廓线下端的与车门板面外轮廓的上端点之间，作 出连接部分的 3D 曲线，选择填充选项，对其进行填充，得总体曲面。以 车门板面外轮廓和填充的外轮廓为边线，将总体

28、曲面进行分割，得分割曲 面，如图 3-9。 图 3-9 整体曲面分割 5. 车门把手的重构 由于扫描的门把手与冲压出的原件不同，因此门把手处需要进行调整 处理，统一重构出凹陷的曲面。 利用扫描所得点云数据门把手下半部分的曲率特征，首先在门把手的 边缘处作两条相交的 3D 直线，选取 Planar Sections 选项，利用两条相 交直线，建立一个平面 1。在此平面的基础上，绘制草图 1。由于车门把手 处的凹陷是规律的，因此，用曲面平移选项，将平面 1 沿法向向下平移 10mm，得平面 2。在平面 2 上绘制草图 2。使用填充选项，将草图 2 填充，如图 3-10 所示。 图 3-10 轮廓的

29、填充 沿着草图 1 和草图 2 进行扫掠命令，得扫掠出的曲面，如图 3-11。 图 3-11 车门把手的扫掠 将门把手处进行圆角命令，将分割后的不必要部分隐藏，得最终重构 的曲面，如图 3-12。 图 3-12 最终重构所得曲面 第四章 车门外板的拉伸模具结构设计 车门外板数据在经过曲面重构之后，得到三维曲面。要生成制造，需 要进行拉伸模具设计。 1. 拉伸模具介绍 汽车覆盖件的形状复杂、尺寸大，因此一般不可能在一道冲压工序中 直接获得。覆盖件冲压的基本工序有：落料、拉伸、整形（也称校形） 、修 边、翻边和冲孔等。其中，拉伸工序是覆盖件冲压的关键工序，覆盖件的 形状大部分是在拉伸工序形成的。

30、在进行覆盖件的拉伸工艺设计时，应遵循以下的设计原则17： （1）一次拉伸成形 对汽车覆盖件成形来说，由于形状复杂，二次拉伸的变形几乎是无法 控制的，即使能用二次拉伸，覆盖件表面质量也得不到保证。因此，应尽 可能用一道拉伸工序成形出覆盖件形状。 （2）布置拉伸筋（槛） 对大多数覆盖件的拉伸成形都需要设置拉伸筋。特别是表面较为平坦 的覆盖件拉伸成形时，其主要变形方式为胀形变形，必须设置适当的拉伸 筋、拉伸槛，以调整各部位的材料变形流动状况 （3）拉伸件局部形状的修改 在覆盖件主要结构面上，往往有急剧的凹凸折曲和较深的鼓包等局部 形状。为满足合理拉伸成形条件的要求，在制定拉伸工艺时，可以对拉伸 件的

31、形状进行局部的修改，通过加大过渡区域和过渡圆角，改善材料的流 动和补充条件。 （4）工艺孔与工艺切口的设置 对一些拉伸深度较深或胀形变形较大、容易产生破裂的部位，弱若正 好存在内工艺补充部分，则应在拉伸工序中考虑增加工艺孔或工艺切口来 改变毛坯的变形程度，消除破裂因素。 （5）拉伸工序中的冲孔 覆盖件上的孔一般应在零件拉伸成形后冲出，以预防预先冲制的孔在 拉伸过程中发生变形。但对于零件上不变形或变形极小的部位的孔，也可 以在拉伸工序冲出。 （6）毛坯状态 当压料面形状起伏很大时，平板毛坯在压料阶段就会发生皱折、翘曲 等，而且在以后的成形过程中不能完全消除，因此，要将毛坯进行一定程 度的弯曲，接

32、近压料面形状，使毛坯定位较稳定可靠，保证压料面材料变 形流动顺利。 （7）有利于后工序加工 覆盖件在拉伸工序后一般为修边、翻边等工序。在进行拉伸形状设计 和拉伸工艺设计时，预先要很好地考虑到前后各工序间的相互协调，为修 边、翻边等工序提供良好的条件，包括变形条件、模具结构、零件定位、 送料、取件等。并保证使各工序的成形条件达到良好状态。 2. 拉伸模具结构设计 拉伸模结构可分为18：按使用的压力机不同，可分为单动压力机上使 用的拉伸模与双动压力机上使用的拉伸模；按工序的组合程度不同，可分 为单工序拉伸模、复合工序拉伸模与级进工序拉伸模；按结构形式与使用 要求的不同，可分为首次拉伸模与以后各次拉

