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1班 級
09 機械設(shè)計制造及其自動化(4)班
姓 名
趙天星
課題名稱
汽車摩擦片模具設(shè)計
目錄
1.前言
2.國產(chǎn)轎車覆蓋件模具開發(fā)能力
3.覆蓋件模具設(shè)計及技術(shù)
3.1 軟件環(huán)境
3.2 修正回彈的對策
3.3 新斜楔機構(gòu)在外覆蓋件模具上的應(yīng)用
3..4 汽車覆蓋件沖壓模具的制造技術(shù)
4.總結(jié)
參考文獻
指導(dǎo)教師
審批意見
簽名:
年
月
日
汽車摩擦片沖壓模具設(shè)計
趙天星
(機械設(shè)計制造及其自動化 09(4)班 B09300426)
1.前言
近幾年來,我國轎車市場發(fā)展十分迅猛,2002 年在轎車銷售超過 100 萬輛的基
礎(chǔ)上,2003 年則向 200 萬輛大關(guān)邁進,達到了 197 萬輛。然而,在轎車熱迅速升溫
的同時,不得不尷尬地面對這樣的現(xiàn)實——市場上熱銷的絕大多數(shù)車型是直接從國
外引進的。由手國內(nèi)轎車覆蓋件模具設(shè)計制造能力從總體上看還比較薄弱,為了生
產(chǎn)這些車型,各大汽車公司不得不耗資幾億、十幾億元采購海外模具。與國外大汽
車公司相比,由于生產(chǎn)規(guī)模比較小,這就造成單車均攤的模具成本遠高于國外車,
這也是造成國產(chǎn)車整車制造成本居高不下的主要原因之一[1]。
2.國產(chǎn)轎車覆蓋件模具開發(fā)能力
國內(nèi)主要的轎車模具制造商有:一汽模具制造有限公司、東風(fēng)汽車模具廠、天
津汽車模具有限公司、成飛集成科技股份有限公司、南京模具裝備有限公司、上海
千緣汽車車身模具有限公司等等。作為國內(nèi)最大轎車生產(chǎn)銷售商——上海大眾汽車
有限公司,也有自己的模具設(shè)計制造部門(TMM部)。目前,雖然國內(nèi)模具商在轎車內(nèi)
覆蓋件模具設(shè)計制造方面已小有能力,并可承接整車廠的部分模具開發(fā)項目,但對
于有很高型面精度和表面質(zhì)量要求的外覆蓋件,特別是中高檔轎車的外覆蓋件,整
車廠很少會將這類模具交由國內(nèi)開發(fā)。
上海大眾汽車有限公司為了降低整車生產(chǎn)成本,同時也為了提高公司的核心
技術(shù)能力,從2001年開始,涉足轎車沖壓模具設(shè)計制造領(lǐng)域。2001年~2002年完成
2
了POL0轎車在手動壓機線上生產(chǎn)的10只簡單零件的模具,通過了公司質(zhì)保部門驗收
并投產(chǎn)。2002年開始向大型化、復(fù)雜化、自動化發(fā)展,設(shè)計制造了6000kN自動線上
生產(chǎn)的POLO轎車備胎座模具(該零件外形尺寸大、拉深深度深、形狀復(fù)雜)。2003年,
為進一步提高模具設(shè)計制造的能力和水平, 他們涉足20000kN多工位壓力機和
10000kN自動線生產(chǎn)使用的模具設(shè)計。過去上海大眾在20000kN多工位壓力機上使用
的模具,全部需進口,國內(nèi)模具商還沒有能力設(shè)計制造這樣的模具。為此,他們選
擇了POLO轎車中柱內(nèi)板的模具進行設(shè)計。10000kN多工位壓力機是世界上最先進的壓
力機之一,集成化自動化程度非常高,當(dāng)然這對模具設(shè)計的要求也相應(yīng)地提高。零
件的送料高度、步距、機械手的位置有嚴(yán)格的要求,還要保證機械手在運動過程中
與模具無干涉,這樣給予模具設(shè)計的空間就小了很多。在考慮諸多因素之后,他們
最終完成了整套模具的設(shè)計。另外,他們還完成了PoLo轎車在10000kN自動線上生產(chǎn)
的后輪罩的模具設(shè)計,在去年的基礎(chǔ)上更進一步。這些工作的順利完成,標(biāo)志著上
海大眾模具設(shè)計能力已經(jīng)達到了國內(nèi)先進水平,從而為今后上海大眾汽車模具國產(chǎn)
化 打 下 了 堅 實 的 基 礎(chǔ) 。 盡 管 如 此 , 與 國 際 先 進 水 平 比 較 ,
圖1 內(nèi)板模具裝配示意圖
