航空钣金模具模面快速建模方法

航空钣金模具模面快速建模方法

李汝佳葛云鹏

航空工业哈飞黑龙江150066

摘要：对航空制造领域中普遍存在的曲面缺陷检测、修复及延拓相关问题进行了研究，在CATIA系统平台上开发了航空钣金模具模面快速建模功能，将其应用到钣金模具设计中，工装设计人员可以在较短的时间内建立模面的数字化模型，提高模具的设计效率。

关键词：航空钣金模具；模面；制造技术

钣金零件是构成飞机外形、结构和内装的主要部件，钣金成形是航空制造的关键技术之一。钣金成形的质量好坏主要取决于钣金成形模具的制造质量。钣金成形模具数字化制造是在考虑零件材料塑性变形特点、成形质量要求等因素的基础上，依靠模具数字化设计、数字化制造模形、优化的加工工艺参数实现过程成形的精确控制，使零件成形后不需要加工或少量加工就可满足质量要求。

1钣金件成形对模具的技术要求

现代飞机对气动外形要求严格，对钣金件的要求不止是贴合，更要有稳定的质量和性能状态。对钣金零件的表面质量、形状精度、成形过程稳定性、成形性能以及产品合格率等要求日益提高。如波音747-8项目，其机翼外形相对理论外形的偏差一般不小于0.5mm，不平滑度小于0.05~0.15mm，钣金件弯边高度的精度要求控制在-0.1~0.2mm。目前钣金成形航空模具的传统加工方法主要是按外形样板+特种角度样板或正反模形垫料后取过渡模协调制造，这种工艺方法制造出的模具外形误差可达到0.2~0.3mm，局部达到0.5mm以上。所以，提升钣金成形技术水平，必须要提升钣金成形模具制造数字化技术。与传统模具制造技术相比，钣金成形模具数字化制造技术要求更加复杂。第一，钣金成形模具外形型面的复杂程度，塑性变形特点和成形回弹等因素不仅涉及到其零件本身数字化定义，还包括毛坯、下料、成形工序、成形工艺数模等定义；第二，钣金成形模具制造过程中，其塑性变形的非线性所带来的不唯一性、不可逆性等引起的工艺上的参数不确定性，都影响着钣金成形模具的质量和效率。

2冲压模具快速设计方法关键技术

冲压模具模块化设计方法旨在将经验、知识、原理和规范融入设计中，为设计者提供一个交互式的快速设计平台。该平台利用CATIA知识工程（KBE）工具，使用参数、规则、公式，同时在MicrosoftVS的支持环境下，采用CATIA二次开发软件CAA编程，实现工程设计参数驱动几何模型，达到冲压模具快速设计的的。为了能够快速推理构造出符合特定要求的模具数字化几何模型，完成一整副模具的设计，须掌握以下3项关键技术。

2.1工艺件预处理。设计者调入的工艺件，往往拥有过多的工艺特征，例如翻边、孔、倒角等，如果这些工艺特征不属于冲压过程的特征，就需要对多余的特征进行处理，得到冲压过程的中间件后再进行后续冲压模具设计。预处理通过编辑工艺件特征树，快速查找需要处理的工艺特征，然后或取消或隐藏，使原本在工艺件上的特征不显示在可视化的模型中，得到冲压所需的工艺中间件。如图1所示，要冲压得到如左图所示工艺件，需要先冲裁得到含有孔特征的平板类中间件，后经过拉伸得到，而对于拉伸工序来说，工艺件上的孔特征不是拉伸工艺完成特征，所以需要对其进行去除处理，从而得到如图1中右图所示的拉伸工序过度工艺件。

图1工艺件预处理技术

2.2知识工程技术与知识模板。基于知识工程的规则、参数、公式建立起模具的尺寸和参数之间的联系，以参数化零件为基础，建立参数化的装配事物特性表，通过对事物特性表参数进行参数化，实现模架的参数化建模，并通过模架分类码封装模架所有参数。然后通过编码对模架进行唯一标识，驱动模架装配事物特性表，从而驱动模架装配特征和零件编码。针对不同模具特征，将特征实例化，建立基于知识的特征模板库，通过对特征的编码从而对模板进行唯一标识，驱动特征模板生成各设计特征。针对模架的装配特点，提取模具典型零件的装配特点和装配规划，实现了典型零件如凸模、凹模、卸料器、固定板、垫板等零件的快速装配。