33、伸模、有压料装置拉伸模与 无压料装置拉伸模、顺装式拉伸模与倒装式拉伸模、下出件拉伸模与上出 件拉伸模。 形状简单、深度浅的覆盖件一般采用单动压力机来成型；形状复杂、 深度深的覆盖件必须采用双动压力机成型。这是因为单动压力机的压料力 是靠机床下面的油缸的压力和行程都比双动压力机小得多，其不能提供较 大压料力和复杂深拉延件所需的成形力。其次，单动压力机所用拉延模的 压边圈比较薄，刚性相对弱，亦不能适应复杂深拉延件的成型。 分析车门外板结构，可知该拉延件属于浅拉延，拉延件形状相对简单， 因此确定该拉延模采用单动压力机上使用的拉延模。单动拉延模结构比较 简单，主要由三大件（凸模、凹模和压料圈）组成。这

34、种拉延模呈倒装形 式，凸模与压料圈、凹模与凸模之间分别装有倒向装置，模具外轮廓尺寸 和闭合高度必须严格适应压力机参数要求。 根据所采用的模具形式，此拉延模的凸模、凹模、压料圈都采用实型 铸造而成，为方便安装，节约材料在不影响刚度和强度的条件下对非重要 部分进行挖空。并且在影响强度和刚度的部位设计加强筋。 设计模具壁厚时，模具铸件的壁厚与模具的尺寸大小、零件生产批量、 以及受力情况都有很大的关系，该制件是批量生产，该模具是中型模具。 参照表 4.1 设计选用壁厚。 表 4-1 大批量生产时拉延模铸件壁厚19（单位：mm） 参照汽车覆盖件冲压模具标准，设计凸模、凹模的结构尺寸。其它小 零件尽量选用

35、标准件。确定凸模和凹模工作部分尺寸时，应考虑模具的磨 损和拉延件的弹复。依据拉延件三维数模尺寸来确定凸模和凹模工作部分 尺寸。 综上所述，拉延模设计如图 4-1。 模具大小ABCDEFG 中小型40503545354535453545455530 大型7095608050654565506540503040 图 4-1 拉延模的结构示意图 1.凹模 2.压边圈 3.凸模 3. 凸模和凹模的设计 3.1 凸模和凹模介绍 凸模、凹模定义： 凸模是冲压模具中起直接成形工件作用的凸形工作零件，即以外形为 工作表面的零件。 凹模是冲压模具中起直接成形工件作用的凹形工作零件，即以内形为 工件表面的零件。凹

36、模的作用是形成凹模压料面和凹模拉延圆角。 冲压时，压力机向下运动，带动凹模向下运动。凹模与压料圈接触， 带动压料圈一起向下，与凹模外形结合，完成冲压过程。 3.2 凸模和凹模的结构设计 在 SolidWorks 软件中，以逆向出的车门曲面为基础，进行加厚处理， 厚度 0.8mm，分别创建凸模和凹模的 3D 结构，如图 4-2,4-3,4-4,4-5。 图 4-2 凸模 3D 结构图 1 图 4-3 凸模 3D 结构图 2 图 4-4 凹模 3D 结构图 1 图 4-5 凹模 3D 结构图 2 3.3 凸模和凹模的圆角设计 凸、凹模的结构设计得是否合理，直接影响拉延时坯料金属流动性。 凹模圆角半

37、径 R 凹越大，材料越易进入凹模；但 R 凹过大，材料易起皱。 因此，在材料不起皱的前提下， t）（ 凹 86R 式中 t板料厚度（mm） ； 但当凹模圆角处于工艺补充部分上，根据常用板料厚度，取中间值 （68）t。当压料面是制件本身凸缘的一部分时，则凹模圆角半径就是拉 延件要求的圆角半径。如果拉延件要求圆角半径过小，影响拉延变形时， 则适当加大到合适数值，用后续的工序整形圆角也能达到要求数值。根据 板料厚度 0.8mm，取 =5mm。 凹 R 凸模圆角半径过小，会使坯料在此受到过大的弯曲变形，导致危 凹 R 险断面材料严重变薄甚至拉裂；过大，会使坯料悬空部分增大，容易产 凸 R 生“内起皱”