仍有較大差距,比如在轎車外覆蓋件具設(shè)計方面還是空白。 POLO轎車中柱內(nèi)板模
具裝配示意圖(a)上模裝配示意圖(b)下模裝配示意圖在轎車沖模中,難度最大的是外
覆蓋件模具設(shè)計,主要表現(xiàn)在以下兩個方面:
(1)克服由回彈造成的零件型面偏差破裂、起皺、回彈是轎車沖壓件成形過程中的
3
主要缺陷。
由于轎車外覆蓋件外形尺寸大、拉深深度淺、塑性變形程度低,一般不易拉裂,
因而回彈就成為該類零件制造過程中的主要問題,它將嚴(yán)重影響零件間的相互配合
關(guān)系。有限元模擬軟件在沖壓模具設(shè)計中得到普遍應(yīng)用,已經(jīng)能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測
破裂和起皺,從而有助于設(shè)計合適的工藝補充面來改善拉深過程中材料的流動狀況,
提高零件的成形性。然而,迄今為止,大多數(shù)有限元軟件還不能精確地預(yù)測沖壓件
從模具當(dāng)中取出后的回彈變形。因此,對外覆蓋件回彈問題的處理,主要還是依靠
經(jīng)驗來修改模具型面,使沖壓件過正成形,來抵消由于回彈導(dǎo)致的變形[2]。
(2)沖壓件的取件
由于外覆蓋件(如前蓋外板、車頂、翼子板)都需進行復(fù)雜的翻邊整形或預(yù)卷邊
工藝,這就使得在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時,必須考慮沖壓件成形后的取件問題,目前,大
都依靠復(fù)雜的多斜楔機構(gòu)聯(lián)動來實現(xiàn)模具工作部分對零件讓位,以實現(xiàn)方便取件,
由此造成整個模具的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜[3]。
3.覆蓋件模具設(shè)計及技術(shù)
目前,國外大汽車公司為了降低模具開發(fā)、制造成本,縮短生產(chǎn)周期,將除
轎車外覆蓋件之外的大部分轎車沖壓件的模具都交由專業(yè)模具公司 (如Fontana
Pietro、Kuka、Laepple、Schuler Cartec、Ogi—hala、Fuji Techniaca等等)設(shè)計
和制造,這些公司都有很強的開發(fā)能力,并在某些零件的模具制造方面擁有獨到的
優(yōu)勢。但作為整車廠,考慮到新車型開發(fā)過程中的保密,對諸如翼子板、行李箱蓋、
車門、側(cè)圍、車頂、前蓋等敏感零部件的模具,則都由自己的模具制造部門來設(shè)計
和制造[4]。
3.1軟件環(huán)境
沖壓模具設(shè)計,除了必要的CAD軟件之外,還大量應(yīng)用了有限元模擬軟件,如
AutoForm、PamStamp、DynaForm、Indeed等,來輔助沖壓工藝設(shè)計。下面,以AutoForm
為例,說明如何利用CAE軟件來設(shè)計拉深I(lǐng)序工藝補充面。AutoForm是一款由瑞士開
發(fā)的專業(yè)薄板成形快速模擬軟件,可以用于薄板、拼焊板的沖壓成形、液壓脹形等
過程的模擬,配合不同的功能模塊,還可以進行沖壓件單步法成形模擬以及拉深工
序工藝補充面(Addendum)的設(shè)計。轎車沖壓件中,約有2/3可以利用AutoForm的
Diedesigner Module模塊設(shè)計Addendum,該模塊根據(jù)由設(shè)計者指定的或由軟件自動
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產(chǎn)生的壓邊圈型面,以及工藝補充面的多條截面線(Profile),能夠快速地生成工藝
補充面,用于拉深工序的模擬,如圖2所示。壓邊圈型面、Profile均可進行參數(shù)化
式的調(diào)整。這種快速設(shè)計是建立在對Addendum曲面的粗略構(gòu)造上的,即曲面面片本
身以及曲面面片之間的連續(xù)并非十分光順,盡管這種曲面不能夠直接用于模具表面
的機械加工,但是對于模擬精度的影響卻不是很大。根據(jù)模擬結(jié)果,設(shè)計者可以很
方便地對工藝補充面進行調(diào)整,直到模擬結(jié)果滿足設(shè)計要求。最后,將壓邊圈、
