基于CATIA/CAA的數(shù)控彎管模具快速設(shè)計*

韓志仁 ，馬志友 ，車劍昭 ，白 揚 ，楊文舉

（1.沈陽航空航天大學(xué)，沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，沈陽 110136；3.中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，西安 710089）

飛機導(dǎo)管零件分布在飛機的各個系統(tǒng)中，主要包括液壓、燃油、環(huán)控、供氧系統(tǒng)等[1]。在航空制造過程中，大型企業(yè)主要利用數(shù)控彎管機彎制導(dǎo)管來提高生產(chǎn)效率。數(shù)控機彎制導(dǎo)管的過程中，需要彎曲模、夾模、壓模、防皺模、芯棒等模具。而彎管模具設(shè)計過程中，不僅需要考慮導(dǎo)管工藝性是否規(guī)范，而且依賴設(shè)計人員的知識和經(jīng)驗。不同的設(shè)計人員操作會導(dǎo)致模具質(zhì)量不穩(wěn)定，設(shè)計出的產(chǎn)品容易出現(xiàn)差異。由于飛機制造過程中需要大量的模具來彎制導(dǎo)管，因此要求設(shè)計人員重復(fù)設(shè)計結(jié)構(gòu)相似的彎管模具[2]，費時費力，消耗設(shè)計人員的精力，影響設(shè)計質(zhì)量。

目前，國內(nèi)的飛機制造企業(yè)使用CAD/CAM一體化設(shè)計制造技術(shù)，利用CATIA（Computer-graphics aided three-dimensional interactive application）強大的造型技術(shù)，在零件設(shè)計模塊和虛擬裝配基礎(chǔ)上，實現(xiàn)數(shù)控彎管模具的數(shù)字化設(shè)計制造[3]。基于組件應(yīng)用架構(gòu)CAA（Component application architecture）二次開發(fā)的研究，宋波等[4]將飛機雷達罩成型模具分段設(shè)計，采用參數(shù)化方法，實現(xiàn)了成型模具的快速設(shè)計，提高了設(shè)計人員工作效率。劉明等[5]通過拾取構(gòu)件的部分元素，開發(fā)出了發(fā)動機活塞模型的參數(shù)化設(shè)計軟件，提高了模型的設(shè)計效率。

本文以減少時間成本，減輕設(shè)計人員工作壓力，提高工裝設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量穩(wěn)定性為目標(biāo)，基于CAA對CATIA軟件進行二次開發(fā)，利用數(shù)字化設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計人員知識相結(jié)合的方式，實現(xiàn)彎管模具的參數(shù)化快速設(shè)計。

1 彎管模具結(jié)構(gòu)及彎管工藝

數(shù)控彎管模具（圖1）主要由彎曲模、夾模、壓模、防皺模、芯棒組成。芯棒（圖2）由芯桿、半芯桿、活動關(guān)節(jié)、整體關(guān)節(jié)、內(nèi)形不帶配合球面球頭、內(nèi)形帶配合球面球頭等組成。使用數(shù)控彎管機制作導(dǎo)管時，利用彎曲模和夾模將零件夾緊，并利用壓模壓住管件，采用繞彎的方式制作導(dǎo)管[6]。由于管件彎曲變形時，管件內(nèi)側(cè)容易出現(xiàn)褶皺，因此在內(nèi)側(cè)加裝防皺模，防皺模工作型面與彎曲模型面配合滑動，另一型面與導(dǎo)管貼合，使內(nèi)側(cè)受力均勻可減少皺紋出現(xiàn)，提高管件彎曲成形質(zhì)量。郭建軍等[7]通過優(yōu)化模具設(shè)計，控制防皺模和彎曲模切點距離，以及兩模具貼合面的間隙來改善彎管褶皺。王玲等[8]發(fā)現(xiàn)，管材需要的彎曲長度較長時，可通過在管材內(nèi)部加裝芯棒對導(dǎo)管進行支撐，減少彎制后的管材橫截面出現(xiàn)橢圓變形的畸變現(xiàn)象。吳青云等[9]研究發(fā)現(xiàn)，鈑金件成形過程中普遍存在回彈現(xiàn)象，并詳細闡述了數(shù)控彎曲回彈的規(guī)律，指出影響彎曲回彈的因素主要有彎曲角度、芯棒伸出量、芯棒的雙面間隙值、管件和壓模之間的摩擦系數(shù)等，其中回彈角隨著彎曲角度、雙面間隙值和管件與壓模之間摩擦系數(shù)的增大而增大，隨著芯棒伸出量的增大而減小。為解決回彈的影響，候海清[10]研究表明，每彎制一批導(dǎo)管都應(yīng)測取回彈修正數(shù)據(jù) （比例回彈系數(shù)和固定回彈系數(shù)），通過參數(shù)化設(shè)計的模具，方便控制驅(qū)動參數(shù)為單一變量，快速設(shè)計出彎管模具，提高效率、節(jié)省時間。