38、现象。一般，取，但根据所给数 凸 R 凹 R 凹凸 R)0 . 17 . 0(R 模，=4mm。 凸 R 拉延凸模的圆角半径即拉延件的内轮廓圆角半径，尺寸和拉延件圆角 半径要求的尺寸相同。 3.4 凸模和凹模的间隙设计 拉延凸、凹模间隙的大小，对拉延力、制件质量和模具寿命都有影响。 间隙过大，容易起皱；过小，则拉延件壁变薄加重，甚至拉断。 在此拉延过程中，凸模与凹模之间的间隙，直边部分取 z=t=0.8mm， 在圆角部分由于材料复原，故其间隙应比直边部分间隙大 0.1t，即 ，取 0.9mm（t 为零件厚度） 。凸模和凹模工作部分尺 mmttz88 . 0 1 . 0 寸应该根据拉延件的尺寸来

39、确定，在确定凸模和凹模工作部分尺寸时，应 考虑模具的磨损和拉延件的弹复。 4. 压料圈的设计 图 4-6 压料圈 3D 结构图 1 图 4-7 压料圈 3D 结构图 2 压料圈，又称压边圈，是模具结构中的重要组成部分，它是冲压模具 中用于压住冲压材料或工序件以控制材料流动的零件。它的作用为防止拉 伸件的边缘起皱。 压料圈的质量决定拉延过程中的压料效果，它既要有一定的压料力， 还要使压料区的材料在不起皱的情况下，顺利的流入凹模口内。本次设计 的压料面上有 8 个上导挡料板定位毛坯方便送料，按照设计要求，上导挡 料板尺寸为 11090mm。8 个小凸台安装平衡块其作用是调整进料阻力，通 过调整压料

40、圈与凹模之间的间隙来实现。平衡块选用标准件，该模具是中 型模具，选用直径为 60mm，高度为 20mm 的平衡块。 压边圈的滑动面在凸模轮廓线 510mm 的外侧，与凸模相对的滑板应 该重叠 50mm 以上。原则上滑动面与模具中心平行设定。压边圈固定胚料后 在凸模开始成形时，设定滑动面时压边圈的滑动面接触（重叠）量和模具 引导的接触量应该重叠 100mm 以上。根据压料圈周边的尺寸，选择 6 个滑 板面。滑动面为凸模轮廓长度的 20左右，参照表 4-2 选择滑动面尺寸。 表 4-2 滑动面选择标准（单位：mm） 轮廓长度必要的滑动宽度宽度数量 3011000100 以上752 个 100115

41、00200 以上1002 个以上1502 个 2001300400 以上200（150）2 个（3 个） 3001600 以上2003 个 5. 辅助装置的设计 5.1 导向装置 根据工艺方法的不同，模具对导向精度和导向刚度的要求也不同，模 具的导向形式也不同。常用的导向方式有导柱导套导向、导板导向、导块 导向及背靠块导向等四种基本形式。 由于此件属于中型件的拉延采用导滑板导向，此结构相对简单、造价 低。需要导向的有上模板（凹模）和下模板（凸模）的导向及压料圈的导 向。以上模板上的导滑平台为基准，在下模板和压料圈上安装导滑板。根 据模具的实际结构和拉延深度，查标准 Q

42、M1301-2002，上模板和下模板选 用 C100100 的导板 8 个，下模板与压边圈选用 C120120 的导板 8 个。 5.2 卸料装置 由相对拉延毛坯外形均匀分布的根托杆在液压缸的驱动下推动压料圈， 使压料圈向上运动，完成凸模的卸料，在凹模座内，相对拉延毛坯内形均 匀分布 6 个卸料顶销，完成凹模的卸料。这样就可以提高自动化生产程度， 模具运行也较稳定从而延长了设备的寿命，保证了工件质量也有利于减小 噪音。 第五章 拉伸模具工艺计算及主要参数确定 1. 毛坯尺寸的确定 依据工艺数模得该件最大拉伸距离为 176.5mm。毛坯尺寸可以根据制 件展平后的轮廓尺寸和压料尺寸来确定。其毛坯尺

43、寸确定计算为： 第一部分：工件轮廓尺寸：最大长度 1078mm，最大宽度 1024mm； 第二部分：压料尺寸：压料面沿周边 80mm，拉延筋沿周边 12mm； 第三部分：工艺补充部分：深拉伸处各工艺补充 60mm，浅拉伸处 30mm； 总面积为： （1078+80+60）（1024+80+60）=12181164=mm2 在实际生产中，为了便于取料，将毛坯尺寸确定为 12501200= mm2 材料的利用率： =mm2/mm2=73.6%100%/毛坯面积制件面积 2. 模具相关重要尺寸的确定 由于凸模和凹模的上下部分都是实体，而对冲压影响不大，因此，为 了节省材料，达到材料的合理优化，对其进

