復(fù)雜型面鈑金零件沖壓模具的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)

鄒哲峰 張楊 姜宇峰

摘要：在復(fù)雜型面鈑金零件生產(chǎn)過(guò)程中，做好沖壓模具三維數(shù)字化設(shè)計(jì)屬于非常重要的工作內(nèi)容。本文針對(duì)三維數(shù)模造型基礎(chǔ)原理展開分析，通過(guò)研究沖壓方向確定、沖壓力的計(jì)算、通用部分設(shè)計(jì)、型面模型修補(bǔ)、搭建三維模型、三維圖紙表達(dá)等內(nèi)容，其目的在于提高沖壓模具設(shè)計(jì)內(nèi)容的合理性，提升零件的生產(chǎn)質(zhì)量。

Abstract： In the production process of complex surface sheet metal parts， it is very important to do a good job in 3D digital design of stamping die. This paper analyzes the basic principle of three-dimensional digital modeling， through the research of stamping direction determination， punching pressure calculation， general part design， surface model repair， building three-dimensional model， three-dimensional drawing expression and so on. The purpose is to improve the rationality of stamping die design content and improve the production quality of parts.

關(guān)鍵詞：沖壓模具;三維數(shù)字化;復(fù)雜型面鈑金零件;三維圖紙

Key words： stamping die;3D digitization;complex surface sheet metal parts;3D drawing

中圖分類號(hào)：TH16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）10-0103-02

0? 引言

傳統(tǒng)的圖紙表達(dá)以二維工程圖為主，對(duì)于具有復(fù)雜曲面的模型，配以三維實(shí)體模型。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，這種表達(dá)方式已經(jīng)不能滿足高效率生產(chǎn)的需要。三維圖紙是借助三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，將模型的結(jié)構(gòu)形狀信息，標(biāo)注、公差、制造技術(shù)要求等非幾何制造信息以及設(shè)計(jì)管理信息融為一體的新型表達(dá)方式。應(yīng)用其參數(shù)化及曲面建模功能，設(shè)計(jì)了一副具有復(fù)雜空間曲面的冷沖壓模具，可以積累相應(yīng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)，為后續(xù)模型參數(shù)的不斷完善奠定基礎(chǔ)。

1? 三維數(shù)模造型基礎(chǔ)原理分析

在三維數(shù)模造型在應(yīng)用中，其核心內(nèi)容便是進(jìn)行幾何建模，建模質(zhì)量直接影響成品質(zhì)量。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，其基礎(chǔ)應(yīng)用原理在于利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)三維物體的幾何形狀進(jìn)行建立，同時(shí)借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成信息模型的應(yīng)用處理，使搭建的模型完整性和使用價(jià)值得到有效提升。已經(jīng)完成建立的三維模型中，涉及到物體的幾何應(yīng)用信息和拓?fù)鋺?yīng)用信息，前者主要是對(duì)物體內(nèi)容的幾何元素進(jìn)行準(zhǔn)確呈現(xiàn)，內(nèi)容包括空間位置參數(shù)、尺寸大小等，而且在應(yīng)用中，也會(huì)借助數(shù)學(xué)公式對(duì)于物體的邊界參數(shù)進(jìn)行合理描述，從而提升內(nèi)容的可靠性。后者在應(yīng)用中，主要呈現(xiàn)出的信息包括元素的基礎(chǔ)數(shù)目和相應(yīng)的連接關(guān)系，借此來(lái)滿足模型的應(yīng)用要求。

2? 沖壓模具的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 沖壓方向確定

在對(duì)沖壓模具展開三維化應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，明確沖壓模具中的沖壓方向?qū)儆诜浅；A(chǔ)的工作內(nèi)容。在具體的應(yīng)用中，需要重點(diǎn)考量以下兩類內(nèi)容，一種是沖壓模具中不允許存在沖壓負(fù)角，避免模具開裂情況的出現(xiàn)。另一種是模具的方向需要與翻邊孔保持一致，減少模具使用期間沖量所帶來(lái)的影響。目前常用的處理軟件為CATIA，在具體應(yīng)用中，會(huì)通過(guò)Point、Line兩種軟件功能，依托于沖壓模具方向來(lái)展開沖壓坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系當(dāng)中會(huì)默認(rèn)Z軸作為模具的沖壓方向，隨后利用拔模分析工具來(lái)對(duì)所建立坐標(biāo)系合規(guī)性進(jìn)行分析，滿足要求后可以進(jìn)入到下一設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