Addendum曲面和Profile以中性數(shù)據(jù)格式IGS或VDA輸出,在CAD軟件中進行曲面重構(gòu),
并結(jié)合產(chǎn)品數(shù)模,就能夠得到機加工可以使用的拉深工序模具數(shù)模[5]。
圖2 AutoForm設(shè)計工藝補充面示意
沖壓工藝傳統(tǒng)設(shè)計方法:首先,在經(jīng)驗基礎(chǔ)上,利用CAD設(shè)計工藝補充面;其次,
將CAD數(shù)模傳遞給AutoForm等CAE軟件進行拉深過程模擬;根據(jù)模擬結(jié)果,在CAD中對
工藝補充面進行調(diào)整,并將新的CAD數(shù)模傳遞給CAE,開始新的模擬,直到滿足要求
為止。這是一個從CAD到CAE再回到CAD的不斷反復(fù)的過程。由于每次在CAD中構(gòu)造曲
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面都遠較在AutoForm中復(fù)雜,因此,整個過程所花費的時間就多得多。而新方法在
沖壓工藝設(shè)計初期,就用Diedesigner Module在AutoForm軟件中設(shè)計并調(diào)整拉深工
藝補充面,與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比,就能夠大大提高設(shè)計效率[6]。
由于AutoForm是一款快速模擬軟件,為了在較短的時間內(nèi)對復(fù)雜沖壓件的成
形過程進行評價,采用了膜單元來離散幾何模型,必然要降低模擬精度,因此,有
些汽車公司在模具設(shè)計開始之前還要利用模擬精度高的CAE軟件,如德國大眾就采用
了Indeed軟件,對拉深工序進行再次模擬(Indeed軟件的計算是基于帶厚度的殼單元
的,能夠得到更為準(zhǔn)確的計算結(jié)果,但是其計算所花費的時間通常是AutoForm的幾
到十幾倍,該軟件比較適用于最終驗證 [7],所有拉深工藝必須通過Indeed模擬并驗
證為是可行的,才可用于模具設(shè)計。
模具設(shè)計完備,應(yīng)通過圖紙結(jié)合泡沫模型進行驗收(圖3),各道工序用不同顏
色的線條標(biāo)記在泡沫模型上,這樣做直觀而清晰。還應(yīng)組織包括工藝設(shè)計者、項目
規(guī)劃員、模具調(diào)試人員、模具操作者等相關(guān)人員進行討論驗收。對于在沖壓工藝上
難以解決的成形問題,還應(yīng)邀請產(chǎn)品開發(fā)人員一同討論,尋求對產(chǎn)品進行更改設(shè)計
的n-I能性[8]。
圖 3 沖壓工藝泡沫模型
3.2 修正回彈的對策
由前已知,回彈是轎車外覆蓋件成形過程中的主要問題,現(xiàn)以前蓋外板為例,
對此進行詳細分析。
通常外覆蓋件的回彈有以下兩類:
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①大片平坦曲面由彈性回復(fù)造成的拱起或塌陷,如圖 4 中 C 部放大所示,虛線
表示零件從模具中取出并發(fā)生回彈后的位置。這類問題,工藝設(shè)計時通常不加以考
慮,工藝數(shù)模中產(chǎn)品型面部分的數(shù)據(jù)與來自于產(chǎn)品開發(fā)部門的數(shù)據(jù)相一致,并用于
模具制造。待試模之后,將試件與檢具進行對比測量,根據(jù)偏差對拉深模型面進行
修正。如果設(shè)計人員對于這類問題的控制擁有非常豐富經(jīng)驗的話,也可以事先估計
出曲面彈性回復(fù)的方向以及偏移量,并將其反向疊加到產(chǎn)品數(shù)模上去,求得考慮回
彈變形的拉深工藝曲面,這個計算過程需要由專門的計算機軟件來完成,在德國大
眾,采用的是 ICEM。
②翻邊整形部分由彎曲變形回彈造成的折邊轉(zhuǎn)
圖 4 平坦曲面由彈性示意圖
角變化,如圖 4 中 B 部放大所示。對于這類問題,該處除拉深和剪邊外,還包括翻
邊和斜楔整形,整形工藝需過正成形 2°——3°,以抵消彎曲回彈。該工藝由工藝
設(shè)計完成,并體現(xiàn)在工藝方案的數(shù)模中[9]。
3.3 新斜楔機構(gòu)在外覆蓋件模具上的應(yīng)用
目前,新車型的很多外覆蓋件,如翼子板前蓋外板、車頂?shù)鹊姆呎喂ば?
