复杂型面钣金零件冲压模具的三维数字化设计

邹哲峰 张杨 姜宇峰

摘要：在复杂型面钣金零件生产过程中，做好冲压模具三维数字化设计属于非常重要的工作内容。本文针对三维数模造型基础原理展开分析，通过研究冲压方向确定、冲压力的计算、通用部分设计、型面模型修补、搭建三维模型、三维图纸表达等内容，其目的在于提高冲压模具设计内容的合理性，提升零件的生产质量。

Abstract： In the production process of complex surface sheet metal parts， it is very important to do a good job in 3D digital design of stamping die. This paper analyzes the basic principle of three-dimensional digital modeling， through the research of stamping direction determination， punching pressure calculation， general part design， surface model repair， building three-dimensional model， three-dimensional drawing expression and so on. The purpose is to improve the rationality of stamping die design content and improve the production quality of parts.

关键词：冲压模具;三维数字化;复杂型面钣金零件;三维图纸

Key words： stamping die;3D digitization;complex surface sheet metal parts;3D drawing

中图分类号：TH16                                        文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）10-0103-02

0  引言

传统的图纸表达以二维工程图为主，对于具有复杂曲面的模型，配以三维实体模型。随着数字化技术的不断发展，这种表达方式已经不能满足高效率生产的需要。三维图纸是借助三维设计平台，将模型的结构形状信息，标注、公差、制造技术要求等非几何制造信息以及设计管理信息融为一体的新型表达方式。应用其参数化及曲面建模功能，设计了一副具有复杂空间曲面的冷冲压模具，可以积累相应的应用数据，为后续模型参数的不断完善奠定基础。

1  三维数模造型基础原理分析

在三维数模造型在应用中，其核心内容便是进行几何建模，建模质量直接影响成品质量。在具体设计过程中，其基础应用原理在于利用数据结构来对三维物体的几何形状进行建立，同时借助计算机系统来完成信息模型的应用处理，使搭建的模型完整性和使用价值得到有效提升。已经完成建立的三维模型中，涉及到物体的几何应用信息和拓扑应用信息，前者主要是对物体内容的几何元素进行准确呈现，内容包括空间位置参数、尺寸大小等，而且在应用中，也会借助数学公式对于物体的边界参数进行合理描述，从而提升内容的可靠性。后者在应用中，主要呈现出的信息包括元素的基础数目和相应的连接关系，借此来满足模型的应用要求。

2  冲压模具的三维数字化设计要点分析

2.1 冲压方向确定

在对冲压模具展开三维化应用设计时，明确冲压模具中的冲压方向属于非常基础的工作内容。在具体的应用中，需要重点考量以下两类内容，一种是冲压模具中不允许存在冲压负角，避免模具开裂情况的出现。另一种是模具的方向需要与翻边孔保持一致，减少模具使用期间冲量所带来的影响。目前常用的处理软件为CATIA，在具体应用中，会通过Point、Line两种软件功能，依托于冲压模具方向来展开冲压坐标系，在坐标系当中会默认Z轴作为模具的冲压方向，随后利用拔模分析工具来对所建立坐标系合规性进行分析，满足要求后可以进入到下一设计环节。

2.2 冲压力的计算

复杂型面钣金零件在生产制作过程，需要借助冲裁力来完成零件的加工处理，因此在冲模设计环节，也需要做好冲压力的计算工作，确保零件生产过程的有序性。在具体应用中，冲裁力的最大值可以根据公式F=ST（其中F表示冲裁力;S表示剪切斷面的面积;T表示材料本身的抗剪力强度。）来完成计算。而在零件实际的生产过程中，还需要考虑材料加工期间力学性能变化情况，结构之间地应用间隙等内容，那么此时在对其进行设计时，可以使用下列公式来完成计算，即F=kLDT，其中k表示生产过程中的安全系数;L表示加工过程中冲裁轮的整体长度;D表示加工板料的总厚度。利用上述两类公式来作为后续设计期间应关注的内容，这也是提升结构设计合规性的基础条件。

2.3 通用部分设计

2.3.1 主体结构设计

在对冲模结构进行应用设计时，需要先进行主体结构的应用设计，在具体应用过程中，主体结构主要是由上、下模结构和卸料结构组成。在对其展开应用设计时，需要将滚动导向作为设计过程中的副导向结构，这样可以有效提升结构导向过程的应用精度。为了满足复杂零件的生产需求，在结构设计期间，也需要在软件中对于模具的闭合高度进行调整，使模具结构的限位板能够和卸料板座进行直接关联，以此来优化弹性元件压边力的不足。所设计参数内容也需要借助软件来进行校正，修正偏差数值，提升所设计内容的精准度。对于修正后的参数信息进行保存，保持动态监督的状态，可以对生产过程中出现偏差的情况进行及时调整，从而确保所设计结构的合理性和可靠性。

2.3.2 定位装置设计

在复杂型面钣金零件制作过程中，需要进行多个步骤的应用操作，因此在前期设计期间，需要做好定位装置的设计工作，其作用便是确保料带在工作期间能够维持在比较稳定的状态，不会因此发生偏移的情况，这样也确保结构应用后能够得到和合规的生产元件。在具体的设计中，主要借助导尺、浮料销等结构来辅助结构的顺利定位，以导尺结构为例，这也是结构设计中经常使用到的结构，在具体的应用设计中，会将导尺布置在料带的送进方向，并且将其放置在凹模平面的两侧，使其和凹模的中心线保持平行，以此来确保结构稳定性。另外，定位装置的各项参数都需要在数据库内进行提前备份，这样在对其进行更换处理时可以及时更新新的数据信息，以便于设计体系内容的不断完善。