圖1 組合式彎曲模Fig.1 Combined bending die

圖2 芯棒結(jié)構(gòu)Fig.2 Mandrel structure

2 傳統(tǒng)彎管模具設(shè)計中存在的問題

2.1 模具組成方案的確定

數(shù)控彎管模具的組合方式依據(jù)導(dǎo)管的規(guī)格確定，而不同參數(shù)的導(dǎo)管需要的模具不同。判斷組合類型主要依據(jù)兩個因素：彎曲因子D′（D′=彎曲半徑Ri/導(dǎo)管外徑Do）和壁厚因子F（F=導(dǎo)管外徑Do/壁厚t）。實際生產(chǎn)中，根據(jù)導(dǎo)管產(chǎn)品需求，計算D′和F因子，再通過查詢模具結(jié)構(gòu)方案表（表1），確定是否需要防皺模、芯棒、球頭。從表1可知，有的彎管模具需要防皺模，有的需要芯棒和多個球頭，需要無球頭的柱形芯棒或不需要芯棒，因此彎管模具組合方式繁多，人工確定模具組合方案中可能存在諸多問題。

表1 模具結(jié)構(gòu)方案Table 1 Mould structure scheme

2.2 尺寸關(guān)聯(lián)設(shè)計

在數(shù)控彎管模具的設(shè)計中，各個零件存在大量尺寸的關(guān)聯(lián)，其中芯棒的活動關(guān)節(jié)和球頭存在的尺寸關(guān)聯(lián)最為緊密。人工設(shè)計芯棒時，需要反復(fù)查閱數(shù)據(jù)（表2）、約束設(shè)計草圖尺寸和線條關(guān)系，非常煩瑣，如圖3所示（其中，D為球頭型腔與倒角的距離；E為活動關(guān)節(jié)固定槽距離；F為球頭型腔直徑；G為對合關(guān)節(jié)底部直徑；H為球頭長度；J為球頭左側(cè)邊與型腔中心的距離；K為關(guān)節(jié)底座高度；M為關(guān)節(jié)內(nèi)型腔突出長度；N為墊圈卡槽長度；N1為關(guān)節(jié)突出墊圈卡槽長度；P為球頭外腔直徑；R為倒圓角半徑；S為鍵的寬度；T為鍵的高度；Sd為關(guān)節(jié)球直徑；Sd1為球頭直徑；SD為關(guān)節(jié)內(nèi)型腔直徑；SD1為關(guān)節(jié)內(nèi)型腔突出直徑）。因此快速確定數(shù)控彎管模具中的尺寸關(guān)聯(lián)、草圖約束可以減輕設(shè)計人員工作量，減少錯誤，提高設(shè)計效率。

圖3 分半式活動關(guān)節(jié)和內(nèi)形帶配合球面球頭組合圖Fig.3 Combination diagram of split movable joint and inner belt with spherical ball head

表2 芯棒尺寸Table 2 Mandrel sizemm

2.3 優(yōu)化球頭結(jié)構(gòu)

導(dǎo)管彎曲過程中，球頭與芯棒容易發(fā)生碰撞干涉。為避免碰撞干涉，需要反復(fù)調(diào)整干涉處尺寸。傳統(tǒng)工裝設(shè)計中，設(shè)計人員通過AutoCAD軟件旋轉(zhuǎn)球頭的設(shè)計圖（圖4），使球頭剛好達到干涉狀態(tài)下，即球頭和芯棒發(fā)生接觸，內(nèi)形帶配合球面球頭和內(nèi)形不帶配合球面球頭發(fā)生接觸時，判斷球心點b和點c是否在彎曲導(dǎo)管中軸線構(gòu)成的圓D（x）內(nèi)。若在圓內(nèi)，則無須優(yōu)化。反之則需增大芯桿倒角值和球頭d2值，直至球心點b和點c在圓D（x）內(nèi)。如此反復(fù)修改干涉尺寸費時費力，因此需要便捷、智能的優(yōu)化方式。

