基于CATIA復雜鈑金件展開技術研究

彭艷敏

一、引言

鈑金加工是飛機零件、組件和部件制造的重要工藝，鈑金零部件約占飛機總零部件數(shù)的 50%以上，飛機鈑金零件的生產(chǎn)對保證飛機生產(chǎn)進度、達到技術質(zhì)量要求具有重要影響。

鈑金件展開是指從將三維零件設計模型進行分析和計算得到平面毛料的過程，對于框肋零件、部分蒙皮零件等復雜雙曲率鈑金件而言，其展開形狀決定了成形的外形尺寸精度。鈑金零件的毛坯展開計算是沖壓工藝設計的一個重要環(huán)節(jié)。精確的毛坯形狀不僅能夠節(jié)約原材料，減少成形后的修邊工作量，而且可以改善成形條件、提高成形質(zhì)量。因此，研究開發(fā)沖壓零件的展開技術，具有重要的意義。但是由于零件成形過程中材料的塑性變形行為較復雜，目前還沒有很好的方法來準確地計算毛坯形狀。常見的展開方法歸納為：基于材料中性層的零件展開；基于零件外表面的曲面展開；基于有限元分析軟件逆算法的零件展開。本文所述為基于材料中性層的零件展開和零件外表面的曲面展開。

傳統(tǒng)折彎鈑金件加工工藝以粗放展開加工并結合機械切削為特點 ，先近似以展開尺寸放樣落料 ，預留后續(xù)加工余量后進行折彎。折彎后再修準尺寸 ，加工孔槽。這種工藝對展開圖精度要求低 ，存在著工藝路線復雜、效率低、浪費材料及加工質(zhì)量不易保證等缺點。

現(xiàn)代折彎鈑金件加工工藝以精確展開加工、零機械切削為特點 ，先按展開圖全部切割出外形及孔、槽 ，然后折彎成型。這種工藝具有鈑金零件的單元封閉加工、工藝路線簡化、效率高和加工質(zhì)量好等優(yōu)點 ，但對鈑金展開圖的精度要求高。因此 ，現(xiàn)代折彎鈑金件加工中精確展開圖的繪制就成了首先要解決的問題。

二、零件展開原理

為了觀察板料彎曲時的金屬流動情況，便于分析材料的變形特點，可以采用在彎曲前的板料側表面用機械刻線或照相腐蝕制作正方形網(wǎng)格的方法。然后用工具觀察并測量彎曲前后網(wǎng)格的尺寸和形狀變化情況，如圖 1所示彎曲前，材料側面線條均為直線，組成大小一致的正方形小格，縱向網(wǎng)格線長度。彎曲后，通過觀察網(wǎng)格形狀的變化，如圖1所示，可以看出彎曲變形具有以下特點。

1.彎曲圓角部分是彎曲變形的主要變形區(qū)

通過對網(wǎng)格的觀察，彎曲圓角部分的網(wǎng)格發(fā)生了顯著的變化，原正方形網(wǎng)格變成了扇形；而在遠離圓角的直邊部分，則沒有這種變化；在靠近圓角處的直邊，有少量的變化，這說明彎曲變形區(qū)主要在圓角部分。通過不同角度的彎曲，會發(fā)現(xiàn)彎曲圓角半徑越小，該變形區(qū)的網(wǎng)格變形越大。因此，彎曲變形程度可以用相對彎曲半徑來表示（r/t）。

2.彎曲變形區(qū)的應變中性層

比較變形區(qū)內(nèi)彎曲前后相應位置的網(wǎng)格線長度可知，板料的外區(qū)（靠凹模一側），縱向纖維受拉而伸長；內(nèi)區(qū)（靠凸模一側），縱向纖維受壓縮而縮短。內(nèi)、外區(qū)至板料的中心，其縮短和伸長的程度逐漸變小。由于材料的連續(xù)性，在伸長和縮短兩個變形區(qū)域之間，其中必定有一層金屬纖維材料的長度在彎曲前后保持不變，這一金屬層稱為應變中性層（圖 1中 o-o層）。應變中性層長度的確定是進行彎曲件毛坯展開尺寸計算的重要依據(jù)。當彎曲變形程度很小時，應變中性層的位置基本上處于材料厚度的中心，但當彎曲變形程度較大時，可以發(fā)現(xiàn)應變中性層向材料內(nèi)側移動，變形量愈大，內(nèi)移量愈大。

三、基于零件中性層的展開方法

1.幾何計算法

幾何計算法又稱鈑金件展開經(jīng)驗公式，主要對于一般的彎邊零件和幾何形狀規(guī)整的框，肋等平面零件以及成形時材料流動較小的零件，均可采用此方法。

通常，零件展開是計算值（圖 2），其計算公式如下：

Z=L-（ L1+x）

令：

m=m1 -m2

則： Z=B-m

式中， B為彎邊實際高度； R為彎曲內(nèi)半徑； δ為零件材料厚度； α為 90° ±M；M為斜角值； n為零件內(nèi)表面到彎曲中性線的距離； m、m1、m2稱為展開修正值，根據(jù)常用的 R和 δ的幾種組合算出值。

