鈑金成形信息化發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

韓志仁

（1.沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學(xué)航空宇航工程學(xué)部， 沈陽 110136）

韓志仁 沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殁k金成形CAE和數(shù)字化制造技術(shù)。

20世紀(jì)之前，鈑金成形主要以手工為主；進(jìn)入20世紀(jì)后，沖壓設(shè)備和模具使鈑金成形開始向機(jī)械化方向發(fā)展；從20世紀(jì)80年代開始，數(shù)控技術(shù)在鈑金行業(yè)大量使用，鈑金行業(yè)開始進(jìn)入一個(gè)高速發(fā)展的階段。鈑金產(chǎn)品在通信電子、汽車制造、摩托車制造、船舶制造、航空航天、儀器儀表、家電等行業(yè)廣泛應(yīng)用。由于產(chǎn)品的需要，設(shè)計(jì)的鈑金件越來越復(fù)雜，飛機(jī)上的鈑金件更是如此，航空鈑金件不僅具有尺寸大、剛度小、外形復(fù)雜的特點(diǎn)，而且在生產(chǎn)上具有品種多、批量小、成形方法多樣化的特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和鈑金數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，鈑金成形技術(shù)得到了快速發(fā)展，鈑金成形信息化得到了一定的發(fā)展。鈑金成形質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性主要取決于采用的成形工藝方法和模具設(shè)計(jì)質(zhì)量，而選擇合適的鈑金成形方法和設(shè)計(jì)合理的模具結(jié)構(gòu)需要大量的材料信息、設(shè)備信息、工藝信息、產(chǎn)品幾何特征信息、典型模具結(jié)構(gòu)信息等。目前這些鈑金信息以不同的形式保存在不同的載體中，而且信息完整性差，直接影響鈑金成形的整體技術(shù)水平，特別是目前采用落壓成形方法加工的復(fù)雜航空鈑金件，在成形件質(zhì)量和制造效率等方面存在很多問題，這與鈑金成形信息化技術(shù)發(fā)展遲緩密不可分。鈑金成形信息技術(shù)方面仍然存在信息表達(dá)難、信息量化難、信息提取難、信息存在形式不規(guī)范、存在信息孤島等諸多問題[1-2]。

鈑金成形信息

1 鈑金成形信息的內(nèi)涵

鈑金成形信息主要分為鈑金件幾何特征信息、材料信息、工藝信息、仿真結(jié)果信息、成形模具信息、設(shè)備信息等，具體見圖1。這些鈑金成形信息是制定成形方案、編制成形工藝、確定工藝參數(shù)、設(shè)計(jì)成形模具的依據(jù)，也是知識(shí)工程的一部分，提高鈑金成形知識(shí)重用率和整體鈑金成形技術(shù)水平的基礎(chǔ)。

2 鈑金成形信息分類和存在方式

鈑金成形信息包括材料信息、鈑金件成形工藝信息兩大類。

圖1 鈑金成形信息Fig.1 Sheet metal forming information

材料信息包括材料描述性信息、材料力學(xué)性能和成形性能3類。材料描述性信息包括材料的名稱、牌號(hào)、狀態(tài)、批次、廠家等信息；材料力學(xué)性能信息包括密度、楊氏模量、抗拉強(qiáng)度、泊松比、拉伸曲線等；成形性能包括最小彎曲半徑、拉深系數(shù)、成形極限圖、材料本構(gòu)模型、厚向異性指數(shù)、異性參數(shù)、杯凸試驗(yàn)值等。

材料描述性信息采用短語或句子表示鈑金成形信息，可以直接得到；材料力學(xué)性能信息主要是量化信息，通過單拉試驗(yàn)計(jì)算得到，另外，單拉曲線信息也可以用圖形方式表示，屬于圖形類信息；金屬板成形性能一般通過特定的工藝試驗(yàn)獲取成形性能參數(shù)，成形極限圖采用雙向拉伸試驗(yàn)并計(jì)算得到，屬于圖形類信息（見圖2），厚向異性指數(shù)通過單拉試驗(yàn)得到，而其他的各向異性參數(shù)與材料模型有關(guān)，主要材料異性模型如下。

