摘要

　　在模具的制造過(guò)程中，工藝設計確定了模具制造過(guò)程及制造所需的制造資源、制造時(shí)間等，是完成模具產(chǎn)品設計向制造轉換的關(guān)鍵性環(huán)節，對模具產(chǎn)品的質(zhì)量、制造成本等具有重要的影響。

　　隨著(zhù)計算機在制造型企業(yè)中的應用，通過(guò)計算機進(jìn)行工藝的輔助設計已成為可能。CAPP 技術(shù)的應用為提高工藝文件的質(zhì)量，縮短生產(chǎn)準備周期，提高信息處理能力和企業(yè)各部門(mén)間信息的交流能力，并為廣大工藝人員從繁瑣、重復的勞動(dòng)中解放出來(lái)提供一條切實(shí)可行的途徑。應用 CAPP 技術(shù)將縮短設計周期，對修改和變更設計能快速做出響應；工藝人員的經(jīng)驗能夠得到充分的積累和繼承，減小編制工藝文件的工作量和產(chǎn)生錯誤的可能性。應用計算機輔助工藝設計的必要性已被越來(lái)越多的企業(yè)所認識。

　　本文介紹了汽車(chē)覆蓋件模具加工制造的現狀及工藝設計概況，并由此引出CAPP 技術(shù)在汽車(chē)覆蓋件模具加工中的應用。

　　研究了腔槽粗加工和曲面精加工切削用量?jì)?yōu)化模型，討論了刀位軌跡走刀方式對加工時(shí)間和加工質(zhì)量的影響，通過(guò)實(shí)驗總結出一些工藝經(jīng)驗知識，為汽車(chē)覆蓋件模具數控加工 CAPP 工藝模板的開(kāi)發(fā)奠定了理論基礎。

　　在研究汽車(chē)覆蓋件模具的工藝結構特征、分類(lèi)及其加工工藝性和汽車(chē)覆蓋件模具制造有關(guān)的工藝參數選擇與優(yōu)化的基礎上，以 PowerMILL 軟件為開(kāi)發(fā)平臺，開(kāi)發(fā)了汽車(chē)覆蓋件模具的各種結構特征的數控加工工藝及檢索式的汽車(chē)覆蓋件模具數控加工 CAPP 工藝模板，實(shí)現了汽車(chē)覆蓋件模具 CAD/CAPP/CAM 一體化，以提高 NC 編程的質(zhì)量和效率，規范汽車(chē)覆蓋件模具加工工藝路線(xiàn)、工藝參數等。實(shí)際應用證明了該 CAPP 工藝模板具有可行性和實(shí)用性。

　　關(guān)鍵詞：汽車(chē)覆蓋件；沖壓模具；結構特征；切削參數；工藝模板

Abstract

　　In die and mould manufacturing, process planning has very important effect on manufacturing resources and time. It represents the link between engineering design and shop floor manufacturing, and is a major determinant of manufacturing cost, quality and profitability of die and mould product.

　　With the application of computers in the manufactory industry, the feasibility of applying the computers to assist machining process planning has been proved. CAPP technique offers an effective method to improve the quality of process files, shorten the prepared time of production, improve the capability of information-management and communication among different departments, as well as release engineers from the boring reduplicate work. The time of design can be shortened and faster reaction to modification and changes in design are achieved by employing the CAPP technique, and meanwhile the workload spent on making process files as well as the possibility of mistake can be lighten. The necessity of adopting CAPP technique has been realized by more and more enterprises.

　　First of all, the manufacturing situation and design process for automotive panel die and mould are introduced, and then the applications of CAPP technique in automotive panel die and mould manufacture are presented.

　　Then the optimized models of rough machining for pockets and finish machining for surfaces are studied, and the effect of the toolpath on machining time and machining quality are discussed. The results of researches establish the theoretical basis for developing the CAPP template of automotive panel stamping die.