2.3.3 卸料装置设计

除了上述提到的设计内容外，还需要注意卸料装置的应用设计，在冲压模具工作过程中，其模具处于闭合的应用状态，并且弹簧结构也处于被压缩的袋状态，而此时在结构应用环节，会采用弹压卸料装置来进行处理，这样可以避免材料在应用中出现位移的情况，确保结构应用过程的完整性。同时在结构完成冲压操作之后，结构弹簧会重新复位，此时卸料板会在此作用下被卸下，而且弹压卸料也会高出模板结构，对于结构进行压住，随后再进行冲压，从而提升结构应用过程的稳定性[1]。另外，在卸料装置应用过程中，还需要依托于其他技术来不断完善设计体系，从而为卸料工作的顺利开展奠定基础。

2.4 型面模型修补

完成上述应用设计后，需要对型面模型进行修复处理，在具体应用中，可以对工艺面结构进行形状补充，并且沿着冲压方向向外延伸进行补充，使结构的完整性得到进一步提升。而且在修补过程中，还可以在补充面上进行定料销及导向销孔的布设，使其可以根据要求初步形成满足应用要求的型面模型，并且由此来组成实体结构，提高其应用效果[2]。在此过程中，也会利用相应的软件进行辅助，软件应用过程的主要作用在于，对于外形设计模块进行应用处理，了解具体的参数信息，随后以了解到的参数信息为基础条件，对于缺陷面结构进行修补，做好相应的校验处理工作，使其能够按照要求生成实体命令，满足应用要求。同时在模型修补过程中，还会对修补情况进行反馈，整理反馈信号后确定所修补参数的合规性，如果指令没有达到预期的设计效果，还需要对其进行再次调整，提高信号内容的实用性，提升修补结果的可靠性。

2.5 搭建三维模型

在具体的应用过程中，搭建三维模型属于非常重要的工作内容，而且在应用过程中，也会使用相应的应用软件来进行模块结构的设计，根据复杂零件中所需要注意的应用内容，对于实体模型中的各类参数进行优化处理，而且还需要依托于应用模型来建立翻边的凸模结构，结构的应用参数需要在前期做好应用计算，得到可靠的计算结果。从目前使用的情况来看，经常使用到的软件包括CAD软件、CATIA软件等。以CATIA软件为例，在具体应用中，可以利用 CATIA 的 Formula 功能、Design Table 功能和Catalog功能，对于结构零件参数进行细化，从而提升分析结果的应用价值[3]。并且在模型建立完成后，也需要结合实际情况来对其进行纠偏，确保各项参数信息的合理性，提前做好数据存储等工作，从而提升存储内容的合理性和合规性。

2.6 三维图纸表达

2.6.1 标注表达设计

在三维图纸表达处理的过程中，展开标注表达设计属于非常基础的工作内容，利用设计软件提供的便利条件，可以对标注内容进行合理控制。而且在此过程中也使用到了三维标注技术，对于已经建立的模具模型，对其产品的尺寸内容、公差情况、制造技术等内容来顺利完成信息的组织和表达，提升操作管理结果的可靠性。而且在具体的使用过程中，也可以借助实体化应用模型来完成产品定义处理，从而使结构在定义期间可以成为现实结构[4]。在表達过程中还需要对其他细化内容进行整理，同时兼顾一些基础参数，以满足表达结构具体的应用需求。

2.6.2 属性表达设计

与标注表达相对应的内容便是属性表达，在具体的设计表达中，也会借助字符串来进行表达。在相关设计软件的辅助下，可以借助三维模型结构规范内容来完善应用体系，并且在应用中每一条属性描述在应用中都是由标识名称或属性值构成。在应用中需要对形式内容进行确定，一般情况下都会采用属性值+数据值的方式来进行表达，对于表达的内容也需要进行细化处理，调整好各个参数信息的编号情况，对其进行基准处理，从而推升分析结果的使用价值，能够为后续参数调整提供有利参考[5]。除此之外，对于得到的属性数据也需要进行定期更新，使其可以更加契合目前的应用状态，从而提升各类数据的应用价值。

3  结束语

综上所述，基于模型的基础情况，利用设计软件中对应设计模块的优势，能够顺利完成复杂曲面冷冲压模具设计，该模具实现了外形翻边、凸筋成形、内孔翻边及锥形凸孔等工艺要求。并进一步，实现了三维图纸所需完整信息的表达，直接反映设计人员的设计意图，并被其他使用人员理解，减少因数据理解不一致导致出错的可能性。实现了三维无纸化、数字化设计及制造，从而缩短研制周期，降低研制成本。

参考文献：

[1]金吉光.基于数字化冲压件快速设计的模具设计制造[J].锻造与冲压，2020（02）：146-148.

[2]孙力伟，高阳.基于CATIA的汽车覆盖件冲压模具有限元分析[J].中国设备工程，2020（01）：186-187.

[3]王辉，刘莉滋，王海宝，周杰，卓芳.基于数值模拟的汽车冲压模具轻量化研究[J].锻压技术，2019，44（05）：116-120.

[4]郑森伟，许艳华，秦立庆，吴婧.冲压模具设计中PRO/E三维技术应用研究[J].贵阳学院学报（自然科学版），2018，13（03）：192-195，200.

[5]李海峰，郭建军，孙宏波，王春玲，董进.复杂型面钣金零件冲压模具的三维数字化设计[J].模具制造，2018，18（02）：111-114.