基于CATIA的鈑金零件展開(kāi)

劉學(xué)杰，田玉艷，王亞麗

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 改裝部，西安 710089）

0 引言

鈑金零件因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外廓尺寸大、加工成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空及機(jī)械工業(yè)。但鈑金零件的展開(kāi)方式仍以近似解析計(jì)算為主，零件成形后需要修復(fù)尺寸，這種方式不僅浪費(fèi)人力物力，而且精度差，易使工件報(bào)廢，不能與當(dāng)前先進(jìn)的加工方法及設(shè)備適應(yīng)。

CATIA 是由法國(guó)達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的三維制圖軟件，提供強(qiáng)大的鈑金模塊，可以實(shí)現(xiàn)鈑金零件的設(shè)計(jì)、加工等?；贑ATIA 的鈑金零件展開(kāi)法是指通過(guò)把三維模型鈑金零件展開(kāi)，將其轉(zhuǎn)換成二維工程圖,實(shí)現(xiàn)鈑金零件的平面展開(kāi)。本文從展開(kāi)原理上將其與其他兩種展開(kāi)方法進(jìn)行對(duì)比，尋求一種比較合理的鈑金零件展開(kāi)方法，以適應(yīng)當(dāng)前先進(jìn)的加工方法與設(shè)備。

1 鈑金零件的傳統(tǒng)展開(kāi)法

1.1 鈑金零件的傳統(tǒng)展開(kāi)法［1］

鈑金零件彎曲過(guò)程中長(zhǎng)度不變的中間層，即為中性層。求解鈑金零件展開(kāi)尺寸的過(guò)程，其實(shí)就是確定中性層長(zhǎng)度的過(guò)程。

當(dāng)彎曲變形程度不大（r/t 很大）時(shí)，可以認(rèn)為中性層位于板料厚度中間，其曲率半徑為：

當(dāng)彎曲變形程度很大（r/t 很?。r(shí)，中性層的曲率半徑為：

其中：r為彎曲件內(nèi)角半徑；k為中性層位移系數(shù)；t為彎曲材料厚度，mm。一般認(rèn)為，k 與厚度t 及折彎半徑r 等有關(guān)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 板料彎曲中性層位移系數(shù)

圖1 彎曲件截面圖

一般鈑金零件（包括板及圓桿類）的展開(kāi)如圖1 所示，整個(gè)毛坯的展開(kāi)尺寸等于彎曲零件各直線單元長(zhǎng)度與各彎曲單元中性層展開(kāi)長(zhǎng)度的總和：

公式中的中性層位移系數(shù)k 不僅與厚度t 及折彎半徑r 有關(guān)，還與材料特性、加工設(shè)備及加工方式等有關(guān)，所以這種展開(kāi)方式只能應(yīng)用于一般鈑金零件的展開(kāi)。

對(duì)于錐形、天圓地方體及其他不規(guī)則零件的展開(kāi)，需要使用到解析法展開(kāi)，不僅工作量大，公式繁瑣，精度不高，易出廢件，而且有的不規(guī)則零件可能無(wú)法按傳統(tǒng)的方法展開(kāi)。

1.2 鈑金零件的AutoCAD 展開(kāi)法

對(duì)于規(guī)則折彎類零件，AutoCAD 的展開(kāi)方式與傳統(tǒng)展開(kāi)方式一樣，這里不贅述。對(duì)于某些不規(guī)則的零件，利用AutoCAD 展開(kāi)方法是先將鈑金零件的特征曲線繪出，利用影射關(guān)系確定零件展開(kāi)后的一系列具有代表性的特征點(diǎn)，然后利用光滑曲線將各個(gè)特征點(diǎn)連接起來(lái)，組成封閉的曲線輪廓即被認(rèn)為是零件的展開(kāi)圖形。

圖2為某斜口管類零件的展開(kāi)圖。零件按1∶1 比例繪出，將圓按12 等分，然后繪制長(zhǎng)度2πr 的線段，亦將其12等分，將零件的徑向尺寸映射在線段等分點(diǎn)處的垂線上。將各個(gè)映射點(diǎn)連接與開(kāi)端末尾處的垂線段成封閉的輪廓，即為斜口管類零件的展開(kāi)圖。根據(jù)精度要求，可以將其24、36 等分以獲得更高的精度。

圖2 斜口管類零件展開(kāi)

由上例可以看出，鈑金零件的AutoCAD 展開(kāi)法是傳統(tǒng)展開(kāi)方法的升級(jí)，使用AutoCAD 繪圖軟件將鈑金零件按映射的規(guī)律對(duì)其展開(kāi)尺寸進(jìn)行求解，對(duì)于某些特殊鈑金零件同樣無(wú)能為力。