　　Based on the researches on selection and optimization for die and mould manufacturing process as well as its structural feature, an index CAPP template is developed by employing the PowerMILL software. The template provided in this paper is able to promote the integration of the CAD/ CAPP/ CAM and enhance the capability of reacting to market for automotive panel stamping die.

　　The CNC machining procedure for automotive panel die and mould is difficult because various types of CNC machine tools exist to aid the various stages of manufacturing. An efficient CNC machining process planning system is essential to improve the machining process and to reduce the process planning and programming time. An efficient CNC machining process and the CAPP template for automotive panel stamping dies with different structural features are developed by employingPowerMILL software based on the research on their structural features and machining process. Applications of sheet metal die machining verify the effectiveness and practicability of the proposed CAPP template.

　　Key Words: Automobile panel; Stamping dies; Structural feature; Cutting parameters;Processing template

　　汽車(chē)覆蓋件（automobile panel，簡(jiǎn)稱(chēng)覆蓋件）是指覆蓋發(fā)動(dòng)機、底盤(pán)、構成駕駛室和車(chē)身的薄鋼板異形體的表面零件（outer panels，稱(chēng)為外覆蓋件）和內部零件（inner panels，稱(chēng)為內覆蓋件）。轎車(chē)的車(chē)前板和車(chē)身、載重汽車(chē)的車(chē)前板和駕駛室、箱式貨車(chē)的車(chē)身等都是由覆蓋件和一般沖壓件構成的。一輛轎車(chē)約有 80%的零部件由模具加工制造[1]。覆蓋件和一般沖壓件相比，具有材料薄、形狀復雜且多為空間曲面、結構尺寸大和表面質(zhì)量高等特點(diǎn)[2]。覆蓋件在沖壓工藝、沖模設計和沖模制造上難度都較大，并具有獨自的特點(diǎn)。因此在實(shí)踐中常把覆蓋件模具從一般沖壓件模具中分離出來(lái)，作為一種特殊的類(lèi)別加以研究和分析。覆蓋件模具以其大型、復雜、精密而成為模具中舉足輕重的部分。

　　要想獲得一個(gè)合格的覆蓋件，關(guān)鍵在于拉延、整型、切邊、翻邊等工序工藝方案的確定和模具設計與制造技術(shù)。

　　自從 1896 年汽車(chē)工業(yè)誕生以來(lái)，世界汽車(chē)工業(yè)不斷增長(cháng)，并帶動(dòng)了一大批相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，由此確立了其在國民經(jīng)濟中的支柱地位。1995 年，我國政府頒布了《汽車(chē)工業(yè)產(chǎn)業(yè)政策》，其中明確提出要振興汽車(chē)制造業(yè)，使之成為我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。根據國家汽車(chē)工業(yè)發(fā)展戰略，車(chē)身開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。由于車(chē)身是汽車(chē)的一個(gè)非常重要的總成，其外板重量約占車(chē)身總重量的 20%，而開(kāi)發(fā)和制造成本約為整車(chē)造價(jià)的 40％～60%，再加上新車(chē)型的開(kāi)發(fā)主要是在原有底盤(pán)、動(dòng)力總成不變的基礎上進(jìn)行外形的重新設計，所以車(chē)身開(kāi)發(fā)能力已成為汽車(chē)制造企業(yè)實(shí)現汽車(chē)自我開(kāi)發(fā)和提高市場(chǎng)竟爭力的關(guān)鍵所在[3,4]。

　　1994 年 6 月，李嵐清副總理在東風(fēng)公司工作匯報會(huì )上說(shuō)：“我主張搞汽車(chē)先搞車(chē)身，因為車(chē)身的周期最長(cháng)、難度最大。”