2.3面向虚拟装配的建模设计。归纳在模板设计过程中常用到的装配关系，将装配约束关系转化到设计中简单的设计元素即点、线、面，通过设置用于装配定位的特征点、特征线和特征面，将这些定位的特征信息融入到模板的构建过程中并发布到特征树上，在后续虚拟装配过程中，通过提取这些定位的特征信息能快速的实现模具装配，从而省去各零部件之间虚拟装配的烦琐过程。

3曲面缺陷分类

在三维CAD系统中，数字化模型通常都是在拓扑和几何两个层面上进行描述的。在产品设计过程中，种种原因导致产品曲面模型存在很多问题，甚至可能是缺陷。对这些问题或缺陷，模具设计人员需要耗费大量的时间进行检测与修复，操作过程繁琐，效率低，而且对于那些肉眼很难分辨的问题很有可能漏掉，从而导致后续设计时，出现难以预料的问题。对模具模面建模来说，曲面缺陷的基本类型包括拓扑表达缺陷、几何表达缺陷和设计缺陷。拓扑表达缺陷：拓扑表达缺陷存在于系统中对象定义存在不明确性或者对象之间的关联不合理的情况几何表达缺陷：CAD系统除了需要表示拓扑对象之间的连接关系，还需要对这些拓扑对象在数学上进行相关定义，称为拓扑对象的几何表达。当拓扑对象的数学表达无法满足要求时，数模中就会存在缺陷，这类缺陷称之为几何表达缺陷。设计缺陷：工装设计人员的专业知识、技能，以及设计经验的不同，在很大程度上决定了模具设计的优劣。但无论是新手还是经验丰富的设计人员，在设计过程中都会或多或少带入一些缺陷，这类缺陷称之为设计缺陷。

4曲面快速延拓

在模具模面建模过程中，曲面的延拓是一个不可或缺的环节。曲面延拓常被用于构造钣金模具的工艺过渡面或压料面，为了确保工件成形时在其边界处不发生畸变，延拓面必须具有较好的光顺性，并与原始曲面平滑过渡。对于尺寸较小的钣金件来说，达到一阶连续性要求的延伸曲面即可满足大部分情况的要求，况且，对一些复杂曲面也只能构造出一阶连续的延拓面。钣金件本身结构要素复杂，尤其是航空制造中遇到的自由曲面较多，不仅边界没有规律，而且常常由一组具有一定几何约束关系的曲面片构成，直接延拓难度较高，有些甚至是无法处理的，这给模面的生成造成了很大困难。针对模面快速延拓的实现，本文提出了一种曲面快速延拓的策略，即分段延拓策略，并在所开发的钣金模具设计系统中实现。在CAD系统中作与k次NURBS曲线参数连续的延伸线所采取的一般方法是：先构造一条参数连续的k次Bezier曲线，而后将Bezier曲线与原曲线相接，再以NURBS曲线表达该组合曲线。用以上方法实现曲面延伸在单个曲面片或比较规则的多张裁剪曲面延伸问题中是不难实现的，但钣金模具的设计中经常遇到轮廓形状复杂、尖锐特征较多的曲面导致无法直接延拓。模具设计人员进行曲面建模的时候，为了在复杂的特征曲面范围外构造出过渡平缓且满足光顺性要求的工艺面往往要采用分段延伸后再进行修复的处理手段，本文在模具型面快速延拓问题上提出的曲面分段延拓策略，模拟人工对复杂曲面进行延拓操作的思路，通过后台程序进行分段延拓。为提高设计质量和效率，应尽可能使结合边界线段同时延拓。在有些边界处，曲面是无法延拓的，或者延拓的形状不满足要求，如果延拓其中单独的曲线段，如图3（a），得到的曲面片不一定是工装设计所需要的。但将其与两边的边界结合后，由于曲面外延趋势的改变，就有可能延拓。如图3（b）所示的边界结合后，外延20mm，虽然延拓出的曲面片存在凹凸，但若用特定的方式裁剪，得到的外延面片就能够满足要求。

图3单边延拓与结合后延拓

结合知识工程的思想，构建参数类的广义数据库，通过知识参考程序调用相关数据，利用CAA编程建立冲压模快速设计系统的框架，利用实例特征和实例模板充实模具系统零件库，并通过强大的功能模块完成模具构建和修改操作。该设计方法消除了传统设计中繁琐的建模计算过程，且设计后冲压模具有快速随形修改特性，提高了设计效率，实现了模具设计知识的继承，为冲模设计提供了数字化支持。

参考文献：

[1]王建华.模具数字化设计制造技术应用现状与展望.2015

[2]陈毅.冲压模具设计师手册.2015

[3]郭军.机械电子工业部.模具结构与设计基础.2015