钣金工艺数学模型的快速设计

摘 要：本文主要描述基于原始钣金工程数学模型，按模胎成型零件的数学模型快速设计方法。依据原钣金零件的工程模型，将工程数学模型转化为工艺数学模型，着重分析不同设计方法得到的模型区别，力求工艺数学模型的精确性，总结出一套钣金工艺数学模型的快速设计方法，填补了因数学模型的工艺性，零件成型后的尺寸偏差问题，提高钣金零件的一次交检合格率。

关键词：钣金零件；建模；曲面替换；CATIA

中图分类号：V26 文献标志码：A

0 引言

飞机是工业制造和科技的结晶，在组成飞机的众多零部件中钣金零件能够占到总零部件的近7成左右。在飞机钣金零件的加工中主要采用的有传统的手工敲修、落压、冲压等方式.钣金零件的成型基础为工程数学模型的理论形状，将其平整的展开后再下料、加工成型。钣金零件的准确成形与钣金件加工中的工艺数模的设计质量有着极为密切的联系。为提高飞机钣金件的加工精度在钣金零件工艺数模的设计中需要对其进行优化，通过在飞机钣金零件原有工程数学模型的基础上，依据原零件材料、厚度、理论形状等参数，快速拟合弯曲曲面，再按弯曲曲面重新设计钣金工艺数模，在这一过程中为实现钣金零件工艺数学模型的快速设计可以从数学模型设计的三大层面入手：弯曲曲面的提取、工艺数模的建立、下料数据的对比，通过优化改进在确保设计质量的基础上实现对于钣金工程数学模型的快速设计、建立。

1 弯曲曲面的提取

钣金零件弯边为直弯边即弯边线为直线时，提取弯曲曲面为平面，但仍有很多钣金零件的弯边与飞机框架或蒙皮相连接，故弯边面一般为曲面，需要考虑提取弯边曲面的尺寸大小及原理论曲面，确保曲面误差在允许范围内。

1.1 弯边曲面拟合问题的解决办法

在CATIA V5软件中，常用的快速重构曲面方法可分为：理论曲面提取重构和截面线拟合曲面，两种方式。

1.1.1 理论曲面提取重构

采用理论曲面提取重构方式，当弯边曲面为单曲率时，可采用快速曲面构建方法，提取弯边和腹板的外形线、弯边方向线，用扫琼命令，快速建立弯边控制面；当弯边曲面为双曲面时，可将原弯边面提取出来，边缘不规整处做修剪处理，再曲率延伸，将控制面扩大到可容弯边建立即可。

1.1.2 截面线拟合曲面法

截面线拟合曲面方法适用于多数的曲面建立，选取适量的截面线数量，通过截面线，可快速建立弯边曲面。我们要找到做弯边曲面的曲面，拟合曲面的两个方向，曲面的长度方向和宽度方向的3条曲线，在长度方向上做等距离的切面线，将宽度方向的切面线按长度方向做多截面，形成弯边曲面。

这里需要注意：当曲面非规整形状，即周边有曲线、特定形状需要表达，这时再提取的部位截面线应尽量多些，在生成曲面的过程中，如无法得到原有曲面的边界线时，可以提取原曲面的边线，投影到曲面上，将多截面得到的曲面适当增加尺寸，这样边线可完整地投影在新生成的弯边曲面上，再进行适当的修剪，这样能得到符合要求的弯边曲面。

1.2 误差分析

弯边曲面以腹板和弯边交叉线作为引导线生产扫琼曲面，两条曲线控制生成的曲面适用曲面形状较为简单，误差小，当曲面形状较为复杂时，适用于截面线拟合曲面法。曲面线拟合法是将弯边曲面以多截面形式分割，生成的曲面截面线定义为关键线，横纵两种关键线相互交织，其交点称之为确定点。将生成的截面线用“截面线拟合曲面法”拟合的曲面进行分析，分别从关键线长度误差、确定点拟合关键线长度进行误差分析，判断误差较小，符合重构弯边曲面的要求。

2 工艺数模的建立

2.1 曲面替换法

弯边钣金数模与原理论状态下的数模相比，区别在于原理论数模为快速完成设计，采用机加模式建立，这种建模的优点是：建模时间短、建模效率高、建模方法简单，缺点是数学模型的工艺性差，为提高数学模型的工艺性，在原理论状态下，将模型钣金化，最大程度地还原钣金零件，我们可用 “曲面替换法”，完成建模过程。具体步骤如下。

2.1.1 腹板面的选取

分析原数学模型，会出现两种情况，腹板面为工艺腹板面和非工艺腹板面，确定工艺腹板面，将非工艺腹板面重新构建为工艺腹板面，完成钣金工艺建模的第一步。

2.1.2 曲面处理

曲面处理为建立钣金工艺数模的关键步骤，快速设计方法既是在原有工程模型的基础上，将弯边的曲面提取出来，用上文介绍的弯曲曲面提取方法，再运用钣金命令将零件弯边设计出来。如零件的边界有特定形状，或边界有特定尺寸要求时，需要做出边界线。

2.1.3 钣金工艺建模

将前两步准备完成的腹板面、弯边曲面、控制线等，一并纳入钣金建模中，完成钣金工艺建模三要素的准备工作，可快速提升建模速度。如原弯边有控制边界，需要重新确定边界，在步骤2中，选取新的边界。

曲面替换法适用于多数钣金工艺建模，当零件腹板面有形状需要表达，在建立腹板平面时，可预先按原数模形状现行设计零件、腹板的凹形，在设计腹板面可提取原数模形状，亦可在完成数模后，再添加形状控制。弯边控制线的使用方式也可分为两种，一种为在做弯边曲面时，将控制线预先投影到弯边曲面上，再做弯边，或是弯边完成后，再用控制线控制弯边形状。当弯边有下陷或多重下陷结构时，当采用“曲面替换法”时，需要分别提取曲面，或确定下陷深度和方向，也可做出复杂的弯边结构。

3 下料数据的对比

原钣金工艺数模，多为三维实体数模，需要根据零件材料厚度、内半径、弯边高度、弯边角度计算展开后的尺寸，来确定下料数据。按钣金工艺数模的快速设计方法，在原有钣金数模的基础上，按上述方法进行快速建模，剥离了材料厚度、弯边高度等参数计算展开后的尺寸，可直接在软件中，得到展开后的下料数据，极大程度上的方便了钣金工艺性的回归。表1中列取实体数模和工艺数模在进行下料数据设计的过程中，分别需要考虑的因素，当需要按部实体数模进行工艺生产时，实体数模需要考虑材料厚度、内半径、弯边角度等5个要素，分项查表，最后得出下料数据，而按实体数模建立的工艺数模，免去查表、测量的时间，一步得到下料数据，方便、快捷。

注意：因零件下料到满足工艺生产，在传统的工艺数模下料后，仍需对部分位置增加补償。工艺数模较实体数模相比，对后续的工艺生产，起到承上启下的作用，最大限度地完成工艺准备，提高零件批产效率。

结语

为提高钣金工艺数模设计效率，本文从数模设计的典型三大环节入手就如何做好工艺数模的设计进行了分析介绍。新的钣金数模设计方法在确保设计质量的基础上有效地提高了数模设计的效率。

参考文献

[1]曹蔚，甘忠.飞机钣金零件弯边自动展开系统航空制造技术[J].航空制造技术，2008（1）：84-87.

[2]周秋忠，范玉青.MBD技术在飞机制造中的应用[J].航空维修与工程，2008（3）：55-57.