　　車(chē)身開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵在于車(chē)身覆蓋件模具的開(kāi)發(fā)。一輛轎車(chē)上約有 80%的零部件是用模具加工制造的。一般汽車(chē)車(chē)身有數百個(gè)沖壓件組成，全車(chē)所需的沖模高達一千副以上。在“車(chē)型設計－模具設計與調試－投產(chǎn)”的整個(gè)周期中，模具設計和制造約占三分之二的時(shí)間，成為車(chē)身改型的制約因素。歐、美、日各大汽車(chē)制造公司改型換代約需 16 個(gè)月，這很大程度上歸功于它們先進(jìn)的CAD/CAE/CAM技術(shù)[5,6]。國外采用CAD/CAE/CAM 和各種數控機床及三坐標測量?jì)x直接相連，使汽車(chē)模具的開(kāi)發(fā)制造呈現前所未有的面貌，模具精度大幅度提高，模具壽命延長(cháng)2 倍以上，模具開(kāi)發(fā)制造的成功率達 95%以上。特別是CAE的應用[7]，改變了傳統覆蓋件模具設計憑經(jīng)驗進(jìn)行，質(zhì)量難以保證的局面。通過(guò)仿真分析材料的成形過(guò)程，預測制件可能發(fā)生的缺陷，從而達到優(yōu)化工藝過(guò)程和模具結構的目的，縮短甚至取消試模過(guò)程，大大提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、縮短模具開(kāi)發(fā)周期[8,9]。

　　汽車(chē)工業(yè)已成為我國支柱產(chǎn)業(yè)，汽車(chē)產(chǎn)量名列世界汽車(chē)生產(chǎn)前列。我國汽車(chē)工業(yè)目前基本上已形成重、中、輕、轎、微全系列汽車(chē)發(fā)展格局，根據國家《汽車(chē)工業(yè)振興規劃綱要》，今后汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)是獨立自主的轎車(chē)及轎車(chē)零部件的開(kāi)發(fā)。然而，我國一些大型汽車(chē)模具制造廠(chǎng)家仍然停留在相對落后的水平上，致使一些關(guān)鍵性模具不得不花費大量外匯，依靠國外來(lái)設計加工。尤其是轎車(chē)工業(yè)，覆蓋件模具的問(wèn)題更加突出。我國的模具工業(yè)正面臨著(zhù)嚴峻的挑戰，如不能適應這種快速變化的形勢，將會(huì )嚴重影響我國汽車(chē)制造業(yè)的生存和發(fā)展。

　　汽車(chē)工業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，對我國的產(chǎn)業(yè)結構起著(zhù)至關(guān)重要的作用。但是在發(fā)展過(guò)程中受到一些因素的制約：（1）我國汽車(chē)工業(yè)起步晚，基礎薄弱，至今仍主要停留在經(jīng)驗設計制造階段，發(fā)展速度緩慢；（2）與此同時(shí)，國外幾大汽車(chē)制造企業(yè)（如美國福特、通用、德國大眾、日本豐田等）正致力于設計制造過(guò)程的計算機化、自動(dòng)化研究，并取得了很大的進(jìn)展，從而進(jìn)一步拉大了我國與國際汽車(chē)設計制造水平之間的距離。為了有能力參與國際汽車(chē)市場(chǎng)競爭，占領(lǐng)一定的市場(chǎng)份額，我國汽車(chē)工業(yè)自主創(chuàng )新勢在必行。