（1）Barlat 各向異性模型（1991年提出）。

屈服函數(shù)：

其中，a、b、c、f、g、h、m 為各向異性參數(shù)。

（2）Barlat 各向異性三參數(shù)模型。

此模型適用于平面應(yīng)力問題，各向異性屈服函數(shù)：

其中，a、c、K1、K2與板料厚向異性指數(shù)R00、R90有關(guān)。所以異性參數(shù)為R00、R90、m。

（3）HILL48模型。

屈服函數(shù)：

其中，F(xiàn)、G、H、L、M、N為各向異性參數(shù)。

目前材料力學(xué)性能和成形性能參數(shù)信息方面，每一種金屬材料不同狀態(tài)下的性能均有參數(shù)數(shù)據(jù)，而成形性能一般廠家并不提供。由于同種牌號(hào)的金屬材料不同廠家生產(chǎn)、不同批次生成的產(chǎn)品存在差異，材料性能存在分散性，使用廠家一般在入廠時(shí)需要進(jìn)行材料試驗(yàn)測(cè)試材料性能，確定并核實(shí)材料的性能，這樣會(huì)造成材料試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行，材料的成形性能試驗(yàn)更是如此，特別是材料的成形極限試驗(yàn)工作量大，試驗(yàn)成本高。因此，在金屬板料出廠前對(duì)不同批次完成材料性能和成形性能試驗(yàn)，將材料性能和成形性能提供給應(yīng)用廠家，可以節(jié)省大量的人力和財(cái)力，從社會(huì)角度節(jié)約成本，同時(shí)提供材料牌號(hào)、批次、狀態(tài)、試驗(yàn)條件、采用的標(biāo)準(zhǔn)、廠家等詳細(xì)的材料信息。材料生產(chǎn)廠家可以提供材料的量化的性能信息、描述性信息、圖表信息等電子版信息，形成材料數(shù)據(jù)庫。材料的各種信息的獲取均符合國(guó)家規(guī)范。從源頭上解決目前材料信息不完善、不規(guī)范、分散、重復(fù)材料試驗(yàn)等問題。該問題的解決需要從國(guó)家層面入手，通過法律、法規(guī)強(qiáng)制規(guī)范材料生產(chǎn)廠家提供準(zhǔn)確的、完整的、規(guī)范的材料信息。

圖2 鈑金成形極限圖Fig.2 Sheet metal forming limit diagram

鈑金件成形工藝信息包括鈑金件幾何特征、工藝信息、成形模具信息、仿真分析結(jié)果信息、設(shè)備信息等。

鈑金件幾何信息主要包括零件名稱、幾何尺寸、幾何特征、零件分類，存在于鈑金件工程圖或三維數(shù)模（屬于數(shù)模類信息）中；工藝信息主要包括鈑金零件展開圖（屬于圖形類信息，如圖3所示）、成形方法、工藝數(shù)模、成形工藝參數(shù)、成形介質(zhì)等，既有量化信息，也有描述性信息；成形模具信息包括模具材料信息、模具結(jié)構(gòu)特征、模具使用要求、模具分類信息，屬于描述性信息；仿真分析結(jié)果包括成形件信息、仿真建模信息、仿真結(jié)果，既有描述性信息，也有圖形信息和量化信息；設(shè)備信息包括設(shè)備型號(hào)、設(shè)備工作臺(tái)尺寸、設(shè)備適用范圍、設(shè)備參數(shù)、設(shè)備產(chǎn)地，可以歸結(jié)為描述性信息。

