钣金回弹数模的快速设计方法

金鑫

摘 要：钣金回弹零件主要基于橡皮囊成形，而如何快速设计符合零件生产的回弹数模，使之能符合零件交付状态，一直是设计中的难点。对于回弹的钣金零件，其回弹曲面的提取、回弹数模的建立、下料数据的对比，是设计回弹数学模型的重点。对钣金零件回弹设计中存在的三个典型问题，提出了有效的实用解决方法。

关键词：钣金零件；回弹；橡皮囊；CATIA

中图分类号：TG38 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）33-0091-02

引言

目前，飞机众多零件中，钣金零件占总零件的70%左右，其加工方式和传统的手工敲修、机器冲压、落压等加工方式相比，橡皮囊液压成形，具有效率高、成本低、安全性高等优点，在钣金零件的成形中，多用橡皮囊成形，而零件在橡皮囊成形后存在弯边回弹现象，故零件贴无法很好的贴合模胎，需进一步的手工补修，零件表面质量比一次液压成形低。由此，橡皮囊的准确成形，势在必行。文献[1]是对零件数模进行回弹补偿并得到其模具工作型面及型模，实现在新淬火状态下真正意义上的橡皮囊“一步法”成形。文献[2]是一种考虑回弹误差修正的模面设计方法，即在完成模具设计后，直接进行模面的调整，无须单独对零件进行数值模拟。本文针对准确成形这一目标，在原有三维理论模型的基础上，依据零件材料、厚度等参数，快速拟合回弹曲面，再按回弹曲面重新设计钣金回弹数模，根据以往的经验总结，对钣金零件回弹设计中存在的三个典型问题，回弹曲面的提取、回弹数模的建立、下料数据的对比，提出了有效的实用解决方法。

1 回弹曲面的提取

钣金零件弯边为直弯边即弯边线为直线时，提取回弹曲面的截面线数量按长度计算即可，但很多钣金零件的弯边是与飞机框架或蒙皮相连接，所以弯边形状一般有曲度，需要考虑提取回弹曲面的截面线数量，保证误差在允许范围内。

1.1 回弹曲面拟合问题的解决办法

在CATIA V5软件系统中，通过多条截面线可重新拟合曲面。用来拟合曲面的截面线的选择方式非常重要。它直接影响拟合曲面的精度。如下介绍一种基于截面线拟合的方法——截面线拟合曲面法。第一步，我们要找到做回弹曲面的曲面，拟合曲面的两个方向，先将生成弯边的最终结构形状的理论曲面定义为工作对象，这是弯边零件的一种毛坯状态，而零件曲面最终轮廓即在这个基础上形成的，只是方向改变，曲面形状是不变的。故可提取此时曲面的两条边线，与曲面做多截面设置，得到十字交叉状截面线。这里注意：当曲面非规整图形，即周边有曲线，这时提取的截面线应尽量多些，当在生成曲面的整个过程中，如无法确定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，将曲面适当增加尺寸，这样边线可完整的表现在新生成的回弹曲面上，再进行适当的修剪，这样才能得到符合要求的回弹曲面。第二步：截面线旋转一定的角度后，将所得到的新截面线逐一按序选取，得到一个曲面，即是一个曲面拟合度较高的回弹曲面，然后用回弹曲面重新设计回弹数模即可。

1.2 误差分析

将弯边曲面以多截面形式划分，生成的截面线我们称之为关键线，横纵关键线相互交织，其焦点称之为关键点。将截面线用“截面线拟合曲面法”把拟合的曲面进行分割，分别从关键线长度误差、关键点拟合关键线长度的误差分析。经过误差分析判断，误差较小，符合曲面要求。

2 回弹数模的建立

2.1 曲面增厚法

由于钣金零件内部可能有减轻孔、加强窝等复杂结构，在设计钣金回弹数模时遇到的问题和耗时较多。一般按钣金零件的建模规定，需要一步一步按建模规范执行，但原有钣金零件数模已经设计完成，而回弹钣金数模仅对弯边重新设计，这就使设计工作减轻很多。如何有效简化钣金零件的设计过程就显得尤为重要。下面是一种利用CATIA V5软件中“厚曲面”功能命令对曲面增厚得到钣金零件的方法。

具体步骤如下：（1）腹板面的选取。提取钣金零件的腹板面，此面有减轻孔、加强窝等结构，将其整体结合成一个曲面，与弯边面衔接的部位适当进行延伸处理，与弯边面有一定的交集，而无弯边的一侧，结构尽量保证与原零件一致，目的可省去后续的曲面边界处理工作。如图1所示，零件上带有减轻孔的一面为腹板面。（2）曲面处理。选取回弹曲面，适当延伸回

