摘要：文章阐明了汽车车身模具开发的技术战略规划，论述了车身模具开发所必需的一系列关键的共性技术及其攻关路线，论证了车身模具技术决定汽车开发成本和周期，模具企业的技术战略决定企业的技术水平和竞争能力。
关键词：汽车车身模具；共性技术；CAE；技术战略；工艺补偿
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1009-2374(2011)07-0009-04
一、概述
随着与国际接轨的脚步不断加快，市场竞争的日益加剧，人们已经越来越认识到产品质量、成本和新产品的开发能力的重要性。而模具制造是整个链条中最基础的要素之一，模具制造技术现已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，并在很大程度上决定企业的生存空间。
汽车车身模具是汽车制造业必不可缺少的部分，是整个汽车改换型中最关键的部分，其技术水平和生产效率直接关系到汽车产品的制造水平、制造质量、制造周期和更新换代能力，其制造过程占用汽车开发周期大部分时间。如何快速、低成本、高质量地开发车身模具，取决于该领域一系列关键的共性技术。车身模具开发制造的共性技术存在多个方面，其主要关键共性技术包括：
(1)车身零件基准的合理确定和相互精确匹配协调；
(2)车身零件冲压工艺合理制定及缺陷预测优化；
(3)车身模具结构设计的先进方法及虚拟动态模拟，产前合理优化；
(4)车身冲压件成型回弹控制及精确补偿方法；
(5)车身模具工艺建模的工艺补偿性(干涉补偿)技术；
(6)车身冲压件修边线快速确定技术；
(5)特征标准工艺和标准工时的建立及CAPPT艺编制系统；
(6)虚拟真实环境的模具加工和调试仿真；
(7)柔性数控生产的建立，协同、多轴、高效加工的综合应用；
(8)车身模具误差分析理论的应用，技术过程闭环系统的建立；
(9)模具冲压件与焊接夹具之间的协调技术。
研究汽车车身模具开发的技术战略决定着汽车发展的方向和质量，决定了汽车模具企业的竞争能力和市场地位，同时也将引导和推动模具行业的科技进步。
二、国内外模具技术现状
(一) 国外发展现状
欧美车身模具的生产技术水平，在国际上是一流的。模具设计制造关键共性技术已广泛应用，成为快速制造车身工艺装备、促进汽车业快速发展的有力保证。具体表现在：
CAD／cAE／cAM已成为工艺装备企业普遍应用的技术。在CAD的应用方面，已经超越了甩图板二维绘图的初级阶段，3D设计已达到了70％～89％。PRO／E、uG、CIMATRON等软件已应用很普遍。他们应用这些软件不仅可完成2D设计，同时可获得3D模型，为Nc编程和CAD／cAM的集成提供了保证。在设计时进行装配干涉的检查，保证设计和工艺的合理性。柔性数控加工方式的普遍应用，保证了工艺装备零件的加工精度和质量。30～50人的模具企业，一般拥有数控机床十多台。经过数控机床加工的零件可直接进行装配，使装配钳工的人数大大减少。CAE技术已经逐渐成熟，体现在模拟金属变形过程，分析应力应变的分布，预测破裂、起皱和回弹等缺陷，自动确定修边线等等。意大利COMAU公司应用CAE技术后，试模时间减少了50％以上，奔驰在采用仿真之前每套模具大约需试模3到4次，现在则l到2次就完成预期目标，丰田汽车公司在引入仿真系统以后，减少了模具设计和制造过程中46％的试验和修改工作。
(二) 国内发展现状
我国的车身模具工业虽然起步较晚，但通过近20年来的技术改造、技术引进和创办“三资”企业等，生产能力和技术水平有了很大的提高，模具工业一直以15％左右的增长速度快速发展，模具企业的所有制成分也发生了巨大变化，除了国有专业模具厂外，集体、合资、独资和私营得到了快速发展。目前全国模具厂家有3万余家，而中外合资和外商独资的模具企业已达几千家。许多模具企业加大了用于技术进步的投资力度，将技术进步视为企业发展的重要动力。浙江宁波和黄岩地区形成“模具之乡”；科龙、美的、康佳等集团建立了自己的模具制造中心；各大汽车集团也在积极筹建较大的汽车车身模具生产基地。除一汽、二汽、天汽、成飞、哈飞等实力强大的模具厂外，安徽奇瑞汽车、上汽集团、北汽集团、跃进汽车集团都在全力扩建自己的模具中心；五粮液酒厂投入8亿人民币巨资创建具有相当规模的模具制造厂，北京比亚迪投入2.5亿元人民币增加设备。河北泊头众多模具厂揭竿而起，发展极其迅速，数控设备总数可达100余台。这些企业都成为本集团或本地区的主要经济创收单位。
