韓志仁，薛 航

(沈陽(yáng)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(yáng) 110136)

航空宇航工程

基于參數(shù)化關(guān)聯(lián)技術(shù)的沖裁模具設(shè)計(jì)研究

韓志仁，薛 航

(沈陽(yáng)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(yáng) 110136)

對(duì)于相似性零件沖壓模具重復(fù)設(shè)計(jì)和零件更改造成的模具重新設(shè)計(jì)的問(wèn)題，參數(shù)化關(guān)聯(lián)技術(shù)是主要的解決途徑之一。本文研究了參數(shù)關(guān)聯(lián)的理論和方法，研究了參數(shù)的傳遞的方法，以沖裁模具的設(shè)計(jì)為例，介紹了沖裁模具參數(shù)化關(guān)聯(lián)技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用CATIA二次開(kāi)發(fā)方法進(jìn)行基于參數(shù)化關(guān)聯(lián)技術(shù)的沖裁模具設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了沖裁模具的快速設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)依據(jù)發(fā)生更改時(shí)模具設(shè)計(jì)能夠隨之進(jìn)行快速更新，從而提高了設(shè)計(jì)效率。

沖裁模具；參數(shù)化關(guān)聯(lián)；CATIA

在航空、汽車、造船等行業(yè)大量使用鈑金件作為產(chǎn)品零件，這些產(chǎn)品的生產(chǎn)主要是采用沖壓方法，利用安裝在壓力機(jī)上的模具對(duì)材料施加壓力，使其產(chǎn)生分離或塑性變形，從而獲得所需零件[1]。沖壓模具是沖壓生產(chǎn)必不可少的工藝裝備，是技術(shù)密集型產(chǎn)品。鈑金件的制造質(zhì)量、效率等均取決于沖壓模具。

在航空等行業(yè)采用并行工程的方法，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段與工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)工作平行開(kāi)展，在設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)品零件的修改時(shí)有發(fā)生，與之相關(guān)的工裝要對(duì)每次零件的修改做出響應(yīng)，這種修改大部分都是重復(fù)性的，尤其當(dāng)這些修改體現(xiàn)到工裝上時(shí)往往都繁復(fù)而冗長(zhǎng)，另外一些相似的產(chǎn)品模具存在重復(fù)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，這在很大程度上延長(zhǎng)了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

為了提高沖壓模具設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)沖壓模具的快速、優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免相似性零件沖壓模具重復(fù)設(shè)計(jì)和零件更改造成的模具重新設(shè)計(jì)的問(wèn)題，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，利用幾何拓?fù)潢P(guān)系是相似或不變的[2]的特點(diǎn)，開(kāi)展參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，可以有效解決上述問(wèn)題[3-4]。

1 參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)

參數(shù)化是利用具體參數(shù)對(duì)零部件幾何形狀進(jìn)行尺寸約束的過(guò)程[5]。對(duì)參數(shù)的更改通過(guò)具體約束方法，傳遞到對(duì)幾何圖形，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)零部件幾何模型的驅(qū)動(dòng)[6]。參數(shù)化技術(shù)是一門(mén)在實(shí)際設(shè)計(jì)及應(yīng)用中逐漸發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，并且已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)及制造工藝的研究熱點(diǎn)[7]。

參數(shù)化關(guān)聯(lián)是實(shí)現(xiàn)若干對(duì)幾何形狀具有尺寸約束功能的參數(shù)間的關(guān)聯(lián)技術(shù)[8]。換句話說(shuō)，參數(shù)化關(guān)聯(lián)是在兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)間建立連接關(guān)系，而這些參數(shù)又同時(shí)應(yīng)用于對(duì)具體零部件尺寸的約束[9]。

在模具設(shè)計(jì)中，對(duì)產(chǎn)品模型的修改，對(duì)工藝設(shè)計(jì)的修訂，或是對(duì)模具結(jié)構(gòu)的修改，都必然會(huì)導(dǎo)致與模具相關(guān)聯(lián)的零件或部件的變更[10]。參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的目的就是要自動(dòng)獲取這種修改，并且將相應(yīng)更改通過(guò)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)到具體約束中，從而實(shí)現(xiàn)整套模具設(shè)計(jì)的自動(dòng)更新[11]。

