为适应生产批量大、形状复杂、精度高的冲压 产品的要求, 级进模得到了广泛应用。级进模的工 序种类和工位数较多, 且模具结构复杂, 对设计人 员的技术素质及设计经验要求较高, 应用计算机集 成设计技术进行产品设计开发是一项重要而有意 义的工作[1 ]。目前,CAD/ CAM系统已被广泛应用于 模具设计的工程图生成、数字化控制、设计组件和 装配的实体建模, 极大地提高了模具设计制造的效 率。但由于没有或很少的模具设计知识嵌入到这些 系统中, 模具设计过程严重依赖于设计者的经验。 基于这种情况, 设计者花费大量的精力去发展针对 级进模CAD/ CAM设计系统[2 、3 ]。 UG是当前国际上先进和集成的、面向制造行 业的高端软件, 被许多制造商用来从事概念设计、 工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和数字化 制造等各个领域[4 ]。而组件技术是继面向对象技术 之后发展起来的一种新的软件工程技术, 是面向对 象技术的延伸[5 ] , 其基本思想就是将复杂的大型系 统中的基本功能分解为若干个独立的、功能单一的 可复用软件单元。现以UG为软件平台,研究基于组 件技术的级进模设计技术, 从系统工程的角度建立 级进模设计, 在一定程度上实现自动化和智能化的 相关机制, 并对级进模中关于对象、装配、模架和标 准件库的建立等方面进行了详细探讨。 2 工艺设计模块关键技术 2. 1 产品模型初始化 冲模设计主要依据是冲压件产品信息, 在模具 设计过程中除了要考虑冲压件的形状特点外, 还需 考虑冲压件的材料、尺寸精度等技术要求。在CAD/ CAM系统中, 必须建立能完整描述上述信息的产品 模型技术, 从而可在更高的语义层次上表达设计对 象,并使设计者能直接对设计对象的功能、加工及形 状特征等信息进行设计操作, 所以首先是产品信息 的输入和产品模型的建立。 28 模具工业2010 年第36 卷第3 期 差、材料属性。模具生产技术信息包括企业所能提 供的条件和设备以及技术上的支持。级进模设计的 工程初始化模块主要包括产品信息的写入, 工程信 息主要指零件名称、图号、产量、材料等信息, 工艺 信息主要指厚度、精度、粗糙度、热处理等方面的信 息。 零件的几何信息可划分为特征和几何元素2 个 层次。特征层描述构成零件的主要特征及特征间的 关系。对冲裁件来说, 可划分为外轮廓和多个内轮 廓特征。几何元素层描述构成特征的几何元素的类 型和参数, 它们通过特征识别将以表的形式存于 Excel 中, 当系统进程进行到其他模块的时候, 完成 对数据的调用实现系统功能。 2. 2 钣金零件特征模型 建立钣金零件特征模型, 是实现基于特征的智 能化条料排样的基础。为便于后续的工艺设计, 将 钣金零件的形状特征按其变形特点进行相应分类, 如图1 所示。其中, 主特征用于描述钣金零件主体 形状,包括:平面(flat) ,拉深变形(form) ;附加特征用 于描述零件的局部形状,包括:孔(hole) ,切口(cut) , 翻边(flange) ,局部成形(deform) 等;联接特征主要用 于描述上述特征组合在一起时的联接关系, 如弯曲 联接(bend) , 过渡联接(blend) 等。上述特征的描述 采用隐式和显式2 种模式。其中隐式模式用于描述 特征的相应截面线、轴线、轮廓线及有关参数, 以便 后续工艺设计时提取相应的特征参数。而显式模式 采用B-reps 结构, 用于在毛坯展开及冲压成形工艺 设计时产生相应的形状。钣金零件的特征模型, 即 是由上述特征按一定关系组合在一起所构成。特征 间的关系通过一特征关系式来描述: FRG= ( F , R) , 其中, F = { F1 , F2 ⋯, Fn} ,表示组成钣金零件的特征 集合; R = { R1 , R2 , ⋯, Rm}表示特征间关系集合,如 邻接关系、父子关系等。 图1 钣金零件特征分类 2. 3 排样设计 条料排样需考虑材料利用率、制件成形的可能 性与加工质量,模具结构与强度、送料是否方便等问 题, 因此在目前情况下自动设计是不可能的。