国内的CAD／CAE／cAM技术近几年发展迅速。国内模具企业目前已普及了二维CAD，并陆续开始使用UG、Pro／Engineer、Catia、I-DEAS、Euclid-IS等国际通用软件，一些许多厂家还引进了Moldflow、autoform、DYNAFORM、pam stamp和MAGMASOFT等CAE软件，成功应用于冲压模的设计中。
以汽车车身模具为代表的大中型冲压模具的制造技术已取得很大进步，天津汽车模具公司、东风汽车公司模具厂、一汽模具中心等模具厂家已能生产大部分轿车覆盖件模具。此外，许多研究机构和大专院校也在开展模具技术的研究开发，经过多年的努力，在模具CAD／CAE／CAM技术方面取得了显著进步；部分专家系统已被应用于产品开发与设计的各个阶段，并且在产品的生产与制造过程中，在提高模具质量和缩短模具周期等方面做出了贡献。
例如，吉林大学汽车覆盖件成型技术所研制的汽车覆盖件冲压成型分析KMAS软件，华中理工大学模具技术国家重点实验室开发的汽车覆盖件模具和级进模CAD／cAE／CAM软件及Fastamp分析软件，上海交通大学模具CAD国家工程研究中心开发的冷冲模CAD软件等在国内模具行业已拥有不少的用户。中科院软件工程研制中心近期又开发出新一代冲模CAD系统——PICAD，还有北航的PANDA系统，清华的GEMS系统，浙大的MESSAGE系统，等等。同时各大模具公司还在致力于模具模板化设计的研发和应用。
虽然中国模具工业在过去二十多年中取得了令人瞩目的发展，但许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距。例如，精密加工设备在模具加工设备中的比重比较低；CAD／cAE／cAM技术的普及率不高；许多先进的模具技术应用不够广泛，诸如模具结构通用化和模具零件标准化、特征技术的应用、参数化造型方法、模具CAD的智能化、模具CAD的专业化，都还缺乏开发和应用的深度。致使相当一部分大型、精密、复杂和长寿命模具依赖进口。
汽车工业的发展水平是一个国家经济和科技实力的象征。在新车型的研究开发到投产整个周期中，模具设计与调试所用时间最长，汽车车身模具特别是大中型覆盖件模具，技术密集，体现当代模具技术水平，是车身制造技术
的重要组成部分。车身模具设计和制造约占汽车开发周期三分之二的时间，成为汽车换型的主要制约因素。汽车工业发展的关键之一是车身，车身制造的关键在模具，而作为汽车和模具工业发展的一种高科技技术，CAD／CAE／CAM集成系统已成为国内外汽车公司产品制胜的法宝。
三、车身模具开发的技术战略
面对激烈的市场竞争形势，国外各大汽车公司或模具公司都有自己的技术战略。克莱斯勒公司在先前选择了法国Dassault Sys2ftem公司开发由IBM公司销售CATIA的软件，作为设计开发新车型的基本CADI具，后来又购买了Parameltc Technology公司的Pro／Engineer系统作为补充，在工厂布置设计方面，使用AutoCAD及integraph的软件，在CAM方面，克莱斯勒使用CATIA以及Dassault开发的数字制造过程系统(DMAPS)程序。美国通用公司的模具CAD／cAM系统包括CSG系统，GMFORM系统，TRACS系统，PACS系统。其CSG(Coporate GraphicsSystem)系统专用于模具型面设计，包括冲压方向分析及工艺补充部分。美国通用公司在应用该系统后，模具的设计制造周期大大缩短了。此外，其它的汽车公司也都开发应用了CAD／cAM系统，如马自达公司，富士重工业公司、AU2TODIE公司和富士铁工所等都采用了模具CAD／CAM，以增加市场竞争力。