2 參數(shù)化關(guān)聯(lián)的傳遞關(guān)系

如上所述，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)零部件間具有約束功能的參數(shù)關(guān)系的傳遞。而同時(shí)這種傳遞必然要具有一定的方向性。這就要在參數(shù)化建模之初充分了解設(shè)計(jì)意圖，從而確定不同零件、不同部件中參數(shù)的主次關(guān)系，把重要的復(fù)雜的參數(shù)作為“父”參數(shù)，次要的簡(jiǎn)單的參數(shù)作為“子”參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同零件、不同部件之間的參數(shù)化。當(dāng)需要修改設(shè)計(jì)方案時(shí)，只需要修改“父”參數(shù)的相關(guān)尺寸，“子”參數(shù)也跟著作相應(yīng)的變化，往往“子”參數(shù)又驅(qū)動(dòng)著更低一級(jí)別的參數(shù)[12]。這樣，只通過(guò)對(duì)“父”參數(shù)做很少量的修改，便可以達(dá)到修改大部分“子”參數(shù)的目的，從而完成對(duì)整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的修改(見(jiàn)圖1)。

圖1 參數(shù)化關(guān)聯(lián)的傳遞關(guān)系

以沖裁模具設(shè)計(jì)的一組參數(shù)傳遞為例(見(jiàn)圖2)，產(chǎn)品零件邊緣輪廓線具有自身的位置參數(shù)(圖2中尺寸1、2)，而模座的總長(zhǎng)和總寬是通過(guò)邊緣輪廓線與產(chǎn)品零件的邊緣輪廓線之間距離建立約束關(guān)系而確立(圖2中尺寸3、4)，與此同時(shí)導(dǎo)柱的孔心位置參數(shù)是通過(guò)距模座邊緣距離建立約束關(guān)系而確立(圖2中尺寸5、6)。這就形成了一組零件中參數(shù)關(guān)聯(lián)的傳遞關(guān)系，即產(chǎn)品零件邊緣位置參數(shù)為父代參數(shù)，模座邊緣位置參數(shù)為子一代參數(shù)，而導(dǎo)柱的孔心位置參數(shù)即為子二代參數(shù)。在先進(jìn)行下模座設(shè)計(jì)后，上模座設(shè)計(jì)參數(shù)是對(duì)應(yīng)連接于下模座設(shè)計(jì)參數(shù)中。之前所建立產(chǎn)品零件邊緣位置參數(shù)為父代參數(shù)，下模座邊緣位置參數(shù)為子一代參數(shù)，下模座的導(dǎo)柱的孔心位置參數(shù)為子一代參數(shù)，在上模座設(shè)計(jì)中分別又向下傳遞一代。通過(guò)類似的將上模座參數(shù)直接關(guān)聯(lián)于下模座參數(shù)中，將參數(shù)化的關(guān)聯(lián)關(guān)系從單個(gè)零件中的參數(shù)傳遞擴(kuò)展到零件之間的參數(shù)傳遞，形成了整套模具設(shè)計(jì)的參數(shù)化關(guān)聯(lián)，此時(shí)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行更改，整套模具發(fā)生相應(yīng)的自動(dòng)更新(見(jiàn)圖3)。

圖2 沖裁模設(shè)計(jì)的一組約束關(guān)系

圖3 沖裁模設(shè)計(jì)的一組參數(shù)傳遞

在沖裁模具設(shè)計(jì)中，沖裁間隙的確定是通過(guò)建立參數(shù)間的傳遞關(guān)系而自動(dòng)確定。根據(jù)零件材料和零件厚度(父代參數(shù))，在模具設(shè)計(jì)時(shí)自動(dòng)確定沖裁間隙(子代參數(shù))。間隙數(shù)據(jù)信息量較大，CATIA及其二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)為與數(shù)據(jù)庫(kù)連接留有開(kāi)放式接口，這樣就可以建立間隙數(shù)據(jù)庫(kù)，在模具設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)輸入的零件材料及厚度等零件特征，搜索間隙數(shù)據(jù)庫(kù)信息，從而自動(dòng)確定出沖裁間隙(見(jiàn)圖4)。

圖4 間隙確定流程

此次設(shè)計(jì)依據(jù)沖壓手冊(cè)[13]建立間隙數(shù)據(jù)庫(kù)(見(jiàn)表1)，在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)中可根據(jù)具體需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修正及擴(kuò)充，這種設(shè)計(jì)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接技術(shù)也為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

與沖裁間隙的確定類似，上下模座及導(dǎo)柱導(dǎo)套等模架的設(shè)計(jì)也是通過(guò)輸入的相關(guān)信息(凹模周界及閉合高度等)，在預(yù)先建立的標(biāo)準(zhǔn)模架數(shù)據(jù)中可查詢相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)完成標(biāo)準(zhǔn)模架的選用。在本次設(shè)計(jì)中以滑動(dòng)導(dǎo)向中間導(dǎo)柱圓形模架設(shè)計(jì)為例，參閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[14](見(jiàn)表2)，建立標(biāo)準(zhǔn)模架數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)CATIA相關(guān)端口，此數(shù)據(jù)庫(kù)類型可以為本地ACCESS型或是遠(yuǎn)程O(píng)RACLE型，這些類型的數(shù)據(jù)庫(kù)都可方便地進(jìn)行修正及擴(kuò)充，以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)需要。

