鈑金回彈數模的快速設計方法

金鑫

摘 要：鈑金回彈零件主要基于橡皮囊成形，而如何快速設計符合零件生產的回彈數模，使之能符合零件交付狀態，一直是設計中的難點。對于回彈的鈑金零件，其回彈曲面的提取、回彈數模的建立、下料數據的對比，是設計回彈數學模型的重點。對鈑金零件回彈設計中存在的三個典型問題，提出了有效的實用解決方法。

關鍵詞：鈑金零件；回彈；橡皮囊；CATIA

中圖分類號：TG38 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0091-02

引言

目前，飛機眾多零件中，鈑金零件占總零件的70%左右，其加工方式和傳統的手工敲修、機器沖壓、落壓等加工方式相比，橡皮囊液壓成形，具有效率高、成本低、安全性高等優點，在鈑金零件的成形中，多用橡皮囊成形，而零件在橡皮囊成形后存在彎邊回彈現象，故零件貼無法很好的貼合模胎，需進一步的手工補修，零件表面質量比一次液壓成形低。由此，橡皮囊的準確成形，勢在必行。文獻[1]是對零件數模進行回彈補償并得到其模具工作型面及型模，實現在新淬火狀態下真正意義上的橡皮囊“一步法”成形。文獻[2]是一種考慮回彈誤差修正的模面設計方法，即在完成模具設計后，直接進行模面的調整，無須單獨對零件進行數值模擬。本文針對準確成形這一目標，在原有三維理論模型的基礎上，依據零件材料、厚度等參數，快速擬合回彈曲面，再按回彈曲面重新設計鈑金回彈數模，根據以往的經驗總結，對鈑金零件回彈設計中存在的三個典型問題，回彈曲面的提取、回彈數模的建立、下料數據的對比，提出了有效的實用解決方法。

1 回彈曲面的提取

鈑金零件彎邊為直彎邊即彎邊線為直線時，提取回彈曲面的截面線數量按長度計算即可，但很多鈑金零件的彎邊是與飛機框架或蒙皮相連接，所以彎邊形狀一般有曲度，需要考慮提取回彈曲面的截面線數量，保證誤差在允許范圍內。

1.1 回彈曲面擬合問題的解決辦法

在CATIA V5軟件系統中，通過多條截面線可重新擬合曲面。用來擬合曲面的截面線的選擇方式非常重要。它直接影響擬合曲面的精度。如下介紹一種基于截面線擬合的方法——截面線擬合曲面法。第一步，我們要找到做回彈曲面的曲面，擬合曲面的兩個方向，先將生成彎邊的最終結構形狀的理論曲面定義為工作對象，這是彎邊零件的一種毛坯狀態，而零件曲面最終輪廓即在這個基礎上形成的，只是方向改變，曲面形狀是不變的。故可提取此時曲面的兩條邊線，與曲面做多截面設置，得到十字交叉狀截面線。這里注意：當曲面非規整圖形，即周邊有曲線，這時提取的截面線應盡量多些，當在生成曲面的整個過程中，如無法確定原有曲面的邊界線時，可以提取原曲面的邊線，投影到曲面上，將曲面適當增加尺寸，這樣邊線可完整的表現在新生成的回彈曲面上，再進行適當的修剪，這樣才能得到符合要求的回彈曲面。第二步：截面線旋轉一定的角度后，將所得到的新截面線逐一按序選取，得到一個曲面，即是一個曲面擬合度較高的回彈曲面，然后用回彈曲面重新設計回彈數模即可。

1.2 誤差分析

將彎邊曲面以多截面形式劃分，生成的截面線我們稱之為關鍵線，橫縱關鍵線相互交織，其焦點稱之為關鍵點。將截面線用“截面線擬合曲面法”把擬合的曲面進行分割，分別從關鍵線長度誤差、關鍵點擬合關鍵線長度的誤差分析。經過誤差分析判斷，誤差較小，符合曲面要求。

2 回彈數模的建立

2.1 曲面增厚法

由于鈑金零件內部可能有減輕孔、加強窩等復雜結構，在設計鈑金回彈數模時遇到的問題和耗時較多。一般按鈑金零件的建模規定，需要一步一步按建模規范執行，但原有鈑金零件數模已經設計完成，而回彈鈑金數模僅對彎邊重新設計，這就使設計工作減輕很多。如何有效簡化鈑金零件的設計過程就顯得尤為重要。下面是一種利用CATIA V5軟件中“厚曲面”功能命令對曲面增厚得到鈑金零件的方法。

具體步驟如下：（1）腹板面的選取。提取鈑金零件的腹板面，此面有減輕孔、加強窩等結構，將其整體結合成一個曲面，與彎邊面銜接的部位適當進行延伸處理，與彎邊面有一定的交集，而無彎邊的一側，結構盡量保證與原零件一致，目的可省去后續的曲面邊界處理工作。如圖1所示，零件上帶有減輕孔的一面為腹板面。（2）曲面處理。選取回彈曲面，適當延伸回

