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拖拉机覆盖件数字化设计及制造
2017-04-06 20:05:00  作者:张韶丹 王振伟 杨瑞猛   来源:互联网
  •   0 引言   随着计划经济向市场经济的深层转变,农机用户已经不仅仅从功能上选择拖拉机的品牌,而且对外观造型及整体风格也提出了更高要求,拖拉机覆盖件的设计成为提高拖拉机竞争力的有效手段之一。如何做 ...

  0 引言

  随着计划经济向市场经济的深层转变,农机用户已经不仅仅从功能上选择拖拉机的品牌,而且对外观造型及整体风格也提出了更高要求,拖拉机覆盖件的设计成为提高拖拉机竞争力的有效手段之一。如何做好覆盖件产品的设计制造,是覆盖件生产企业面临的巨大挑战。

  数字化设计及制造作为先进的设计、加工制造技术,对于缩短产品生产周期、提高设计质量及提升产品竞争力等方面具有重要作用,是拖拉机覆盖件产业未来的发展方向。

  1 拖拉机覆盖件设计现状

  拖拉机覆盖件主要包括机罩和挡泥板。机罩主要是用于遮盖和保护发动机的薄壳总成,挡泥板是设置在轮胎(履带)上方以挡住飞溅泥水的薄壳总成。随着用户对拖拉机舒适性要求的不断提高,除了机罩和挡泥板等部件外,覆盖件逐渐演变为遮挡拖拉机底盘、起支撑作用的部件总成。

  现阶段国内外拖拉机厂商,除了约翰·迪尔、凯斯纽荷兰、爱科和久保田等国外知名品牌进行全系列功率段产品的数字化设计制造外,国内大部分品牌的覆盖件仍停留在个别功率段的尝试阶段,对于机罩、挡泥板等覆盖件的数字化设计制造并未完全普及。各拖拉机厂商主要将其应用于大中型轮拖的设计,如51.5-66.2kW(70~90hp)、66.2~80.9kW(90-110hp)等。目前拖拉机行业正处于国Ⅲ替换国Ⅱ发动机的更迭时期,也是覆盖件进行优化设计的良好契机。由于拖拉机数字化设计制造需要专业技术人员进行三维数据设计,并且需要正规的模具工装投入,需要投入大量的人力资源及硬件设备,因此成为阻碍其在我国发展的制约因素。但随着科技的不断进步以及用户对于拖拉机外观要求的进一步提升,覆盖件的数字化设计及制造必将成为未来发展的方向。

  目前国内拖拉机覆盖件配套厂商,大部分产品仍沿用20世纪90年代的产品型谱,在原有机型上进行局部改进,以满足相邻功率段的需要。覆盖件总成也是在原有模具件不变的基础上,不断更改外形尺寸来满足不同操纵及配置的需求。部分主机厂对覆盖件总成的设计,仍沿用二维CAD进行布置,由于平面视图难以将潜在的问题反映清楚,往往造成零件加工出来后出现装配间隙小甚至互相干涉的情况,增加了新产品试制的周期及成本。拖拉机的机罩、挡泥板等覆盖件基本都是曲面造型,与色彩、线条等元素共同形成各自品牌风格,每个功率段均延续该风格使之具有明显的品牌辨识度。简单的二维设计或者在原有机型上的拼凑已经无法满足个性化的市场需求,拖拉机覆盖件设计需要一种高效清晰的设计制造方法。

  2 拖拉机覆盖件的数字化设计

  拖拉机产品的数字化设计及制造是现代工业的发展趋势。数字化设计(DigitalDesign,DD)是利用数字技术对传统的技术内容和体系进行改造的进程,即通过数字化的手段来改造传统的产品设计方法,以实现新产品设计为目标。以计算机软硬件技术为基础,以数字化信息为辅助手段,支持产品建模、分析、修改、优化以及生成设计文档的相关技术的结合。

  拖拉机覆盖件不仅具有美观的要求,同时还要兼具结构件的牢固、可靠等特性,并且要符合国家对于覆盖件的设计标准。通过对大量输入数据的整合后,拖拉机覆盖件数字化设计,通过NX、CREO、AutoCAD等设计软件,将三维设计与二维设计有机结合进行产品设计和开发。将覆盖件零部件的形状、大小、位置以三维图像更形象更直观地表现出来,使产品设计人员的思路能够更加清晰地展示。

  拖拉机覆盖件采用数字化设计,除了具有高效、经济以及协同的特点外,还可以在产品实物生产前模拟产品的外形、零件之间运动轨迹以及是否干涉等。如销往欧盟国家的拖拉机,其覆盖件防护装置就必须通过OECD试验认证,运用CAE分析能够在设计阶段就对覆盖件进行产品结构强度、刚度和屈曲稳定性等力学性能的分析计算,各零部件的结构强度、疲劳强度及安全性能等能够在数模搭建阶段就得到优化,改变过去设计出实物再进行试验的方式,提高试验通过率,降低成本。