2.2 沖壓力的計(jì)算

復(fù)雜型面鈑金零件在生產(chǎn)制作過(guò)程，需要借助沖裁力來(lái)完成零件的加工處理，因此在沖模設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，也需要做好沖壓力的計(jì)算工作，確保零件生產(chǎn)過(guò)程的有序性。在具體應(yīng)用中，沖裁力的最大值可以根據(jù)公式F=ST（其中F表示沖裁力;S表示剪切斷面的面積;T表示材料本身的抗剪力強(qiáng)度。）來(lái)完成計(jì)算。而在零件實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，還需要考慮材料加工期間力學(xué)性能變化情況，結(jié)構(gòu)之間地應(yīng)用間隙等內(nèi)容，那么此時(shí)在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用下列公式來(lái)完成計(jì)算，即F=kLDT，其中k表示生產(chǎn)過(guò)程中的安全系數(shù);L表示加工過(guò)程中沖裁輪的整體長(zhǎng)度;D表示加工板料的總厚度。利用上述兩類公式來(lái)作為后續(xù)設(shè)計(jì)期間應(yīng)關(guān)注的內(nèi)容，這也是提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合規(guī)性的基礎(chǔ)條件。

2.3 通用部分設(shè)計(jì)

2.3.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)沖模結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，需要先進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用設(shè)計(jì)，在具體應(yīng)用過(guò)程中，主體結(jié)構(gòu)主要是由上、下模結(jié)構(gòu)和卸料結(jié)構(gòu)組成。在對(duì)其展開應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，需要將滾動(dòng)導(dǎo)向作為設(shè)計(jì)過(guò)程中的副導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，這樣可以有效提升結(jié)構(gòu)導(dǎo)向過(guò)程的應(yīng)用精度。為了滿足復(fù)雜零件的生產(chǎn)需求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，也需要在軟件中對(duì)于模具的閉合高度進(jìn)行調(diào)整，使模具結(jié)構(gòu)的限位板能夠和卸料板座進(jìn)行直接關(guān)聯(lián)，以此來(lái)優(yōu)化彈性元件壓邊力的不足。所設(shè)計(jì)參數(shù)內(nèi)容也需要借助軟件來(lái)進(jìn)行校正，修正偏差數(shù)值，提升所設(shè)計(jì)內(nèi)容的精準(zhǔn)度。對(duì)于修正后的參數(shù)信息進(jìn)行保存，保持動(dòng)態(tài)監(jiān)督的狀態(tài)，可以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)偏差的情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，從而確保所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性。

2.3.2 定位裝置設(shè)計(jì)

在復(fù)雜型面鈑金零件制作過(guò)程中，需要進(jìn)行多個(gè)步驟的應(yīng)用操作，因此在前期設(shè)計(jì)期間，需要做好定位裝置的設(shè)計(jì)工作，其作用便是確保料帶在工作期間能夠維持在比較穩(wěn)定的狀態(tài)，不會(huì)因此發(fā)生偏移的情況，這樣也確保結(jié)構(gòu)應(yīng)用后能夠得到和合規(guī)的生產(chǎn)元件。在具體的設(shè)計(jì)中，主要借助導(dǎo)尺、浮料銷等結(jié)構(gòu)來(lái)輔助結(jié)構(gòu)的順利定位，以導(dǎo)尺結(jié)構(gòu)為例，這也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到的結(jié)構(gòu)，在具體的應(yīng)用設(shè)計(jì)中，會(huì)將導(dǎo)尺布置在料帶的送進(jìn)方向，并且將其放置在凹模平面的兩側(cè)，使其和凹模的中心線保持平行，以此來(lái)確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。另外，定位裝置的各項(xiàng)參數(shù)都需要在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)進(jìn)行提前備份，這樣在對(duì)其進(jìn)行更換處理時(shí)可以及時(shí)更新新的數(shù)據(jù)信息，以便于設(shè)計(jì)體系內(nèi)容的不斷完善。

