基于逆向工程的金屬材料模具設計研究

孔藤橋

（共青科技職業(yè)學院，江西 九江 332020）

1 逆向工程技術(shù)簡介

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，CAD技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)品設計開發(fā)人員必不可少的技術(shù)之一。而在產(chǎn)品的開發(fā)設計過程中，設計人員所需要的技術(shù)資料通常是無法從產(chǎn)品的實物模型中直接得到的，需要設計人員通過一定的途徑把實物模型轉(zhuǎn)換成CAD模型。在這個過程中，逆向工程就發(fā)揮了其重要的作用。

逆向工程技術(shù)，又可以稱作反求工程或反求設計，指的是借助一定的測量手段，對實物或模型進行全面的測量，測量之后依據(jù)測量所得到的數(shù)據(jù)進行模型的重建。傳統(tǒng)的正向工程是將未知的設計理念通過工程師的努力和勞動變成人類需求的實物的過程。而逆向工程則是以產(chǎn)品原型為基礎，通過測量手段獲取產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，以便能夠通過測量數(shù)據(jù)獲取更多關(guān)于產(chǎn)品的信息。逆向工程技術(shù)包含廣泛的技術(shù)方向，如形狀反求、材料反求、工藝反求等，在工業(yè)領域中主要有以下幾個方面的應用：對新產(chǎn)品進行改型設計或仿形設計；對已有的產(chǎn)品進行復制，明確原產(chǎn)品的設計意圖；對磨損的零件進行還原；對模型進行數(shù)字化檢測，便于模型間的對比分析，如分析產(chǎn)品變形原因、檢測焊接質(zhì)量等。逆向工程加快了產(chǎn)品設計速度和制造速度，同時也為產(chǎn)品的設計制造提供了很好的技術(shù)支持，是當前制造業(yè)中進行信息傳遞的重要途徑。

逆向工程的測量過程可以根據(jù)測量頭是否與零件有接觸而分為接觸式測量和非接觸式測量兩種。其中，接觸式測量所用到的三坐標測量機是一種具有很強柔性的大型測量設備，是20世紀60年底發(fā)展起來的具有高效率、高精準度的新型測量儀器，接觸式測量由于測量頭的不同又分為觸發(fā)式測量和連續(xù)式測量，接觸式測量通常用于材質(zhì)較硬、形狀簡單、定位容易的實物測量；非接觸式測量則由于采用的測量原理不同而被分為三角形法、激光干涉法、CT測量法、MRI測量法等，非接觸式測量通常用于材質(zhì)較軟、已損壞以及超薄等實物的測量，如橡膠、油泥、人體頭像等。

2 逆向工程技術(shù)的重要環(huán)節(jié)

2.1 環(huán)節(jié)一：準備工作

在利用逆向工程對金屬材料模具進行設計開發(fā)的過程中，需要對原有模型的設計思想進行深入的研究，以便發(fā)現(xiàn)原有模型上存在的不足以及需要修復的地方?？梢哉f，逆向工程設計并不是對原有模型的復刻，而是對原有模型的重新設計。因此在進行準備工作的時候，需要明確設計的整體思路以及模型構(gòu)成形狀的曲面類型。

2.2 環(huán)節(jié)二：數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集在逆向工程中是最基本的環(huán)節(jié)，能否采集到精準的數(shù)據(jù)直接決定了逆向工程技術(shù)的成功與否。在數(shù)據(jù)采集的過程中，需要獲取原有模型上的三維數(shù)據(jù)點，這通常需要用到三坐標測量機、激光三維掃描、結(jié)構(gòu)光測量等裝置。

2.3 環(huán)節(jié)三：數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)處理在逆向工程中是最重要的環(huán)節(jié)，具體的處理方法主要包括點云處理、曲線處理、曲面處理、誤差分析等。其中，點處理過程主要分為多視點云的拼合、點云過濾、數(shù)據(jù)精簡和點云分塊等。曲線處理過程是指在明確曲線類型的基礎上，讓曲線更流暢，同時也可以根據(jù)已有的點創(chuàng)建曲面。對于曲線的精確度、平滑度、連續(xù)度等方面應當進行檢查，對存在的問題進行修改。曲面處理過程是指在明確曲面類型的基礎上，讓曲面更加精準或光滑。對于曲面的精確度、平滑度、連續(xù)度等方面應當進行檢查，對存在的問題進行修改。數(shù)據(jù)處理的誤差分析主要是對軌跡誤差、測量誤差、加工誤差以及擬合誤差等進行分析，使數(shù)據(jù)更加精準。

3 逆向工程技術(shù)在金屬材料模具設計中的應用

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，有超過六成的工業(yè)產(chǎn)品都需要模具，因此，模具的設計尤為重要。由于模具具有幾何形狀的特點，以及其獨特的生產(chǎn)方式，所以逆向工程在模具設計制造中有著極其廣泛的應用。具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 依據(jù)原有金屬樣件制造模具