2 鈑金零件的CATIA 展開(kāi)法

鈑金零件的CATIA 展開(kāi)法與傳統(tǒng)展開(kāi)方法有本質(zhì)的區(qū)別，CATIA 展開(kāi)方法是一種參數(shù)化、智能化的三維建模過(guò)程，完全由程序模擬鈑金實(shí)際成形加工過(guò)程運(yùn)算。使用CATIA 展開(kāi)法需要完成鈑金零件的三維建模。首先按要求設(shè)置鈑金參數(shù)，它主要包括展開(kāi)方程、材料數(shù)據(jù)和表數(shù)據(jù)的編輯確定。然后建立鈑金件的三維模型，將模型轉(zhuǎn)化為二維工程圖。

2.1 鈑金零件的參數(shù)設(shè)置

鈑彎件的厚度及缺省彎曲半徑在鈑金參數(shù)設(shè)置對(duì)話框內(nèi)直接修改即可。鈑金件展開(kāi)長(zhǎng)度的計(jì)算如下：

如圖3 所示，CATIA 軟件將鈑金零件展開(kāi)后分成兩部分：直線部分和彎曲部分。則尺寸L 可以用下式求解：

其中A、B、R、α、W、T 如圖3 中定義，α 單位為弧度，W為彎曲允許寬度，可以用下式進(jìn)行計(jì)算：

其中，K為中性層位移系數(shù)，在缺省狀態(tài)下，根據(jù)DIN 標(biāo)準(zhǔn)將其處理成R 與T 的函數(shù)，則有：

也可以不激活這個(gè)公式，使用Knowledge advisor 工作臺(tái)對(duì)該公式進(jìn)行修改，還可以根據(jù)需要給K 賦一個(gè)特定的值（見(jiàn)圖4）。

圖3 鈑金零件展開(kāi)長(zhǎng)度計(jì)算示意圖

圖4 K 因子賦值

2.2 基于CATIA 的鈑金零件的展開(kāi)過(guò)程

CATIA 的鈑金件建模過(guò)程中需要對(duì)鈑金件加工中的工藝裂縫、折彎圓角等工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在進(jìn)行零件建模設(shè)計(jì)時(shí)，如有不符合實(shí)際加工的結(jié)構(gòu)或工藝性問(wèn)題，CATIA 軟件將對(duì)其進(jìn)行報(bào)錯(cuò)處理，提示設(shè)計(jì)人員進(jìn)行修改，直到滿足要求。設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)用展開(kāi)命令，即可按設(shè)置的彎曲參數(shù)自動(dòng)生成精確的金屬平板模型，利用工程圖模塊中的視圖投影功能將平板模型轉(zhuǎn)化成二維圖，保存為DXF、DWG 等格式的文件，以便輸出至具備處理CAD 文件能力的數(shù)控設(shè)備（數(shù)控沖床、數(shù)控切邊機(jī)等），進(jìn)行零件精確下料。

3 實(shí) 例

注意：繪制“地方”草圖時(shí)，需在4 個(gè)直角處加工適當(dāng)大小的圓角，以防止進(jìn)行金屬墻彎曲成形時(shí)報(bào)錯(cuò)（因棱角處不連續(xù)）。

圖5 天圓地方體鈑金零件展開(kāi)過(guò)程

圖5（d）中虛線部分為按傳統(tǒng)解析法展開(kāi)視圖，下端的“地方”開(kāi)口處輪廓被處理成直線，上方圓口為多段弧線，為方便解析，這些元素都是按近似曲線展開(kāi)的，降低了下料難度，零件成形后需要對(duì)零件進(jìn)行修形以滿足使用要求。而由CATIA 展開(kāi)的尺寸圖則根據(jù)零件的外形按其實(shí)際加工過(guò)程成形，然后再反推展開(kāi)投影而成，更加接近零件的真實(shí)外形尺寸，可以按照其輪廓進(jìn)行下料，一次加工成形。

基于CATIA 鈑金模塊的一般鈑金零件的展開(kāi)比較簡(jiǎn)單，這里不再實(shí)例介紹。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從原理部分介紹，并進(jìn)行了鈑金零件的幾種展開(kāi)方式的對(duì)比。應(yīng)用CATIA 軟件中的鈑金模塊進(jìn)行鈑金零件的展開(kāi)，與用傳統(tǒng)展開(kāi)方法相比，效率及展開(kāi)精度極高，能降低鈑金加工過(guò)程中因展開(kāi)尺寸不合適原因而造成的返修率。基于CATIA 鈑金模塊展開(kāi)的圖形數(shù)據(jù)可以與鈑金數(shù)控設(shè)備直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，能適應(yīng)現(xiàn)代數(shù)控鈑金設(shè)備加工特點(diǎn)，為鈑金零件設(shè)計(jì)及加工的方式提供一種新的思路。

［1］翟平.飛機(jī)鈑金成形原理與工藝［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1995.