圖4 芯棒彎曲圖Fig.4 Mandrel bending diagram

3 基于CAA解決數(shù)控模具設(shè)計中的問題

3.1 數(shù)控彎管?？焖俳ＴO(shè)計流程

將設(shè)計人員的知識經(jīng)驗總結(jié)，確定模具設(shè)計規(guī)則，計算出彎曲因子D′和壁厚因子F，通過CATIA讀取Excel機制，獲取Part或Product節(jié)點，查詢得到CATDocument接口，通過該容器獲得CATIPrtContainer接口，再轉(zhuǎn)換到知識工程模塊調(diào)用該模塊的Create DesignTable函數(shù)，創(chuàng)建設(shè)計表，并創(chuàng)建Sheet對象。最終通過Cell方法循環(huán)遍歷讀取表1中數(shù)據(jù)，確定模具組合方式。至此通過將F和D′因子作為參數(shù)，利用CAA函數(shù)確定了防皺模和芯棒球頭數(shù)量，實現(xiàn)了模具組合方式的快速確定。

模具組合方式確定后，通過導(dǎo)管外徑確定機床型號，即可確定模具設(shè)計尺寸。然后確定彎曲模結(jié)構(gòu)，即可開始參數(shù)化建立彎曲模、鑲塊、夾模、壓模、防皺模等。再讀取表2獲取芯棒設(shè)計尺寸，開始參數(shù)化建模，最后裝配銷釘、螺釘?shù)葮?biāo)準(zhǔn)件。軟件設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計流程圖Fig.5 Software design flow chart

3.2 尺寸關(guān)聯(lián)的參數(shù)化建模

數(shù)控彎管模具主要特征相似，模具型面均與導(dǎo)管相關(guān)。彎管模具中最為復(fù)雜的設(shè)計在于芯棒，而芯棒中組件的尺寸均與導(dǎo)管內(nèi)徑相關(guān)（圖3）。因此通過導(dǎo)管直徑和機床型號，可以確定模具主要特征尺寸。通過將尺寸參數(shù)化，可以實現(xiàn)數(shù)控彎管模具的參數(shù)化建模（圖6）。參數(shù)化設(shè)計過程中，定義模具尺寸變量均為Double類型，如鑲塊截面長度值為Ske_length，夾模截面寬度值為Pad_higth。部分關(guān)聯(lián)尺寸如表3所示。通過CATDocumentServices接口中New方法創(chuàng)建Product或Part，獲取該Part結(jié)構(gòu)容器。在結(jié)構(gòu)容器中，可以獲得CATIA中各個功能模塊的接口。在零件容器接口下，進入草圖，利用 CreateLine、CreateCircle、CreateCorner等函數(shù)繪制草圖。在零件設(shè)計接口下，通過CreatePad、CreatePocket等函數(shù)創(chuàng)建模具實體。最后在實體上通過算法避讓干涉特征，確定凹槽、孔位等非關(guān)聯(lián)特征。由于芯棒是旋轉(zhuǎn)體，繪制尺寸關(guān)聯(lián)的草圖后可以通過CreateShaft方法旋轉(zhuǎn)得到芯棒實體。

表3 尺寸關(guān)聯(lián)的變量列表Table 3 List of variables associated with dimensions

圖6 參數(shù)化建模Fig.6 Principles of parametric modeling

3.3 迭代算法優(yōu)化球頭結(jié)構(gòu)

導(dǎo)管在彎曲過程中，為避免球頭和芯棒、球頭和球頭之間發(fā)生碰撞干涉，可以利用迭代算法優(yōu)化干涉處圓角半徑和球頭d2尺寸。由于需要參數(shù)化設(shè)計，因此迭代時需要考慮關(guān)聯(lián)尺寸的變化。

芯棒未發(fā)生彎曲時，通過表2可知，獲得球頭外徑尺寸，推算出芯棒發(fā)生彎曲前點A坐標(biāo)（X40，Y40）。當(dāng)芯棒發(fā)生彎曲時（圖4），點A坐標(biāo)為（X4，Y4）?？捎嬎愠鰞?nèi)形不帶配合球面球頭所能彎曲的最大角度α。故可確定彎曲后的球心b坐標(biāo)（X2，Y2），比較該球心坐標(biāo)是否在導(dǎo)管彎曲中軸線構(gòu)成的圓D（x）內(nèi)。當(dāng)球心b在圓D（x）外，芯桿和球頭發(fā)生干涉。芯桿圓角半徑增加0.01 mm，此時芯桿圓角處圓的方程為G（x），球頭干涉點所在直線方程為F（x）。通過H（x） =G（x）–F（x），計算臨界狀態(tài)下點A坐標(biāo) （X4，Y4）和球心b（X2，Y2）。再判斷球心b是否在圓D（x）內(nèi)，直至符合彎曲要求。