一個(gè)優(yōu)化的鈑金成形方案，不僅需要優(yōu)秀的工藝和模具設(shè)計(jì)人員，更重要的是需要完善的鈑金成形信息作為支撐。計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)廣泛應(yīng)用以前，鈑金成形信息的載體主要是紙張。材料信息和成形性能信息等主要包括在手冊(cè)或相關(guān)書籍中，具體零件的鈑金成形工藝包括在工藝單中，模具信息包括在工程圖中，這些鈑金成形信息存儲(chǔ)的特點(diǎn)是信息孤立、分散、不適合批量獲取，影響鈑金成形信息獲取的效率，各種鈑金成形信息的載體相對(duì)獨(dú)立，形成信息孤島。

圖3 毛坯輪廓Fig.3 Blank profile

鈑金成形信息可以分為顯性信息和隱性信息，顯性信息是指鈑金成形信息中可以量化或用單一指標(biāo)清晰描述的信息（如材料性能參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、零件名稱等）；而隱性信息是指包括在圖形或幾何模型中不能量化或很難用單一指標(biāo)清晰描述的信息（如任意形狀的毛坯圖、復(fù)雜幾何形狀尺寸等）。隱性鈑金信息描述和獲取方法是鈑金成形方案制定、模具設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。

鈑金成形信息化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

1 鈑金成形信息關(guān)聯(lián)技術(shù)

目前鈑金成形信息存在孤島，信息的關(guān)聯(lián)性沒有充分體現(xiàn)。鈑金成形信息的載體為紙張時(shí)，信息獲取不方便，不容易與其他信息有效的關(guān)聯(lián)，不適合自動(dòng)檢索。因此，鈑金成形信息化首先需要將相關(guān)信息電子化，保存在計(jì)算機(jī)中，避免使用紙質(zhì)載體。由于鈑金成形信息涉及的信息量大、信息類型復(fù)雜，需要采用不同的方式保存鈑金成形信息，材料信息主要是量化信息和描述性信息，可以采用數(shù)據(jù)庫形式保存，鈑金件工藝信息包括數(shù)模類信息、描述性信息等，保存形式為數(shù)據(jù)庫和數(shù)模。

對(duì)于材料信息和鈑金件工藝信息中的量化信息和描述性信息，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)這些信息，并建立信息間關(guān)聯(lián)關(guān)系。

鈑金件工藝信息中幾何特征、毛坯數(shù)模、工藝數(shù)模等均以數(shù)模形式出現(xiàn)，零件的工藝規(guī)程以電子表格形式表示（見圖4），這些信息不適合用數(shù)據(jù)庫直接管理，可以通過對(duì)文件名字的管理實(shí)現(xiàn)對(duì)鈑金件工藝信息的管理。零件數(shù)模與工藝規(guī)程通過零件的名字進(jìn)行關(guān)聯(lián)，由于零件保存的位置變化、零件修改更新等原因，這種關(guān)聯(lián)方式關(guān)聯(lián)性弱，而且不適合批量檢索。因此，通過將工藝規(guī)程定義到數(shù)模中進(jìn)行關(guān)聯(lián)（圖5所示）。工藝耳片信息、工藝余量信息等添加在數(shù)模中進(jìn)行信息關(guān)聯(lián)（見圖6），可以保證強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性和更新實(shí)時(shí)性。在鈑金成形信息的表達(dá)、存儲(chǔ)等方面充分考慮信息的關(guān)聯(lián)性是保證鈑金成形信息充分共享、有效獲取的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖4 電子版工藝規(guī)程Fig.4 Electronic version process planning

圖5 數(shù)模中的工藝規(guī)程Fig.5 Process planning in digital model

圖6 數(shù)模中的工藝耳片信息Fig.6 Information of ear piece in the digital model

2 鈑金成形信息的規(guī)范技術(shù)