2.3.3 卸料裝置設(shè)計(jì)

除了上述提到的設(shè)計(jì)內(nèi)容外，還需要注意卸料裝置的應(yīng)用設(shè)計(jì)，在沖壓模具工作過(guò)程中，其模具處于閉合的應(yīng)用狀態(tài)，并且彈簧結(jié)構(gòu)也處于被壓縮的袋狀態(tài)，而此時(shí)在結(jié)構(gòu)應(yīng)用環(huán)節(jié)，會(huì)采用彈壓卸料裝置來(lái)進(jìn)行處理，這樣可以避免材料在應(yīng)用中出現(xiàn)位移的情況，確保結(jié)構(gòu)應(yīng)用過(guò)程的完整性。同時(shí)在結(jié)構(gòu)完成沖壓操作之后，結(jié)構(gòu)彈簧會(huì)重新復(fù)位，此時(shí)卸料板會(huì)在此作用下被卸下，而且彈壓卸料也會(huì)高出模板結(jié)構(gòu)，對(duì)于結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓住，隨后再進(jìn)行沖壓，從而提升結(jié)構(gòu)應(yīng)用過(guò)程的穩(wěn)定性[1]。另外，在卸料裝置應(yīng)用過(guò)程中，還需要依托于其他技術(shù)來(lái)不斷完善設(shè)計(jì)體系，從而為卸料工作的順利開展奠定基礎(chǔ)。

2.4 型面模型修補(bǔ)

完成上述應(yīng)用設(shè)計(jì)后，需要對(duì)型面模型進(jìn)行修復(fù)處理，在具體應(yīng)用中，可以對(duì)工藝面結(jié)構(gòu)進(jìn)行形狀補(bǔ)充，并且沿著沖壓方向向外延伸進(jìn)行補(bǔ)充，使結(jié)構(gòu)的完整性得到進(jìn)一步提升。而且在修補(bǔ)過(guò)程中，還可以在補(bǔ)充面上進(jìn)行定料銷及導(dǎo)向銷孔的布設(shè)，使其可以根據(jù)要求初步形成滿足應(yīng)用要求的型面模型，并且由此來(lái)組成實(shí)體結(jié)構(gòu)，提高其應(yīng)用效果[2]。在此過(guò)程中，也會(huì)利用相應(yīng)的軟件進(jìn)行輔助，軟件應(yīng)用過(guò)程的主要作用在于，對(duì)于外形設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行應(yīng)用處理，了解具體的參數(shù)信息，隨后以了解到的參數(shù)信息為基礎(chǔ)條件，對(duì)于缺陷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行修補(bǔ)，做好相應(yīng)的校驗(yàn)處理工作，使其能夠按照要求生成實(shí)體命令，滿足應(yīng)用要求。同時(shí)在模型修補(bǔ)過(guò)程中，還會(huì)對(duì)修補(bǔ)情況進(jìn)行反饋，整理反饋信號(hào)后確定所修補(bǔ)參數(shù)的合規(guī)性，如果指令沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，還需要對(duì)其進(jìn)行再次調(diào)整，提高信號(hào)內(nèi)容的實(shí)用性，提升修補(bǔ)結(jié)果的可靠性。

2.5 搭建三維模型

在具體的應(yīng)用過(guò)程中，搭建三維模型屬于非常重要的工作內(nèi)容，而且在應(yīng)用過(guò)程中，也會(huì)使用相應(yīng)的應(yīng)用軟件來(lái)進(jìn)行模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，根據(jù)復(fù)雜零件中所需要注意的應(yīng)用內(nèi)容，對(duì)于實(shí)體模型中的各類參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，而且還需要依托于應(yīng)用模型來(lái)建立翻邊的凸模結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)用參數(shù)需要在前期做好應(yīng)用計(jì)算，得到可靠的計(jì)算結(jié)果。從目前使用的情況來(lái)看，經(jīng)常使用到的軟件包括CAD軟件、CATIA軟件等。以CATIA軟件為例，在具體應(yīng)用中，可以利用 CATIA 的 Formula 功能、Design Table 功能和Catalog功能，對(duì)于結(jié)構(gòu)零件參數(shù)進(jìn)行細(xì)化，從而提升分析結(jié)果的應(yīng)用價(jià)值[3]。并且在模型建立完成后，也需要結(jié)合實(shí)際情況來(lái)對(duì)其進(jìn)行糾偏，確保各項(xiàng)參數(shù)信息的合理性，提前做好數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等工作，從而提升存儲(chǔ)內(nèi)容的合理性和合規(guī)性。