44、行 U-CLAMP 设计。对车门主轮 廓做厚度为 40mm 的主筋，模具周边厚度为 40mm,内部的辅助筋板厚度 30mm，相邻两条筋板之间的距离为 200300mm。 模具与压力机及底座等的联接处，需要进行 U 槽设计。其设计要求为 距离模具中心 150mm的倍数。根据模具长宽，选取间距为 450mm。 3. 计算拉伸工序的力 压边力必须适当，如果压边力过大，会增加拉入凹模的拉力，使危险 断面拉裂；如果压边力不足，则不能防止凸缘起皱。 压边力为压边面积乘单位压边力，即 ApP 压 式中 压边力 ,N； 压 P A在压边圈下毛坯的投影面积，mm； p单位压边力，MPa 。 车门外板选材料为冷轧

45、铝镇静钢板，它具有较好的强度，较高的塑性 变形能力，且由于钢中的铝对氮有固定作用，故冲压成形后零件表面不产 生滑移线，是一种非时效钢板。选取单位压边力 3.0，在压边圈下的投影面 积为 A=mm2 ，故压边力得 =3.0=N 压 P 对于横截面为矩形的拉伸件拉伸力 PLtp 拉 式中 拉伸力，N ；P 拉 L危险断面周长，mm;利用软件分析 L=2860mm； t工件坯料厚度，mm ；t=0.8mm； p危险断面上的单位拉伸力，MPa ；冷轧铝镇静钢板的抗拉强度 为 255420Mpa,取 350Mpa 因此 PLtp 拉 =28600.8350 =N 总的拉伸力 P 为拉伸所需要的力和压料所

46、需要的力， 即 PPP 压拉 =+ =N 2.3103 KN 4. 修边力、卸料力、推件力及顶件力的计算 计算冲裁力的目的是为了合理选用压力设备和模具设计，压力机的吨 位必须大于冲裁力，才适应冲裁要求。 （1）冲裁力 0 F = Lt 式中 冲裁力（N） ； 0 F L 冲裁件的周长（mm） ； t 材料的厚度(mm) ； 材料的抗剪强度(MPa)。 ，取 0.8，因此冷轧铝镇静钢板的抗抗拉极限）（剪切应力极限.80.60 剪强度为 204336 MPa，取 330 MPa。 但考虑到凸凹模刃口的磨损，模具间隙的波动，材料的力学性能的变 化和材料厚度偏差等因素，实际需要的冲裁力还需增加 30%

47、，即 0 .3F1F 冲 因此 )tL(LF0 修边冲孔 =37670.8330 =N =1.3 冲 F =.4 1.29103 KN （2）切刃侧压力 1 3 FF 侧 因此 =0.43 103 KN 侧 F （3）卸料力 FKF 卸 其中，K卸料力系数，查表 5.1 取 0.05； 因此 =0.051.29103F卸 =0.0645103KN （4）推件力 FnKF 推 其中 n=h/t, n同时卡在凹模内的零件或废料数； h圆柱形凹模的腔口高度（mm） ； t料厚(mm)； K卸料力系数，查表 5.1,K=0.055。 由设计知，h=6mm,则 n=8, 因此 =80.0551.2910

48、3F推 =0.57103KN （5）顶件力 FKF 顶修边 其中，K顶件力系数，查表 5.1，K 取 0.06； 修边的冲裁力(N)； F修边 因此 =0.060.994103F顶 =0.05964103KN （6）冲裁总的冲压力 顶推卸侧冲 FFFFFF =（1.29 + 0.43 + 0.0645 + 0.57 + 0.05964）103KN =2.356103KN 2.36103KN 表 5-1 卸料力、推件力及顶件力系数20 按照总的拉伸力 F=2.36103 KN，实际生产中，可按下式估算压力机 料厚（mm） 推 K 顶 K 卸 K 052.50.0550.060.040.05 的公

49、称压力 F0， 浅拉伸 ： F) 8 . 16 . 1 (F 总 =2.361031.6=3.78103KN 总 F 经过计算压力机的公称压力要大于 378 吨。 第六章 车门外板拉伸模具的 CAE 分析 1. 车门外板拉伸模具 CAE 分析的意义 模具运行时，将坯料置于凸模上面，压力机作用于凹模，凹模向下运 动，带动压料圈向下运动，与凸模一起完成冲压成形。在整个过程中，凹 模、凸模、压料圈与坯料接触的表面受力很大。因此，需要对其进行受力 仿真分析。 有限元分析是利用数学近似的方法，对真实物理系统（几何和载荷工 况）进行模拟。利用简单而又相互作用的元素，即单元，用有限数量的未 知量去逼近无限未