中,采用了一種稱之為“旋轉(zhuǎn)斜楔”的新工藝[16]。其工作原理為旋轉(zhuǎn)進程。斜楔上
的凹槽部分是沖壓件需整形的區(qū)域,當(dāng)整形過程完成后,氣缸驅(qū)動的托架推動旋轉(zhuǎn)
斜楔繞滾筒轉(zhuǎn)動,從而達到對零件讓位的目的,方便整形后的零件從模具上取出。
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旋轉(zhuǎn)斜楔的優(yōu)點是:因整形部分與沖壓件托料部分的拼接處非常光順,故零件上無
明顯壓痕;模具結(jié)構(gòu)簡單;維修保養(yǎng)簡便且費用低。
3.4 汽車覆蓋件沖壓模具的制造技術(shù)
汽車覆蓋件沖壓模具的制造技術(shù)方法有很多,具體用那種方法要看汽車覆蓋
件沖壓模具的難易程度和制造精度。
3.4.1 快速成型技術(shù)
快速成型技術(shù)是基于離散、堆積成形思想的新型成形技術(shù),即由三維 CAD 模
型直接驅(qū)動的快速制造復(fù)雜形狀三維物理實體的技術(shù),這是繼數(shù)字驅(qū)動設(shè)計(CAD)
和數(shù)字驅(qū)動制造(CAM)之后的又一項為制造業(yè)帶來巨大變革的數(shù)字化制造技術(shù)[10]。
快速成型技術(shù)中,三維形體在離散過程中被沿著一至三個方向分解,生成形體的各
個離散面、離散線和離散點,將這些離散體(面、線和點)轉(zhuǎn)換成實體,并將它們
依照原先的順序堆積還原成三維形體的實體形狀[15]。通過離散獲得材料堆積的路徑、
順序和方式,生成一系列二維層面數(shù)據(jù),再將分層后的數(shù)據(jù)進行處理,加入加工參
數(shù),生成數(shù)控代碼,在數(shù)控系統(tǒng)控制下將材料逐層“迭加”起來形成三維實體,實
現(xiàn)數(shù)字化成形,構(gòu)成三維物理實體。快速成形技術(shù)的特點有:
(1)高度柔性。不需要傳統(tǒng)的專用工具和生產(chǎn)裝備,而利用信息技術(shù)把生產(chǎn)加
工的重組集成到制造系統(tǒng)中;
(2)各種先進技術(shù)的高度集成;
(3)快速性。傳統(tǒng)加工方式開發(fā)一個復(fù)雜形狀的產(chǎn)品,從設(shè)計、工藝規(guī)劃到加
工完成,可能需要幾天、幾個月甚至上年的時間,而采用快速成形技術(shù),從實體建
模到原型或零件加工完成,可以在幾十小時或幾個小時內(nèi)完成;
(4)自由成形性。因此能夠制造特別復(fù)雜的實體;
(5)材料的廣泛性。不同的工藝可制造樹脂、塑料、紙、石蠟、復(fù)合材料、金
屬材料、陶瓷等原型。采用分層實體制造工藝。分層實體制造將激光用于箔材(主
要是涂敷紙)的切割,逐層粘切完成后,清除被切割的廢料,就獲得了所需要的原
型。該技術(shù)可保證原型件精度;能制造出大型甚至超大型的設(shè)備,得到最大尺寸,
運行費用設(shè)備中為最低。
3.4.2.電磁成型技術(shù)
電磁成型技術(shù)最先起源于美國。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和制造業(yè)的發(fā)展,電磁
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成型技術(shù)逐漸發(fā)展成為制造業(yè)中一種新型的金屬塑性加工方法。它是利用瞬間的高
壓脈沖磁場迫使金屬產(chǎn)生塑性變形達到成型金屬零件的目的。電磁成型加工是一種
高速能的工藝,目前,電磁成型技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、原子能、汽車、儀器
儀表、電子以及玩具等領(lǐng)域[11],主要是金屬板材的沖孔、壓印或壓花以及管材的脹
形、縮頸、沖孔、翻邊等。電磁成型的理論基礎(chǔ)是物理學(xué)中的電磁感應(yīng)定律,在電
場周圍會產(chǎn)生變化的磁場,而隨時間變化的磁場在其周圍空間激發(fā)渦旋電場,所以
當(dāng)有導(dǎo)體處于此電場中時就會產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)。在電磁成形過程中,磁場力是
工件成型的動力。電磁成型是利用脈沖磁場力來使金屬坯料變形的,脈沖磁場力是
由電容器通過工作線圈瞬間放電所產(chǎn)生的。脈沖磁場里是磁場間相互排斥或相互吸
引的作用。
電磁成型加工的工藝特點:非機械接觸性加工,電磁力是工件變形的動力,它
不同于一般的機械力,工件變形時施力設(shè)備無需與工件進行直接接觸,因此工件表