为此 利用特征映射方法通过人机交互进行条料排样, 图 2 所示为系统进行条料排样的特征映射过程。首先 设计者根据实际情况, 确定在某一工位上成形冲压 件上的某一部分的形状, 然后系统根据工件被加工 形状的特征,采用特征映射的方法,将其转换成相应 的加工特征,并以三维图形方式显示出来,用户根据 这一显示结果, 还可作相应的交互修改。在条料排 样设计过程中,通常还需设计一些辅助的加工工艺, 如定位设计、导正设计以及废料设计等,对这一部分 设计,完全采用交互设计方法。在成形工序设计时, 只需进行少量的操作即可完成, 而废料设计则是难 点之一,在设计系统中分2 种情况进行处理。一种是 添加少量的辅助线,通过拾取废料轮廓边界,定义出 废料特征,废料特征继承了冲压件的原有属性,并记 录各特征在各个工位上的加工情况。另一种方法是 整体剥离法,先从整体上定义出废料轮廓,然后在整 体废料上划分区域,将整体废料分解为局部废料,在 废料分解时,系统可自动处理废料之间的搭接量。 图2 条料排样特征映射过程 3 模具结构设计模块的关键技术 装配模型建立目前存在2 种设计过程: 自底向 上(bottom-up) 和自顶向下(top-down) 的设计过程。传 统的级进模CAD 系统大多采用自底向上的设计方 法,设计人员先根据产品特征构思模具结构方案,然 后详细设计模具结构零件,最后进行模具拼装,这种 方法不能在零件设计阶段同时考虑装配结构问题。 模具工业2010 年第36 卷第3 期29 如果采用自顶向下的设计方法, 即从模具装配模型 开始, 在装配模型上直接进行模具结构设计和零件 详细设计, 再从装配模型中拆出所需零件模型。这 样由于设计工作是从装配模型开始, 使得在模具详 细设计的同时, 就可以提出模架和有关标准件采 购、加工等计划,并进行模具的粗加工。从某种意义 上来说, 实现了模具并行工程的思想, 缩短了模具 设计、制造周期。在充分考虑系统的总体结构、模块 划分及其数据流程的基础上, 结合并行工程的思 想, 提出了基于装配的自顶向下的级进模设计思 想, 并进行了相应模块的设计开发, 级进模装配模 型框架如图3 所示。 图3 级进模装配模型框架 产品模型初始化模块和工艺设计模块建立一 个具有一定智能化的蕴涵各种关联机制的控制装 配结构, 并以装配树的数据结构来组织级进模装配 模型的最基本的框架, 系统其他模块都以其为基 础。图4 所示是利用模具装配关系建立的模具结构 装配树, 提供了一个基于该模型的模具装配关系定 义工具, 运用该工具用户可以自定义常用模具标准 结构库, 该结构库中只记载了各个零件类之间的相 互位置关系及约束关系。 同时, 通过建立一个独立于主系统的参数化模 具标准件库管理系统,并与结构CAD 系统通过消息 机制发生联系, 使得系统间的耦合性降到最小。主 系统进行结构设计时向模具标准件库系统提交构 型任务, 标准件库系统接到任务信息之后开始数据 库检索及构型。任务完成之后将标准件技术工艺信 息与几何控制信息, 作为任务完成信息发回主系 统, 模具标准件系统可独立于主系统运行, 故可作 为一单独系统提供给用户。 图4 模具结构装配树 4 级进模设计实例 图5 所示为一在UG中建立的冲压零件的三维 数模, 零件主要特点为: 基面部分为2 个小圆孔和1 个矩形孔,两侧折弯。如用简易冲模加工一般需3 副 模具, 由于经过几次定位, 冲压件精度较差, 采用多 工位级进模具有优势。 图5 产品结构及特征 1. 钣金切口2. 钣金基体3. 钣金打孔 4. 钣金折弯5. 钣金直边 4. 1 产品初始化 产品初始化主要是对产品的特征识别和建立产 品的级进模工程,并初步使产品的特征数字化,如表 1 所示。 4. 2 工艺分析与条料排样 工艺设计的好坏是建立在大量经验的积累和丰 富的理论知识基础上的, 所以工艺分析是一个半自 动化设计过程。
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