钣金成形模具快速设计技术

摘要

　　本文以提高钣金成形模具设计速度、质量和降低设计成本，充分利用和保存企业模具设计的自身资源为目的，研究了钣金成形模具快速设计中的基于特征和知识的凸、凹模参数化快速设计技术以及标准模架快速建模的关键技术，建立了工艺快速设计、凸模与凹模快速设计、标准模架库的快速建模与自动装配及选择调用、二维工程图的快速生成、钣金成形模具基础库五大模块。主要研究内容如下：

　　1. 设计了钣金成形模具系统总体框架，分为工艺设计、模具结构设计、二维工程图生成、模具基础库几大功能结构，奠定了钣金成形模具各个模块实现快速设计的基础。

　　2. 分析了钣金成形的凸、凹模型面特征的成形特点，用特征和知识描述凸模与凹模型面，定义型面特征的几何定位信息和约束关系，进行参数化特征造型，通过特征和知识的融合来构建存储凸、凹模型面特征的特征库和知识库，进行特征实例化并参数化驱动，实现钣金成形模具的凸模与凹模的快速设计。

　　3. 研究了标准件的参数化建模以及构建了具有参数化装配特征的标准件库，使用了自下而上和模块化方法进行标准模架建模及选择尺寸参数配置来驱动模架，提取并发布模架的装配特征实现标准模架的自动装配，建立具有属性和参数的标准模架库便于选择与调用。

　　4. 利用以上研究成果，开发了钣金成形模具快速设计系统，减轻了钣金成形模具设计人员的工作负担，提高了设计效率和规范性。

　　关键词：成形，凸模，凹模，参数化设计，标准模架，快速设计

ABSTRACT

　　In order to improve the design speed and quality, reduce design cost of forming die, and to make full use of and preserve enterprise’s own resources in die design, concave-convex die parametric design technology base on features and knowledge and key technologies about fast modeling of standard mould base in the design system of forming die for sheet metal are studied.The process rapid design, concave-convex die, fast modeling of standard mould base library and automatic assembly to selective preload, 2D engineering drawing fast generation, fundamental library of forming die are established. The main research contents are as follows.

　　1. General design frame of forming die system for sheet metal is designed, it is divided into process design, die structure design, 2D engineering drawing generation, mold database, which have laid a foundation to realize rapid design of modules.

　　2. The paper analyzes the forming characteristics of concave-convex die surface features, and concave-convex die surface is descriped with features and knowledge.Then geometric positioning information and constraint relation are defined to implement the parametric feature model, with the integration of features and knowledge to build the librarys which store the concave-convex die surface feature.And, finish instantiation of features and parametric driving, realizing rapid design of concave-convex die.

　　3. The parameterized modeling of the standard parts and the standard part library with assembly feature are researched and build.Then, with bottom-up and the modular methods to build standard mould bases, which is driven through changing size and parameters configuration, assembly features are extracted and published to realized automatic assembly.Finally, attributes and parameters of standard mould base library is established in order to select and preload it.

　　4. Base on the achievements above, rapid design system of forming die for sheet metal have been developed, reducing the mold design personnel’s work load, improving design efficiency and standardability of forming die.

　　Keywords: Forming, Punch, Concave Die, Parametric Design, Standard Mould Base, Rapid Design

　　模具是一种技术密集型的产品，在我国国民经济中的地位非常重要，模具生产具有质量好、成本低、效率高等诸多优点，在机械工业领域里，模具已成为使用最广泛的最主要的工业化生产工艺装备。模具设计制造技术水平的高低，影响着产品质量、生产效益、产品更新换代的速度、新产品的开发能力，决定着企业的前途与发展，已成为衡量一个国家制造水平高低的重要标志[1]。

　　航空产品以航空钣金为例，具有多品种、小批量生产的特点，这就要求模具生产具有短周期、低成本和高质量等特点，而当前传统的模具设计制造周期长、依靠经验设计、结果出现不可预测性以及冲压工艺效率低等问题，成形质量的要求难以得到保证，阻碍了新产品的开发创新[2]。基于传统模具设计的种种缺陷，利用先进的 CAD 技术快速进行模具设计已成为当今市场的趋势[3]。

　　模具 CAD 技术是改造传统模具生产的关键技术，它是一种高科技、高效益的系统计算机软件形式，给企业提供一种有效的辅助工具。在模具 CAD 技术中，模具设计工程师在 CAD 系统的辅助下，对成形工艺、模具结构、数控加工及生产管理进行设计及优化并能够指导制造过程，对于传统模具设计来说，是一次很大的技术飞跃[4]。

　　现代模具 CAD 设计具有精度高、寿命长、生产制造效率高等优点[5]。我国目前很大部分企业已采用了模具 CAD 技术，因为随着产品对形状、尺寸精度和零件整体要求的提高，以及广泛使用新材料和新工艺，日益复杂的模具结构和型面形状，一些冲压件的成形模具不但其型面复杂，而且模具的配套性要求极高，加工中必须保证模具之间几何形状的协调一致，传统的模具加工方法无法保证其质量要求，所以应用模具 CAD 技术已是当务之急。例如，从波音公司引进的 CATIA 及其他 CAD 软件已经在模具行业中普遍应用，国内的一批大、中型企业陆续从国外引进了相当数量的 CAD 系统，并配置了一些设计、分析的专用软件，取得了很好的经济效益[6][8]。

　　由于模具技术是制造业中发展最快的技术之一，所以 CAD 技术在模具设计中最能发挥它的优越性。在提高生产率、改善质量、降低成本、降低劳动强度方面，现代模具 CAD 技术的优越性是传统的模具设计制造方法无法比拟的。