鈑金成形信息種類繁多，既有顯性信息，也有隱性信息，信息的載體差異很大。為了高效、準(zhǔn)確地獲得需要的鈑金成形信息，必須將鈑金成形信息進(jìn)行規(guī)范化處理，建立統(tǒng)一規(guī)范的鈑金成形信息表達(dá)、存儲(chǔ)原則。建立鈑金成形信息規(guī)范應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面：（1）考慮信息間的關(guān)聯(lián)性，在同一載體存儲(chǔ)鈑金成形信息時(shí)盡可能將相關(guān)聯(lián)的特征類信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，比如材料參數(shù)必須關(guān)聯(lián)材料的規(guī)格、名稱、牌號(hào)、狀態(tài)、產(chǎn)地等特征信息，工藝信息盡量關(guān)聯(lián)零件名稱、幾何特征、幾何尺寸等信息；（2）將描述類信息采用知識(shí)定義的方法進(jìn)行規(guī)范定義，并進(jìn)行編碼量化；（3）將圖表、典型事例數(shù)模和毛坯數(shù)模等采用統(tǒng)一的CAD軟件數(shù)據(jù)格式，或采用通用的CAD數(shù)據(jù)格式，避免數(shù)據(jù)異構(gòu)問題，數(shù)模符合標(biāo)準(zhǔn)的MBD規(guī)范，用PDM技術(shù)進(jìn)行管理，規(guī)范其命名和特征；（4）規(guī)范統(tǒng)一各類鈑金成形信息的存儲(chǔ)載體、存儲(chǔ)方式、存儲(chǔ)格式。

3 鈑金成形信息編碼技術(shù)

對(duì)于非量化的鈑金成形信息可以采用編碼技術(shù)進(jìn)行量化標(biāo)識(shí)，以便對(duì)信息進(jìn)行量化表征和數(shù)據(jù)挖掘，如鈑金零件的幾何特征、典型模具結(jié)構(gòu)的幾何特征等鈑金成形信息均屬于非量化信息[3-4]，該類信息可以利用編碼技術(shù)進(jìn)行特征信息描述。以全息特征樹描述鈑金零件在飛機(jī)生命周期各階段不同側(cè)面、不同層次的信息,形成統(tǒng)一、完備的零件信息描述,可以根據(jù)鈑金件的全息特征樹進(jìn)行編碼。飛機(jī)鈑金零件編碼總體結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 飛機(jī)鈑金零件編碼總體結(jié)構(gòu)

4 鈑金成形信息數(shù)據(jù)庫技術(shù)

數(shù)據(jù)庫技術(shù)是通過研究數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)、設(shè)計(jì)、管理以及應(yīng)用的基本理論和實(shí)現(xiàn)方法，并利用這些理論來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和理解的技術(shù)。數(shù)據(jù)庫技術(shù)所涉及的具體內(nèi)容主要包括：通過對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織和管理，按照指定的結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)倉庫；利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、修改、刪除、處理、分析、理解、報(bào)表和打印等多種功能的數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用系統(tǒng)

鈑金成形信息種類繁多，信息量大，用于提供技術(shù)人員確定鈑金成形的工藝方案、工裝設(shè)計(jì)方案、制定工藝規(guī)程等。根據(jù)鈑金成形信息數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，研究數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，充分考慮數(shù)據(jù)的類型、數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性、數(shù)據(jù)的表達(dá)和存在形式，考慮數(shù)據(jù)庫的實(shí)用性、開放性、容錯(cuò)性、可靠性，同時(shí)研究適合鈑金成形信息和數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)倉庫模型對(duì)于鈑金成形信息化至關(guān)重要。

5 鈑金成形信息共享平臺(tái)技術(shù)

目前研究的鈑金成形信息方面的數(shù)據(jù)庫涉及的鈑金成形信息范圍小，主要集中在航空鈑金材料性能、回彈數(shù)據(jù)庫、成形設(shè)備數(shù)據(jù)庫等方面，這些數(shù)據(jù)庫包括的信息量小，適用范圍小，使用范圍小[5-7]。建立一個(gè)包括材料信息和鈑金件工藝信息中的量化信息和描述性信息的共享平臺(tái)非常重要，不僅規(guī)范了鈑金成形信息的使用、降低信息獲取的成本、方便中小型用戶，而且獲得好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。共享平臺(tái)主要包括材料信息和設(shè)備信息等，這些信息具有共享的可行性，不涉及商業(yè)秘密。建立一個(gè)完整的信息共享平臺(tái)，需要開展大量的研究和數(shù)據(jù)獲取整理工作，難度大，投入大，不適合一個(gè)單位投資建設(shè)，因此建立信息共享平臺(tái)，建立完整的鈑金成形信息倉庫和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，服務(wù)整個(gè)鈑金行業(yè)，是一個(gè)經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的鈑金成形信息化解決方案。