同时，国外大汽车公司为了降低模具开发、制造成本，缩短生产周期，将除轿车外覆盖件之外的大部分轿车冲压件的模具都交由专业模具公司(女ffFontana Pietro、Kuka、Laepple、SchulerTechniaca等)设计和制造，Cartee、Ogi hala、、Fuji这些公司都有很强的开发能力，并在某些零件的模具制造方面拥有独到的优势。但作为整车厂，考虑到新车型开发过程中的保密，对诸如翼子板、行李箱盖、车门、侧围、车顶、前盖等敏感零部件的模具，则都由自己的模具制造部门来设计和制造。
(一) 建立软件环境
车身模具设计，目前最方便且最易于被汽车厂接受的，能够确保曲面质量的高端软件当属UG、CADIA。除了必要的CAD软件之外，还必须应用有限元模拟软件，如AutoForm、PanmStamp、DynaForm、Indeed等，来辅助冲压工艺设计。从使用的方便性，快速性、易学性来看，应优先选用AutoForm，但为了使分析精确化，最策略的是将AutoForm、PamStamp、DynaForm复合应用，实现优势互补。
现以AutoForm为例，说明如何利用CAE软件来设计拉深工序工艺补充面。AutoForm是一款由瑞士开发的专业薄板成形快速模拟软件，可以用于薄板、拼焊板的冲压成形、液压胀形等过程的模拟，配合不同的功能模块，还可以进行冲压件单步法成形模拟以及拉深工序工艺补充面(Addendum)的设计。轿车冲压件中，约有2／3可以利用AutoForm的Diedesigner Module模块设计Addendum，该模块根据由设计者指定的或由软件自动产生的压边圈型面，以及工艺补充面的多条截面线(Profile)，能够快速地生成工艺补充面，用于拉深工序的模拟。压边圈型面、Profile均可行参数化式的调整。这种快速设计是建立在对Addendum曲面的粗略构造上的，即曲面面片本身以及曲面面片之间的连续并非十分光顺，尽管这种曲面不能够直接用于模具表面的机械加工，但是对于模拟精度的影响却不是很大。根据模拟结果，设计者可以很方便地对工艺补充面进行调整，直到模拟结果满足设计要求。最后，将压边圈、Addendum曲面和Profile(以中性数据格式IGS或VDA输出，在CAD软件中进行曲面重构)并结合产品数模，就能够得到机加工可以使用的拉深工序模具数模。
冲压工艺传统设计方法：首先，在经验基础上，利用CAD设计工艺补充面；其次，将CAD数模传递给AutoForm等CAE软件进行拉深过程模拟；根据模拟结果，在CAD中对工艺补充面进行调整，并将新的CAD数模传递给CAE，开始新的模拟，直到满足要求为止。这是一个从CAD到CAE再回到CAD的不断反复的过程。由于每次在CAD中构造曲面都远较在AutoForm中复杂，因此，整个过程所花费的时间就多得多。而新方法在冲压工艺设计初期，就用Diedesigner Module在AutoForm软件中设计并调整拉深工艺补充面，与传统的设计方法相比，就能够大大提高设计效率。
由于AutoForm是一款快速模拟软件，为了在较短的时间内对复杂冲压件的成形过程进行评价，采用了膜单元来离散几何模型，必然要降低模拟精度，因此，有些汽车公司在模具设计开始之前还要利用模拟精度高的CAE软件，如德国大众就采用了Indeed软件，对拉深工序进行再次模拟(Indeed软件的计算是基于带厚度的壳单元的，能够得到更为准确的计算结果，但是其计算所花费的时间通常是AutoForm的几到十几倍，该软件比较适用于最终验证)，所有拉深工艺必须通过Indeed模拟并验证为是可行的，才可用于模具设计。
(二) 建立可行的技术路线
围绕车身模具开发制造的关键共性技术建立可行技术路线。
(1)研究关键车身覆盖件的冲压成形技术，制定分类零件的典型工艺；通过冲压数据库保存仿真结果和模具调试结果；
(2)研究合理控制材料在变形过程中的流动，冲压件不出现过度变薄和起皱等缺陷的方法；
(3)解决冲压过程中不同工序间的协调变形问题；
(4)开发和应用模板化模具设计方法；
(5)研究实现工艺成型的回弹补偿、干涉补偿(产品母模自动驱动生成非均匀间隙的凸凹模工艺模型)，通过分析软件和建模软件的综合运用，提高回弹补偿精度；
(6)通过先进的CAE软件功能开发，实现修边线自动计算生成；
(7)实现虚拟模具动态干涉检查功能；
(8)建立特征标准工艺和标准工时计算公式，优化后建立CAPP自动编制系统；