當 R和 δ的比值小于 2時，應查 K值表計算展開。具體數(shù)值可查閱航空制造工程手冊—飛機模線樣板相關章節(jié)。

幾何計算法適用于零件腹板面為平面，且展開面形狀簡單的系列零件。用此方法，計算比較繁瑣，效率比較低。

2.CATIA V5航空鈑金模塊的展開

該方法的特點是在鈑金模塊下建立的鈑金件三維實體模型，均可利用該模塊的 fold/unfold的功能，進行展開，并且可以展開零件外形形狀比較復雜的普通鈑金件。另外，經(jīng)過比較，CATIA鈑金模塊得到的展開尺寸比國內(nèi)飛機公司技術人員展開的尺寸相對要小一些。所以，需合理選取材料的成形參數(shù)— K值，具體步驟是：①進入 CATIA V5航空鈑金模塊（Aerospace Sheet Metal Design），設立鈑金件的建模參數(shù)（Sheet Metal Parameter），在建模參數(shù)對話框中分別設置鈑金件的材料厚度、彎曲半徑以及材料的彎曲參數(shù)— K值等。②建立腹板面以及彎曲面，以及下陷、各種減輕孔、加強窩等。③完成鈑金件的實體建模，運用模塊中的展開功能實現(xiàn)展開。鈑金零件展開實例如圖 3所示。

CATIA V5航空鈑金模塊的不足：①要求鈑金零件必須在航空鈑金模塊中生成才能展開，而實際生產(chǎn)中零件是在零件設計模塊中生成的。②要求鈑金零件必須至少一個面為平面或近似平面，即腹板面為平面，但是飛機上有一部分鈑金零件，不存在平面，均為曲面。例如，帶翻邊的墊片、角片等。③在航空鈑金模塊創(chuàng)建雙曲度彎邊存在一定的局限性，無法建立或很難創(chuàng)建曲率變化比較大的雙曲度零件。因此，要對零件的外形曲面進行適度。

（1）曲面模塊的曲面展開。

曲面展開可以運用 CATIA V5中的創(chuàng)成式曲面設計模塊（Generative Shape Design）以及 CATIA V4里的develop模塊。創(chuàng)成式曲面模塊提供較為全面的曲面展開功能包括展開原點選擇，展開方向的選擇，以及展開后的誤差云圖分析。

具體步驟是：①根據(jù)零件的厚度，計算零件內(nèi)表面到彎曲中性線的距離 n，一般取 n=0.446δ （δ為零件的厚度 ）；②將包絡零件最大外形的曲面偏置至中性層，曲面略大于零件外形且盡量取裁規(guī)整，以確保展開后的曲面質(zhì)量；③將零件最大外形輪廓線，參考元素以及孔軸線投影到中性層曲面；④利用 CATIA V5或 V4的展開功能，展開零件外形并分析曲面展開后的誤差。

在 CATIA V5實體模塊，創(chuàng)建展開后的實體模型，如圖 4所示。

（2）展開誤差分析。

為保證簡單曲面類零件展開的準確性，利用檢查曲面邊緣、對角線和網(wǎng)格線三類檢測線在曲面展開前后的長度變化，以及曲面展開前后的網(wǎng)格是否變形，確定曲面類零件展開的準確性。

三類檢測線：如圖 5所示，紅色線：檢測曲面展開后4個外邊的變形情況；青色線：用與檢測曲面展開的對角線變形情況，防止曲面的扭曲變形；黑 K色線：檢測曲面內(nèi)部局部由于曲面構形不同造成的局部突變。

曲面網(wǎng)格是曲面最重要的構成元素，利用自由曲面中控制點查看工具 查看曲面展開前后網(wǎng)格有無明顯的彎曲變形或扭曲變形，若存在嚴重的網(wǎng)格變形，則展開曲面不可用；若網(wǎng)格展開前后規(guī)整，無變形且三類檢測線符合數(shù)字樣板設計要求，則展開曲面準確，展開誤差為三類檢測線中最大差值。將展開曲面劃分網(wǎng)絡，如圖 6所示。

對展開后曲面與原來的已存曲面相比較，誤差在規(guī)定的范圍內(nèi)，完全能夠滿足設計和制造上的需要。在展開數(shù)據(jù)上增加化銑余量線，定位耳片，得出化銑樣板展開數(shù)據(jù)，如圖 7所示。

（3）CATIA V5曲面展開模塊的不足：①展開單曲度的鈑金件，例如機身、機翼的蒙皮類零件或機翼前緣、后緣等部位的蜂窩芯類的零件。②對于雙曲度零件，CATIA V5不可展或展開后誤差較大，不能滿足零件設計要求。

3.基于 CATIA V4 的展開

（1）用 DEVELOP功能展開計算。

該功能基于曲面的參數(shù) u或 v方向的一條基線進行展開計算。它包含 CREATE和 DEFORM兩部分?；诰瓤紤]，對于可展曲面用 DEFORM直接展開，而對于不可展曲面需用 CREATE沿原曲面的兩條邊界線構造符合要求的可展曲面，再用 DEFORM展開。此功能局限性較大，不適用于雙曲度曲面的近似展開計算。

（2）用 FLATPATTERN功能展開計算。

首先需要把待展曲面網(wǎng)格化，然后選擇一組等參數(shù)線（U、V）作為展開基準即曲面坐標系的兩個軸，再以此曲面坐標系展開網(wǎng)格，最后把曲面上的零件結構特征信息映射到展開網(wǎng)格上以達到零件的展開。該功能適用于雙曲度曲面的展開計算。

四、結語

本文論述基于零件中性層理論的鈑金零件展開，適用于普通鈑金、航空鈑金和飛機等直段蒙皮；雙曲度飛機蒙皮以及飛機整流外形蒙皮的展開、長桁和雙曲度整體壁板。