1 客車后圍側(cè)蒙皮模型面設(shè)計

　　1.1 零件成形工藝性分析

　　某客車后圍側(cè)蒙皮如圖1所示，材料為08F鋼，料厚為1.0mm，具有形狀復雜、尺寸大和成形難等特點，需要經(jīng)過落料、拉深、整形和切邊等工序才能成形，其中拉深工序最為關(guān)鍵，它直接關(guān)系到覆蓋件沖壓成形的成敗。本文主要討論拉深工序，因零件為非對稱件，若單個加工不利于成形，壓料面也不易設(shè)計，故設(shè)計成左右對稱件拼合拉深的工序樣件。

　　圖1 客車后圍側(cè)蒙皮三維模型

　　1.2 模型面設(shè)計要點

　　拉深模型面設(shè)計是一個在覆蓋件三維模型基礎(chǔ)上進行邊界條件設(shè)計的創(chuàng)造性過程。建模要點在于保證后圍側(cè)蒙皮與頂部蒙皮、中部蒙皮的匹配關(guān)系，所以采用先整體后局部的設(shè)計思想，即先建立客車整個后圍的模型曲面，然后從上面切下后側(cè)蒙皮。

　　分析零件的結(jié)構(gòu)特征和主要輪廓截面形狀，在solidWorks中利用掃描和放樣得到所需的多自由曲面特征。通過切除實體得到零件外輪廓，再用放樣切除零件局部形狀。通過抽殼形成零件薄壁特征，切出裝燈孔等結(jié)構(gòu)得到客車后圍側(cè)蒙皮的三維模型，再通過鏡像和工藝補充面設(shè)計，完成拉深模型面的曲面造型，如圖2所示。

　　圖2 拉深模型面造型

　　2 沖壓成形數(shù)值模擬

　　2.1 成形模擬過程

　　將模具型面幾何模型以IGES格式導入Dynaform中，利用DFE模塊完成網(wǎng)格自動剖分、網(wǎng)格檢查和修補、網(wǎng)格邊界光順、沖壓方向調(diào)整、工藝補充面設(shè)計、壓料面設(shè)計、拉深筋設(shè)計、載荷曲線定義和模具的定位等。

　　在工藝補充面設(shè)計時，首先確定沖壓方向，盡量使各處的拉深深度相近，以利于拉深成形。在CAE分析中采用等效拉深筋模型代替真實拉深筋，以避免產(chǎn)生數(shù)值處理上的困難。利用BSE模塊快速設(shè)計出坯料的形狀，以提高材料利用率。

　　板材為08F鋼，屈服強度，抗拉強度，硬化指數(shù)n=0.2l。利用Dynaform軟件外部接口可對其進行二次開發(fā)，將板料性能試驗數(shù)據(jù)成功添加至材料參數(shù)庫，在數(shù)值模擬時調(diào)用，提高了數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。

　　模擬參數(shù)設(shè)置以實際加工參數(shù)為依據(jù)，設(shè)置完成后提交工作到求解器，采用非線性動力顯式有限元軟件LS—DYNA進行計算，完成板料沖壓成形過程模擬。

　　2.2 模擬結(jié)果分析

　　讀人計算生成的d3plot文件到后處理模塊中，可動態(tài)查看坯料的成形過程。從成形極限圖、主應(yīng)力分布圖和厚度減薄率分布等方面可分析覆蓋件拉深的成形性。如果模擬結(jié)果不滿意，通過分析找出其原因，采取措施改進設(shè)計，如調(diào)整壓邊力或拉深筋的布置等工藝參數(shù)，修改模型面等，再次進行成形模擬。模擬結(jié)果分析詳見文獻。

　　將CAE模擬結(jié)果滿意的模面數(shù)據(jù)導入solidWorks中，進行模具結(jié)構(gòu)整體設(shè)計及部分零件的參數(shù)化設(shè)計，檢驗裝配干涉情況等，從而提高設(shè)計成功率。

　　3 模具的CAM技術(shù)

　　將優(yōu)化的數(shù)模信息導入MasterCAM軟件，設(shè)計數(shù)控銑削刀具路徑，經(jīng)后置處理自動生成對應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)適用的NC代碼，取代了繁瑣而復雜的編程工作。在宇龍數(shù)控仿真系統(tǒng)中進行仿真加工，以檢驗數(shù)控程序的可行性和數(shù)控機床操作的正確性。對仿真結(jié)果滿意后將NC程序輸入機床控制系統(tǒng)，加工出所需的模具型面。由于加工過程是基于高準確性的計算機模型，從而減少了產(chǎn)生制造誤差的因素，提高了制造精度。