2.6 三維圖紙表達(dá)

2.6.1 標(biāo)注表達(dá)設(shè)計(jì)

在三維圖紙表達(dá)處理的過(guò)程中，展開標(biāo)注表達(dá)設(shè)計(jì)屬于非常基礎(chǔ)的工作內(nèi)容，利用設(shè)計(jì)軟件提供的便利條件，可以對(duì)標(biāo)注內(nèi)容進(jìn)行合理控制。而且在此過(guò)程中也使用到了三維標(biāo)注技術(shù)，對(duì)于已經(jīng)建立的模具模型，對(duì)其產(chǎn)品的尺寸內(nèi)容、公差情況、制造技術(shù)等內(nèi)容來(lái)順利完成信息的組織和表達(dá)，提升操作管理結(jié)果的可靠性。而且在具體的使用過(guò)程中，也可以借助實(shí)體化應(yīng)用模型來(lái)完成產(chǎn)品定義處理，從而使結(jié)構(gòu)在定義期間可以成為現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)[4]。在表達(dá)過(guò)程中還需要對(duì)其他細(xì)化內(nèi)容進(jìn)行整理，同時(shí)兼顧一些基礎(chǔ)參數(shù)，以滿足表達(dá)結(jié)構(gòu)具體的應(yīng)用需求。

2.6.2 屬性表達(dá)設(shè)計(jì)

與標(biāo)注表達(dá)相對(duì)應(yīng)的內(nèi)容便是屬性表達(dá)，在具體的設(shè)計(jì)表達(dá)中，也會(huì)借助字符串來(lái)進(jìn)行表達(dá)。在相關(guān)設(shè)計(jì)軟件的輔助下，可以借助三維模型結(jié)構(gòu)規(guī)范內(nèi)容來(lái)完善應(yīng)用體系，并且在應(yīng)用中每一條屬性描述在應(yīng)用中都是由標(biāo)識(shí)名稱或?qū)傩灾禈?gòu)成。在應(yīng)用中需要對(duì)形式內(nèi)容進(jìn)行確定，一般情況下都會(huì)采用屬性值+數(shù)據(jù)值的方式來(lái)進(jìn)行表達(dá)，對(duì)于表達(dá)的內(nèi)容也需要進(jìn)行細(xì)化處理，調(diào)整好各個(gè)參數(shù)信息的編號(hào)情況，對(duì)其進(jìn)行基準(zhǔn)處理，從而推升分析結(jié)果的使用價(jià)值，能夠?yàn)楹罄m(xù)參數(shù)調(diào)整提供有利參考[5]。除此之外，對(duì)于得到的屬性數(shù)據(jù)也需要進(jìn)行定期更新，使其可以更加契合目前的應(yīng)用狀態(tài)，從而提升各類數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值。

3? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于模型的基礎(chǔ)情況，利用設(shè)計(jì)軟件中對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)模塊的優(yōu)勢(shì)，能夠順利完成復(fù)雜曲面冷沖壓模具設(shè)計(jì)，該模具實(shí)現(xiàn)了外形翻邊、凸筋成形、內(nèi)孔翻邊及錐形凸孔等工藝要求。并進(jìn)一步，實(shí)現(xiàn)了三維圖紙所需完整信息的表達(dá)，直接反映設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖，并被其他使用人員理解，減少因數(shù)據(jù)理解不一致導(dǎo)致出錯(cuò)的可能性。實(shí)現(xiàn)了三維無(wú)紙化、數(shù)字化設(shè)計(jì)及制造，從而縮短研制周期，降低研制成本。

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