彈曲面使之與腹板曲面有一定的交集，將回彈曲面與腹板曲面倒角，用切割命令，修飾多余的曲面，使最后用于增厚的曲面與原零件尺寸保持一致。（3）曲面增厚。將處理好的零件曲面，選取“厚曲面”功能命令，確定零件厚度方向和厚度值，將曲面增厚到與原零件一致即可，成形后再對彎邊邊緣處倒角即可。從圖1可以看出，不需要將零件腹板形狀投影到相應的平面上，而是直接選取零件的腹板上的所有曲面。優勢是可以直接提取輪廓形狀，與傳統建模方式相比，按步驟逐一設計，節省了大量設計數模的時間。這種曲面增厚方式是對曲面本身結構法向趨勢的一種延伸，所得結果與按步設計鈑金零件數模結果一致，是對零件形狀，輪廓信息的真實再現。但需要注意的是：在比較復雜的鈑金零件中，由于眾多限制因素，如斜下陷、不規則形狀、倒角等，如按要求將曲面整體成形后，此時會有部分曲面位置因為曲率過小等原因，可能無法快速實現“厚曲面”功能命令，這時CATIAV5軟件也會示出一個分解曲面，這個曲面是厚曲面的部分曲面，可將不能實現“厚曲面”功能命令的曲面剝離開來，將能增厚的部分增厚，但形成的結構體不是零件完整形狀，原曲率小的曲面需獨立處理再增厚，然后再增加倒角、修飾等過程，重新設計數模，故一般情況下曲面問題都可以解決。

2.2 曲面替換法

回彈鈑金數模與原理論狀態下的數模相比，區別在于彎邊回彈后彎邊角度和彎邊角度半徑的不同，而沒有回彈形變的部位，數模沒有變化。如原理論狀態下數模的建模過程是按鈑金零件建模規范執行，我們可用“曲面替換法”，簡化建模過程。具體步驟如下：（1）預先處理回彈曲面，使回彈曲面能夠完全替代原有彎邊曲面。（2）在原有理論狀態數模中，建立彎邊的步驟中，彎邊角度更改為回彈后的角度，控制曲面由原曲面替換為新的回彈曲面，彎邊角度無需更改。（3）如原彎邊有控制邊界，需要重新確定邊界，在步驟2中，選取新的邊界。這種方法適用于直彎邊、小曲率彎邊等情況，當彎邊方向有下陷或多重下陷結構時，當采用“曲面替換法”時，需要先將下陷部位取消，待回彈彎邊設計完成后，再獨立設計下陷部位，如不提前取消下陷結構，在替換曲面過程中，會產生下陷方向相反或下陷位置更改等問題。多數鈑金零件的同一彎邊高度是一樣的，也有部分彎邊為躲避結構影響，對彎邊的形狀進行重新定義，設計回彈數模時也需要將原有形狀重新定義在回彈曲面上，利于快速生產三維實體模型。

3 下料數據的對比

三維實體數模，根據零件材料厚度、彎邊內半徑、外形尺寸、展開尺寸確定回彈后的數模下料尺寸和理論狀態下的數模下料尺寸作對比。這里引用兩個概念，外形為零件腹板面與彎邊面交線得到的輪廓為外形；展開為依據零件按腹板面為基準，將彎邊面反映到腹板面，最后形成的輪廓為展開，也是零件最終的下料尺寸。表1中列取部分典型回彈零件，回彈后與理論數模，外形和展開尺寸的對比，因零件材料、厚度、彎邊高度曲率等因素，可看出零件回彈后，外形尺寸增加，而相對的下料尺寸減小，增加的尺寸小于下料減小的尺寸，故下料數據可不做更改。

注意：因考慮零件彎邊的回彈問題，彎邊回彈前后，彎邊的角度有一定的變化，此時為保證零件的精準成形，零件模胎需要重新設計生產，如需按回彈數模進行檢驗，用于檢驗的外形和展開樣板需要按新數模重新設計，保證設計生產依據的一致性。

4 結束語

本文基于CATIAV5軟件環境，針對鈑金零件回彈設計中存在的三個典型問題，結合生產實踐，提出了相應的、有效的、便捷的解決方法。經過零件實際的生產檢驗，證明這些方法不僅提高設計效率，而且零件成形精度完全符合工藝要求。

參考文獻：

[1]張凌云，萬桂波，曾一畔.CATIA二次開發回彈補償模面的獲取[J].機械設計與制造，2016（3）：247-249.

[2]楊偉俊，李東升，李小強，等.基于快速回彈補償的橡皮囊液壓成形模面設計方法[J].機械工程學報，2011（12）：67-73.endprint