(9)研究虚拟真实环境的模具加工和调试仿真；
(10)建立柔性数控生产线，实现协同、多轴、高效加工；
(11)车身模具冲压件与焊接夹具之间的协调方法；
(12)车身模具误差分析理论的应用，技术过程闭环系统的建立。
(三) 设立重点项目，实施技术攻关
需设立关键技术节点，实施重点技术攻关。
(1)开发和应用模板化模具设计方法。“模板化”模具设计就是以目前的三维设计软件平台为开发平台，进行参数化的联动设计，同时对共性的设计要素进行提炼、筛选、优化、储存入库等。进行模具结构设计时，按照模具的类别调用相应的“模板”，对应各种参数变量输入诸如压机参数、工艺数模、标准化参数(零件标
准选择)、技术要求、模具闭合高度、送料高度以及一系列的结构设计参数，由“模具模板”后台处理自动生成模具结构方案。
(2)研究实现工艺成型的回弹补偿。
应用PAM STAMP和AUTOFORM等CAE分析软件，实现冲压回弹的自动定量计算；
研究工艺成型干涉补偿(产品母模自动驱动生成非均匀间隙的凸凹模工艺模型)，提取补偿量值，并与自动计算量值实现叠加；
通过PAM STAMP功能开发，将理论计算和个性经验相融合，实现智能回弹工艺补偿；并实现补偿数模化；
通过实际加工调试，提取初步补偿的误差量值，通过TEBIS软件植入补偿工艺数模，进行个性化干预优化，最终实现回弹工艺补偿的精确化。
(3)通过先进的CAE软件功能开发，实现修边线自动计算生成；通过PAM STAMP、DYNAFORM和AUTOFORM的综合应用，实现修边线自动计算生成。
(4)研究虚拟真实环境的模具加工和调试仿真。
(5)建立一条柔性数控生产线，实现协同、多轴、高效加工。
(6)采用新结构，降低成本。目前，新车型的很多外覆盖件，如翼子板、前盖外板、顶盖等的翻边整形工序中，可采用了一种“旋转斜楔”的新工艺。其工作原理是：旋转斜楔上的凹槽部分是冲压件需整形的区域，当整形过程完成后，气缸驱动的托架推动旋转斜楔绕滚筒转动，从而达到对零件让位的目的，方便整形后的零件从模具上取出。旋转斜楔的优点是：因整形部分与冲压件托料部分的拼接处非常光顺，故零件上无明显压痕；模具结构简单；维修保养简便且费用低。
四、车身模具技术的发展趋势
当今世界各国都将汽车工业作为国民经济的支柱产业之一，竞争日趋激烈。衡量汽车工业发展水平的重要标志是车型的自主开发与设计能力。国家要求在2010年，汽车特别是轿车工业具有车型及模具的自我设计和开发能力，真正建立起自主发展的中国汽车工业。到2010年汽车工业要形成500～600万辆的生产能力，其中轿车占70％。据此，各地政府也在大力支持和督促本地的汽车工业进行战略性规划，例如，沈阳华晨金杯战略规划是2009年33万辆，至2012年达97万辆。可见，在今后的10～15年期间将是我国汽车工业大发展时期，这就对我国汽车制造技术提出了更高的要求。
随着共性技术在模具开发中的不断应用，需要进行分析、优化的情况也越来越复杂，对关键共性技术的能力也提出了越来越高的要求。为了适应其发展，需要相关技术不断提高分析能力和准确性并具有优化能力，同时实现CAD／CAE／CAM技术的有效集成，使设计、分析、制造一体化。例如作为关键共性技术之一的分析仿真，目前主要采用模拟试模来代替实际的模具调试过程，但不能作为自动优化工具。未来，随着科技的进步、模具从业人员素质的提高，借助数学上敏感度分析实现多参数优化的方法，对板材成形进行优化分析，可以自动得到最佳的板材形状、压边力、拉伸筋位置和回弹补偿等技术参数，从而提高工艺、制造的预测和优化水平。因此，伴随汽车工业的发展，车身模具的技术和质量要求越来越高，上述的一系列关键共性技术经过科学的战略谋划必将逐步深化和进行新的突破，真正实现科学化、自动化和准确化。
五、结语
本文结合多年的工作实践，阐述了车身模具对汽车工业发展的重要性，从国内外专业技术的发展对比指明了目前车身模具行业所必需的关键共性技术。一个模具企业必须跟上国内外技术发展势头，建立适合自己特点的技术路线，制定出具有前瞻性且符合实际的技术战略规划，模具技术决定汽车开发成本和周期，模具企业的技术战略决定企业的技术水平和生存空间。