　　我國汽車(chē)工業(yè)自主創(chuàng )新的一大瓶頸技術(shù)就是汽車(chē)覆蓋件模具的設計與制造。

　　顯然，發(fā)展這一技術(shù)的突破口亦在于設計制造過(guò)程的計算機化、自動(dòng)化。對于汽車(chē)覆蓋件模具制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，其首要任務(wù)是建立起現代模具設計制造模式，在并行環(huán)境下集成各項先進(jìn)技術(shù)組織生產(chǎn)。一方面市場(chǎng)上已有不少成熟的商品化CAD/CAM軟件（如UG、IDEAS、CATIA、 Pro/E等），另一方面數控機床也能最大程度地滿(mǎn)足企業(yè)的生產(chǎn)需要。因此，對于技術(shù)應用企業(yè)來(lái)說(shuō)，如何有效地組織軟硬件進(jìn)行生產(chǎn)－即工藝過(guò)程規劃是最重要的。工藝過(guò)程規劃同時(shí)也是最困難的，這使得傳統的工藝過(guò)程規劃只能是基于經(jīng)驗的人工行為。由于人力的限制和經(jīng)驗不可避免地存在片面性，這一行為不但費時(shí)而且不一定十分可靠。一時(shí)的失誤，輕則延誤了工期，嚴重的甚至造成難以挽回的損失。因此，為了保證工程的可靠性，提高生產(chǎn)效率，構造一個(gè)集成化的制造環(huán)境，工藝過(guò)程規劃的計算機化、自動(dòng)化是十分必要的。但就目前情況來(lái)看，汽車(chē)覆蓋件模具加工工藝設計仍然是以工程設計人員的經(jīng)驗和知識為主，通過(guò)類(lèi)比進(jìn)行設計。隨著(zhù)新車(chē)型更新?lián)Q代的日益加速，這種傳統的工藝設計方法已經(jīng)不能適應產(chǎn)品發(fā)展的需要。工藝設計及編制是聯(lián)系上游產(chǎn)品設計和下游產(chǎn)品制造加工的中間環(huán)節，是把產(chǎn)品由概念設計轉化為實(shí)際生產(chǎn)的關(guān)鍵。因而，汽車(chē)覆蓋件模具加工工藝設計技術(shù)的滯后使整車(chē)開(kāi)發(fā)周期變長(cháng)，耗費大量的人力、物力。隨著(zhù)學(xué)科交叉和計算機等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，采用CAPP（計算機輔助工藝設計）技術(shù)設計可以大大提高模具生產(chǎn)的質(zhì)量和效率[10~12]。

　　作為生產(chǎn)汽車(chē)覆蓋件的主要工藝裝備，汽車(chē)覆蓋件模具具有結構尺寸大、型面形狀復雜、尺寸精度高和表面粗糙度要求高的特點(diǎn)，同時(shí)要求使用壽命長(cháng)且單件生產(chǎn)，設計和加工要考慮很多因素。因此，汽車(chē)覆蓋件模具設計往往要求有多年設計經(jīng)驗的人員來(lái)完成。