表1沖裁間隙標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)

表2 部分標(biāo)準(zhǔn)模架數(shù)據(jù)

3 實(shí)例運(yùn)行

在沖裁模具設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)用打開(kāi)文件預(yù)處理對(duì)話框載入零件，并建立軸系統(tǒng)(見(jiàn)圖5)。應(yīng)用插入的沖裁模具設(shè)計(jì)模塊的人機(jī)交互型對(duì)話框，拾取必要元素、輸入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖6)。

圖5 打開(kāi)文件預(yù)處理

圖6 對(duì)話框的拾取與輸入操作

點(diǎn)擊預(yù)覽按鈕可完成整套模具的初步設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖7)，此時(shí)可繼續(xù)應(yīng)用沖裁模具設(shè)計(jì)對(duì)話框，對(duì)設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行修改。如本例中修改后側(cè)導(dǎo)柱模架為中間導(dǎo)柱模架，再次點(diǎn)擊預(yù)覽后整套模具設(shè)計(jì)隨之更新(見(jiàn)圖8)。點(diǎn)擊確定按鈕，完成模具設(shè)計(jì)，并且相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)插入結(jié)構(gòu)樹(shù)中。

雙擊結(jié)構(gòu)樹(shù)中參數(shù)可對(duì)其進(jìn)行修改，點(diǎn)擊確定后，整套模具都隨著該參數(shù)修改進(jìn)行了快速更新。本例中雙擊結(jié)構(gòu)樹(shù)中Y向零件到凹模距離參數(shù)，在彈出對(duì)話框中對(duì)其進(jìn)行修改(見(jiàn)圖9)。本參數(shù)修改引起凹模寬度變大，而同時(shí)凹模寬度的變化也要引起墊板、卸料版以及上下模座等相關(guān)模塊寬度方向尺寸的變化，只需點(diǎn)擊確定按鈕即可完成修改該參數(shù)及一系列更新工作(見(jiàn)圖10)。

圖7 “預(yù)覽”完成初步設(shè)計(jì)

圖8 對(duì)設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行修改后更新

圖9 可修改結(jié)構(gòu)樹(shù)中參數(shù)

圖10 完成快速更新

4 結(jié)論

參數(shù)化關(guān)聯(lián)技術(shù)不但可以應(yīng)用于沖裁模具或是其他模具設(shè)計(jì)，在飛機(jī)工裝乃至整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中都可以進(jìn)行廣泛的運(yùn)用。對(duì)于尺寸不同、結(jié)構(gòu)相似、具有拓?fù)潢P(guān)系的設(shè)計(jì)中可以選擇應(yīng)用參數(shù)化關(guān)聯(lián)技術(shù)進(jìn)行快速設(shè)計(jì)。在需要進(jìn)行數(shù)字量傳遞的生產(chǎn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，反復(fù)的修改時(shí)有發(fā)生，運(yùn)用參數(shù)化關(guān)聯(lián)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)適應(yīng)更改完成快速更新的一種重要手段，從而，在提高生產(chǎn)效率方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)聯(lián)技術(shù)不僅可以進(jìn)行參數(shù)間的關(guān)聯(lián)，而且可以將參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)。在CATIA環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了沖裁參數(shù)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，驗(yàn)證了參數(shù)關(guān)聯(lián)技術(shù)和智能化設(shè)計(jì)技術(shù)。

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(責(zé)任編輯：劉劃 英文審校：劉敬鈺)

Studyofblankingdesignbasedonparameterization-associatedtechnology

HAN Zhi-ren,XUE Hang

National Key Discipline Laboratory of Aeronautical Manufacturing Technology Digitization，Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136)

Aimed at the problem of the blanking die redesign and similar workpieces repeating design,the parameterization-associated technology is one of the main solutions to reducing redesign The theory and methodology about parameterization-associated technology are researched,and the method delivering parameters is introduced.By illustrating the design of a blanking die,this paper presents the realization of the parameterization-associated technology,carries out a blanking die design based on both parameterization associated technology and the secondary development of CATIA method.Not only will the rapid design system of blanking dies develop,but as the design database changes,accordingly,the blanking die is rapidly updated,which,as a result,will raise the working efficiency.

blanking die;parameterization association;CATIA

2013-11-13

韓志仁(1964-)，男，河北唐山人，教授，主要研究方向：鈑金成形、CAE和飛機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)；E-mail:hanren888@163.com。

2095-1248(2014)01-0001-05

V221+.92

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.01.001