面無機械擦痕,也無需添加潤滑劑,工件表面質(zhì)量較好;工件變形源于工件內(nèi)部帶
電粒子受磁場力的作用[14]。因此,工件變形受力均勻,殘余應(yīng)力小,疲勞強度高,
使用壽命長,加工后不影響零件的力學(xué)、物理、化學(xué)性能,也不需要熱處理;施力
元件(線圈)相對壓力機尺寸小,易在真空和氣保下進行,將感應(yīng)加壓一次完成;由
電磁力的控制精度其誤差可在 0.5%以內(nèi),因此加工精度高;加工效率高、時間短、
成本低,便于實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化;電磁成型設(shè)備可實現(xiàn)工件的多步、多點、多工位
成型,有助于實現(xiàn)生產(chǎn)的柔性化;污染較輕,有利于環(huán)境的保護。電磁成型加工作
為一種新型的金屬塑性加工技術(shù),不同于傳統(tǒng)的冷鍛、溫鍛和熱鍛等加工方法,它
以其獨特的加工特點展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿12]。
3.4.3.無模多點成形
無模多點成形就是將多點成形技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合為一體的先進制造技
術(shù)。該技術(shù)利用一系列規(guī)則排列的、高度可調(diào)的基本體,通過對各基本體運動的實
時控制,自由地構(gòu)造出成形面,實現(xiàn)板材的三維曲面成形。它是對三維曲面扳類件
傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的重大創(chuàng)新。實現(xiàn)無模成形:取代傳統(tǒng)的整體模具,節(jié)省模具設(shè)計、
制造、調(diào)試和保存所需人力、物力和財力,顯著地縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期,降低生產(chǎn)成
本,提高產(chǎn)品的競爭力。與模具成形法相比,不但節(jié)省巨額加工、制造模具的費用,
而且節(jié)省大量的修模與調(diào)模時間,與手工成形方法相比,成形的產(chǎn)品精度高、質(zhì)量
9
好,并且顯著提高生產(chǎn)效率。優(yōu)化變形路徑:通過基本體調(diào)整,實時控制變形曲面,
隨意改變板材的變形路徑和受力狀態(tài),提高材料成形極限,實現(xiàn)難加工材料的塑性
變形,擴大加工范圍。實現(xiàn)無回彈成形:可采用反復(fù)成形新技術(shù),消除材料內(nèi)部的
殘余應(yīng)力,并實現(xiàn)少無回彈成形、保證工件的成形精度。小設(shè)備成形大型件:采用
分段成形新技術(shù),連續(xù)逐次成形超過設(shè)備工作臺尺寸數(shù)倍的大型工件。易于實現(xiàn)自
動化:曲面造型、工藝計算。壓力機控制、工件測試等整個過程全部采用計算機技
術(shù),實現(xiàn) cad / cam / cat 一體化生產(chǎn),工作效率高,勞動強度小,極大地改善
勞動者作業(yè)環(huán)境[13]。
3.4.4.其它技術(shù)
采用低熔點合金澆鑄,快速制造汽車蓋件試制模具。合金的熔點低至,且凝
固時幾乎沒收縮,是其兩個明顯的特點。提出工藝路線為:根據(jù)模型制造原型,再
將翻制為具有足夠尺寸精度的陶瓷型,對陶瓷型進特殊處理后,在接近的溫度下,
澆鑄出低熔點合金汽車覆蓋件拉延模具。此拉延模具以制造件汽車覆蓋件零件,完
全滿足試制模具的需要。主要應(yīng)注意:低熔點合金的設(shè)計;低熔點合金的澆鑄工藝;
低熔點合金模具的試模與調(diào)試。采用等離子噴涂技術(shù),也可快速制造汽車車身試制
模具。在電弧噴涂研究的基礎(chǔ)上,進行的主要研究與開發(fā)技術(shù)為采用原型制造汽車
噴涂模具的工裝[8];紙原型與工藝轉(zhuǎn)化原型的設(shè)計與制造;噴涂工藝參數(shù)的選擇;
噴涂型殼與紙原型的分離;噴涂模具背襯材料的選擇與制備;噴涂模具背襯的制造
及后處理;噴涂模具的試模與調(diào)試。
4.總結(jié)
近年來,通過不懈的努力,國內(nèi)轎車沖壓模具的設(shè)計制造能力取得了顯著的進
步。但是,在轎車特別是中高檔轎車外覆蓋件模具的開發(fā)上,我們與國際水平仍有
較大差距。不過,這種差距并非不能縮小,只要我們多加強國際交流,多吸取國外
同行的設(shè)計制造經(jīng)驗,一定能夠加快轎車覆蓋件模具的國產(chǎn)化進程。
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