基于CATIA的鈑金零件展開

劉學杰，田玉艷，王亞麗

（中國飛行試驗研究院 改裝部，西安 710089）

0 引言

鈑金零件因具有結構簡單、外廓尺寸大、加工成本低等特點，廣泛應用于航空及機械工業。但鈑金零件的展開方式仍以近似解析計算為主，零件成形后需要修復尺寸，這種方式不僅浪費人力物力，而且精度差，易使工件報廢，不能與當前先進的加工方法及設備適應。

CATIA 是由法國達索公司開發的三維制圖軟件，提供強大的鈑金模塊，可以實現鈑金零件的設計、加工等。基于CATIA 的鈑金零件展開法是指通過把三維模型鈑金零件展開，將其轉換成二維工程圖,實現鈑金零件的平面展開。本文從展開原理上將其與其他兩種展開方法進行對比，尋求一種比較合理的鈑金零件展開方法，以適應當前先進的加工方法與設備。

1 鈑金零件的傳統展開法

1.1 鈑金零件的傳統展開法［1］

鈑金零件彎曲過程中長度不變的中間層，即為中性層。求解鈑金零件展開尺寸的過程，其實就是確定中性層長度的過程。

當彎曲變形程度不大（r/t 很大）時，可以認為中性層位于板料厚度中間，其曲率半徑為：

當彎曲變形程度很大（r/t 很小）時，中性層的曲率半徑為：

其中：r為彎曲件內角半徑；k為中性層位移系數；t為彎曲材料厚度，mm。一般認為，k 與厚度t 及折彎半徑r 等有關，其對應關系見表1。

表1 板料彎曲中性層位移系數

圖1 彎曲件截面圖

一般鈑金零件（包括板及圓桿類）的展開如圖1 所示，整個毛坯的展開尺寸等于彎曲零件各直線單元長度與各彎曲單元中性層展開長度的總和：

公式中的中性層位移系數k 不僅與厚度t 及折彎半徑r 有關，還與材料特性、加工設備及加工方式等有關，所以這種展開方式只能應用于一般鈑金零件的展開。

對于錐形、天圓地方體及其他不規則零件的展開，需要使用到解析法展開，不僅工作量大，公式繁瑣，精度不高，易出廢件，而且有的不規則零件可能無法按傳統的方法展開。

1.2 鈑金零件的AutoCAD 展開法

對于規則折彎類零件，AutoCAD 的展開方式與傳統展開方式一樣，這里不贅述。對于某些不規則的零件，利用AutoCAD 展開方法是先將鈑金零件的特征曲線繪出，利用影射關系確定零件展開后的一系列具有代表性的特征點，然后利用光滑曲線將各個特征點連接起來，組成封閉的曲線輪廓即被認為是零件的展開圖形。

圖2為某斜口管類零件的展開圖。零件按1∶1 比例繪出，將圓按12 等分，然后繪制長度2πr 的線段，亦將其12等分，將零件的徑向尺寸映射在線段等分點處的垂線上。將各個映射點連接與開端末尾處的垂線段成封閉的輪廓，即為斜口管類零件的展開圖。根據精度要求，可以將其24、36 等分以獲得更高的精度。

圖2 斜口管類零件展開

由上例可以看出，鈑金零件的AutoCAD 展開法是傳統展開方法的升級，使用AutoCAD 繪圖軟件將鈑金零件按映射的規律對其展開尺寸進行求解，對于某些特殊鈑金零件同樣無能為力。

2 鈑金零件的CATIA 展開法

鈑金零件的CATIA 展開法與傳統展開方法有本質的區別，CATIA 展開方法是一種參數化、智能化的三維建模過程，完全由程序模擬鈑金實際成形加工過程運算。使用CATIA 展開法需要完成鈑金零件的三維建模。首先按要求設置鈑金參數，它主要包括展開方程、材料數據和表數據的編輯確定。然后建立鈑金件的三維模型，將模型轉化為二維工程圖。

2.1 鈑金零件的參數設置

鈑彎件的厚度及缺省彎曲半徑在鈑金參數設置對話框內直接修改即可。鈑金件展開長度的計算如下：

如圖3 所示，CATIA 軟件將鈑金零件展開后分成兩部分：直線部分和彎曲部分。則尺寸L 可以用下式求解：

其中A、B、R、α、W、T 如圖3 中定義，α 單位為弧度，W為彎曲允許寬度，可以用下式進行計算：

其中，K為中性層位移系數，在缺省狀態下，根據DIN 標準將其處理成R 與T 的函數，則有：

也可以不激活這個公式，使用Knowledge advisor 工作臺對該公式進行修改，還可以根據需要給K 賦一個特定的值（見圖4）。

圖3 鈑金零件展開長度計算示意圖

圖4 K 因子賦值

2.2 基于CATIA 的鈑金零件的展開過程

CATIA 的鈑金件建模過程中需要對鈑金件加工中的工藝裂縫、折彎圓角等工藝參數進行設置。在進行零件建模設計時，如有不符合實際加工的結構或工藝性問題，CATIA 軟件將對其進行報錯處理，提示設計人員進行修改，直到滿足要求。設計完成后，應用展開命令，即可按設置的彎曲參數自動生成精確的金屬平板模型，利用工程圖模塊中的視圖投影功能將平板模型轉化成二維圖，保存為DXF、DWG 等格式的文件，以便輸出至具備處理CAD 文件能力的數控設備（數控沖床、數控切邊機等），進行零件精確下料。

3 實 例

注意：繪制“地方”草圖時，需在4 個直角處加工適當大小的圓角，以防止進行金屬墻彎曲成形時報錯（因棱角處不連續）。

圖5 天圓地方體鈑金零件展開過程

圖5（d）中虛線部分為按傳統解析法展開視圖，下端的“地方”開口處輪廓被處理成直線，上方圓口為多段弧線，為方便解析，這些元素都是按近似曲線展開的，降低了下料難度，零件成形后需要對零件進行修形以滿足使用要求。而由CATIA 展開的尺寸圖則根據零件的外形按其實際加工過程成形，然后再反推展開投影而成，更加接近零件的真實外形尺寸，可以按照其輪廓進行下料，一次加工成形。

基于CATIA 鈑金模塊的一般鈑金零件的展開比較簡單，這里不再實例介紹。

4 結語

本文從原理部分介紹，并進行了鈑金零件的幾種展開方式的對比。應用CATIA 軟件中的鈑金模塊進行鈑金零件的展開，與用傳統展開方法相比，效率及展開精度極高，能降低鈑金加工過程中因展開尺寸不合適原因而造成的返修率。基于CATIA 鈑金模塊展開的圖形數據可以與鈑金數控設備直接進行數據交換，能適應現代數控鈑金設備加工特點，為鈑金零件設計及加工的方式提供一種新的思路。

［1］翟平.飛機鈑金成形原理與工藝［M］.西安：西北工業大學出版社，1995.