通常情況下，開發(fā)設計人員從上游廠商那里并不能直接拿到樣件的數(shù)據(jù)模型，而是直接拿到實體物件，這時候就需要對原有的金屬樣件進行逆向工程，以便得到樣件的CAD模型，可以對其具體的數(shù)據(jù)進行分析，從而對產(chǎn)品進行創(chuàng)新制造。首先根據(jù)樣件的實體進行數(shù)字化點云，利用逆向工程軟件建模，隨后對模型數(shù)據(jù)進行分析和處理，得到合理的金屬模具設計方案，最后在得到的CAD模型上進行完善并生產(chǎn)制造。

3.2 對金屬材料模具進行修改定型

對于金屬材料模具的設計和制造并不是一次成型的，因此需要通過反復的修改才能得到更加符合要求的模具。但是，模具外形的改變并沒有直接體現(xiàn)在原始的CAD模型上，此時就需要借助逆向工程的表面數(shù)字化和CAD模型重建功能對金屬材料模型進行修改。這個應用有效地減少了設計制造的時間，大大提高了金屬材料模具的生產(chǎn)效率，同時還在很大程度上降低了金屬材料模具的生產(chǎn)制造成本。

3.3 對金屬材料模具進行二次創(chuàng)新

當拿到一個金屬材料模具的樣件時，我們首先需要對其引進技術(shù)的設計意圖進行分析，在這個過程中通常是對模具進行三維掃描，利用逆向工程軟件建立它的CAD模型，得到相關(guān)的分析數(shù)據(jù)，隨后根據(jù)得到的數(shù)字化模型進行分析、消化和吸收，改善其存在的不足，分析其成型的結(jié)果是否與實際所需的情況相符合，再通過反復的試驗和修改，對模具進行優(yōu)化，從而達到取其精華去其糟粕的優(yōu)化創(chuàng)新目的。在金屬材料模具設計生產(chǎn)制造行業(yè)中很多會運用到逆向工程技術(shù)和仿真模擬技術(shù)的結(jié)合，這兩種技術(shù)的結(jié)合不僅是技術(shù)創(chuàng)新的體現(xiàn)，同時也符合了國家長遠發(fā)展的需求。這兩種技術(shù)的完美結(jié)合在金屬材料模具設計生產(chǎn)制造中的應用就充分體現(xiàn)了創(chuàng)新性，是我國發(fā)展模具工業(yè)自主創(chuàng)新的重要途徑。

3.4 對損壞或磨損的金屬材料模具進行還原

有很多結(jié)構(gòu)尺寸較大、模具型面形狀復雜的金屬材料模具，由于具有很高的精度要求和質(zhì)量要求，且其制造周期相對較長、制造成本相對較高，因此一旦發(fā)生損壞或者磨損就會造成很大的損失，鑒于此，修復技術(shù)就越來越被人們所重視。當前，在進行模具修復的過程中，大多用到的方法主要有熱處理、激光焊接或刷焊、數(shù)控加工和表面工程等技術(shù)，這些物理修復由于指導方法以及評價標準的缺失，導致其修復成本高、周期長、質(zhì)量差，更嚴重的甚至會導致模具的報廢。利用逆向工程對損壞或磨損的金屬材料模具進行還原是通過對損毀區(qū)域的特征進行識別與分析，建立完整的數(shù)據(jù)模型，運用方法進行沖壓成型模擬和分析計算，且對修復后的數(shù)據(jù)模型進行質(zhì)量的檢測和評價，這個過程在很大程度上降低了模具的修復還原成本并且提高了修復的質(zhì)量和效率。

3.5 檢測金屬材料模具的回彈與控制質(zhì)量

在薄板的沖壓成型過程中，回彈是避免不了的一種物理現(xiàn)象，導致這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因與模具的幾何形狀、材料特質(zhì)以及接觸摩擦等因素相關(guān)。目前，CAE技術(shù)通過迭代計算從而得到模具最終的補償型面是檢測金屬材料模具回彈的主要方法。但是由于仿真技術(shù)并不能準確計算出沖壓件的回彈程度，所以這種方法并不能保證所得模具的數(shù)據(jù)準確性。而逆向工程則為金屬材料模具的回彈檢測提供了新的途徑，在得到實際沖壓件的數(shù)字化模型之后，可以進行誤差的計算和分析，檢測金屬材料模具的回彈，并以此來建立回彈仿真誤差的補償模型，從而對模型進行質(zhì)量控制。

4 結(jié)語

隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展，金屬材料在質(zhì)量和強度方面都有了很大程度的提高，其應用范圍也在不斷擴大，因此在金屬材料模具的設計制造中融入逆向工程技術(shù)，將會改變傳統(tǒng)的金屬模具設計與制造的思路，不僅可以解決復雜的建模過程，同時還能形成一個集設計、制造、檢測于一體的指導系統(tǒng)。可以說，逆向工程技術(shù)的加入，讓金屬材料模具的設計和制造具有更高的精度，以低成本、高標準的要求來優(yōu)化金屬材料模具制造，為金屬模具開拓更加廣泛的發(fā)展應用空間。