內(nèi)形不帶配合球面球頭和內(nèi)形帶配合球面球頭干涉中，分別計算出未彎曲時，干涉點B（X5，Y5）坐標(biāo)和干涉點C（X6，Y6）坐標(biāo)。通過這兩個點可確定內(nèi)形帶配合球面球頭所能彎曲的最大角度β。通過角度β確定彎曲后的球心點c（X3，Y3）。比較彎曲后的球心點c是否在圓D（x）內(nèi)。球心點c在圓外，即兩個球頭會發(fā)生干涉。通過球頭d2增加0.01 mm，再重新計算干涉點B、C，直至旋轉(zhuǎn)后的球心點c在圓D（x）內(nèi)，此時的尺寸才滿足彎曲要求。上述優(yōu)化芯棒結(jié)構(gòu)尺寸邏輯如圖7所示。

圖7 芯棒結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法流程圖Fig.7 Flow chart of mandrel structure optimization algorithm

4 數(shù)控彎管模具參數(shù)化快速設(shè)計的應(yīng)用

基于CAA開發(fā)出了數(shù)控彎管模具參數(shù)化快速設(shè)計軟件。操作步驟如下。

（1）進入導(dǎo)管參數(shù)輸入模塊（圖8），輸入管件的3個驅(qū)動參數(shù)，如彎曲半徑為300 mm，導(dǎo)管外徑為100 mm，壁厚值為2 mm。 程序進行導(dǎo)管工藝性審查，若彎曲因子、壁厚因子不在表1范圍內(nèi)或?qū)Ч芡鈴讲辉诒?范圍內(nèi)，則輸入?yún)?shù)不合理，程序?qū)棿疤崾居脩粜薷膮?shù)。參數(shù)輸入合理，則軟件讀取表1和表2，確定模具組成結(jié)構(gòu)和獲取芯棒尺寸。通過導(dǎo)管外徑確定數(shù)控彎管機型號，數(shù)控彎管機型號決定模具其他設(shè)計尺寸。上述輸入的驅(qū)動參數(shù)的模具組成為鑲嵌式彎曲模、鑲塊，夾模、壓模、防皺模、芯棒，球頭數(shù)量為3個。數(shù)控機床型號為EL400RH，獲取該機床對應(yīng)的模具設(shè)計尺寸。

圖8 導(dǎo)管參數(shù)輸入模塊Fig.8 Tube parameter input module

（2）進入模具設(shè)計模塊（圖9），該對話框?qū)⒌?步確定的模具組成方案信息，放在上方的彎管模具組成信息控件中，便于用戶了解模具結(jié)構(gòu)。下方缺省參數(shù)框內(nèi)放入第1步獲得的部分尺寸、缺省參數(shù)，并支持修改。確認缺省參數(shù)框中的參數(shù)符合要求后點擊預(yù)覽按鈕，程序自動生成規(guī)范模型結(jié)構(gòu)樹和模具，若缺省參數(shù)填寫不合理，程序會彈窗提示參數(shù)輸入存在設(shè)計問題，用戶修改參數(shù)后再次點擊預(yù)覽即可重新生成模具。上述輸入的驅(qū)動參數(shù)無須修改缺省參數(shù)，點擊預(yù)覽則會生成模具。

圖9 模具設(shè)計模塊Fig.9 Mold design module

（3）進入裝配模塊（圖10），參考控件中的提示信息，依次點擊對話框中導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)件按鈕，軟件將導(dǎo)入目標(biāo)文件夾下的標(biāo)準(zhǔn)件，再點擊自動裝配按鈕，程序?qū)⑼ㄟ^軸系相合約束裝配標(biāo)準(zhǔn)件。本組參數(shù)生成的模具為鑲嵌式彎曲模具，需要導(dǎo)入銷釘、螺釘。同時該模具有芯棒和球頭，需要導(dǎo)入鍵、彈簧、鋼珠、擋圈。最后點擊裝配按鈕完成模具標(biāo)準(zhǔn)件的裝配，結(jié)果如圖11所示。

圖10 裝配模塊Fig.10 Assembly module

圖11 裝配后的組合式彎管模具Fig.11 Assembled combined bending die

5 結(jié)論

針對數(shù)控彎管模具傳統(tǒng)設(shè)計方法中存在的復(fù)雜、煩瑣問題，提出了基于CATIA/CAA的數(shù)控彎管模具快速設(shè)計方案，在VC++中編寫代碼，開發(fā)了數(shù)控彎管模具快速設(shè)計軟件。該軟件在保證工裝設(shè)計質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)了數(shù)控彎管模具的快速參數(shù)化建模、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及標(biāo)準(zhǔn)件的快速裝配。通過該軟件設(shè)計數(shù)控彎管模具需要8 min，設(shè)計人員調(diào)整處理40 min。與傳統(tǒng)工裝設(shè)計耗費13~20 h相比，設(shè)計效率提高了20倍左右，有效地節(jié)省了時間，縮短了模具設(shè)計制造周期，為參數(shù)化模具設(shè)計提供了參考方案。