50、知量的真实系统。 2. 软件对拉伸模具的有限元分析 对于拉伸模具的有限元分析，选用 SolidWorks 这一软件来完成。 SolidWorks 功能强大，组件繁多。功能强大、易学易用和技术创新是 SolidWorks 的三大特点，使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD 解决方案。它能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高 产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设 计者来说，操作简单方便、易学易用。 SolidWorks Simulation 是 SolidWorks 软件的 CAE 分析系统。它提供 了单一屏幕解决方案来进行

51、应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优 化分析。而且凭借着快速解算器的强有力支持，使得操作者能够使用个人 计算机快速解决大型问题。由于简单易操作，SolidWorks Simulation 为 用户提供了一个容易使用的初步应力分析工具。 在 SolidWorks Simulation 中，将模型进行简化处理去掉不必要的结 构。定义好约束，受力方向、大小，利用第五章第四节中计算出的力 F0 =3.78103KN，使之均布。受力方向垂直于模型底面向下。由于模具材料 选用为 YL80.3，为硬质合金钢，适于生产在较大应力下冲压模具用板材。 因此，在 SolidWorks Simulation 中，

52、选择材料为合金钢，确定参数、生 成网格后则可以开始计算。 2.1 凹模的有限元分析 对凹模进行分析，所得屈服应力图 6-1 和位移图 6-2。 图 6-1 凹模受力分析屈服应力图 图 6-2 凹模受力分析位移图 从图 6-1 中可以看出，凹模受力时，模具的最大屈服应力大部分为蓝 色，最大值为，小于许用应力。并且冲压时，凹模的筋380 ss Mpa 板部分起到了缓冲作用，可以更加减少应力。因此，材料的强度符合要求。 从图 6-2 中可以看出，凹模受力时，模具大部分为蓝色，从位移显示 可以得出，最大位移为 0.0212mm，符合模具的工作要求。 因此，用 YL80.3 作为凹模的材料，符合模具工作

53、要求。 2.2 凸模的有限元分析 对凸模进行分析，所得屈服应力图 6-3 和位移图 6-4。 图 6-3 凸模的受力分析屈服应力图 图 6-4 凸模的受力分析位移图 从图 6-3 中可以看出，凸模受力时，模具的应力大部分为蓝色，最大 值为，小于许用应力。因此，材料的强度符合要求。504 ss Mpa 从图 6-4 中可以看出，凸模受力时，模具大部分为蓝色，从位移显示 可以得出，最大位移为 0.0334mm，符合模具的工作要求。 因此，用 YL80.3 作为凸模的材料，符合模具工作要求。 综上所述，选用 YL80.3 作为冲压模具的材料，符合模具工作要求。 第七章 结论 汽车覆盖件的曲面逆向重构

54、和拉伸模具结构设计，在现代汽车工业中 占有重要地位。本文对富康轿车车门外板的数字化建模，包括车门的逆向 重构和拉伸模具的设计，即逆向工程、拉伸模具和有限元分析等多方面的 综合应用。同时，对模具进行了力学分析。在整个设计的过程中主要完成 了以下几个方面的工作： （1）逆向工程的应用。通过三维激光扫描仪对车门外板的三维坐标扫 描，用 CATIA 软件对点云数据进行点云处理，之后曲面重构，完成逆向工 程的组成部分。 （2）拉伸模具的结构设计。曲面重构出之后，需要对车门曲面建立拉 伸模具。使用 SolidWorks 软件建模，做出模具的凹模、凸模、压料圈等组 成部分。 （3）拉伸模具的有限元分析。计算

55、模具的各个拉压应力，用 SolidWorks Simulation 对拉伸模具进行有限元分析，从而验证受力是否 合理。 由于时间的问题，局部做得不够完善，有些问题需要后续解决。这就 需要在今后的学习过程中不断，积累经验，更加丰富对课题的设计知识。 致 谢 参考文献 1 Dori.D,et al. Form engineering drawings to 3D models: are we ready now?J.Computer-Aided Design，1995. 27(4)：243-253. 2 Takashi Maekawa. An overview of offset curves a

56、nd surfacesJ. Computer-Aided Design，1993.31：165. 3 Janos Vida, et al. A survey of blending methods that use parametric surfacesJ. Computer-Aided Design，1994.26(5)：341- 365. 4 K.H.Lee, et al. Data Reduction Methods for Reverse EngineeringJ. The International Journal Advanced Manufacturing Technology，2001.17：735-743. 5 Pl Benko, et al. Algorithms for reverse engineering boundary representation modelsJ. Computer-Aided Design，2001. 33：839