  在设计完成进行生产制造过程中,将拖拉机零部件开发的过程输人计算机,对生产研发过程进行指导的同时,也能对设计产品的质量、外形等进行实时监督,保证零部件的性能。采用数字化建设平台,能够极大地提高设计人员的效率、产品质量以及创新能力。另外,数字化设计能够通过产品数据管理软件,如CAPP、PLM等实现不同部门、不同专业之间信息数据的传输共享,加强企业内部各部门之间的协同配合。

  3 数字化设计应用实例

  以国内某品牌29.4~33.1kw(40~45hp)拖拉机覆盖件为例介绍数字化设计的应用。为了实现吊挂操纵和平地板,即将分块地板改为整体地板,同时增加隔板焊合件,将现有地板上的部分操纵移到隔板焊合件,挡泥板前端延伸到现有地板下方。现有挡泥板无法满足以上要求,且现有挡泥板使用过程中经常出现开裂现象,生产材料成本高,加强筋与顶板、立板之间采用气体保护焊,焊接效率低,外观质量差,尾部防溅板采用套色工艺,生产节拍低。鉴于此,需要在现有挡泥板造型基础上进行新挡泥板及地板合件的设计开发,以适应产品和市场的要求。

  根据29.4-33.1kW(40-45hp)拖拉机挡泥板及地板合件的产品输入要求,利用计算机技术进行辅助设计和产品开发,项目实施技术方案如下。

  (1)在设计初期根据客户要求,利用计算机进行挡泥板及地板合件的外形、结构、材质、颜色的优选及匹配,满足客户的个性化需求,实现最佳的产品设计效果。利用三维打印技术进一步验证覆盖件造型及结构,确保产品设计质量和准确性。

  (2)利用三维软件NX进行几何建模、虚拟装配、生成工程图及设计相关文档。设计过程采用计算机三维模拟,并根据底盘连接的实际尺寸进行挡泥板及地板合件模拟,在数模阶段进行设计优化,进行模拟零件之间的装配关系。在三维数模设计阶段就确定了该覆盖件的最优方案,大大缩短开发周期的同时也降低了试制难度。

  (3)利用计算机分析产品公差、计算质量特性、计算体积和表面积、分析干涉现象等。在客户要求更改时,先由数模模拟确定方案可行后再进行零件更改,避免后期出现装配干涉等问题,降低了更改频次。

  在设计过程中,设计人员与工艺人员共同讨论方案,优化挡泥板的结构,立板与顶板搭接处成型,并做成向外倾斜的弧形,加大操纵空间,提高外观质量。加强筋设计成两道成型,减薄材料厚度,提高零件强度,实现加强筋与顶板、立板之间点焊,提高生产效率和外观质量。防溅板设计成塑料件,与挡泥板顶板分开,螺钉装配连接,解决生产套色问题,提高涂装生产效率。防溅板总成与挡泥板合件连接螺钉位于顶板下方,避免螺钉外漏,提高外观质量。其三维模型见图1。

  拖拉机覆盖件的数字化设计为加工制造打下了良好的基础,冲压模具及焊接夹具都有精准的数字模型作为标准与设计依据,大大提高了加工精度及产品质量。

  

图1 拖拉机覆盖件三维模型

  图1 拖拉机覆盖件三维模型

  4 拖拉机覆盖件的数字化制造

  完成拖拉机覆盖件的数字化设计后,后续投入生产及制造仍需要数字化的数据支撑。综合考量该覆盖件的年产纲领,同时为了保证覆盖件的表面质量和强度,决定采用全工序冲压模具进行挡泥板及加强筋零件的生产。在数模搭建阶段就可进行结构、工艺的评审,在数模完成后即可进行冲压模具的工艺设计,大大缩短了冲压模具的生产周期。

  在冲压模具的选择方面,由于该挡泥板为左右对称零件,采用一模多工位设计模式。工序件在模腔内转送,周转更加快捷方便。不仅减少了机床使用台次,而且减少了用工数量H1。在拖拉机覆盖件换型的冲压生产准备中,通过数字化设计模拟多种工艺方案设计,选择最优设计从而达到减少用工量、减少冲压设备使用台次和提高生产率的目标。

  该系列拖拉机覆盖件的焊接生产,引进机器人全工序焊接,提高了挡泥板类产品质量的稳定性,焊接自动化生产线的实施,大大提高了生产效率,降低人工成本。焊接自动化采用具有自动控制,能自动调节、检测、加工的机器设备、仪表,按规定的程序或指令自动进行作业,其目的在于增加产量、提高质量、降低成本和劳动强度、保障生产安全等。该拖拉机覆盖件整机装配效果见图2。

  

图2 拖拉机装配效果

  图2 拖拉机装配效果

  5 结束语

  在某品牌29.4-33.1kW(40~45hp)拖拉机覆盖件开发过程中采用数字化的设计及制造方法,在三维数模设计阶段就确定了最优方案,大大缩短开发周期的同时降低了试制难度。该机型覆盖件数字化设计开发的应用,增加了覆盖件厂家在该功率段拖拉机配套的市场份额。与原有产品相比,新设计的覆盖件结构更加合理,工艺性提高,有利于实现批量生产,提高了生产效率,提升了产品质量,满足拖拉机整机要求。



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