　　3.1 CAM自動編程

　　通過對模具加工表面形狀分析及現(xiàn)有設(shè)備條件的綜合考慮，選用西門子控制系統(tǒng)的802D型三軸聯(lián)動立式數(shù)控銑床進行實際加工。根據(jù)刀具材質(zhì)、機床特性及工件材料的切削性能等要求，模具型面分為粗銑、精銑來達到要求。

　　將優(yōu)化的工藝數(shù)模以parsld_‘*x_t’格式導入MasterCAM中，設(shè)置工件毛坯尺寸后進行粗加工設(shè)定。選取直徑為φ10mm的球頭銑刀，采用平行銑削加工方式，銑去大部分的多余材料，留o.5mm加工余量，設(shè)置銑刀參數(shù)和加工參數(shù)后，生成刀具路徑如圖3所示。精加工參數(shù)設(shè)置步驟與粗加工類似，選取φ0.5mm球頭銑刀，設(shè)置好加工參數(shù)后系統(tǒng)生成精加工路徑。

　　圖3 粗加工刀具路徑

　　在“操作管理員”窗口，可實現(xiàn)重繪刀具路徑、修改參數(shù)、重新編制刀具路徑、實體切削驗證和后處理程式等。選取實體切削驗證指令，可進行加工刀具路徑模擬，以檢驗刀具路徑的設(shè)定是否合理。若模擬結(jié)果不滿意，可以利用刀具軌跡與零件圖形、加工參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，進行局部修改，立即生成新的刀具加工路徑。當模擬結(jié)果滿意后，在操作管理器中單擊Post按鈕，選擇與機床數(shù)控系統(tǒng)相適應(yīng)的后處理器，生成特定的數(shù)控加工程序。

　　3.2 數(shù)控仿真加工

　　采用宇龍數(shù)控仿真系統(tǒng)進行模具型面仿真加工，在計算機上對加工中機床、刀具的切削運動和工件余量去除過程獲得真實感的動態(tài)顯示，從而快捷有效地檢驗數(shù)控程序的可行性和數(shù)控機床操作的正確性。

　　MasterCAM軟件默認的G代碼存檔格式為*.NC，根據(jù)西門子系統(tǒng)需要將程序文件保存為*.TXT.格式，并按要求修改程序起始兩行為如下內(nèi)容：

　　%_N_0000X_MPF(0000x為進入數(shù)控系統(tǒng)之后的文件名)

　　;$PATH=/_N_MPF_DIR

　　進人數(shù)控仿真系統(tǒng)后，通過菜單欄依次進行設(shè)置。選擇機床類型為銑床，控制系統(tǒng)為SIEMENS802D，定義毛坯形狀、材料和尺寸，安裝夾具放置零件。激活機床，使機床回參考點，選擇刀具類型及參數(shù)，再通過對刀建立起工件坐標系與機床坐標系之間的關(guān)系。選擇菜單“機床/DNc傳送”或按下程序鍵進入程序管理界面，點擊軟鍵“讀入”，選擇事先編輯好的程序，此程序?qū)⒈粡椭频綌?shù)控系統(tǒng)中。選擇自動加工方式，設(shè)置運行程序時的控制參數(shù)，按啟動鍵后開始執(zhí)行程序即可進行模具型面的仿真加工，如圖4所示。

　　圖4 數(shù)控程序調(diào)入仿真系統(tǒng)界面

　　3.3 型面的數(shù)控加工

　　對仿真結(jié)果滿意后，通過通信接口將數(shù)控程序輸入機床控制系統(tǒng)，完成模具型面的實際加工。先將模具原型縮小十倍采用尼龍材料加工，之后再用模具材質(zhì)進行實物加工。凸模模型粗加工結(jié)果如圖5所示。粗加工結(jié)束后再調(diào)入精加工程序，由于機床內(nèi)存相對較小，把精加工程序分為三段輸入。每一段的起刀位置必須是上一段的終點，并增加空走部分程序。凹模模型精加工結(jié)果如圖6所示。

　　圖5 實際加工的凸模

　　圖6 實際加工的凹模

　　4 結(jié)語

　　應(yīng)用三維CAD/CAE/CAM技術(shù)，對客車后圍側(cè)蒙皮沖壓模具的設(shè)計、分析和加工一體化過程進行了研究。結(jié)果表明，對板料拉深過程進行CAE數(shù)值模擬，預(yù)測成形中可能出現(xiàn)的問題，為優(yōu)化沖壓工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。將CAM自動編程軟件與仿真加工軟件的優(yōu)勢相結(jié)合，完善了數(shù)控編程和程序驗證的流程，是提高數(shù)控加工質(zhì)量和效率、縮短模具開發(fā)周期的有效途徑。