鈑金件工藝信息中鈑金件幾何特征、工藝信息、成形模具信息、仿真分析結(jié)果信息等信息具有很強(qiáng)的獨(dú)特性，也可能涉及商業(yè)秘密或國(guó)家秘密，不適合建立全社會(huì)的共享平臺(tái)，但可以建立行業(yè)或企業(yè)內(nèi)部的共享平臺(tái)，這個(gè)共享平臺(tái)結(jié)合PDM一起使用，實(shí)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)或企業(yè)內(nèi)的鈑金成形信息共享，提高鈑金成形整體工藝水平。

通用的共享平臺(tái)主要包括材料性能和設(shè)備信息，以國(guó)家政府部門牽頭，建立專門機(jī)構(gòu)，聯(lián)合所有的鈑金材料生產(chǎn)企業(yè)和成形設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)，建立網(wǎng)絡(luò)商業(yè)運(yùn)行模式，使用信息收取適當(dāng)費(fèi)用，參與企業(yè)根據(jù)提供信息的多少獲取利潤(rùn)，保證信息共享平臺(tái)的健康運(yùn)行。

6 鈑金成形信息的獲取和利用技術(shù)

鈑金成形信息按類型不同，通過不同的方法獲取。材料參數(shù)、成形性能、回彈量等通過數(shù)據(jù)庫檢索直接獲取需要的數(shù)值，用于鈑金成形工藝分析、工藝方案確定和工藝設(shè)計(jì)；典型工藝方案等信息通過相似度獲取相關(guān)信息和方案，用于確定工藝方案以及工藝設(shè)計(jì)提供幫助。依據(jù)建立的鈑金成形信息公共平臺(tái)和鈑金件典型工藝和模具數(shù)據(jù)倉庫，可以利用鈑金零件的幾何參數(shù)、材料參數(shù)、工藝特征等進(jìn)行典型工藝方案的數(shù)據(jù)挖掘，獲得典型的工藝方案、典型的工藝流程和典型的模具結(jié)構(gòu)，通過參數(shù)更新方式，進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)。圖7為利用鈑金成形信息平臺(tái)開展數(shù)據(jù)挖掘和工藝設(shè)計(jì)的流程，圖8為利用鈑金成形典型實(shí)例結(jié)構(gòu)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)[8]。

結(jié)束語

在數(shù)字化制造快速發(fā)展的背景下，我國(guó)在鈑金成形信息化方面得到了一定發(fā)展，一些企業(yè)根據(jù)自身需要建立了小型數(shù)據(jù)庫，對(duì)材料參數(shù)、成形設(shè)備、CAPP等數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和利用，提高了我國(guó)鈑金成形信息化水平。但鈑金成形信息化方面整體上沒有突破性進(jìn)展，信息孤島、信息不完善、信息獲取難、典型工藝和典型工藝知識(shí)重用率低等問題沒有得到根本解決。通過統(tǒng)籌全局、頂層設(shè)計(jì)，著眼鈑金成形信息化關(guān)鍵技術(shù)的研究和解決，提高鈑金成形信息化整體水平，將對(duì)鈑金成形工藝設(shè)計(jì)水平、工藝準(zhǔn)備效率、降低成本等起到關(guān)鍵作用。

圖7 基于數(shù)據(jù)挖掘的鈑金工藝設(shè)計(jì)流程Fig.7 Sheet metal process design flow based on data mining

圖8 基于典型結(jié)構(gòu)的模具設(shè)計(jì)Fig.8 Mold design based on typical structure

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