　　现代模具 CAD 技术发展的新阶段是智能化 CAD 阶段，是高度集成化、智能化、柔性化和网络化，它是结合传统 CAD 技术的绘图功能、计算和人工智能技术中知识的推理功能，发展起来的知识驱动的现代 CAD 技术[10]。它能把模具设计的经验、技能、知识、原理、规范等融入到 CAD 系统中，充分利用和保存企业长期积累的设计知识和经验，同时能够进行设计数据管理，从而提高设计速度和质量，降低成本，缩短模具研发周期，加快产品的开发进度。

　　由于冲压产品品种多且形状复杂，建立冲压模系统时难度较大，所以目前国内外还没有功能完善、自动化程度很高的冲压模设计软件，目前的一些系统都需用户根据企业自身条件进行二次开发。企业中 CAD 的实际应用大多是针对某个模块特征的工程应用软件，即在通用 CAD软件（UG、CATIA、Pro/E）平台上进行二次开发。国内也在进行 CAD 软件上的二次开发，取得了不少的成绩，并结合企业自身的需求，开展了有关设计知识表达、获取、基于实例推理等技术的研究，积累了不少宝贵的经验。

　　本文研究的对象是钣金件，主要是框肋类钣金零件，其数量多，体积小，是组成大组件的主要单元，设计质量的好坏直接影响产品的性能和寿命[15]。

　　成形是指通过局部塑形变形的方式来改变坯料的形状，如弯边减轻孔，弯曲，翻边，缩口，起伏成形等。成形用于指出装配的部位，或者制出提高制品刚度的特定形状，在钣金成形时，也可作为防破裂或防折皱的手段[16]。钣金成形模具属于冲压成形模，如图 1.1 所示的是弯边减轻孔的成形模型。传统的钣金成形模具是由设计人员通过一些三维绘图软件进行设计，当遇到形状复杂的钣金成形工艺件时，其冲压成形模具型面为复杂的三维曲面，不能用简单的数学解析来表达，为成形模具的凸模与凹模型面的设计和制造带来困难。

钣金成形模具快速设计技术：

钣金成形工艺快速设计流程图

型面知识提取及尺寸参数化

凸、凹模型面快速建模及特征操作

型面入库及特征实例化

凸模特征实例化及尺寸修改

标准模架入库

模架选择调用及三维预览

二维工程图快速生成

模具基础库

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 模具 CAD 技术
　　　　　　1.1.1 模具 CAD 技术的特点
　　　　　　1.1.2 模具 CAD 技术的发展趋势
　　　　1.2 钣金成形模具设计技术现状
　　　　1.3 项目来源与研究内容及构架安排
　　第二章 钣金成形模具系统总体设计
　　　　2.1 概述
　　　　2.2 钣金成形工艺快速设计
　　　　　　2.2.1 工艺分析
　　　　　　2.2.2 压力中心及冲压力计算
　　　　2.3 钣金成形模具结构快速设计
　　　　2.4 钣金成形模的二维工程图快速生成
　　　　2.5 钣金成形模具基础库设计
　　　　2.6 本章小结
　　第三章 钣金成形凸模与凹模快速设计技术研究
　　　　3.1 概述
　　　　3.2 快速设计技术
　　　　　　3.2.1 特征设计技术
　　　　　　3.2.2 知识的融入技术
　　　　　　3.2.3 参数化设计技术
　　　　　　3.2.4 快速设计技术在钣金成形凸模与凹模设计中的应用
　　　　3.3 基于特征的钣金成形凸模与凹模参数化设计技术
　　　　　　3.3.1 钣金成形凸模与凹模型面特征的参数化建模
　　　　　　3.3.2 钣金成形凸模与凹模型面特征库的构建技术
　　　　　　3.3.3 钣金成形凸模与凹模型面特征入库
　　　　3.4 基于知识的钣金成形凸模与凹模快速设计技术
　　　　　　3.4.1 知识库构建与运用技术
　　　　　　3.4.2 钣金成形凸模与凹模型面特征与知识的融合
　　　　3.5 钣金成形凸模与凹模型面特征与知识的参数化驱动
　　　　3.6 本章小结
　　第四章 钣金成形模的标准模架快速建模技术研究
　　　　4.1 概述
　　　　4.2 模架的功能及其构成
　　　　4.3 钣金成形模的标准模架快速建模
　　　　　　4.3.1 标准件参数化建模及标准件库的构建
　　　　　　4.3.2 标准模架建模的关键技术
　　　　　　4.3.3 标准模架的参数化驱动技术
　　　　4.4 基于装配特征的钣金成形模的标准模架自动装配
　　　　4.5 钣金成形模的标准模架库构建
　　　　　　4.5.1 钣金成形模的标准模架库属性与参数建立
　　　　　　4.5.2 钣金成形模的标准模架库的建库流程
　　　　4.6 本章小结
　　第五章 钣金成形模具快速设计系统的实现
　　　　5.1 系统实现的环境与开发工具
　　　　5.2 系统框架结构
　　　　　　5.2.1 系统体系结构
　　　　　　5.2.2 系统功能及运行流程
　　　　5.3 系统运行应用
　　　　　　5.3.1 钣金成形工艺快速设计
　　　　　　5.3.2 钣金成形模具结构快速设计
　　　　　　5.3.3 钣金成形模的二维工程图快速生成
　　　　　　5.3.4 钣金成形模具基础库设计
　　　　5.4 本章小结
　　第六章 总结与展望
　　　　6.1 工作总结
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　致 谢
　　在学期间的研究成果及发表的学术论文

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