弹曲面使之与腹板曲面有一定的交集，将回弹曲面与腹板曲面倒角，用切割命令，修饰多余的曲面，使最后用于增厚的曲面与原零件尺寸保持一致。（3）曲面增厚。将处理好的零件曲面，选取“厚曲面”功能命令，确定零件厚度方向和厚度值，将曲面增厚到与原零件一致即可，成形后再对弯边边缘处倒角即可。从图1可以看出，不需要将零件腹板形状投影到相应的平面上，而是直接选取零件的腹板上的所有曲面。优势是可以直接提取轮廓形状，与传统建模方式相比，按步骤逐一设计，节省了大量设计数模的时间。这种曲面增厚方式是对曲面本身结构法向趋势的一种延伸，所得结果与按步设计钣金零件数模结果一致，是对零件形状，轮廓信息的真实再现。但需要注意的是：在比较复杂的钣金零件中，由于众多限制因素，如斜下陷、不规则形状、倒角等，如按要求将曲面整体成形后，此时会有部分曲面位置因为曲率过小等原因，可能无法快速实现“厚曲面”功能命令，这时CATIAV5软件也会示出一个分解曲面，這个曲面是厚曲面的部分曲面，可将不能实现“厚曲面”功能命令的曲面剥离开来，将能增厚的部分增厚，但形成的结构体不是零件完整形状，原曲率小的曲面需独立处理再增厚，然后再增加倒角、修饰等过程，重新设计数模，故一般情况下曲面问题都可以解决。

2.2 曲面替换法

回弹钣金数模与原理论状态下的数模相比，区别在于弯边回弹后弯边角度和弯边角度半径的不同，而没有回弹形变的部位，数模没有变化。如原理论状态下数模的建模过程是按钣金零件建模规范执行，我们可用“曲面替换法”，简化建模过程。具体步骤如下：（1）预先处理回弹曲面，使回弹曲面能够完全替代原有弯边曲面。（2）在原有理论状态数模中，建立弯边的步骤中，弯边角度更改为回弹后的角度，控制曲面由原曲面替换为新的回弹曲面，弯边角度无需更改。（3）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。这种方法适用于直弯边、小曲率弯边等情况，当弯边方向有下陷或多重下陷结构时，当采用“曲面替换法”时，需要先将下陷部位取消，待回弹弯边设计完成后，再独立设计下陷部位，如不提前取消下陷结构，在替换曲面过程中，会产生下陷方向相反或下陷位置更改等问题。多数钣金零件的同一弯边高度是一样的，也有部分弯边为躲避结构影响，对弯边的形状进行重新定义，设计回弹数模时也需要将原有形状重新定义在回弹曲面上，利于快速生产三维实体模型。

3 下料数据的对比

三维实体数模，根据零件材料厚度、弯边内半径、外形尺寸、展开尺寸确定回弹后的数模下料尺寸和理论状态下的数模下料尺寸作对比。这里引用两个概念，外形为零件腹板面与弯边面交线得到的轮廓为外形；展开为依据零件按腹板面为基准，将弯边面反映到腹板面，最后形成的轮廓为展开，也是零件最终的下料尺寸。表1中列取部分典型回弹零件，回弹后与理论数模，外形和展开尺寸的对比，因零件材料、厚度、弯边高度曲率等因素，可看出零件回弹后，外形尺寸增加，而相对的下料尺寸减小，增加的尺寸小于下料减小的尺寸，故下料数据可不做更改。

注意：因考虑零件弯边的回弹问题，弯边回弹前后，弯边的角度有一定的变化，此时为保证零件的精准成形，零件模胎需要重新设计生产，如需按回弹数模进行检验，用于检验的外形和展开样板需要按新数模重新设计，保证设计生产依据的一致性。

4 结束语

本文基于CATIAV5软件环境，针对钣金零件回弹设计中存在的三个典型问题，结合生产实践，提出了相应的、有效的、便捷的解决方法。经过零件实际的生产检验，证明这些方法不仅提高设计效率，而且零件成形精度完全符合工艺要求。

参考文献：

[1]张凌云，万桂波，曾一畔.CATIA二次开发回弹补偿模面的获取[J].机械设计与制造，2016（3）：247-249.

[2]杨伟俊，李东升，李小强，等.基于快速回弹补偿的橡皮囊液压成形模面设计方法[J].机械工程学报，2011（12）：67-73.endprint