 　　基于CAPP技術(shù)汽車(chē)覆蓋件模具演示：

CAPP 工藝模板路徑定義對話(huà)框

CAPP 工藝模板路徑選擇對話(huà)框

拉延模模具型面 CAPP 工藝模板示意圖

汽車(chē)覆蓋件模具數控加工 CAPP 工藝模板操作界面

汽車(chē)覆蓋件模具型面三維 CAD 圖

模具型面粗加工參數設置及刀具路徑

目 錄

　　第 1 章 緒論
　　　　1.1 汽車(chē)覆蓋件模具
　　　　　　1.1.1 汽車(chē)覆蓋件模具概述
　　　　　　1.1.2 汽車(chē)覆蓋件模具在我國汽車(chē)工業(yè)自主創(chuàng )新中的作用
　　　　1.2 汽車(chē)覆蓋件模具制造技術(shù)
　　　　　　1.2.1 汽車(chē)覆蓋件模具制造流程
　　　　　　1.2.2 數控加工技術(shù)在汽車(chē)覆蓋件模具制造中的應用
　　　　1.3 汽車(chē)覆蓋件模具CAPP技術(shù)
　　　　　　1.3.1 CAPP概述
　　　　　　1.3.2 CAPP技術(shù)在汽車(chē)覆蓋件模具加工中的應用
　　　　　　1.3.3 模具CAPP技術(shù)國內外研究現狀
　　　　1.4 課題研究意義與研究?jì)热?br /> 　　　　　　1.4.1 課題研究意義
　　　　　　1.4.2 課題研究?jì)热?br /> 　　　　1.5 小結
　　第 2 章 汽車(chē)覆蓋件模具結構特征及其加工工藝性
　　　　2.1 汽車(chē)覆蓋件模具的特點(diǎn)與分類(lèi)
　　　　　　2.1.1 汽車(chē)覆蓋件模具的特點(diǎn)
　　　　　　2.1.2 汽車(chē)覆蓋件模具的分類(lèi)
　　　　2.2 汽車(chē)覆蓋件模具結構特征
　　　　　　2.2.1 一般零件的特征分類(lèi)技術(shù)
　　　　　　2.2.2 汽車(chē)覆蓋件模具特征分類(lèi)的原則
　　　　　　2.2.3 基于加工工藝的汽車(chē)覆蓋件模具結構工藝特征
　　　　2.3 汽車(chē)覆蓋件模具結構特征加工工藝性
　　　　　　2.3.1 拉延成型模模具型面加工工藝流程
　　　　　　2.3.2 拉延成型模模具型面典型加工工藝分析
　　　　2.4 小結
　　第 3 章 汽車(chē)覆蓋件模具數控加工CAPP技術(shù)概況
　　　　3.1 汽車(chē)覆蓋件模具制造工藝現狀
　　　　3.2 汽車(chē)覆蓋件模具制造工藝設計概述
　　　　3.3 汽車(chē)覆蓋件模具CAPP技術(shù)概述
　　　　　　3.3.1 成組技術(shù)的應用
　　　　　　3.3.2 基于事例推理技術(shù)的應用
　　　　3.4 小結
　　第 4 章 汽車(chē)覆蓋件模具加工工藝的選擇與優(yōu)化
　　　　4.1 汽車(chē)覆蓋件模具粗加工工藝參數的選擇與優(yōu)化
　　　　　　4.1.1 工藝內容和工藝要求
　　　　　　4.1.2 粗加工刀具的直徑選擇
　　　　　　4.1.3 粗加工切削用量的選擇與優(yōu)化
　　　　4.2 汽車(chē)覆蓋件模具精加工工藝參數的選擇與優(yōu)化
　　　　　　4.2.1 工藝要求和工藝內容
　　　　　　4.2.2 切削用量?jì)?yōu)化目標與約束條件
　　　　4.3 汽車(chē)覆蓋件模具粗加工走刀方式的選擇與優(yōu)化
　　　　　　4.3.1 粗銑刀位軌跡生成方法綜述
　　　　　　4.3.2 走刀方式對刀位軌跡長(cháng)度的影響
　　　　　　4.3.3 走刀方式的選擇與優(yōu)化
　　　　4.4 汽車(chē)覆蓋件模具精加工走刀方式的選擇與優(yōu)化
　　　　　　4.4.1 精加工刀位軌跡生成方法綜述
　　　　　　4.4.2 刀位軌跡對表面質(zhì)量的影響
　　　　　　4.4.3 刀位軌跡的優(yōu)化途徑
　　　　4.5 小結
　　第 5 章 汽車(chē)覆蓋件模具數控加工CAPP技術(shù)開(kāi)發(fā)
　　　　5.1 引言
　　　　5.2 PowerMILL軟件在汽車(chē)覆蓋件模具CAPP中的應用
　　　　5.3 汽車(chē)覆蓋件模具數控加工CAPP技術(shù)實(shí)施
　　　　　　5.3.1 汽車(chē)覆蓋件模具數控加工CAPP工藝模板總體結構
　　　　　　5.3.2 汽車(chē)覆蓋件模具數控加工CAPP工藝模板開(kāi)發(fā)
　　　　　　5.3.3 CAPP工藝模板在汽車(chē)覆蓋件模具制造中的應用
　　　　5.4 小結
　　結 論
　　參考文獻
　　致 謝

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