1 客車后圍側蒙皮模型面設計

　　1.1 零件成形工藝性分析

　　某客車后圍側蒙皮如圖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鍵，它直接關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，壓料面也不易設計，故設計成左右對稱件拼合拉深的工序樣件。

　　圖1 客車后圍側蒙皮三維模型

　　1.2 模型面設計要點

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

　　分析零件的結構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，切出裝燈孔等結構得到客車后圍側蒙皮的三維模型，再通過鏡像和工藝補充面設計，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、工藝補充面設計、壓料面設計、拉深筋設計、載荷曲線定義和模具的定位等。

　　在工藝補充面設計時，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)值模擬結果的準確性。

　　模擬參數(shù)設置以實際加工參數(shù)為依據(jù)，設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。如果模擬結果不滿意，通過分析找出其原因，采取措施改進設計，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。模擬結果分析詳見文獻。

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

　　3 模具的CAM技術

　　將優(yōu)化的數(shù)模信息導入MasterCAM軟件，設計數(shù)控銑削刀具路徑，經(jīng)后置處理自動生成對應數(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、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，設置工件毛坯尺寸后進行粗加工設定。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)設置步驟與粗加工類似，選取φ0.5mm球頭銑刀，設置好加工參數(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定是否合理。若模擬結果不滿意，可以利用刀具軌跡與零件圖形、加工參數(shù)的關聯(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，此程序將被復制到數(shù)控系統(tǒng)中。選擇自動加工方式，設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，之后再用模具材質進行實物加工。凸模模型粗加工結果如圖5所示。粗加工結束后再調(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 結語

　　應用三維CAD/CAE/CAM技術，對客車后圍側蒙皮沖壓模具的設計、分析和加工一體化過程進行了研究。結果表明，對板料拉深過程進行CAE數(shù)值模擬，預測成形中可能出現(xiàn)的問題，為優(yōu)化沖壓工藝參數(shù)和模具結構提供了依據(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)控加工質量和效率、縮短模具開發(fā)周期的有效途徑。